基于体素的形态学分析在脊髓损伤中的研究进展

包书圣，赵璨，包星星，饶家声，4

1.北京航空航天大学生物与医学工程学院生物材料与神经再生北京市重点实验室，北京100083；2.中国康复科学所康复工程研究所，北京100068；3.首都医科大学康复医学院，北京100068；4.北京航空航天大学生物医学工程高精尖创新中心，北京100083

前言

创伤性脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）是由外伤引起的脊髓结构与功能的损伤，会导致损伤水平以下感觉、运动功能的损害，对患者造成严重的生理、心理伤害，给家庭与社会带来巨大的经济负担［1］。长期以来，对SCI的研究都主要聚焦于受损水平的局部结构、功能重建［2］。而随着实验设备和方法的改进，有研究发现SCI同样会引起脑内神经结构与功能的可塑性改变［3-6］，这些变化可能会对SCI 患者的康复治疗产生重要的影响。

基于体素的形态学（Voxel-based Morphometry,VBM）是一种基于高分辨率3D T1加权图像的全脑组织形态学分析方法［7］，能够逐体素地定量计算分析脑灰、白质的体积，敏感地检测出大脑形态的局部变化，精确显示其它常规影像学方法难以检测到的细微结构改变［8］，为监测SCI 的继发性脑损伤提供有力工具。本文主要针对VBM 在SCI患者大脑微观结构变化研究中的应用展开综述。

1 SCI患者大脑的病理性变化

近年来的研究表明SCI 会对大脑产生复杂的结构、功能方面的影响。一些研究者从细胞层面对这种变化进行了分析，Sobrido-Camean 等［9］发现SCI 患者的大脑内细胞凋亡机制可能会被激活，caspase-8抗体与Fas 受体在这种激活机制中发挥重要作用，它们的活性对于SCI 患者的大脑神经元正常结构功能的维持意义重大。De Berdt 等［10］表明局部促炎性细胞因子的产生也可能加剧SCI的继发性损伤，诱发进行性的脱髓鞘和神经变性。还有一些研究采用神经影像学方法来对这些变化进行观测，Guo等［11］使用弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）测量颈髓损伤和胸髓损伤患者脑区的胼胝体、上纵束、丘脑后辐射等多个区域的弥散特性，以评估其微观结构变化，结果发现两组患者大脑的多个部位均存在不同程度的损伤，且颈髓损伤后的白质损害相比胸髓损伤更为严重，这种差异在丘脑后辐射区域表现尤为突出，这可能显示了损伤水平对损伤后白质脱髓鞘程度的影响。Jirjis 等［12］对SCI 大鼠的DTI 研究也发现了损伤后大脑内皮质脊髓束（Corticospinal Tract,CST）区域弥散特性的变化。

这些研究的结果提示SCI 患者的大脑会发生继发性的损伤，这些损伤程度严重，范围广泛，与患者感觉、运动功能恢复息息相关。虽然当前已可通过多种手段对其进行观测，但如何实现尽可能精确的监测对于阐明SCI 患者神经修复的机制及预测临床结果十分重要。VBM 技术凭借其无创性、精确性的优点，已在SCI患者大脑微结构的研究中得到了较为广泛的应用。

2 SCI的横向VBM研究

早在2004年，就有研究者将VBM 技术应用于SCI，Crawley 等［13］分别使用手动测量和自动VBM 测量的方法对颈髓损伤患者的初级运动皮质（Primary Motor Cortex,M1）的灰、白质体积变化进行了探索，VBM 结果显示患者大脑M1 的灰质体积相较对照者虽有降低，但幅度很小，只有3.8%，不具有统计学意义，因此认为SCI 患者大脑M1 内更可能发生了功能重塑而非解剖结构的改变。Jurkiewicz 等［14］则对颈髓损伤患者的初级躯体感觉皮质（Primary Somatosensory Cortex, S1）进行了研究，结果发现患者的双侧S1 的灰质体积出现了明显降低，表明SCI患者的大脑S1 内可能会出现皮质萎缩。Wrigley等［15］对完全性胸髓损伤后人运动皮质的解剖学变化展开了较为系统的研究，通过VBM 检测发现患者在M1、内侧前额叶皮质和前扣带回（Anterior Cingulate Cortex,ACC）内的灰质体积下降，对相同区域内DTI结果的分析也得到了同样的结论。他们认为先前的VBM 研究中之所以难以检测到M1 中显著的灰质体积改变，可能是由于患者的损伤严重程度较为混杂，既包括完全性损伤，又包括不完全性损伤。这些研究对SCI患者大脑皮质的体积变化进行了初步探索，发现大脑M1、S1 等区域可能存在的萎缩，但他们大都止步于对损伤后大脑本身结构的观测，而未对皮质萎缩与患者临床表现间潜在的相关性做更深入的研究。

Freund 等［16］采用脊髓横截面面积测量、VBM、基于体素的皮质厚度测量等方法对颈髓损伤后脊髓和大脑的解剖结构变化进行全面的横向研究，并分析这些指标与患者上、下肢功能表现间的相关性。结果表明相较于对照组，患者的脊髓横截面面积减少了约30%，锥体、左小脑脚区域的白质体积和M1、S1区域的灰质体积显著较低，且在M1、S1 区域还存在皮质变薄的现象。更大的脊髓面积以及M1 中更高的灰质体积与患者的临床表现之间显著相关。在其后续研究中，他们还将VBM 应用于颅皮质脊髓束的DTI 图像分析［17-18］，并在患者的锥体、内囊、M1 区域检测到了显著的部分各向异性降低，在大脑脚区域检测到了显著的轴向弥散率降低，在锥体和大脑脚区域检测到了显著的径向弥散率降低，这一般被认为是由轴突变性和脱髓鞘所导致［19］。同样，他们也发现了这些弥散特性变化与脊髓面积萎缩、上肢运动功能障碍之间的相关性［18］。Freund 等［16-18］的一系列实验系统地揭示了SCI患者大脑皮质萎缩（微观结构）与脊髓本身形态（宏观结构）、临床表现评分（功能评价）等多项指标间的潜在联系，表明对大脑微观结构的VBM 研究有潜力用于对患者损伤程度的监测。但这些研究也存在一个问题，即它们大都是对单一时间点的患者进行横向研究，而SCI患者的神经退变是一个进行性的过程。在临床应用中，对患者的恢复情况进行持续的监测具有重要意义。因此，对SCI患者大脑微观结构纵向变化的VBM 研究亦十分必要。

3 SCI的纵向VBM研究

Freund 等［20］率先将VBM 技术用于检测急性SC患者损伤水平以上的纵向神经退变过程。他们招募了13 名患者和18 名对照者，在基线、2 个月、6 个月、12 个月时，分别采用国际脊髓损伤神经学分类标准（International Standards for the Neurological Classification of Spinal Cord Injury, ISNCSCI）和脊髓独立性评定（Spinal Cord Independence Measure,SCIM）两种方式对患者的临床康复水平进行评估，同时使用VBM 方法测量患者和对照者的颅皮质脊髓束和感觉运动皮质的灰、白质萎缩。结果显示在内囊水平和右大脑脚水平，患者CST 白质体积和左侧M1 灰质体积减少的速度要快于对照组。12 个月时患者SCIM 评分的改善与内囊水平和左大脑脚水平CST白质体积损失的减少有关，ISNCSCI运动评分的改善则与右内囊水平CST 周围白质体积损失的减少相关。这项纵向研究对SCI 患者神经退变过程的时空模式及其与临床结果的关系进行了探索，发现在损伤后的头几个月内，患者皮质脊髓轴突和感觉运动皮质区域内会发生广泛的上游萎缩和微结构改变，且这种退变速度与他们的临床表现之间存在相关性，萎缩速度越快，临床结果评分越差。Ziegler等［21］的纵向研究则对急性SCI 患者两年内的皮质萎缩和临床康复情况进行随访，结果显示患者在延髓、小脑脚、右内囊水平的CST 和小脑蚓部存在显著的白质体积下降，在左岛叶、左ACC和右丘脑存在显著的灰质体积下降。他们还对这种萎缩的时间模式进行了模拟，并使用基线后6个月时的皮质体积变化较准确地预测了24 个月时的临床结果。Seif 等［22］也得出了类似的结果，他们发现了基线时患者左侧小脑灰质体积与基线后12 个月时美国脊柱损伤协会（American Spinal Injury Association,ASIA）轻触觉评分之间的相关性。这些研究表明：在损伤部位远端，即脑水平的微结构MRI 结果可作为急性SCI 的神经影像生物标记。能够对大脑皮质结构体积进行精确测量的VBM 技术在监测SCI 后患者脑部细微变化、预测临床康复结果方面具有巨大的潜力。

4 可能影响VBM结果的因素

关于SCI 患者大脑内的灰、白质萎缩情况，不同研究得到的结论不尽相同。一方面，一些研究者对这些结果进行系统归纳，以找寻不同实验结果之间可能的共性。如Nardone等［23］提出大部分VBM 研究都显示在患者双侧S1存在明显的灰、白质萎缩，而对M1 中灰质萎缩研究的结果则分歧较大，其它较常出现萎缩的皮质区域主要包括ACC、岛叶、额中回和辅助运 动区（Supplementary Motor Area, SMA）等。Wang 等［24］荟萃分析纳入了12 个灰质体积数据集、9个白质体积数据集，共466 名对象（190 名患者、276名对照者）的数据，对大量数据检验的结果表明：与对照组相比，患者的感觉运动系统区域，包括双侧S1、双侧M1、SMA、中央旁小叶、丘脑、基底节中表现出明显的灰质萎缩，在CST 中表现出明显的白质萎缩。另一方面，大量研究针对可能会导致损伤后皮质萎缩差异的因素进行了探索，如损伤持续时间、损伤严重程度、临床康复情况等。

4.1 损伤持续时间

Hou 等［25］针对SCI 患者大脑皮质的早期结构变化进行了研究，所纳入患者的损伤持续时间为4～12周，平均损伤持续时间为（8.9±2.7）周，VBM结果显示患者在M1、S1、SMA和丘脑中存在显著的灰质萎缩，在双侧大脑脚水平的CST 中存在显著的白质萎缩，且患者M1 的灰质体积与ASIA 总运动评分呈正相关。Chen 等［26］研究将SCI 患者分为亚急性（损伤持续时间<1年）和慢性（持续时间>1年）亚组，发现虽然患者的背侧ACC、双侧前岛叶、双侧眶额叶（Orbital Frontal Cortex,OFC）、右颞上回中的灰质体积相较对照者显著降低，但不同亚组间的差异并不显著。在亚急性亚组中，背侧ACC 的灰质体积与临床总运动评分呈正相关，右侧OFC 的灰质体积与损伤持续时间呈负相关。Holler 等［27］研究则未发现损伤持续时间（亚急性vs慢性）对皮质体积的影响。这些结果表明：在大脑感觉运动系统中出现的显著微观结构变化可能主要发生在SCI后较为早期的阶段内，因此在损伤后亚急性期与慢性期的皮质体积间才无法检测到明显差异。这也与Freund 等［20］的纵向研究结果吻合，在扫描基线后6 个月，大脑皮质的萎缩速率出现了明显下降。

4.2 损伤严重程度

Chen等［26］研究还对完全性损伤和不完全性损伤亚组的灰质体积进行了比较，结果并未发现两组之间的显著差异，在完全性损伤亚组中，右侧OFC 的灰质体积与左肢的临床运动评分呈正相关。Karunakaran等［28］则更进一步对完全性损伤患者中截瘫和四肢瘫亚组的灰质体积差异进行研究，发现四肢瘫患者中的灰质体积下降相较截瘫患者和健康对照者更为明显。目前关于损伤严重程度差异方面的研究还相对较少，因此对于SCI患者大脑皮质体积是否会受到其影响，还难以得出结论。

4.3 临床康复情况

随着用于SCI 治疗的各种干预措施逐步进入临床试验，越来越多的研究者开始将目光聚焦于对患者康复状况的监测评估，VBM 技术也在其中起到了重要作用。Villiger 等［29］综合使用VBM、基于体素的皮质厚度和基于张量的形态学技术来评价在不完全性SCI患者中虚拟现实强化下肢康复训练的作用，结果显示在进行了虚拟现实强化训练后的患者大脑皮质中确实存在体积损失的改善。Hou 等［30］对损伤后运动功能恢复良好和运动功能恢复较差的患者间大脑微结构的差异进行研究，对DTI 图像的VBM 分析显示：与恢复良好患者相比，恢复较差患者在双侧M1 和右侧内囊处存在显著的各向异性值降低。Chen 等［31］研究了SCI 患者脑内视觉相关皮质的结构变化，VBM 结果表明：相较健康对照者，SCI 患者在左海马、海马旁回、右额上回、额中回区域表现出明显的灰质萎缩，这也揭示了视觉反馈训练对SCI患者运动功能康复的可能影响。在其另一项对SCI 患者感觉相关皮质的研究中［32］，在患者左顶上小叶中检测到了灰质体积下降，在右颞叶、右枕叶和右距状回中检测到白质体积下降，但并未在一些公认与感觉功能密切相关的区域，如S1、次级躯体感觉皮质和丘脑中检测到微结构变化，这可能表明SCI导致躯体感觉功能受损后，大脑内并非通过这些传统感觉通路，而是通过可能的替代通路来实现对感觉功能的重组［33］，这可为损伤后患者感觉功能的康复治疗提供新的视点。

还有一些研究者针对困扰某些SCI 患者已久的神经性疼痛（Neuropathic Pain,NP）现象进行了探索。Mole 等［34］使用VBM方法对存在NP 的SCI 患 者（SCI-P）、无NP 的患者（SCI-N）以及健康对照组的大脑皮质进行了比较，结果表明SCI-P 组相较SCI-N组，其双侧躯体感觉皮质的灰质体积显著较低，且灰质体积与疼痛强度呈负相关；SCI-P 组相较对照组，其S1 的灰质体积减少，CST 的白质体积减少；SCI-N组相较对照组，其S1的灰质体积增加，CST 的白质体积减少，但程度较轻，且在视皮质中出现了灰质体积增加和白质体积减少。Jutzeler 等［35］对SCI 患者神经性疼痛的VBM 研究则显示：NP 的出现与患者左侧ACC、右侧M1 的灰质体积增加和右侧S1、丘脑的灰质体积下降相关。这些研究有助于从微观结构层面了解NP 的潜在发病机制，对预防和管理难治性神经疼痛，尽可能降低SCI患者的生理心理痛苦具有重要临床意义。

5 局限性

虽然VBM 技术在SCI患者的大脑微结构研究中发挥了重要作用，但这些研究也存在一定的局限性。

5.1 VBM技术本身的局限性

VBM 本质上是通过对磁共振图像进行算法处理来实现后续的一系列操作，因此图像质量对VBM 的影响非常重大，有一些研究就提出：由于DTI 图像的较低分辨率，在对其进行VBM 处理过程中，更容易在图像配准、组织特异性、平滑等方面出现错误［36-37］。因此，高质量的磁共振图像的获取十分重要。

同时，对VBM 处理过程中一些参数的选择也可能对结果产生影响，其中较为常见的是平滑核大小的选择［8］：若平滑核过小，可能会导致图像间缺乏一致性，难以进行比较；若平滑核过大，则可能会掩盖一些细微的结构差异，导致对结果的误判。这就需要研究者综合考虑自身实验性质，谨慎选择适宜参数。

5.2 VBM研究的局限性

纵观SCI 中VBM 研究的发展进程，我们可以发现，横向研究占了大多数，而纵向研究相对较少，考虑到研究所需的时间、经济成本，这种现象也不难理解。但即使是这些纵向研究也存在一个普遍的问题：无法获得损伤前健康状态下的磁共振数据，最早的基线数据也是损伤后的结果［23］。这种正常状态数据的缺失使得损伤前后大脑细微结构差异的研究变得困难，在一定程度上阻碍了研究人员揭示SCI对于大脑皮质影响。在这种情况下，系统的动物实验，尤其是对高等非人灵长类动物的SCI 磁共振研究可能能够提供更多有用的信息［38］。

此外，一些研究纳入的患者数量相对较少，尤其是在那些需要将患者分为不同亚组的实验内，每个亚组内较少的样本量可能会进一步导致统计效力的削弱［26-28］。

6 结语

VBM 技术已在对SCI 患者大脑微结构的研究中得到了较为广泛的应用，虽然还存在一些不足，但其依旧为监测SCI患者大脑皮质体积的细微变化，探索脑内继发性损伤的病理生理机制，预测患者临床康复的结果，促进新型治疗干预措施的应用做出了重要贡献。随着VBM 技术的日臻完善和人们对神经系统认识的不断加深，SCI患者的病理生理改变必将得到更为精确的观测，其潜在机制也将得到进一步阐明，从而为未来SCI 患者的康复治疗奠定坚实的基础。