基于不同刺激技术下的前庭皮质定位研究

李响，司丽红，焉双梅，杨旭

早在20世纪中叶，研究者开始从动物实验中探索参与前庭信息处理的皮质结构。1949年，Walzl等[1,2]的研究中通过刺激猫的前庭神经，首次发现可在前薛氏上沟记录到动作电位。1951～1954年，Kempinsky等[3-5]对以上结果进行了验证。1965年，Beritashvili等[6]以狗作为实验动物，也发现了相似的研究结果。20世纪80年代，一些学者通过灵长类动物的电生理实验，发现前庭皮质呈网络状态广泛分布，主要包括初级体感皮质、顶叶后区、额叶皮质、海马和扣带回，其中位于岛叶/后岛叶皮质和外侧裂周围的顶-岛前庭皮质（parieto-insular vestibular cortex，PIVC）构成前庭皮质的核心区域[1,7,8]。

在人类，早期前庭皮质的发现主要基于临床病例报道。起初研究者发现在对一些有意识的癫痫患者进行电刺激颞叶皮质、顶叶后皮质、躯体感觉皮质和岛叶时，可引起相应的前庭觉反应[9,10]。近几十年，功能核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）技术迅速发展，其具有时空分辨率高、无侵入性、可重复性等优点，且时间和空间分辨率均优于正电子发射断层成像术（positron emission tomography，PET），可为激活区的前庭皮质定位提供准确可靠的依据，目前已成为最为有效、方便的脑功能成像技术。1991年Belliveau等[1]首次进行了人脑活动的fMRI研究。近年来，研究者基于温度刺激、直流电刺激及强声刺激等前庭刺激技术和fMRI的组合研究，已相继发现至少10个明显参与前庭信息加工的脑区[11-15]，广泛分布在颞顶叶交界区（temporoparietal junction，TPJ）、后脑岛、躯体感觉皮质（2v，3av区）、顶内沟（intraparietal sulcus，IPS）、后顶叶皮质（7区）、前脑岛、内侧颞叶上部（medial superior temporal area，MST）、内侧/外侧额叶皮质及扣带回和海马[16]。基于此，我们对上述不同刺激技术下的人类前庭皮质定位及投射的相关研究总结如下。

1 冷热刺激（caloric vestibular stimulation，CVS）

CVS是常见的前庭功能检查方法，其机制是当使用高于或低于正常体温的水灌入外耳道时，温度会经鼓膜、鼓室等影响水平半规管，导致其内的淋巴液比重发生改变，引起内淋巴液出现“热升冷降”的对流现象，作用于嵴帽而使之发生偏斜，引起嵴帽内毛细胞放电频率的改变，导致双侧前庭信息传入不对称而发生眼震，同时受试者出现眩晕症状。

1996年，E.Vitte等[17]最早将CVS与fMRI结合，用12℃冷水刺激健康受试者的左侧外耳道，结果显示海马呈现激活，推测海马与空间定向障碍和自我旋转感有关。Naito等[18]对12例健康受试者双侧外耳道进行冷热气体灌注并进行固视抑制，同时行PET扫描，结果发现视觉皮质、额叶眼动区、颞极和小脑蚓部的活动与冷热诱发眼震的固视抑制呈正相关，前扣带回、顶上小叶、楔叶和小脑蚓部的活动随着CVS的重复而增加。在这些区域中，楔叶在温度诱发眼震的固视抑制和适应过程中表现出显著的激活，作者推测视觉皮质中的这个区域可能被调节前庭眼反射的两种不同神经系统所共用。考虑到水的磁化率伪影等问题，Fasold等[19]用5～7℃的冷氮气分别对5例健康右利手受试者的双侧外耳道进行灌注的同时进行fMRI扫描，结果发现激活的皮质网络是一个可重复的右侧半球占优势的皮质反应网络，该反应网络包括顶岛前庭皮质、中央沟周围及顶叶、颞叶、枕叶和额叶等区域，这表明“前庭皮质”是一个分布广泛的区域。同时在温度刺激过程中，激活的脑区都表现出明显右侧优势偏向的前庭皮质反应网络，这表明与空间定位反应有关的皮质反应网络具有右侧优势性。我国学者王志[20]用0℃冰水进行前庭刺激，同时行fMRI，结果显示双侧的辅助运动区、双侧的中央旁小叶、右侧楔前叶、双侧扣带回、右侧枕上回、右侧缘上回、右侧颞上回及颞下回、右侧舌回及右侧小脑半球呈现激活，由此可以确定参与前庭性眩晕及眼震的脑功能区。而且，绝大多数激活区均位于右侧半球，激活区的偏侧性同前人所做的前庭脑功能实验非常吻合。然而，在进行CVS的同时行fMRI扫描，还能刺激到其他各种感觉系统。比如，进行灌注的水或气体的流动会产生大量噪音，从而导致听觉系统的共同激活。此外，对更高或更低温度的感知以及在极端情况下的疼痛是该方法的混杂因素。使用CVS需要注意这些混杂因素的存在。

2 前庭电刺激（galvanic vestibular stimulation，GVS）

GVS是在前庭器官/神经附近施加直流或交流电刺激，目的是在没有头部运动的情况下调节前庭末梢器官的活动，与主要刺激半规管的CVS相比，GVS刺激受试者的半规管和耳石器传入神经，同时刺激的电流强度还可以做相应的调整[21]。Elie等[22]首先利用1 Hz正弦直流电刺激的同时行fMRI扫描，研究表明，在直流电刺激双侧乳突的皮肤时，在颞顶交界处、顶内沟及额叶运动前区出现大片的激活区，这些区域与几种灵长类动物的多感觉前庭区域密切对应，包括PIVC、3aV和2v区域。为了探究不同频率交流电的前庭刺激对大脑激活模式的影响，Stephan等[23]在振幅为±2.5 mA的正弦电流刺激的同时行fMRI扫描，结果发现在5 Hz的电流刺激下，仅在躯体感觉皮质有激活；而在1 Hz和2 Hz的电流刺激期间，在缘上回、丘脑后外侧、小脑蚓部、后脑叶及海马区域呈现正激活，这些区域代表着参与头部和身体转动时前庭信息处理的脑区。

为了比较GVS期间大脑前庭皮质在H215O-PET和fMRI中的激活差异，以全面了解前庭皮质激活模式及其与其他感觉的交互作用，Bense等[24]对19例健康受试者在GVS期间同时应用混合3T PET-MRI扫描，同时在电极刺激处的皮肤使用利多卡因凝胶局部麻醉，以排除痛觉等刺激对GVS期间皮质激活的干扰。结果显示，PET和fMRI除了在上述前庭皮质的核心区域——岛叶/后岛叶皮质以及PIVC均显示类似双侧激活模式外，其他前庭相关区域也有相似的激活，如顶下小叶、额下回和前岛叶。与运动系统相关的脑区，特别是扣带回视觉区、辅助运动区和额叶眼区亦均有相似的激活模式。同时研究发现PET和fMRI均在GVS期间出现次级视觉皮质（楔前叶）的双侧去激活，提示前庭和视觉系统之间存在交互抑制作用，并认为众多感觉系统之间的相互抑制作用是维持躯体空间定位和自身运动知觉的基础。在前庭皮质的优势半球激活方面，PET显示在右侧非优势半球出现明显的激活，与早期的结构以及功能像研究类似，然而fMRI显示双侧前庭皮质对称激活，没有明显的优势偏向。作者认为可能是由于神经反射的原因，而且PET和fMRI的检测机理有所不同，故而有一定差异。虽然GVS期间行PET和fMRI扫描在某些激活模式有少许差异，但两者共同印证了前庭皮质的存在以及前庭-视觉的交互作用模式。因此，在未来的研究中可以纳入更多样本进行多模态前庭皮质的影像学研究，以揭示前庭疾病期间脑功能改变模式。

3 视觉刺激（optkinetic stimulation）

视觉刺激多为通过视动刺激的方式来诱发视动性眼震，同时行fMRI检查分析视觉、眼动及多感觉前庭皮质的激活-负激活模式。由于视动刺激并不引起明显的眩晕，因此，视动刺激主要被用来研究视眼动反射及视觉-前庭系统之间的相互作用，而非前庭皮质对眩晕信息的处理。1998年，Dieterich等[25]在10例右利手健康受试者接受水平和垂直小视野视觉刺激的同时行fMRI，分析有无固视抑制的视动刺激的差异效应，其结果显示两个半球中相同的多个视觉、眼动和前庭皮质和皮质下区域激活，且每个半球的激活程度与刺激方向无关。并且视觉运动敏感区、皮质眼动区和丘脑存在明显的右侧半球优势。Kikuch等[26]通过fMRI也证实，在小视野视觉刺激期间发现双侧半球的视觉关联区（MT/V5）、右半球视觉皮质、双侧顶上小叶和双侧额叶视野区激活增加，而在双侧PIVC区域观察到去激活，这表明确实存在视觉-前庭皮质的相互抑制作用。为了探究视觉-前庭系统之间的相互抑制作用，Robert等[27]利用fMRI探究受试者在视觉运动刺激和温度刺激期间大脑皮质激活的模式，作者将水平方向移动的视觉刺激与右耳热量灌注相结合以产生前庭激活和视觉运动，通过组合使受试者产生相同（一致）或相反反向（不一致）的自我运动感知。研究结果发现在以上条件一致时，初级和次级视觉皮质的激活增加；而以上条件不一致时，PIVC区域会优先激活。作者推测这可能反映了该区域具有消除各输入感觉之间冲突的功能。

4 强声刺激（strong acoustic stimulation）

前庭诱发肌源性电位（vestibular evoked myogenic potentials，VEMPs）主要通过给予短强声刺激球囊，研究耳石器受刺激后的皮质激活模式。相较于其他刺激方式，强声刺激应用于前庭研究的时间较晚。Miyamoto等[28]通过给予102 dB短促音刺激球囊，为排除听觉皮质激活的干扰，通过给予强度为85 dB的弱短声刺激（此时不会激活球囊斑）作为对照组，同时行fMRI。结果显示，与对照组相比，强声刺激组顶内沟、前额叶、岛叶、前扣带回、后扣带回、中央后回、辅助运动区等激活，与通过给予前庭CVS的激活的区域相似，表明半规管与球囊的信息由相同的脑皮质区域处理。Schlindwein等[29]对健康受试者的研究也进一步发现，刺激球囊后，前庭皮质的激活呈现双侧激活模式，右侧半球优势。前庭神经投射主要是同侧，而纯粹的声学刺激以相应的对侧为主，主要在左半球。在进行前庭刺激过程中，研究人员还观察到其他一些感觉系统如本体觉、视觉和听觉部分脑区的去激活[30,31]，而由视动刺激诱发头晕过程中的脑区激活-去激活模式则是相反的：当顶叶、枕叶的视觉皮质区域有激活时，多感觉前庭皮质（如核心区域PIVC）会产生去激活，其可能是由于前庭觉和视觉两种感觉系统在大脑皮质上的“相互抑制作用”引起的[32,33]，这种多感觉的交互作用在解决各感觉传入冲突时起着重要作用，可以调控转换优势感觉形式。以上发现也印证了多感觉交互抑制作用是中枢神经系统的基本机制的假说[34]。

5 小结与展望

迄今为止，无论在动物还是在人类，除了视觉、听觉和躯体感觉皮质，尚未发现特定的、单一模式的初级前庭皮质。确切地说，目前所谓的“前庭皮质”，只是指进行外周前庭刺激时，对来自丘脑的前庭信息同时感应的多个皮质区域，是一个广泛分布的多模态脑网络，且与视觉、躯体感觉、本体感觉和运动皮质有一定的重叠。而且，这些所谓的“前庭皮质”在各脑区间的相互作用，以及每个脑区如何整合多感觉传入的具体机制均尚不清楚。总之,对于人类前庭皮质功能区的认识需要进行更多、更进一步的研究。通过对这些皮质区域的深入研究能更好的解释一些临床症状及疾病的发病机制。