脊髓損傷后腦結構和功能改變的多模態(tài)磁共振研究.pdf

1、研究背景和目的:
　　脊髓損傷(spinal cold injury，SCI)作為一類世界高發(fā)致殘疾病，常導致患者運動和感覺功能的受損。目前對于脊髓損傷的治療仍是全球性的醫(yī)療棘手問題，每年世界各地有成千上萬的人因為各種意外事件成為不幸的脊髓損傷患者，被殘酷的宣告將在輪椅上度過剩余的人生。脊髓損傷不僅給患者本人極其家庭造成巨大的精神痛苦，而且還帶來了長期難以承受的經濟負擔，成為了目前嚴重的社會問題之一。深入了解脊髓損傷后運動功能的受

2、損機制，以便能夠在臨床早期階段采取一些有效的干預措施，最大可能地恢復患者的運動功能，使患者能夠更好地融入社會，具有尤其重要的社會意義和經濟價值。
　　大腦運動皮層為什么會在脊髓損傷運動功能的恢復中起著如此重要的作用呢？這是因為軸突損傷后，軸突的再生和修復主要依賴于神經元胞體的作用。而皮質脊髓束是由大腦運動皮層的錐體細胞發(fā)出的軸突組成，因而防止脊髓損傷后大腦運動皮層神經元的損傷，是促進受損的皮質脊髓束再生和修復的重要條件。基于此點，

3、我們推測大腦運動皮層的結構或功能變化，將會對脊髓損傷后運動功能的恢復起著重要的作用。
　　以往對脊髓損傷的修復研究基本上都是建立在損傷后大腦運動皮層結構和功能仍然保持完整這個假設的基礎上進行的。然而近年來動物實驗證實脊髓損傷后大腦運動中樞神經元細胞會發(fā)生萎縮或死亡等改變。但動物實驗并不能模擬人體真實環(huán)境，脊髓損傷后人體是否同樣存在著大腦皮層的結構和功能改變呢？為了探索此問題，我們在本研究中擬運用多模態(tài)磁共振技術觀察脊髓損傷早期腦結

4、構和功能的重構情況，同時進一步觀察了大腦結構和功能重構對運動功能恢復的影響。
　　材料和方法:
　　本研究共分為三個部分:
　　1.脊髓損傷患者早期大腦結構改變的初步研究
　　采集20例早期脊髓損傷患者和30例年齡、性別匹配的健康對照者的3D MPRAGE高分辨率磁共振數(shù)據，采用VBM8軟件（認知神經科學研究所，英國）進行全腦灰、白質體積自動分析，檢測脊髓損傷患者大腦灰、白質萎縮的區(qū)域。并進一步采用ROI手動分析

5、的方法，提取初級運動皮層(M1)、初級感覺皮層(S1)、輔助運動區(qū)(SMA)、運動前區(qū)(PMC)、內側前額葉以及丘腦的灰質體積，輸入SPSS進入雙樣本t檢驗比較。然后將脊髓損傷患者大腦異常區(qū)域的體積和脊髓損傷患者的損傷嚴重程度(ASIA運動總評分和感覺評分)做相關性分析。隨后根據脊髓損傷患者損傷程度的不同將患者分為兩個亞組:完全性損傷組和不完全性損傷組，比較大腦萎縮程度是否存在差異。最后根據脊髓損傷患者損傷部位的不同將脊髓損傷患者分為兩

6、個亞組:頸髓損傷組和胸腰髓損傷組，比較大腦萎縮程度是否存在差異。
　　2.脊髓損傷患者早期大腦功能改變的初步研究
　　采集25例早期脊髓損傷患者和25例年齡、性別匹配的健康對照者的靜息態(tài)fMRI數(shù)據，采用SPM8軟件（認知神經科學研究所，英國）和REST軟件（北京師范大學，中國）對數(shù)據進行預處理，數(shù)據分析采用低頻振蕩振幅(amplitude of low-frequencyfluctuations，ALFF)的方式來探索患者

7、局部的腦功能改變情況，同時采用基于種子點的功能連接方式(functional connectivity，F(xiàn)C)來探索患者網絡水平的腦功能改變情況。然后將脊髓損傷患者大腦功能異常區(qū)域的ALFF值或FC值與脊髓損傷患者的損傷嚴重程度做相關性分析。
　　3.脊髓損傷后大腦結構和功能改變對運動功能恢復的影響
　　采集25例早期脊髓損傷患者和25例年齡、性別匹配的健康對照者的3D MPRAGE結構數(shù)據、腦白質DTI數(shù)據，以及靜息態(tài)功能

8、磁共振數(shù)據。對脊髓損傷患者進行長達6個月的隨訪，根據患者入院6個月后的運動功能恢復程度，將脊髓患者分為兩個亞組:恢復較好組和恢復一般組，并計算每個患者6個月時的運動恢復率。采用西門子磁共振工作站分析兩個脊髓損傷亞組高位脊髓頸2/頸3(C2/C3)的橫截面積;腦皮層厚度分析軟件CIVIET(蒙特利爾神經病學研究所，加拿大)分析兩個脊髓損傷亞組大腦皮層萎縮的區(qū)域;腦白質分析軟件DTI-Studio(約翰霍普金斯大學，美國)分析兩個脊髓損傷亞

9、組腦白質纖維束脫髓鞘的區(qū)域;腦功能分析軟件REST(北京師范大學，中國)分析兩個脊髓損傷亞組網絡水平腦功能重塑的模式。然后將脊髓損傷患者上述多模態(tài)磁共振指標和脊髓損傷患者6個月時的運動恢復率做Pearson相關性分析。
　　結果:
　　1.脊髓損傷患者早期大腦結構改變的初步研究
　　通過利用VBM的方法，我們發(fā)現(xiàn)脊髓損傷患者大腦灰質體積減少的區(qū)域主要位于雙側初級運動皮層、初級感覺皮層、輔助運動區(qū)和丘腦，腦白質體積減少的

10、區(qū)域主要位于皮質脊髓束雙側大腦腳的位置。ROI的手動分析的結果和VBM的結果基本一致。相關性分析顯示脊髓損傷患者雙側的初級運動皮層灰質體積與患者的ASIA運動評分呈明顯正相關(左側，r2=0.49，P＜0.001;右側，r2=0.38，P=0.003)。
　　脊髓損傷亞組分析顯示:完全性脊髓損傷患者大腦雙側初級運動皮層、初級感覺皮層、輔助運動區(qū)和丘腦的灰質體積較不完全性脊髓損傷患者的明顯減少(均P＜0.05)，說明脊髓損傷越嚴重，

11、大腦運動感覺皮層灰質萎縮越嚴重。頸髓損傷患者大腦雙側初級運動皮層、初級感覺皮層、輔助運動區(qū)和丘腦的灰質體積較胸腰髓損傷患者的明顯減少(均P＜0.05)，說明脊髓損傷節(jié)段越靠近大腦，大腦運動感覺皮層灰質萎縮越嚴重。
　　2.脊髓損傷患者早期大腦功能改變的初步研究
　　本研究利用靜息態(tài)功能磁共振技術觀察了脊髓損傷早期腦局部和網絡水平的功能變化情況。在局部腦功能水平，脊髓損傷患者在損傷早期雙側初級感覺運動皮層自發(fā)神經活動降低(AL

12、FF值降低)，而雙側小腦和右側眶額葉的自發(fā)神經活動增強(ALFF值增高)。左側小腦的ALFF值和脊髓損傷患者的臨床ASIA運動評分呈負相關(r2=0.56，p＜0.001)。在腦功能網絡水平，雙側大腦初級感覺運動皮層之間的功能聯(lián)系減弱(FC值降低)，而大腦半球內部一些和運動相關的腦區(qū)（初級感覺運動皮層、運動前區(qū)、輔助運動區(qū)、丘腦和小腦）功能聯(lián)系增強(FC值增高)。左側初級感覺運動皮層和左側小腦之間的功能連接強度和患者的ASIA運動評分呈

13、負相關(r2=0.33，P=0.002);右側初級感覺運動皮層和右側輔助運動區(qū)的功能連接強度同樣和患者的ASIA運動評分呈負相關(r2=0.21，P=0.01)。
　　3.脊髓損傷后大腦結構和功能改變對運動功能恢復的影響
　　恢復一般組患者的C2/C3平均脊髓面積為73.5±5.2 mm2，要明顯低于健康對照組的83.2+3.9 mm2(P＜0.001)以及恢復較好組的80.5+4.8 mm2(P=0.002)?；謴洼^好組的

14、脊髓面積要小于健康對照組的，但兩組之間差異無明顯統(tǒng)計學差異(P=0.091)。
　　脊髓損傷恢復較好組和恢復一般組均出現(xiàn)了雙側初級運動皮層的皮層厚度萎縮，但恢復一般組的萎縮程度更嚴重。此外，恢復一般組患者同時還出現(xiàn)了右側輔助運動區(qū)和運動前區(qū)皮層厚度的萎縮。脊髓損傷恢復較好組患者未見明顯的白質纖維束脫髓鞘改變(FA值無改變)，而恢復一般組患者則出現(xiàn)了右側初級運動皮層以及內囊后肢皮質脊髓束脫髓鞘改變(FA值降低)。脊髓損傷患者的6個月

15、時的運動恢復率和右側初級運動皮層的腦白質FA值(r=0.76，P＜0.001)、右側大腦輔助運動區(qū)的灰質體積(r=0.75，P＜0.001)、脊髓損傷患者的C2/C3脊髓橫截面面積(r=0.59，P=0.002)呈正相關。以上結果說明脊髓損傷患者損傷區(qū)域以上部位結構越完整，運動功能恢復越好。
　　兩組脊髓損傷患者存在著完全不同的腦功能重塑模式?；謴鸵话憬M的患者輔助運動區(qū)、運動前區(qū)和初級運動皮層的功能連接減弱;而恢復較好組患者輔助運

16、動區(qū)、運動前區(qū)和初級運動皮層的功能連接增強。脊髓損傷患者6個月時的運動恢復率和雙側輔助運動區(qū)的連接強度(r=0.78，P＜0.001)、右側輔助運動區(qū)和右側初級運動皮層的連接強度(r=0.75，P＜0.001)、以及右側運動前區(qū)和右側初級運動皮層的連接強度(r=0.79，P＜0.001)均呈正相關。以上結果說明脊髓損傷后初級輔助運動區(qū)、運動前區(qū)和初級運動皮層之間功能聯(lián)系越緊密，患者運動功能恢復越好。
　　結論:
　　1.脊髓

17、損傷早期脊髓損傷患者大腦會出現(xiàn)灰質結構的萎縮和皮質脊髓束的脫髓鞘改變。大腦萎縮程度和損傷程度以及損傷部位有一定關系:脊髓損傷越嚴重，大腦皮層萎縮越嚴重;脊髓損傷節(jié)段越靠近大腦，大腦皮層灰質萎縮越嚴重。
　　2.大腦的結構萎縮對患者的運動恢復起著阻礙作用:患者大腦結構越完整，運動功能恢復越好;大腦萎縮程度越明顯，運動功能恢復越差。
　　3.脊髓損傷早期大腦會發(fā)生局部和網絡水平的腦功能重塑。
　　4.脊髓損傷后，由于初級運