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脊髓损伤后脑结构和功能改变的多模态磁共振研究

侯景明  
【摘要】:研究背景和目的脊髓损伤(spinal cold injury,SCI)作为一类世界高发致残疾病,常导致患者运动和感觉功能的受损。目前对于脊髓损伤的治疗仍是全球性的医疗棘手问题,每年世界各地有成千上万的人因为各种意外事件成为不幸的脊髓损伤患者,被残酷的宣告将在轮椅上度过剩余的人生。脊髓损伤不仅给患者本人极其家庭造成巨大的精神痛苦,而且还带来了长期难以承受的经济负担,成为了目前严重的社会问题之一。深入了解脊髓损伤后运动功能的受损机制,以便能够在临床早期阶段采取一些有效的干预措施,最大可能地恢复患者的运动功能,使患者能够更好地融入社会,具有尤其重要的社会意义和经济价值。对于如何最大程度的恢复脊髓损伤患者的运动功能,一直是临床研究的热点和难点问题。在过去的几十年,众多研究者们尝试了各种方法来修复脊髓损伤,比如细胞移植、神经营养药物和组织工程技术等等,但这些治疗措施在临床上疗效欠佳。目前临床上除了脊髓减压、稳定脊柱以及伤后8小时大剂量甲强龙治疗外,对于脊髓损伤仍然缺乏有效的治疗手段。我们分析当前脊髓损伤治疗的困境,发现以往的这些研究多集中在脊髓损伤局部区域,而忽视了与脊髓结构和功能紧密相连的大脑。大脑运动皮层为什么会在脊髓损伤运动功能的恢复中起着如此重要的作用呢?这是因为轴突损伤后,轴突的再生和修复主要依赖于神经元胞体的作用。而皮质脊髓束是由大脑运动皮层的锥体细胞发出的轴突组成,因而防止脊髓损伤后大脑运动皮层神经元的损伤,是促进受损的皮质脊髓束再生和修复的重要条件。基于此点,我们推测大脑运动皮层的结构或功能变化,将会对脊髓损伤后运动功能的恢复起着重要的作用。以往对脊髓损伤的修复研究基本上都是建立在损伤后大脑运动皮层结构和功能仍然保持完整这个假设的基础上进行的。然而近年来动物实验证实脊髓损伤后大脑运动中枢神经元细胞会发生萎缩或死亡等改变。但动物实验并不能模拟人体真实环境,脊髓损伤后人体是否同样存在着大脑皮层的结构和功能改变呢?为了探索此问题,我们在本研究中拟运用多模态磁共振技术观察脊髓损伤早期脑结构和功能的重构情况,同时进一步观察了大脑结构和功能重构对运动功能恢复的影响。材料和方法本研究共分为三个部分:1.脊髓损伤患者早期大脑结构改变的初步研究采集20例早期脊髓损伤患者和30例年龄、性别匹配的健康对照者的3dmprage高分辨率磁共振数据,采用vbm8软件(认知神经科学研究所,英国)进行全脑灰、白质体积自动分析,检测脊髓损伤患者大脑灰、白质萎缩的区域。并进一步采用roi手动分析的方法,提取初级运动皮层(m1)、初级感觉皮层(s1)、辅助运动区(sma)、运动前区(pmc)、内侧前额叶以及丘脑的灰质体积,输入spss进入双样本t检验比较。然后将脊髓损伤患者大脑异常区域的体积和脊髓损伤患者的损伤严重程度(asia运动总评分和感觉评分)做相关性分析。随后根据脊髓损伤患者损伤程度的不同将患者分为两个亚组:完全性损伤组和不完全性损伤组,比较大脑萎缩程度是否存在差异。最后根据脊髓损伤患者损伤部位的不同将脊髓损伤患者分为两个亚组:颈髓损伤组和胸腰髓损伤组,比较大脑萎缩程度是否存在差异。2.脊髓损伤患者早期大脑功能改变的初步研究采集25例早期脊髓损伤患者和25例年龄、性别匹配的健康对照者的静息态fmri数据,采用spm8软件(认知神经科学研究所,英国)和rest软件(北京师范大学,中国)对数据进行预处理,数据分析采用低频振荡振幅(amplitudeoflow-frequencyfluctuations,alff)的方式来探索患者局部的脑功能改变情况,同时采用基于种子点的功能连接方式(functionalconnectivity,fc)来探索患者网络水平的脑功能改变情况。然后将脊髓损伤患者大脑功能异常区域的alff值或fc值与脊髓损伤患者的损伤严重程度做相关性分析。3.脊髓损伤后大脑结构和功能改变对运动功能恢复的影响采集25例早期脊髓损伤患者和25例年龄、性别匹配的健康对照者的3dmprage结构数据、脑白质dti数据,以及静息态功能磁共振数据。对脊髓损伤患者进行长达6个月的随访,根据患者入院6个月后的运动功能恢复程度,将脊髓患者分为两个亚组:恢复较好组和恢复一般组,并计算每个患者6个月时的运动恢复率。采用西门子磁共振工作站分析两个脊髓损伤亚组高位脊髓颈2/颈3(c2/c3)的横截面积;脑皮层厚度分析软件civiet(蒙特利尔神经病学研究所,加拿大)分析两个脊髓损伤亚组大脑皮层萎缩的区域;脑白质分析软件dti-studio(约翰霍普金斯大学,美国)分析两个脊髓损伤亚组脑白质纤维束脱髓鞘的区域;脑功能分析软件rest(北京师范大学,中国)分析两个脊髓损伤亚组网络水平脑功能重塑的模式。然后将脊髓损伤患者上述多模态磁共振指标和脊髓损伤患者6个月时的运动恢复率做pearson相关性分析。结果:1.脊髓损伤患者早期大脑结构改变的初步研究通过利用vbm的方法,我们发现脊髓损伤患者大脑灰质体积减少的区域主要位于双侧初级运动皮层、初级感觉皮层、辅助运动区和丘脑,脑白质体积减少的区域主要位于皮质脊髓束双侧大脑脚的位置。roi的手动分析的结果和vbm的结果基本一致。相关性分析显示脊髓损伤患者双侧的初级运动皮层灰质体积与患者的asia运动评分呈明显正相关(左侧,r2=0.49,p0.001;右侧,r2=0.38,p=0.003)。脊髓损伤亚组分析显示:完全性脊髓损伤患者大脑双侧初级运动皮层、初级感觉皮层、辅助运动区和丘脑的灰质体积较不完全性脊髓损伤患者的明显减少(均p0.05),说明脊髓损伤越严重,大脑运动感觉皮层灰质萎缩越严重。颈髓损伤患者大脑双侧初级运动皮层、初级感觉皮层、辅助运动区和丘脑的灰质体积较胸腰髓损伤患者的明显减少(均p0.05),说明脊髓损伤节段越靠近大脑,大脑运动感觉皮层灰质萎缩越严重。2.脊髓损伤患者早期大脑功能改变的初步研究本研究利用静息态功能磁共振技术观察了脊髓损伤早期脑局部和网络水平的功能变化情况。在局部脑功能水平,脊髓损伤患者在损伤早期双侧初级感觉运动皮层自发神经活动降低(alff值降低),而双侧小脑和右侧眶额叶的自发神经活动增强(alff值增高)。左侧小脑的alff值和脊髓损伤患者的临床asia运动评分呈负相关(r2=0.56,p0.001)。在脑功能网络水平,双侧大脑初级感觉运动皮层之间的功能联系减弱(fc值降低),而大脑半球内部一些和运动相关的脑区(初级感觉运动皮层、运动前区、辅助运动区、丘脑和小脑)功能联系增强(fc值增高)。左侧初级感觉运动皮层和左侧小脑之间的功能连接强度和患者的asia运动评分呈负相关(r2=0.33,p=0.002);右侧初级感觉运动皮层和右侧辅助运动区的功能连接强度同样和患者的asia运动评分呈负相关(r2=0.21,p=0.01)。3.脊髓损伤后大脑结构和功能改变对运动功能恢复的影响恢复一般组患者的c2/c3平均脊髓面积为73.5±5.2mm2,要明显低于健康对照组的83.2±3.9mm2(p0.001)以及恢复较好组的80.5±4.8mm2(p=0.002)。恢复较好组的脊髓面积要小于健康对照组的,但两组之间差异无明显统计学差异(p=0.091)。脊髓损伤恢复较好组和恢复一般组均出现了双侧初级运动皮层的皮层厚度萎缩,但恢复一般组的萎缩程度更严重。此外,恢复一般组患者同时还出现了右侧辅助运动区和运动前区皮层厚度的萎缩。脊髓损伤恢复较好组患者未见明显的白质纤维束脱髓鞘改变(FA值无改变),而恢复一般组患者则出现了右侧初级运动皮层以及内囊后肢皮质脊髓束脱髓鞘改变(FA值降低)。脊髓损伤患者的6个月时的运动恢复率和右侧初级运动皮层的脑白质FA值(r=0.76,P0.001)、右侧大脑辅助运动区的灰质体积(r=0.75,P0.001)、脊髓损伤患者的C2/C3脊髓横截面面积(r=0.59,P=0.002)呈正相关。以上结果说明脊髓损伤患者损伤区域以上部位结构越完整,运动功能恢复越好。两组脊髓损伤患者存在着完全不同的脑功能重塑模式。恢复一般组的患者辅助运动区、运动前区和初级运动皮层的功能连接减弱;而恢复较好组患者辅助运动区、运动前区和初级运动皮层的功能连接增强。脊髓损伤患者6个月时的运动恢复率和双侧辅助运动区的连接强度(r=0.78,P0.001)、右侧辅助运动区和右侧初级运动皮层的连接强度(r=0.75,P0.001)、以及右侧运动前区和右侧初级运动皮层的连接强度(r=0.79,P0.001)均呈正相关。以上结果说明脊髓损伤后初级辅助运动区、运动前区和初级运动皮层之间功能联系越紧密,患者运动功能恢复越好。结论:1.脊髓损伤早期脊髓损伤患者大脑会出现灰质结构的萎缩和皮质脊髓束的脱髓鞘改变。大脑萎缩程度和损伤程度以及损伤部位有一定关系:脊髓损伤越严重,大脑皮层萎缩越严重;脊髓损伤节段越靠近大脑,大脑皮层灰质萎缩越严重。2.大脑的结构萎缩对患者的运动恢复起着阻碍作用:患者大脑结构越完整,运动功能恢复越好;大脑萎缩程度越明显,运动功能恢复越差。3.脊髓损伤早期大脑会发生局部和网络水平的脑功能重塑。4.脊髓损伤后,由于初级运动皮层结构和功能受损,大脑会招募更多的运动相关脑区(辅助运动区、运动前区)参与到患者运动功能的恢复中。5.磁共振对远离脊髓损伤区域的部位(C2/C3脊髓和大脑)成像,可以作为一项有价值的检查手段来评估患者的损伤程度、判断临床预后以及监测治疗效果。


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