功能性磁共振显像在周围神经低频电刺激对大脑影响中的应用

功能性磁共振显像在周围神经低频电刺激对大脑影响中的应用

在中风后瘫痪康复技术中，低频电疗法是一种常见的方法。它主要通过刺激周围神经，导致相关肌肉收缩，刺激相关脑区域，恢复相关的瘫痪症状，恢复瘫痪的运动功能。但是,中风后偏瘫的恢复机理以及低频电刺激周围神经时大脑产生了哪些变化目前还不是非常清楚。功能性磁共振显像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)为这些研究提供了一种有效的方法。fMRI是近十几年新发展起来的一项技术,通过血氧合水平依赖(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)效应,用快速的扫描序列即可探测到大脑内血氧水平的微小变化,进而找出相应的脑兴奋或抑制区域。运用fMRI技术在低频电经皮刺激腓总神经的同时扫描受试者大脑,即可得到电刺激时大脑的fMRI表现。本文即对此进行方法学探讨。数据和方法一、一般数据健康右利手男性志愿者6例,年龄20～25岁。所有受试者均无神经、精神损伤病史,受试前无任何不适感。二、刺激法1.导电橡胶电极材料采用NMR-Ⅱ型神经肌肉康复仪(中国人民解放军总医院理疗科研制),频率50Hz,导电橡胶电极。受试者仰卧位,右小腿下垫一软垫,使右足跟稍抬离床面,并嘱其放松,闭眼,头部制动。两电极分别置于受试者右腓骨小头下腓总神经处和右窝上,逐渐调大输出,直至受试者出现右足背屈动作。2.fmri扫描受试者先休息(无任何刺激)28s,然后进行20s电刺激,再休息70s。同时进行fMRI扫描(图1)。为控制时间方便,我们特用一触发键来控制电流的输出。控制人员及低频电刺激仪均在扫描室外,输出电流通过一屏蔽线传至两电极,以减少交流电流对核磁信号的干扰。三、保乳手术的epi序列GETWINSPEED1.5T扫描仪,头线圈。受试者仰卧,用泡沫塑料垫、面罩和绑带固定头部,采用EPI序列,TR:2000ms,TE:40ms,FA:90度,矩阵:64×64×16,层厚:5mm,层距:1.5mm。四、数据的获取和加工1.清除定所带来的误差s:为了减少磁共振显像扫描仪开始扫描时不稳定所带来的误差,机器自动把前8s资料删去,最后所得资料为休息20s,刺激20s,再休息70s,所得资料以DICOM格式导出。2.spm29格式使用ChrisRorden编写的MRIcro软件对DICOM格式资料进行转化,使其转变成SPM99能识别和处理的格式。为尽量减少电刺激后效应的影响,后面的70s休息状态所得资料不作处理,留作以后的研究。五、模型的建立及检验使用WINDOWS2000操作系统,在MATLAB5.3平台上,运用SPM99软件,先把所有资料重新排列(realignment),再标准化(normalize),平滑(smooth),最后进行刺激状态和休息状态的t检验,得出统计结果,并以伪彩色图像的形式显现出来,其中P值为发现大脑中某点在刺激状态及休息状态其信号强度相同的概率。结果一、brodman公司的脑功能分类及脑状核划分opercu-t两侧均有3处兴奋区域:①在大脑左半球,中央后回(postcentralgyrus)中上部、颞上回(superiortemporalgyrus)中上部和顶下小叶(inferiorparietallobule)前部交汇处有一兴奋区域,该兴奋区还深入到底丘脑核(subthalamicnucleus)、屏状核(claustrum)和豆状核(lenticularnucleus)。以脑功能划分,涉及Brodmann22区、40区、41区和42区。对应大脑右半球也有类似兴奋区域,但范围较小,且稍靠前,还涉及1区和2区。②双侧岛盖部(operculum)也有兴奋,左侧半球局限于颞上回颞盖(temporaloperculum)处,涉及22区和38区,右侧半球区域靠前,范围较左侧半球大,兴奋在额下回(inferiorfrontalgyrus)、颞上回、中央前回和中央后回(postcentralgyrus)交汇处,涉及1区、2区、4区、40区、41区、44区和45区。③左侧大脑半球的中央后回上部、顶上小叶(superiorparietallobule)前部、旁中央小叶(paracentrallobule)和楔前叶(precuneus)交汇处有兴奋区,涉及2区、5区和7区,右侧大脑半球则在枕上回(superioroccipitalgyrus)和顶上小叶之间有小片兴奋区域(图2)。二、脑瘫标志p0.05按P≤0.001标准,双侧均没有阳性区域,按P≤0.05标准,则在左侧大脑半球的顶上小叶和顶下小叶交汇处有小片阳性区域,涉及7区。电刺激nme的应用人的血红蛋白包括含氧血红蛋白和去氧血红蛋白两种,磁场对两种血红蛋白有完全不同的影响,故血氧合水平的高低能决定磁场对其产生不同的作用。PET研究发现,随着脑功能活动的增强,一定脑区的脑血流量相应增加,但是,大脑对氧摄取能力的增加却小于脑血流量的增加,因此兴奋区的血氧合水平反而增加,这也即是BOLD效应。应用BOLD效应,1991年,日本学者SeijiOgawa研究组开发成功世界上第一台fMRI机器。由于fMRI技术无损伤以及分辨率高,此项技术很快得到飞速发展,并应用到神经、认知和心理学等领域。大脑受损后,其自发重组即同时发生,通过康复训练能促进大脑功能的恢复。神经肌肉电刺激疗法(neuromuscularelectricalstimulation,NMES)是一种应用低频脉冲电流刺激神经或肌肉使肌肉收缩,以恢复其运动功能的方法。其频率在100Hz以下,通断比在1∶1～1∶15之间。应用NMES可以锻炼和加强肌肉的力量,防治废用性肌萎缩,并能训练肌肉做功能性动作。由于神经比肌肉更容易兴奋,因此对于正常神经支配的肌肉,电刺激首先兴奋神经,神经再将兴奋传至所支配的肌肉,引起肌肉收缩。有研究表明,NMES能增强急性和慢性偏瘫患者运动功能的恢复。我们在临床中也常用NMES对偏瘫患者进行康复治疗,并取得明显效果。但是,目前对偏瘫患者的康复机理以及NMES在治疗时大脑产生的变化还不是十分清楚。本实验通过低频电配合fMRI技术,刺激正常人腓总神经,观察了大脑的功能改变。实验结果显示双侧大脑半球的顶上小叶和顶下小叶得到兴奋。顶上区的神经纤维联系非常复杂,特别是顶上小叶与对侧肢体的精巧运动有关,它可对来自皮肤、肌腱、关节和内感受器的刺激进行高级分析综合。而优势半球的顶下小叶还与书写、计算、辨别左右方向和手指顺序、阅读及技巧运动有关。非优势半球的顶下小叶还与感知对侧躯体的存在、方位感及地形关系感有关。一般感觉和特殊感觉在顶下小叶复合与整合,具有高度分析综合能力。另外,实验还兴奋了第二语言区及颞上回后部——听觉性语言中枢。同时,实验还引起了左侧额下区前部和右侧颞下区前部的兴奋。前额区特别是眶回对躯体和内脏活动有着极其复杂的影响,而颞叶皮质与记忆有关。综上所述,低频电刺激正常健康人群的腓总神经,能引起大脑多个区域的兴奋,包括双侧皮质对与运动相关的各种感觉以及对这些感觉的高级整合等,并能引发第二语言区和听觉性语言中枢的兴奋,对内脏活动也产生了影响。这说明,对周围神经的电刺激中可以通过fMRI技术来检测大脑的反应,运用到偏瘫患者则有助于研究周围神经电刺激促进大脑功能恢复的机理。目前,国内、外对于中风后脑功能重塑和运动功能恢复机理主要有以下三方面的认识:①患肢同侧(未受损半球)大脑半球的感觉运动皮质(sensorialmotorcortex,SMC)活动增加与患肢运动功能恢复关系紧密;②中风后患肢运动功能恢复阶段,补充运动区(supplementarymotorarea,SMA)活动增加;③局部梗死灶周边未受损区域能影响大脑运动功能的恢复。本研究发现,对右侧腓总神经电刺激后,双侧大脑半球感觉运动皮质均有兴奋灶,但没有发现补充运动区兴奋性的增加,这可能与受试者为正常人,大脑对周