运动模式对脑激活区活动的影响

运动模式对脑激活区活动的影响

目前，随着功能磁共振成像技术的不断完善，其研究范围日益广泛。许多研究提示,该技术不仅能用来研究脑的学习、记忆等正常生理机制,而且可用于分析脑损伤后功能再塑过程。本研究的目的是探索在简单动作(反复连续的手指对指动作)、假想动作及随意动作(抓物体)三种模式下左、右利手运动时,脑内激活区的分布情况,试图阐述人脑在简单动作、随意动作及涉及高级智能参与的假想动作时脑内不同的响应机制,为脑卒中及颅脑外伤瘫痪后重建运动模式的分析以及对指导临床中枢性瘫痪的康复训练提供依据。数据和方法一、5岁正常人12例,其中男6例,女6例;年龄18~45岁,平均(29.33±9.60)岁;右利手8例,左利手4例。所有受试者均无神经系统疾病,常规磁共振检查结果正常。二、方法12例均采用GESignaMRIHiSpeed1.5超导磁共振扫描机,用标准的头颅环形极化线圈固定受试者头部,防止移动。1.核磁共振脑功能图的生成先行矢状位T1加权定位像的扫描(500/50/1)[重复时间(TR)/回波时间(TE)/激励次数],在完成常规脑扫描确定无异常后,在矢状位图像上定位4层T1加权轴位图像,层厚为6mm,层间隔为2mm,位置自胼胝体体部上缘开始,到颅骨下缘。在矢状位图像定位4层T1加权冠状位图像,层厚为10mm,层间隔为3mm,扫描层面平行于脑干,前缘为脑干前缘,包括小脑大部分,此轴位及冠状位图像将作为功能图的参考图像。磁共振脑功能资料是用单次触发,梯度回波平面回波技术获得,TR:2000,TE:60,反转角:90°,矩阵为128×192,视野为24cm,扫描时间为4∶16,每层每2s获得一幅图像,每层共128幅图像,4层共获得512幅图像。受试者分别进行简单动作、假想动作、随意动作的轴位及冠状位图像的扫描,共6次扫描,总扫描时间约30min。2.动作的动作学习受试者均在清醒状态下完成试验,试验前进行了简单动作及假想动作的练习,随意动作的内容事先未告知受试者。检查期间要求受试者闭目、彻底放松、不能有其它脑内活动及不能有任何头部运动。①简单动作,前16s为机器获取校正图像,然后依次为20s的休息期,20s受试者开始右手的拇指依次快速与其它4指对指,20s受试者开始左手的拇指依次快速与其它4指对指,在休息期手无动作,右手动作期间左手无动作,左手动作期间右手无动作。休息、右手动作、左手动作为1个周期,共4个周期。指令的发出为操作者轻拍受试者需要做动作的手。②假想动作,前16s为机器获取校正图像,然后依次为20s的休息期,20s受试者开始假想右手的拇指依次快速与其它4指对指,20s受试者开始依次假想左手的拇指依次快速与其它4指对指。休息、假想右手动作、假想左手动作为1个周期,共4个周期。指令的发出为操作者轻拍受试者需要做动作的手。③随意动作,前16s为机器获取校正图像,然后依次为20s的休息期,20s受试者开始在操作者的指令下右手摸不同形状木块(三角形、长条形、正方形),20s受试者开始在操作者的指令下左手摸不同形状木块。休息、右手动作、左手动作为1个周期,共4个周期。3.左动作和右动作对比利用工作站(SUN,GEAdvancedWorkstation3.1)的Function1.9软件进行图像的后处理,剔除前16s校正图像期间所采集的数据后,再进行计算,获得正相关系数(correlationcoefficient,CC)的脑功能图。检测感兴趣区的相关系数值,相关系数≥0.5的区域为激活区。右手动作的兴奋区的重建方法是:将前16s获得的图像剔除,然后20s获得的休息期图像为对照参数,接着20s获取的右手动作的图像为右手兴奋区正相关参数,其后20s左手动作及接着的20s休息期获得的资料为右手对照参数,依次类推,处理后为右手脑功能兴奋图(图1~3)。左手相反,将右手动作期和休息期获得的图像为左手对照参数,左手动作时获得的图像为正相关参数。将所得脑功能图像迭加于相应的轴位或冠状位T1的解剖图上(图4~6),对被激活的感兴趣区进行记数。对同一受试者不同时间的2次检查结果进行对照,评价可重复性。三、左、左动作对照基线资料分析采用SPSS软件包作精确概率法(Fisher'sexacttest)检验。剔除剔除对照基线对照基线¯右手动作右手动作¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯对照基线对照基线¯右手动作右手动作¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯对照基线对照基线¯右手动作右手动作¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯对照基线¯右手动作对照基线剔除对照基线¯左手动作对照基线¯左手动作对照基线¯左手动作对照基线¯左手动作注:______为校正期______为休息期______为动作期图2右、左手兴奋区相关处理模式图各类运动动作的激活区根据所定的相关系数,利用专用软件进行脑功能图的处理,除2例受试者各有一侧的假想动作在脑内未产生激活外,12例受试者其它各动作模式均获得满意的图像。对被激活的感兴趣区进行计数,结果如图4所示,根据Fisher'sexacttest(2-Tail)分析,随意动作同侧激活的数目多于简单动作(P<0.05〉,而对侧无明显差异(P>0.05)。在进行利手、非利手简单动作和随意动作时,于对侧中央前、后回,相当于初级躯体感觉运动区(SM1)均可见簇状的激活区,且多为激活簇分布较多的功能区,而非利手在两种模式下可见同侧有少量的SM1激活。除SM1外,12例受试者在双侧辅助运动区(SMA)、前运动区(PMA)也有较多量激活(表1)。在上述模式下,顶上小叶也有较多激活,表现为对侧激活比同侧多,小脑半球同侧激活多见,基底节也有少量激活。受试者进行假想动作时,主要激活区为额上回、额中回,顶上小叶也可见多量激活;扣带回、小脑、脑干、中央旁小叶、基底节也见少量激活(表2)。在上述简单动作和随意动作模式下,随机选择4例受试者,其2次所诱导的激活簇分布部位基本相同或相似,以SM1、SMA和PMA区为主,同侧小脑也有激活。假想动作模式下,以额上、中回,顶上小叶区为主激活。激活区可重复性达85%,2次刺激时间间隔24h~1周。讨论一、依赖的影像学特性脑功能磁共振成像技术的基础是当脑内功能区局部活动增强时,局部脑血流量(cerebralbloodflow,CBF)和氧消耗量增加。目前最常用的相对较敏感的技术为血氧水平依赖(bloodoxygenationleveldependent,BOLD)。BOLD技术所采集的磁共振信号反映的是局部毛细血管床和静脉床中血氧饱和度的变化。局部CBF和氧消耗量的增加,导致了该部位毛细血管床和静脉床中血氧饱和度增加。血氧饱和度增加导致磁共振上T2*和T2驰豫时间延长,通过相关系数的后处理软件,显示脑内兴奋的功能区。刺激方式的选择与皮层功能区的激活具有明显的相关性,本实验也证实了这一点。作为脑功能MR研究中最常用的手指运动刺激法也被本实验选用,主要考虑手在大脑皮层功能区中所占的区域较大,利于研究。二、三种模式是启动大脑激活的机制1.利手和非利手单简单动作是一种经过长期的练习后,不再需要涉及过多神经活动,已在脑内形成了固定的激活模式,所引起的脑内神经活动是最少的。本研究也证实了进行对指运动所激活的脑皮层功能区较少,其中,利手简单运动时激活区明显少于非利手侧。就各主要激活区而言,除小脑外,利手运动时所产生的同侧激活区激活要明显少于非利手,只有近50%的试验者简单动作上有小脑激活,利手和非利手侧都多在同侧小脑激活,与文献报道相似。但本试验中利手侧有4例对侧小脑激活,而非利手没有对侧小脑激活,小脑的这种表现是与大脑不同的。SM1区及其它试验结果与文献报道一致,利手侧手简单动作均为对侧SM1激活,没有同侧SM1激活,这在本试验的三种模式中是唯一的。非利手在进行简单动作时除均有对侧SM1激活外,同侧SM1激活6例,显示了双侧SM1均参与了该过程,但利手参与的激活区相对要少。另外,没有观察到脑干被激活。2..动作结构的变化随意动作是一种复杂运动。在PET试验中,随意运动时脑血流量的变化的区域和程度都要大于简单动作。本试验结果发现激活区总数比简单动作多,与文献相符。我们分析了利手和非利手的区别,利手的同侧SM1及双侧脑干均没有激活,与简单动作相同,均在对侧激活。随意动作的SMA激活例数明显多于简单动作,除了非利手有一例同侧SMA没有激活外,利手和非利手都有同侧和对侧的SMA激活。说明在进行随意动作时,有双侧的SMA区参与完成,有文献报道这与动作启动有关。我们认为双侧的SMA同时激活与复杂运动有关,可能涉及到双手协调、对记忆动作模式的选择、动作顺序的执行等因素。另外也可见到基底节的激活,有文献认为与运动起始和调控功能有关。有报道认为,PMA在感觉条件下的运动学习中发挥作用,可通过视觉、听觉、触觉刺激的记忆来做出相应的肢体动作。本试验触摸未知的各种形状的物体,使PMA激活,并且发现左、右手有差异,如非利手随意动作12例(100%)均有同侧的PMA激活,8例(67%)对侧激活,利手则有7例(58%)同侧激活,11例(92%)对侧激活,显然非利手以激活同侧的PMA为主,利手以激活对侧的PMA为主。另外,随意动作模式显示PM的激活例数明显多于简单动作。3.血流量的变化结果一个独立的指标,引起了一步法分析的总假想动作是默想手指按顺序运动,但手不做任何运动,它是一种高级思维活动,脑内的激活区域很复杂,文献上尚没有定论。各激活区在动作假想而没有执行时所起的作用还有待于进一步的探讨。有人在进行简单和假想动作的对比后,发现假想动作可以在初级感觉运动区(SM1)产生激活,但比简单动作产生的激活区少。也有报道假想动作在PET下有辅助运动区(SMA)、前运动区(PMA)区域的血流量明显增加。在我们的结果分析中,对假想动作所得到的结果进行独立分析,并且进行了单纯解剖上的定位,没有采取将简单和随意动作的功能区和解剖区混合统计的方法,目的是有利于今后研究假想动作是如何在脑内进行整合的。本实验中,12例正常人在做假想动作时,除有2例利手没有产生激活区外,其它试验者脑内均有激活区产生,利手动作时,有3例同侧SM1激活,7例对侧SM1激活,同侧的SM1激活多于简单及随意动作,非利手动作时,有6例对侧激活,但无同侧激活,与文献报道相同,SM1产生激活区在总体上要少于简单及随意动作。在辅助运动区(额上、中回)、扣带回,假想所产生的激活区与简单及随意动作之间无论是利手还是非利手都无明显差异。同时顶上小叶也有较多激活,在本研究中还可见基底节、小脑、脑干有少量激活,在小脑激活区的分布上,利手和非利手都没有同侧及对侧小脑激活的倾向性,与前两个简单及随意动作有同侧小脑激活倾向性不同。前额叶与人的情绪、精神运动或思维有关,受损后会出现精神运动障碍或思维缺陷,验证了额叶具有对外界事物的感受并进行综合思考推理的功能。假想动作时顶上小叶也有激活,与顶叶的功能有关。顶叶病变时可以发生意念-运动性运用不能症,说明顶叶与高级神经活动有密切关系。4.非利手的简单动作及随机动作区由于本研究例数较少,故在三种模式脑内激活区的差别上无法进行统计学处理。具有明显差别的有:①简单及随意动作的利手运动时均没有同侧SM1的激活;②利手做简单动作时,同侧大脑半球激活区要少于非利手的同侧大脑半球激活区;③除SM1区外,简单动作在脑内的激活区要少于随意动作;④假想动作在脑内的激活区的数目介于简单及随意动作之间,且以辅助运动区为主。以上差别说明,在利手进行简单动作时,大脑需要参与该动作完成的区域最少,阐明了为什么人在进行简单工作时,不易引起大脑的疲劳。非利手的简单动作及随意、假想动作,需要大脑多中枢的共同参与才能完成。我们认为,在脑内某个参与动作完成的中枢失去功能时,了解和利用不同运动模式的激活区活动规律,借助脑内原有的神经网络联系,经过一定的康复训练后,对如何代偿或激活失去功能的区域具有十分重要的指导意义。5.在动作时也会产生小鼠的激活小脑对运动有协调、校正、补偿等重要的控制作用。在脑各级运动中枢发出下行运动指令的同时,也将传出指令给小脑,小脑经过分析再反馈给大脑皮质,其次,小脑还接受有关运动执行情况的信息。本研究证明小脑参与了本研究的三种模式手运动,以同侧激活为主,在假想动作时也产生了小脑的激活,说明此时小脑激活是由于大脑运动中枢将指令发给了小脑,因为在假想