脊髓神經(jīng)功能的功能磁共振成像研究

1、脊髓神經(jīng)功能的功能磁共振成像研究    作者：王偉東，孔抗美，吳仁華  摘要隨著功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)在腦功能研究方面的廣泛應(yīng)用，脊髓fMRI研究也在逐步展開。通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)fMRI可對相應(yīng)脊髓神經(jīng)功能區(qū)進(jìn)行定位，突破了既往僅在解剖學(xué)、生理學(xué)和病理生理學(xué)研究的格局，對刺激后脊髓神經(jīng)活動(dòng)有了新的發(fā)現(xiàn)和深入理解，并在臨床中得到了初步應(yīng)用。 關(guān)鍵詞脊髓；功能磁共振成像 功能磁共振成像(fMRI)技術(shù)是利用腦組織被激活時(shí)血氧水平尤其是磁敏感性的變化導(dǎo)致T2弛豫時(shí)間的變化來成像的14，并成為研究正常腦功能活動(dòng)及臨床實(shí)踐的一個(gè)重要手段

2、。目前關(guān)于應(yīng)用fMRI研究脊髓神經(jīng)功能的報(bào)道不多。這主要是由于脊髓本身的結(jié)構(gòu)形態(tài)細(xì)長，伴有明顯的腦脊液搏動(dòng)效應(yīng)，加上心臟和呼吸的影響，相關(guān)功能研究受到技術(shù)限制。Yoshizawa等5通過手運(yùn)動(dòng)刺激對健康志愿者進(jìn)行頸脊髓的功能成像，fMRI檢測到頸脊髓功能激活區(qū)域和理論對應(yīng)區(qū)域相一致，并認(rèn)為用fMRI技術(shù)檢測脊髓神經(jīng)功能是可行的。后續(xù)研究提示合理應(yīng)用fMRI技術(shù)將有望對脊髓功能定位、療效監(jiān)測、治療指導(dǎo)等方面的研究具有重要的臨床意義。 1  正常脊髓的fMRI研究 11 運(yùn)動(dòng)刺激的脊髓fMRI特征 上肢運(yùn)動(dòng)刺激可引起頸脊髓灰質(zhì)中間外側(cè)區(qū)域的激活，同時(shí)也引起脊髓前角的信號輕度增強(qiáng)。有人對健

3、康志愿者進(jìn)行最大力度握拳(頻率2Hz)實(shí)驗(yàn)，以第7頸椎為中心行15T_fMRI研究，提示血氧水平依賴(BOLD)效應(yīng)圖像信號強(qiáng)度值約為48%5。激活區(qū)域位于同側(cè)脊髓中部和前角灰質(zhì)，包括運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、皮質(zhì)脊髓束的終端神經(jīng)軸突和供應(yīng)脊髓神經(jīng)元的毛細(xì)血管。Stroman等6應(yīng)用30T_fMRI技術(shù)研究頸脊髓的BOLD效應(yīng)成像，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)刺激時(shí)頸脊髓功能激活區(qū)信號增強(qiáng)值約為70%，靜息時(shí)信號恢復(fù)正常。有認(rèn)為運(yùn)動(dòng)刺激可以單獨(dú)或同時(shí)激活同側(cè)C6T1脊髓前角或后角神經(jīng)功能區(qū)。 Madi等7用15T_fMRI技術(shù)對運(yùn)動(dòng)刺激后頸脊髓神經(jīng)功能激活的成像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)激活區(qū)域與頸脊髓的實(shí)際解剖位置相一致，并具有相當(dāng)?shù)目?/p>

4、靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示在所有對象的圖像中均有BOLD效應(yīng)，信號增強(qiáng)值為05%70%。相同運(yùn)動(dòng)刺激條件下，運(yùn)動(dòng)量大小與信號增強(qiáng)具有線形相關(guān)性。功能激活區(qū)分布于整個(gè)脊髓，主要激活區(qū)與實(shí)際對應(yīng)的脊髓解剖位置相一致。例如，屈肘運(yùn)動(dòng)(肱二頭肌對應(yīng)C5、C6)引起C5、C6fMRI信號改變，伸腕(橈側(cè)腕長、腕短伸肌對應(yīng)C67)在5/6實(shí)驗(yàn)對象的圖像中有C67fMRI信號改變。張勁松8對7例健康右利手志愿者進(jìn)行握拳、屈腕及穴位按壓試驗(yàn)，采用15T磁共振系統(tǒng)，運(yùn)用單次激發(fā)平面回波成像(EPI)掃描序列進(jìn)行頸脊髓功能成像并進(jìn)行BOLD功能分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)7例均不同程度激活相應(yīng)脊髓興奮區(qū)，握拳試驗(yàn)和屈腕試驗(yàn)主要激活C4

5、T1支配區(qū)，信號增加強(qiáng)度一般在10%20%之間。 下肢運(yùn)動(dòng)刺激同樣可以應(yīng)用BOLD_fMRI技術(shù)觀察腰脊髓神經(jīng)功能的激活情況。研究發(fā)現(xiàn)雙側(cè)下肢踝關(guān)節(jié)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，激活區(qū)同時(shí)位于腰脊髓的運(yùn)動(dòng)及感覺功能區(qū)，主要有S23脊髓的左側(cè)前后角、L5脊髓兩側(cè)前角、L14脊髓兩側(cè)前后角，信號增加強(qiáng)度一般在(119±10)%之間；而被動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，腰脊髓下段運(yùn)動(dòng)及感覺功能區(qū)同時(shí)激活，上段只有運(yùn)動(dòng)功能區(qū)激活，主要有S23脊髓兩側(cè)后角、L4右側(cè)前角及中部、L13兩側(cè)前角，信號增加強(qiáng)度一般在(124±11)%之間9。 12  感覺刺激的脊髓的fMRI特征 研究發(fā)現(xiàn)冷刺激手和前臂不同皮膚感覺區(qū)后

6、，脊髓神經(jīng)激活區(qū)所在層面與感覺區(qū)域密切相關(guān)10。結(jié)果表明刺激右手掌拇指區(qū)相當(dāng)于刺激正中神經(jīng)，頸脊髓激活區(qū)分布在C58，以C6最為明顯；刺激小指區(qū)相當(dāng)于刺激尺神經(jīng)，對應(yīng)頸脊髓激活區(qū)分布在C7和C8，而C6激活不明顯；刺激前臂肘區(qū)相當(dāng)于刺激前臂外側(cè)皮神經(jīng)，對應(yīng)脊髓激活區(qū)分布在C56，向下延伸至C7有稍低信號激活10。Stroman等11還通過溫度刺激L4脊髓感覺分布區(qū)，fMRI脊髓功能激活區(qū)成像主要位于同側(cè)脊髓后角(第細(xì)胞層)，脊髓中央灰質(zhì)區(qū)(第細(xì)胞層)也有較為明顯的激活；脊髓前角第細(xì)胞層同樣可以觀察到激活，可能是前角運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元對感覺刺激負(fù)反射的結(jié)果所致；前正中裂激活現(xiàn)象可能是其本身血管血流量改變

7、引起。在對側(cè)脊髓也有激活現(xiàn)象，但并不明顯，激活區(qū)多數(shù)位于后角及中部灰質(zhì)。激活信號增加值與刺激溫度高低相關(guān)，29刺激時(shí)信號增加(26±11)%，15時(shí)(32±05)%，10時(shí) (70±09)%。10刺激主要通過皮膚傷害感受器引起激活，激活區(qū)明顯位于同側(cè)脊髓后角(第細(xì)胞層)的表層，而灰質(zhì)前角及中部激活明顯減少；對側(cè)后角區(qū)及中部運(yùn)動(dòng)區(qū)(第細(xì)胞層)也有更為明顯的激活。 電刺激肘部正中神經(jīng)后引起下段頸脊髓(主要為C4T7)功能區(qū)的激活12，信號增強(qiáng)約8%15%。Backes等12對電刺激肘部正中神經(jīng)(頻率1Hz，電流2040mA)進(jìn)行BOLD_fMRI分析。矢狀面fMRI提

8、示7例實(shí)驗(yàn)對象中有5例出現(xiàn)頸脊髓下段激活，而橫斷面 (C67)fMRI只有2例出現(xiàn)激活。研究結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)電刺激后脊髓在橫斷面的具體激活區(qū)域。 13  穴位刺激的脊髓fMRI特征 有人對7例健康右利手進(jìn)行穴位按壓試驗(yàn)(常用合谷穴)，結(jié)果顯示興奮點(diǎn)分布較散在，信號增加強(qiáng)度略低。雖然C4平面激活頻率較高，但總體而言，按壓穴位引起的激活點(diǎn)信號增加強(qiáng)度值較低，且分布比較散在，缺乏集中性，甚至C2(超出臂叢范圍)亦受到明顯激活8。由于腧穴的傳導(dǎo)機(jī)理不明，尚不能用目前的神經(jīng)系統(tǒng)理論加以解釋，因此功能磁共振成像的研究有望對此進(jìn)行更深入的研究。 2 脊髓損傷的fMRI研究 近幾年，脊髓fMRI開始被應(yīng)

9、用到脊髓損傷的研究。通過熱刺激應(yīng)用fMRI技術(shù)對正常及損傷脊髓進(jìn)行功能成像的研究結(jié)果表明，在熱刺激條件下應(yīng)用fMRI技術(shù)能檢測到于脊髓損傷水平下有相對固定的神經(jīng)功能激活區(qū)11，13?？隙思顾鑖MRI技術(shù)的可靠性及其臨床應(yīng)用意義。實(shí)驗(yàn)通過對小腿內(nèi)的熱刺激可以激活脊髓的腰段，正常對照組提示主要激活區(qū)域位于同側(cè)，尤其是在脊髓的后角、中部及前角(功能區(qū))。這可能與脊髓對熱刺激的負(fù)反射作用有關(guān)16。同時(shí)發(fā)現(xiàn)對側(cè)有較少顯著激活區(qū)，主要集中在前角與中部。不完全脊髓損傷組激活情況具有感覺功能組，脊髓對熱刺激的激活情況與正常對照組相似；未具有感覺功能組激活比正常對照組少，于同側(cè)前角區(qū)明顯減少。而完全脊髓損傷組

10、，根據(jù)損傷脊髓的水平，激活呈多樣化。同側(cè)前角區(qū)域激活更少，而同側(cè)及對側(cè)前角脊髓灰質(zhì)均明顯激活。因此，認(rèn)為脊髓前角灰質(zhì)神經(jīng)元功能的激活是對冷或有害刺激的一種反射，這與脊髓損傷后下傳通路的中斷有關(guān)。正常和損傷脊髓的功能激活區(qū)域?qū)囟却碳?1529)的信號增加強(qiáng)度值相似(約為20%30%)，低于這個(gè)溫度(10)刺激的信號增加強(qiáng)度值更大 (70%80%)11，13。    3 動(dòng)物脊髓的fMRI研究 有關(guān)應(yīng)用fMRI研究脊髓神經(jīng)功能活動(dòng)情況的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)報(bào)道較少，但研究結(jié)果表明fMRI技術(shù)能在動(dòng)物身上直接反映出脊髓神經(jīng)激活區(qū)域的情況。首篇有關(guān)動(dòng)物脊髓fMRI的研究報(bào)

11、告來自Porszasz等14。實(shí)驗(yàn)采用的方法特點(diǎn)應(yīng)用47T馳豫加強(qiáng)快速采集序列(RARE)獲得實(shí)驗(yàn)資料；采用100ms的有效回波時(shí)間；獲得層厚為1mm的冠狀面圖像。結(jié)果提示脊髓對刺激的信號增加強(qiáng)度值為127%14。Malisza等15，16應(yīng)用94TRARE技術(shù)在大鼠脊髓研究中獲得層厚為2mm的橫斷面圖像。實(shí)驗(yàn)在大鼠四肢注射神經(jīng)毒性物質(zhì)(福爾馬林、辣椒素等)，應(yīng)用fMRI技術(shù)觀察藥物對脊髓神經(jīng)功能的影響情況，結(jié)果提示信號增加強(qiáng)度值分別為160%和200%。 Lawrence等17對大鼠的前、后肢行損傷性電刺激并行脊髓fMRI，應(yīng)用c_fos染色對fMRI提示的神經(jīng)激活區(qū)組織行免疫組化檢測，發(fā)現(xiàn)

12、圖像激活區(qū)與實(shí)際脊髓組織有很好的對應(yīng)性。Majcher等18在最近的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中應(yīng)用fMRI技術(shù)發(fā)現(xiàn)腦與頸脊髓神經(jīng)功能激活區(qū)和它們的解剖位置具有高度的相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)通過電刺激大鼠前肢，在94T快速旋轉(zhuǎn)回波技術(shù)獲得層厚為2mm的橫斷面圖像，回波時(shí)間定為44ms。結(jié)果提示腦和脊髓對刺激的信號增加強(qiáng)度值約為30%。 4  展望 盡管應(yīng)用fMRI技術(shù)研究脊髓神經(jīng)功能已取得了較大進(jìn)展，但仍存在一些有待優(yōu)化和擴(kuò)展的問題。fMRI是通過血氧飽和度和血流量變化的測定間接反映神經(jīng)元功能活動(dòng)。因此,血管狀態(tài)、成像設(shè)備和參數(shù)、刺激任務(wù)的設(shè)計(jì)及統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的選擇等因素都會(huì)影響fMRI結(jié)果。此外，成像時(shí)間和分析

13、時(shí)間較長,受試者的配合情況等因素也是有待解決的問題。隨著高磁場磁共振設(shè)備、超快速成像軟件及數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā),成像方法及后處理方案的標(biāo)準(zhǔn)化，fMRI有望成為采集脊髓資料及分析脊髓神經(jīng)元激活區(qū)域情況的有效手段。 參考文獻(xiàn)： 1Ogawa S，Lee TM，Nayak A，et al. Oxygenation_sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fieldsJ. Magn Reson Med，1990，14：68-78. 2Ogawa S，Lee TM，Kay AR，et a

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