外周神经损伤后大脑运动皮层局部调整的功能磁共振研究

外周神经损伤后大脑运动皮层局部调整的功能磁共振研究 外周神经损伤后大脑运动皮层局部调整的 功能磁共振研究 ? l752?医学杂志2005年7月6日第85鲞第25翅塑,!堕堑 外周神经损伤后大脑运动皮层局部 调整的功能磁共振研究 高歌军冯晓源徐文东顾玉东汤伟军李克黎元耿道影 【摘要】目的利用功能磁共振方法观察全臂丛神经损伤以后,大脑初级运动皮层的动态变 化,探讨可能的机理.方法经临床检查和手术证实全臂丛神经损伤患者5例,4例接受了神经移位 术,以部分恢复肘关节和肩关节功能.按照患者在手术治疗前是否接受过MR检查,将患者分为2 组:A组手术治疗前接受RI检查者4例(例1,3,4,5),B组手术治疗以后接受RI随访复查者4 例(例2,3,4,5).fMRI检查采用血氧饱和依赖(SOLO)方法,运动任务包括双侧手部的简单的对掌 运动,患侧手部运动要求在"模拟"状态下完成.然后记录激活区兴奋像素大小和出现部位,观察信 号强度.单个受检者以健侧肢体运动时大脑皮层激活区为参照,进行一对一比较.对A和B两组病 例则以正常志愿者观察结果为参照,进行组与组之间比较.结果健侧手部运动均在对侧大脑半球 产生较强烈的信号变化.A组患者中,当患手模拟"运动"时,2例在对侧初级运动皮层观察到分散, 点状兴奋区,信号强度比健手代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 区信号强度明显减弱,另2例未见激活区出现,所有病例均有辅助 运动区神经活动.B组患者中,随着时间延长,患肢对侧初级运动皮层出现激活区并 且呈现逐渐增大 趋势.结论外周神经损伤后,初级运动皮层可以发生显着变化,功能磁共振是一种 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 外周神经损 伤以后运动皮层可塑性变化的有效的无创伤性方法. 【关键词】磁共振成像;脑;神经病学;神经可塑性 Regionalmodulationofprimarymotorcortexagterperipherall~rveinjury:afunctionalmagnetic resonanoeimagingstudyGAOC,e扣凡,朋?G阳一姗,,眈凡一dong,GUYu— dong,TANG耽-jun, u,Yuan,GENGDao?ying.DepartmentofRadiology.HuashanHospital,Shanghai200040.China Correspondingauthor:FENGXiao—ylJ~n.Email:xffeng@shml~.edu.ca 【Abstract】 ObjecfiveTomapdynamicchangesofprimarymotorcortexaftertotalbrachialplexus tractioninjurybyusingfunctionalmagneticresonanceimaging,andtoexploreunderlyingprobable mechanisms.MethodsFivepatientswithtotaltraumaticrootavulsionsofthebrachialplexusanderwent variedkindsofnervetransfertorestorepartiallyshoulderorelbowfunction.Fourofthem(cases1,3.4.5) acceptedthefirstRIexaminationpriortosurgerytreatment,andfourofthem(cases2,3,4,5)accepted secondorthirdorfourthRIfoHow—upre— examinationsaftersurgerytreatment.Mapsofneuronalactivation t}linthemotorcortexweregeneratedforbothhandsineachpatientbyusingB0LD— RIandthecluster sizeandpositionwererecorded.Themotortasksconsistedofsimplehandgraspingofbothhands respectively.Patientswithparalytichandwereaskedtocompletetaskunder"virtual"conditi on.Thecluster sizeandintensityaswellaslocationofmotoractivationwithintheprimarymotorcortexoftheaffectedhand generatedwerecomparedwiththoseofunaffectedhandgeneratedasreferenceinsinglesubject,andthe resultantmapsoffollow?upre— examinationswerealsocomparedwiththoseofthepriorexaminations.Results Allpatientsunaffectedhandmovementgeneratedstrongsignalchangewithinthecontralateralprimarymotor Cortex.Incontrast.theclustersgeneratedbyaffectedhandshowedverysmallandlowerintensitythanUSUal (2cases)orcouldnotbeinduced(2case)inthefirstexaminationthatpriortosurgerytreatmentand seemedlargergraduallyinthefollowingre— examinationwithtimeincreasing.ConclusionPeripheralnerve injurycanproducedsignificantchangesinthemotorcortexofhumanbrain.RIisavaluabletoolto evaluateneuralplasticityinmotorcortexafterperipheralnerveinjury. 【Keywords】Magneticresonanceimaging;Brain;Neurology;Neuronalplasticity 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30270402,30200288) 作者单位:200040上海,复旦大学附属华山医院放射科[高歌军(现在南京东南大学 中大医院放射科),冯晓源, 汤伟军,李克,黎元,耿道影],手外科(徐文东,顾玉东) 通讯作者:冯晓源.Email:xyfenS@shmu.edu.cn . 论着. 2005年7月6日第85卷第25期NadMedJChina,July6,2005,Vol85…No.25 大脑运动皮层躯体分布图的特点是具有高度的 可变性和代表区分布相对恒定性….很多证据表 明,为了适应活动,行为和获取技能,大脑皮层的躯 体代表区在一生中可以根据发育和经验的改变不断 发生变化J,目前认为这些变化的最重要原因是大 脑皮层的可塑性.在外周神经系统损伤后,大脑皮 层代表区也可以发生重组现象.大脑皮层的可塑性 改变可能与疾病的康复过程和某些病理现象有关, 但是确切的机制仍然不十分清楚.本文利用功能磁 共振(furu)对全臂丛神经损伤患者进行了前瞻性 随访研究,试图观察臂丛神经损伤后大脑运动皮层 的动态变化. 对象与方法 一 ,对象 经临床检查和手术证实全臂丛神经损伤患者 5例,男4例,女l例.年龄l7—32岁,平均23.4 岁.其中左侧全臂丛神经损伤者4例,右侧者l例. 肌电图显示神经损伤范围从C到T节前损伤,部 分病例伴有节后损伤.由于病例2首次检查时已经 接受了膈神经移位手术,因此,本组病例可分为2种 情况:A组:神经移位手术前接受珊RI检查者4例 (例l,3,4,5),患者从受伤到首次检查时间间隔范 围为2,3个月.B组:接受不同方式I期或?期神 经移位功能康复手术后行珊m随访复查者4例(例 2,3,4,5),每次功能磁共振检查均在该期手术之前 进行,手术在检查后l周内完成.患者手术和随访 情况见表l. 表1患者一般情况和接收神经移位术前首次 检查时PMC观察结果 注:VOXel$代表患手对侧PMC兴奋像素大小 二,方法 1.MRI设备和成像方法:使用美国GE公司 1.5TSignaHorizonLX超导磁共振, 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 正交头颅 线圈.以正中矢状面图像为定位图像,获取横断面 Twl和T2WI图像,扫描基线与前,后联合(AC—PC) 连线平行.成像参数T.WI:TR315m8,TE14ms,层 厚8mm,间隔0mm,FOV22cm,Nex2次.T2WI: TR3600m8,TE96m8,层厚8mm,间隔0mm,FOV 22cm,Nex2次.珊RI采用单次激发GRE—EPI BOLD序列.成像参数:TR3000m8,TE60m8,翻转 角90.,Nex1次,矩阵64×64,FOV22cm,层厚8 mm,间隔0mm,平面内分辨率为3.44×3.44mm. 结构图像采用三维快速扰相位梯度回波翻转恢复 (3D.FSPGRIR)脉冲序列.成像参数:TEMinimum, FOV22cm,翻转角25.,矩阵256×256,层厚2mm, Nex2次. 2.运动任务:本研究采用简单的手部对掌运动, 由于患者不能像正常人那样完成患手的对掌运动, 因此,当患手运动时,告知患者在"模拟"并且"努 力"状态下完成.运动任务均采用BLOCK模式单 独完成,运动频率约为lHz.在扫描之前,受检者 接受短期的运动训练,以保证扫描过程顺利完成. 在扫描过程中,受检者首先完成健手运动,然后再进 行患手运动.每个序列扫描时间为187s,静息和运 动持续时间均为30s. 3.图像分析:使用MATLAB和统计参数图 (SPM99)软件完成图像分析.首先去除最初始2组 图像来消除磁场不均匀效应,使信号达到稳定.剩 余图像接受运动修正(motioncorrection),空间标化 (spatialnormalization)和图像平滑(smooth)处理,半 最大全宽值(fullwidthathalfmaximum,FWHM)采 用7mm,7mm,16mm.兴奋像素检测采用普通线 性模式(GeneralLinearMode1)方法进行t检验,经多 重比较校正后,P<0.05(Z>3.09)的像素视为差异 有统计学意义.最后将功能图像叠加到经过标准化 的解剖图像上,记录激活区出现部位和激活区像素 体积大小.对单个受检者以健侧肢体运动时大脑皮 层激活区为参照,进行一对一比较.对A和B两组 病例则以健康志愿者观察结果为参照,进行组间比 较.在以下叙述中,同侧半球定义为与运动肢体相 同一侧的大脑半球,对侧半球定义为与运动肢体相 对一侧的大脑半球.另外,初级感觉及相关区域不 列入本研究. 结果 1.A组病例运动皮层变化:(1)健手运动:所有 受检者健手运动均在对侧大脑半球初级运动皮层 (PMC)产生较强烈的信号变化.3例在辅助运动区 (SMA)出现激活区;2例在同侧PMC观察到分散的 点状兴奋灶,信号强度较弱(图1).(2)患手"运 世2生了l旦迕堕盐埘L上些ju5v0堕堑 动":2例在对侧PMC观察到分散,点状激活,与 健手代表区槲比,信号强度?.艟减弱,范缩小.另 2例在对侧PMC未见激活区出现:2倒同侧PMC 出现点状兴裔tI:,信号强度较弱:所有病例均伴随 (图2).患于"运动"时,SMA激活现象较 SMA激活 为突出,患手对侧PMC兴范和强度要比健手代 表医兴裔范围和强度明显减少. 圈I2俐同侧PMC徽fA-I,^),3倒M SMA激(AI^0A4).L代走删半球.R代表 侧,}球;敞字代表糯例序 2B组病例运动皮层变化及随访复查结果:见 表2(I)健手运动:对侧PMC激恬区出现部位,强度 和大小未见显着变化.(2)忠于"运动":?病例2 在接受嗝神经一肌皮神经术后1个月复查时.患于对 侧PMC可见较明娃信号变化(3).?随着随访 时间的延长.本组例3,4,5对侧PMC出现信号恢 复,激活区范围逐渐增大.例3:臂神经损伤后首 次检查显示患手对侧PMC存在弱小激活区,斋像 索人小为168(voxe1).接受健删颈7神经一尺神经移 位本后2个月后.患手对侧PMC激话区增强,增大. 兴奋像素大小为783(voxe1)(图4)例4:臂丛冲 经损伤后移(检肖显示患手对侧PMC存在弱小澈 活区,必奋像素人小为34(voxe1)接受膈神经一肌 皮神经和副神经一肩胛卜神经移位术后3首次 复查,耐侧PMC激恬谨信号略柯增加(56voxe1),6 个月以后第2执复查.显示激活区信号进一步增 目2A蛆受稳者患t'运动"时时侧PMC馓活M 变小cA-3A)或者木见激衙?(A1,A).辅助 动均忡活 圈3B组疴例2能盛共振目像寿罔为健}运动缩 早.J目心f运功结果,JN?MCN神绎移伸I十 月患手时删PMC存在鞍显情号变化;L代表 l,r删,球:R代丧删球:敬字代丧瘸例 大(166voxe1)(图5)例5:臂从神经损伤后首次 检杏仅在SMA存在激活区,剥侧PMC未观察到神 经活动现象.接受颈7一尺神经和副神经一肩胛神 经移位术后4个月首次复查,患肢对侧PMC出现信 号变化'52v慨e【),9个月后第2趺复查,患腹对侧 PMC信号进一步增大(299voxe1),12月后第3次复 奇时,对侧PMC出现强烈信号变化,与健手运动激 活区比较大致相仿(图6) 讨 动物和人体研究表明 论 当中枢神经系统发生改 生生匿盟点趔堡生7_J{1日星摧—』na—6l堕—堕一 表2患者接受神经移位术情患手对侧PMC观察结粜 甘伙复在———— 堕里垄———一第3狄复告 }俐v—s;…}颁v一s 166 ^121402 时为距离第J敬神咎&下术隔刊.一k:患手时侧PMC奇像素大小.PN膈种 绎.MGN:肌皮神经:健侧捌7神& AN:神经.晒:胛f抻,ICN肋问神经UNK神经.TDN胸背忡鲢 围5B组墒倒4PN-MCN,AN-术3十H6十 月患于运动坫随时问艇长,患手时删PMC撒恬慷 素?小连新增Il盯 变之后,大脑皮层可以出现功能晕组现象.成年人脑 仍然具有较强的重组能力外周神经的改变也 同样可以在大脑皮层产生明显变化 率研究的一个突出表现是全臂丛神经损伤以 后,患予对侧PMC激活区要比健手对侧PMC激活 区范围小或者不出现神经活动迹象.但所有病例均 在SMA观察到神经恬动在运动发起和运动执行 问题上.学术界存在许多不同的看法,Stephan等 认为运动产生初始阶段是由SMA或者前运动区激 恬的,中央前同仅负责运动执行Roth等|^为运 口6b病倒5神经移位术12h.手对删PMC ?话K7态和小平'常人相仿 动思维表达和运动执行有共同的神经机制.也就 是说在运动思维启发F所有运动相关区域都可以出 现神经活动Sadato等采用正电子发射断层显 像(PET)研究发现,缺』『『【肢肘部收缩和舒张运动 时.SMA局部腩血流量上升幅度比对侧没有缺血的 肘部运动时局部腩血流量上升幅度小.作者认为. 去神经支配通过一氢基丁酸(GABA)活动消失使运 动皮层抑制解除,导致运动皮层细胞更加容易必奋. 由于皮层运动神经元容易兴奋,辅助运动区少量突 触刺激就足以产生相同运动效果这提示,运动心 里表达能够使参与运动起始编码的皮层区域产生活 动,SMA可能与运动发起有关. 全臂丛神经损伤以后,患手对侧PMC激括区比 2005年7月6日第85卷第25期NailMedJChina,July65Vol85,箜 健手对侧PMC激活区明显变小甚至不能诱发神经 活动.但是,随着时间延长,患手对侧PMC重新出 现神经活动并且活动范围呈现逐渐增大倾向,说明 有越来越多的神经元参与神经活动过程.患肢对侧 初级运动皮层从无到有,从小到大动态变化过程的 内在机制存在两种可能性. 1.PMC与肌肉有比较直接的联系,PMC通过 皮质脊髓束来控制肢体肌肉运动.同时又要接受来 自外周,小脑和基底节的信息传人对运动加以调整. 当外周神经损伤以后,运动信息传出和外周信息传 人被终断,运动执行通路遭到破坏,PMC神经元在 经受"打击"和"创伤"之后暂时处于"休克"状态. 经过一段时间"复苏"和"调整"后,PMC运动神经 元重新对运动思维冲动产生应答,并逐渐恢复到正 常生理状态.这种假设似乎与本组随访病例PMC 动态变化过程比较接近.尽管本组病例在首次检查 之后接受了不同方式的神经移位康复手术,但是从 理论上讲,由于神经再生引起PMC变化的依据似乎 欠充分.例如病例2,临床和手术证实为全臂丛神 经损伤,在接受膈神经一肌皮神经移位术后仅1个月 复查,初级运动皮层已经存在明显神经活动,该例患 者在术前没有接受磁共振检查,但按照神经生长速 度1—2mm/d-l计算,神经生长长度不足以对肌肉 产生新的支配.病例3在接受健侧颈7一尺神经移位 术后2个月复查,对侧初级运动皮层已经较术前发 生明显变化.从手术方式来看,这种手术不可能在 如此短的时间内通过患侧颈神经根向对侧半球传人. 较强的感觉冲动.由此可见,第一种可能机制具有 一 定的合理性.如果这种假设成立,那么似乎可以 得出这样一种推论,即PMC神经元可以不依赖外周 感觉信息的反馈独立的对运动思维产生反应,外周 神经损伤后,PMC神经元经过暂时的调整可以重新 对运动思维产生应答. 2.本组病例所有被随访者都接受了不同方式 的康复手术,其中最值得注意的是膈神经和副神经 移位术,通常是将它们移位于肌皮神经和肩胛上神 经部分恢复肘部和肩部运动功能,移位距离较短. 另外,膈神经有日夜不停的高频率大振幅的自发性 电活动,并且含有较多粗大的运动神经纤维,功能恢 复较快.上海华山医院手外科曾对180例膈神 经移位术患者进行随访,肱二头肌肌力恢复达3级 所需时间最短者为1例3岁幼儿,仅3个月,最长1 例在术后2年6个月,平均10.5个月.因此,尽管 在患者自主感觉和检查者目视下受检者患肢没有自 主运动,但是我们仍然不能完全排除存在由于神经 再支配引起的患肢亚临床运动(infraclinical movement)的可能性.本组病例在随访过程中确实 存在神经再生的迹象.如病例4,在第2次复查前 体感诱发电位(SEP)显示肋间神经一胸背神经偶见 运动单位,出现早期恢复现象.再如病例5,在第2 次复查前SEP显示副神经一肩胛上偶见运动电位,出 现早期再生现象.虽然这些时期出现的神经再生迹 象与初级运动皮层信号变化不完全同步,而且,本研 究无法考证这个时期运动信息是否能够通过再生神 经传人PMC,但是神经再生仍需引起足够重视.如 果患手对侧PMC信号变化是由于神经再支配引起 的,那么,我们似乎可以得出第2种推论,即PMC神 经元活动依赖于神经传导通路的完整性,只有在外 周运动信息反馈的协同下才能对运动思维产生 反应. 参考文献 lMooreC1,SternCE,DunbarC,eta1.Referredphantomsensation andcorticalreorganizationafterspinalcordinjuryinhumans.Proc NatlAcadSciUSA.200o.97:14703.14708. 2KassJH.Plasticityofsensoryandmotormapsinaduhmammals (review).AnnuRevNeurosci,1991.14:137-167. 3NudoRJ.Recoveryafterdamagetomotorcorticalareas.CurtOpin Neumbiol,1999,9:740-747. 4HamdyS,Rothwelljc,AzizO,eta1.Long-termreorganizationof humanmotorcortexdrivenbyshort-termsensorystimulation.Nat Neurosci,1998,l:64-68. 5ChenR,AnastakisDJ,HaywoodCT,eta1.Plasticityonthehuman motorsystemfollowingmusclereconstruction:amagneticstimulation andfunctionalmagneticresonanceimagingstudy.ClinNeurophysiol, 2clo3.114:2434-2446. 6MalessyMJ,BakkerD,DekkerAJ,eta1.Funtionalmagnetic l~sonanceimagingandcontroloverthebicepsmuscleafter intercostals-musculocutaneousnervetran~er.JNeurosurg,2003, 98:261-268. 7ZanetteG,ManganottiP,FiaschiA,eta1.Modulationofcortex excitabilityafterupperlimbimmobilization.ClinNeumphysiol, 2004.115:1264-1275. 8StephanKlVl,FinkGR,Passing,hamRE,eta1.Functionalanatomy ofthementalrepresentationofupperextremitymovementsinhealthy subjects.JNeumphysiol.1995,73:373-386. 9RothM,DecetyJ,RaybandiM,eta1.Possibleinvolvementof primarymotorcortexinmentallysimulatedmovement:afunctional magneticresonanceimagingstudy.Neurorepert,1996,17:1280- l284. 10SadatoN,ZefllmTA,CampbellG,eta1.Regionalcerebralblood flowchangesinmotorcorticalareasaftertransientanesthesiaofthe forearm.AnnNeural,L995,48:345-346. uGuYD.Diagnosisandtreatmentofbrachialplexvstractioninjury. 2nd,Shanghai:FudanUniversityPublishiayHouse. 顾玉东.臂丛神经损伤与疾病的诊治.第2版.上海:复旦大学 出版社. (收稿日期:2004.u旬8) (本文编辑:刘雪松)