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脑卒中后半球间结构及功能连接改变的研究进展

发布时间 2021-01-06 00:29

  脑卒中是世界各地导致成年人残疾的首要原因。2017年的全球卒中负担报告曾指出尽管卒中的死亡率有所下降,但是全球所有年龄段因卒中而致残的男性和女性的绝对人数都有所增加。脑卒中发生后,直接受损的大脑区域神经细胞发生变性坏死。其他未直接受损的大脑区域在卒中后也会发生继发变性或重组,导致整个大脑网络结构及功能的广泛改变。

  双侧大脑半球的网络通过半球间结构和功能连接进行协调整合。卒中后,半球间结构和功能连接也发生了广泛的改变。这些改变与脑卒中后神经功能的缺损及其随后的恢复密切相关。评估这些改变可能在临床上有助于监测神经功能的恢复。从实际操作的角度来看,可以在临床使用的磁共振扫描仪上进行且不需要患者积极参与的扩散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)和静息态功能磁共振成像(resting state functional MRI,rs-fMRI)是评估卒中后结构与功能连接改变的理想选择。

  DTI由Basser等在1994年首次提出,是在扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)基础上发展出的一种新的MRI技术,是当前最常用的评估白质纤维束结构的检查方法。扩散是指分子的随机不规则运动,DWI能检测人体组织内水分子的扩散运动。然而脑白质纤维束内的水分子扩散运动受鞘膜的影响,水分子更易沿着神经纤维束走行的方向进行扩散,这种具有方向依赖性的扩散即称为扩散的各向异性。

  DTI可以定量地评价水分子扩散的各向异性,其主要的参数有平均扩散率(mean diffusivity,MD)、径向扩散率(radial diffusivity,RD)、轴向扩散率(axial diffusivity,AD)、各向异性分数(fractional anisotropy,FA)。目前文献中最常用的参数是FA,它的变化范围从0~1,多数研究中将FA作为白质微结构完整性的替代参数,0代表破坏的白质纤维,1代表完整的白质纤维。此外,利用 DTI 所获得的数据可以进行扩散张量纤维束成像(diffusion tensor tractography,DTT)。DTT可清楚显示大脑白质纤维束走行的方向和分布,从而使活体组织大脑白质纤维束的体内可视化得以实现,但DTT在显示白质交叉的区域时具有局限性。

  左右两侧大脑半球的同源功能脑区之间由横行的神经纤维束联系在一起,使大脑在功能上成为一个整体。胼胝体是两半球间横行神经纤维束的汇集中心,因此多数关于半球间结构连通性的研究均选择胼胝体为感兴趣区。即使卒中未发生在胼胝体,胼胝体的微结构完整性也会在卒中后的数周及数月内逐渐减低。在Gupta等的纵向研究中,在卒中后6~8周、10~12周以及超过6个月3个时间点进行DTI扫描,结果显示胼胝体FA值随时间推移逐渐下降。

  此外,在Radlinska等的研究中描绘了9例累及锥体束的卒中患者、6例不影响锥体束的卒中患者和6例短暂性脑缺血发作患者胼胝体FA值随时间变化特点,结果发现累及锥体束卒中患者,经胼胝体的运动纤维FA值逐渐下降,且与同侧锥体束的损伤程度有关。在Liu等以慢性期卒中患者的研究中也发现,与正常对照组相比,累及皮质脊髓束的慢性期卒中患者,胼胝体FA值显著下降,并与6个月时发生变性的锥体束FA值呈正相关。这些研究结果表明,半球间结构连接在卒中后也会发生变性,且这种改变与网络内其他结构损伤密切相关。

  胼胝体的完整性的改变与运动功能改变密切相关。在健康个体中,胼胝体特定区域的结构完整性变化与双手协调功能改变相关。在卒中患者中,胼胝体微结构的改变也会影响残余运动功能及恢复。Li等对13例缺血性卒中患者和15名健康对照受试者的脑部扩散张量成像进行了基于纤维束示踪的空间统计分析(tract-based spatial statistics,TBSS),同时探讨脑卒中患者胼胝体扩散性变化与临床评分的关系。结果显示,与对照组相比,卒中患者的胼胝体FA值显著降低。相关分析显示,卒中患者的运动和神经功能缺损评分与胼胝体FA值呈正相关。在慢性期脑卒中患者中,Chen等发现胼胝体运动纤维FA值较高的患者,运动功能评分较高。在Wang等使用多模态MR的研究中也发现,连接高阶感觉运动区域的胼胝体纤维变性是影响皮层下卒中后运动结果的相关因素。

  rs-fMRI是1995年由Biswal等首次提出,其后广泛使用于神经领域的研究中。rs-fMRI反映的是无任务执行及无刺激时大脑BOLD信号的自发活动,具有操作方便、重复性好、信息稳定可靠、可分析内容多的优点。rs-fMRI研究中常使用的方法和测量指标有功能连接(functional connectivity,FC)、局部一致性、低频震荡幅度、半球等位功能和结构连接、多变量模式分类等。静息态功能连接分析是基于低频振幅(<0.1 Hz)得到空间不相邻的各脑区BOLD信号的时间一致性。目前主要有4种不同的分析方法来进行FC分析,包括种子点相关分析、独立成分分析、聚类分析和基于图的分析。

  目前使用rs-fMRI已确定了一些大规模静息状态网络,如感觉运动、默认模式、执行控制和注意力网络等。然而以卒中患者为实验对象的许多研究测量的半球间FC均位于感觉运动网络内,因此本节将集中讨论脑卒中后感觉运动网络内半球间FC发生的改变。较为一致的发现是几乎所有患者在卒中后的初期都会出现半球间FC强度的下降。然而,卒中患者半球间FC动态变化轨迹并不完全一致。

  在Golestani等的研究中,卒中后24 h内即可观察到患者半球间功能连接明显下降,神经功能轻微受损的患者一周内半球间功能连接即可完全恢复。在另一项研究中,卒中后一周内患者半球间FC明显下降。从卒中一周后至一年内,部分患者FC长期持续升高(1年);有些患者的FC在最初出现快速增长,并在接下来的几个月中保持在接近正常的水平;有些患者在一年内没有出现任何增长。脑卒中患者的半球间FC的动态变化与运动功能的恢复密切相关。在卒中后急性期,多项研究曾发现同源运动区域之间的大脑半球间FC减少与急性期的运动功能缺损程度相关。

  在卒中后的数周至数月内,少数纵向研究显示FC的增强与运动功能的自发性恢复呈正相关。在卒中后的稳定阶段(≈卒中后1年),在一些运动功能恢复良好的患者中,同源运动区域之间FC恢复到正常水平,然而在运动功能恢复较差的患者中FC保持在较低水平。有趣的是半球间FC在健康个体中也不是一成不变的,Vahdat等、Guerra-Carrillo等曾发现运动和知觉训练后半球间功FC增强。近期的一些研究曾探索了卒中后治疗干预对半球间FC的影响。

  在Fan等的研究中检测了10例急性脑卒中患者在机器人辅助双侧手臂运动治疗前后的半球间FC的变化,结果发现在机器人辅助双侧手臂运动治疗后半球间FC有所增强,同时运动功能改善。此外,Lefebvre等研究也发现运动学习与双侧经颅直流电刺激相结合可以增加慢性卒中患者半球间FC强度。

  在健康人群中,大脑的功能连接与结构连接有密切的关系。结构连接的FA值与静息态功能连接的强度呈正相关关系。卒中后,半球间功能连接的破坏至少部分是由连接纤维的结构损伤所引起的。例如,Chen等发现半球间FC的破坏与DTI测量的经胼胝体纤维束结构损坏的数量有关。同样,半球间功能连接增强也依赖于胼胝体白质纤维结构完整性增强。

  在vanMeer等的动物实验中,分别于卒中前2 d、卒中后3、7、21、49、70 d对14只卒中大鼠进行行为学测试和MRI测量,分别用rs-fMRI和DTI测量半球间功能连接(左右感觉运动皮质)和FA(胼胝体内)。通过计算二者的相关系数,检验半球间功能连接改变与结构连接改变之间的相关性。结果发现卒中后连续时间点之间半球间功能连接强度的增加与FA(胼胝体)的增加呈正相关。

  然而,最近对运动功能恢复良好的慢性卒中患者进行多模态MRI分析显示,运动网络内半球间结构连接损伤,可能伴随着静息态功能连接强度增高,作者认为这可能反映了代偿性或反应性的脑可塑性。因此,半球间FC改变部分受白质结构的影响,但与结构无关的变化似乎也有发生并与临床恢复相关。

  卒中后,半球间结构和功能连接变化的参数可能是临床上用于评估康复治疗效果的有用指标,这有待在未来的研究中进一步探讨。在一些旨在调节大脑功能连接(如重复经颅磁刺激、经颅直流电刺激或限制性诱导运动疗法)以促进神经功能恢复的治疗方法中,半球间功能连接是治疗的靶点之一。在人类患者或动物模型中开展更多相关研究,可能有助于全面理解卒中后神经功能恢复的机制,同时也有助于开发更有效的治疗策略,帮助卒中患者减少残疾负担。

  来源:夏玉梅,梁志坚.脑卒中后半球间结构及功能连接改变的研究进展[J].磁共振成像,2020,11(06):455-458.

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