基于fMRI的視覺剝奪后大腦重塑研究進展

李清海，朱佩文，邵 毅

(南昌大學第一附屬醫院眼科，江西 南昌 330006)

fMRI是腦功能活動區定位和定量的主要檢查方法，依據BOLD原理進行成像，可對大腦認知、感覺、運動等功能活動進行研究。人的大腦中，參與視覺功能的面積大約為大腦皮層總面積的27%[1]。中樞神經系統對感覺輸入的變化非常敏感。視覺剝奪后的可塑性變化首先由Kitten等于1965年提出。近年來，越來越多的研究[2-3]結果表明，人體在發生視覺剝奪后，腦功能和結構會發生重塑，主要包括局部大腦結構改變，如灰質體積、相關皮層厚度的變化，以及腦功能結構網絡改變等。此外，視覺剝奪發生時患者所處的發育階段也會對大腦結構重塑產生一定影響。

1 雙眼先天盲患者大腦重塑

先天盲是指出生時或出生后短期內即失去視力。大腦皮層結構和功能的發育、成熟是基因修飾[4-6]和經驗依賴可塑性[7-8]共同作用的結果。由于缺乏早期的視覺經驗，先天盲患者的大腦皮層不能正常發育和成熟，從而發生大腦結構重塑。Park等[9]利用基于體素的形態學(voxel-based morphometry， VBM)分析先天盲患者的皮層厚度和表面積，結果顯示，先天盲患者大腦中與視覺和眼球運動相關的皮層厚度增加，如距狀溝、扣帶回、右額葉視區，而左側軀體感覺皮層和右側聽皮層灰質變薄，而其初級視皮層和視覺相關皮層的表面積則明顯降低，這可以解釋盡管視皮層厚度增加、但視皮層體積仍然減小的現象。Reislev等[2]觀察12例先天盲患者腦組織白質變化，發現其視輻射、視皮層等部位白質體積萎縮減小，完整性受損。

丘腦在感覺(嗅覺除外)輸入和大腦皮層之間起重要的傳遞作用。在健康人的大腦中，視覺信息經外側膝狀體核中繼后，通過視輻射到達初級視皮層[10]。而在先天盲患者中，枕葉的跨模態響應可能通過改變信息傳導途徑，從聽覺和軀體感覺丘腦核，經外側膝狀體核到達枕葉皮質[11]，即非視覺信號可能由視輻射傳達到視皮層[12-14]。研究[11]發現，先天盲患者雙側外側膝狀體和視輻射體積減小，可能意味著在丘腦感覺核和外側膝狀體之間有新的異位連接形成，這一結論已在動物模型上得到初步證實[15-16]。Reislev等[17]的研究表明，先天盲患者的丘腦連接雖然與正常人相似，但DTI參數卻有顯著差異；先天盲患者顳枕葉皮質投射FA值明顯下降，提示丘腦微觀結構發生了重塑，且這種變化與失明有關。

Strnad等[18]利用fMRI檢測先天盲患者與正常對照組的中顳區(視覺運動V5/MT+區)對聽覺的反應，發現先天盲患者的V5/MT+區對聽覺運動信息反應強烈，且具有選擇性?；诙囿w素模式分析的fMRI研究[18]表明，先天盲患者V5/MT+區包含不同條件的聽覺運動信息，且這些現象只見于V5/MT+區，而初級視皮層(V1區)并無類似改變，提示V5/MT+區對聽覺運動的敏感性不依賴于早期經驗，而這可能是該區域在先天盲后強烈跨模態募集的基礎。對先天盲患者嗅覺加工處理的研究較少，但有證據表明，嗅覺系統也具有高度可塑性，并且失明患者較正常人更依賴嗅覺信息，因此失明患者的嗅覺系統易于受到類似于觸覺和聽覺的跨模態變化的影響。Kupers等[3]在一個簡單的氣味測試任務中測量先天盲患者和被蒙住眼睛的受試者的BOLD信號變化，發現2組間任務相關的激活區存在差異；相比對照組，先天盲患者初級(右側杏仁核)和次級(右側眶額皮質和海馬)嗅區的激活更強烈，并且在先天盲患者的整個枕葉皮層范圍內均發現了任務相關性激活，而對照組中并未發現類似現象；而在嗅覺測試中，枕葉皮層強大的募集能力表明，患有先天視力障礙或失明時，嗅覺刺激可優先傳入這一區域。上述發現擴展了先天盲患者視覺剝奪后枕葉皮層通路功能的相關知識，即在觸覺和聽覺的處理之外，枕葉皮層還與嗅覺處理有關。以上研究結果均表明，先天盲患者的大腦發生了多種重塑以適應日常生活，提示視皮層的正常發育對早期視覺經驗有很強的依賴性，采用fMRI分析腦區改變對研究大腦重塑機制具有重要意義。

2 雙眼早期盲患者大腦重塑

早期盲一般指在12歲前發生的視覺剝奪，此時大部分患者還處于身體和大腦發育的關鍵期，因此早期盲患者也發生了較大范圍的腦重塑現象。正常人主要通過視覺來感知外部環境，而失明患者則通過非視覺信息來感知外部環境，尤其是當視覺剝奪發生在早期，早期盲患者往往表現出較正常人更高效的非視覺信息處理能力，這種適應性的改變可能就是腦功能皮質結構和功能重塑或重組的結果。

Pan等[13]利用VBM技術比較早期盲與正常對照組的腦灰質和白質體積，發現早期盲患者的視束和視輻射中的白質體積明顯減少、視皮層灰質體積明顯減少，整體表現為灰質和白質結構萎縮；且在視輻射中，白質體積的減少受失明年齡和失明持續時間的影響，但在初級視皮層中，灰質體積減少似乎不受失明年齡的影響。Shimony等[19]利用DTI和擴散張量纖維束成像(diffusion tensor tractography， DTT)技術研究早期盲患者大腦重塑，發現早期盲患者視輻射明顯萎縮，視皮層與眶額葉和顳葉皮質之間的連接相對保存，枕葉白質的平均彌散率和FA值改變，提示視覺通路解剖連接受損。此外，早期盲患者的其他腦區也發生了繼發性改變。Yu等[20]利用DTI的FA值對皮質脊髓束的可塑性進行定量分析，發現在早期盲患者中，皮質脊髓束白質的完整性增強。

Jiang等[21]利用BOLD-fMRI技術觀察早期盲患者聽皮層和枕葉皮層在處理聽覺運動信息的發育可塑性，結果表明，早期盲患者具有卓越的聽覺處理能力，其hMT+聽覺運動區BOLD信號增強而右顳平面BOLD信號減少，提示視覺剝奪導致以上相關腦區發生了結構改變和重塑。

以上研究表明，早期盲患者在失明時處于大腦發育的關鍵期，視覺剝奪導致的大腦結構和功能的重塑顯著，主要有視覺信息處理相關區域腦灰質和白質萎縮、視覺通路解剖連接受損，以及其他腦區的繼發性改變等。

3 晚期盲患者大腦重塑

兒童的視力是逐步發育成熟的，視覺發育的關鍵期為0～3歲，于6～8歲發育成熟，臨床一般將晚期盲定義為12歲以后發生的視覺剝奪。目前關于晚期盲患者大腦重塑的研究相對較少。晚期盲患者在發生視覺剝奪時并非處于視覺發育的關鍵期，因此，與早期盲或先天盲患者相比，其大腦結構的改變和重塑的程度較輕。Lepore等[22]測量16例晚期盲(雙眼)患者、16例早期盲(雙眼)患者以及16名正常對照組的腦灰質和白質，發現與對照組比較，晚期盲患者的差異腦區并不廣泛，主要是視皮層體積有所減小，此外還可見枕葉外側區肥大，提示存在輕度代償。Schoth等[23]對比6例獲得性盲(雙眼)患者和11名健康對照組的DTI數據，發現視束和錐體束的FA值差異無統計學意義，提示2組間在視覺相關大腦結構和功能上無顯著差異。Zhang等[24]發現晚期盲患者視神經具有較高的平均彌散率和橫向彌散率及較低的FA值，提示視神經失用性萎縮，而視輻射完整性保持正常，表明大腦重塑不明顯。Dietrich等[25]解釋晚期盲患者具有的超快速語音處理能力時發現，與正常對照組相比，晚期盲患者丘腦和丘腦右半球視輻射水平的FA值減低，提示可能發生了結構改變和重塑。上述2項關于視輻射層面上重塑性改變的研究[24-25]結果存在矛盾之處，可能系因樣本量和后天失明的原因不同而造成。

Shao等[26]利用靜息態fMRI的體素鏡像同倫連接(voxel-mirrored homotopic connectivity， VMHC)方法觀察單眼失明患者的大腦功能連接改變，發現存在異常的腦半球間功能連接視覺通路，即楔葉、距狀溝和舌回的VMHC值顯著降低。以上研究表明，晚期盲患者大腦結構的重塑雖不明顯，卻仍然存在，可為后續研究提供參考。

4 小結與展望

針對動物和人類中有關視覺剝奪的大腦結構和功能改變已有廣泛研究，以揭示其潛在的可塑性機制?；仡櫦韧芯浚l現早期視覺經驗在失明患者的腦灰質和白質結構變化及功能重塑方面起著重要作用，并且視覺剝奪發生時患者所處的發育階段也具有重要影響。在發育關鍵期前發生視覺剝奪的患者大腦結構的重塑明顯，而晚期盲患者重塑現象較少見。但目前對于失明后大腦結構或功能改變的研究尚不完全，尤其是在晚期盲方面，有待進一步深入觀察。