上肢截肢者大腦運動皮質區神經可塑性的研究進展

郝瑩，郭峰

1.沈陽體育學院，a.研究生部；b.運動人體科學學院，遼寧沈陽市110102

2010年，全球超過10億人或15%的世界人口有某種形式的殘疾，明顯高于世界衛生組織以前的預估[1]。中國有8500萬殘疾人，約占全國總人口6.2%，肢體殘疾在所有殘疾類別中人數最多，這些群體迫切地需要康復和救助。肢體缺失的殘疾人要生活自理，回歸社會，參加工作或學習，需要進行系統康復訓練，而截肢者的殘肢康復計劃的制定，需要有神經生理學等學科支持。

對于截肢者來說，如何正確有效地使用殘肢和假肢至關重要。與發達國家相比，我國殘疾人基本輔助器具總體配置率偏低[2]。假肢的佩戴能幫助截肢者恢復部分肢體功能，而假肢與殘肢的充分整合、佩戴假肢前如何保持甚至發展殘肢功能、佩戴后如何充分發揮假肢的作用，是亟需解決的問題；佩戴假肢過程中的運動學習，對患者功能恢復至關重要[3]。

目前與上肢截肢有關的康復方法和技術的實驗數據甚少[4]，我們也沒有真正了解截肢者的神經系統和運動系統如何學習和適應殘肢和假肢，以神經信號為信號源的研究仍是一個難關[5-6]。我們要用神經生理學和神經可塑性的知識解釋截肢后的運動控制[7]。本文對已知與截肢潛在相關的研究進行歸納與分析，以利于更好了解截肢者中樞神經系統結構和功能的變化。

1 感覺喪失下的神經可塑性

截肢后神經可塑性與感覺反饋有很大聯系。目前，國內外關于截肢者神經生理學的研究甚少，我們可以從截肢者感覺喪失方面的研究入手。殘肢在日常生活中的使用與感覺缺失的可塑性有關[8]。因此，如果殘肢在日常生活中不經常使用，這可能會影響神經可塑性。

1.1 神經傳導阻滯

目前對感覺喪失的研究多通過建立急性功能性肢體缺失的模型來實現，其中缺血性神經阻滯(ischemic nerve block,ⅠNB)可以達到急性功能性肢體缺失的效果。很多研究證實[9]，一側肢體截肢或神經傳導阻滯能引起大腦軀體感覺區和運動皮質區發生結構和功能改變。機體受到嚴重損傷(如肢體缺失)可導致神經系統的結構和功能重組。誘發短暫性上肢本體感覺性缺失的方法有兩種，ⅠNB和冷凍療法[10]。ⅠNB引起肌肉麻痹和快速可塑性。由于軀體感覺反饋退化，運動任務執行會更多依賴肢體的行為反饋，以補償本體感覺輸入。ⅠNB可能會改變中樞神經系統對運動控制和運動準確性的預期和計劃[11]。

截肢后肢體缺失不僅影響對側半球，對同側半球也有相應影響。Werhahn等[12]發現，γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)可抑制ⅠNB對側大腦皮質運動興奮性增加；快速大腦同側半球皮質可塑性能夠提高ⅠNB對側大腦皮質興奮性[13]。Thomas等[14]發現，右腕ⅠNB引起右手感覺輸入減少，使同側大腦半球反射減弱；在手運動期間，前臂伸肌可記錄由于神經阻滯引起的同側和對側反射；右臂的對側反射高于左臂，同側反射不受ⅠNB影響。因此，半球間平衡的變化可能導致神經刺激對側反應的增加或減少。

全腦神經成像技術證明，神經系統可塑性可以影響運動皮質區以外的其他運動控制區域。功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRⅠ)可通過選擇性降低運動任務中的視覺或本體感覺的反饋，了解所涉及的神經系統功能變化[15]。Beauchamp等[16]讓受試者用右手使用鑷子抬起和放置一個方塊。先在正常條件下完成任務，然后分別在遮擋部分視力和用ⅠNB減少右手感覺下完成任務，研究表明，在視力和感覺完好的情況下，左側感覺運動皮質參與完成運動任務；視覺下降時，枕后部和枕顳區復合體激活增加。這表明，當人體完成手眼協調任務時，需要相關區域高度參與，這些任務可能有助于受損肢體的感覺運動皮質區恢復；感覺受損可以引起運動皮質區以外皮質區域功能顯著變化。

1.2 本體感覺缺失

本體感覺在塑造運動皮質可塑性方面起著至關重要的作用。Witscher[17]發現，無振動的對照組對側運動皮質區興奮性降低，接受振動刺激會使這種效應最小化；在對照組和觸覺振動組中，大腦同側運動皮質過度興奮，而本體感覺振動組沒有出現過度興奮。這表明，本體感覺缺失可能導致大腦半球興奮性失衡。感覺反饋通過丘腦皮質投射可以改變運動皮質可塑性。這可能與截肢康復密切相關，但目前尚不清楚本體感覺恢復會對慢性上肢截肢者大腦半球失衡造成什么影響。雖然運動學習可以促進神經細胞和突觸的生成，增加突觸效率，使皮質興奮性提高[18]，但降低初級運動皮質興奮性可以抑制對側手對運動技能的學習，同時促進同側手運動技能學習[19]。Philip等[20]將受試者上肢固定12 h，發現會影響上肢關節活動的協調性，提示前饋控制系統受損。截肢者能夠在截肢狀態下進行抓握和運動計劃選擇，利用殘肢實現動作計劃[21]。因此，即使沒有仿生假肢，運動系統也可能通過其他來源的感覺反饋來適應。目前還不知道截肢術后神經適應的程度有多大。

2 截肢者鏡像神經元系統(mirror neuron system,MNS)在神經可塑性中的作用

截肢者需要模擬治療師的動作學習運動功能，根據康復治療師制定的完整康復計劃，學習使用殘肢或假肢。

MNS成為神經科學、認知科學、心理學等領域所討論的焦點話題[22]，有關人類MNS機制的研究也取得豐碩成果[23]。MNS是指當觀察他人的行為時，大腦運動相關的皮質區域激活增加的現象。Zult等[24]發現，觀察并模仿他人運動可刺激支配動作的相應腦區，加快大腦對相應動作的理解與學習。Tai等[25]發現，當觀察虛擬機器人模仿人類運動時，MNS效果可能會減弱，提示MNS可能優先參與那些外觀和運動能力與觀看者相似的肢體動作。

研究發現，截肢者在常規康復環境中難以獲得佩戴假肢的運動技能，原因之一是他們向康復治療師學習，而不是向假肢使用者學習。Cusack等[26]發現，正常受試者在觀察正常人或假肢佩戴者的手臂運動后，模仿動作的運動計劃中表現出等效的左側頂額葉激活；假肢使用者模仿假肢演示時，也觀察到典型的左側頂額葉激活；但當假肢使用者模仿正常人的手臂運動時，右側頂葉和枕葉皮質區域顯示更強的神經活動。這表明，讓截肢者模仿正常人的動作，并不能進行正常的運動計劃，這對他們的康復不利。截肢者的殘肢或假肢訓練應采取非常規的訓練計劃。

以往的研究表明，假肢使用者模仿正常人肢體動作時，動作結果也有改善，有人認為這些改進可能與受試者的視覺角度有關。Lawson等[27]讓非限位假肢使用者分別從矢狀面和冠狀面角度觀察模仿治療師的康復動作，發現觀察角度對假肢使用者的學習效果有顯著影響。

3 幻肢痛與神經可塑性的關系

幻肢痛是指患者被截肢后，仍感覺到被截除的肢體所發生的疼痛，常同時伴有幻肢覺和殘肢痛，是截肢后常見并發癥之一，發生率高達80%[28]。幻肢覺和幻肢痛一般與年齡相關，在幼兒截肢患者中很少出現幻肢覺和幻肢痛，先天性肢體缺失的患者則不會出現幻肢覺和幻肢痛。外周感受器、感覺傳入纖維、脊髓傳導通路、丘腦等各個感覺傳入環節，甚至皮質的變化都可能與幻肢痛密切相關，與患者的心理因素也可能有一定關系[29]。

與中樞神經相關疾病(如腦卒中、腦損傷)不同，創傷性截肢被認為可能不會改變大腦結構(但關于灰質和白質結構變化方面存在爭議)[30-31]；如果改變了，似乎與幻肢覺更相關[32]。如果上肢截肢者表現出感覺重組，往往也與幻肢覺密切相關。Karl等[33]使用經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)和軀體感覺皮質神經電極，對有幻肢痛的患者進行神經成像，并與無幻肢痛的前臂截肢者進行對比，發現幻肢痛的前臂截肢者誘發肱二頭肌收縮時需要較大的運動誘發電位，且截肢側殘肢肌肉比健側有更大的皮質投射面積。提示幻肢痛的截肢患者運動和軀體感覺區域可塑性增強。Sanne等[34]認為，幻肢痛主要由初級軀體感覺皮質重組引起，表現為殘肢功能退化和其他身體部位重新映射。他們要求單側上肢截肢者通過運動想象移動他們的幻肢或其他身體部位，并使用fMRⅠ觀察相關神經活動，發現慢性幻肢痛截肢患者在想象幻肢運動時，與殘肢皮質相關的感覺運動區域有較強激活。這表明慢性幻肢痛與殘肢所保持的功能相關性不能通過慢性非疼痛幻覺、殘肢或假肢的補償性使用的經驗來解釋。這些研究結果強調殘肢表象和慢性幻肢痛之間可能的關系。今后的研究需要進一步探究來自殘肢的外周輸入成分的作用，以更好了解慢性幻肢痛的潛在機制。

治療幻痛的方法，如鏡像療法，也可以幫助感覺重組[35]。Tung等[36]讓雙側截肢幻肢痛患者觀察技師肢體運動，并囑患者模仿該運動，發現疼痛得到緩解。Morgan等[37]發現，截肢術后盡早使用假肢有利于改變對疼痛的記憶，達到預防和治療幻肢痛的作用，但也有患者在出現幻肢痛后繼續使用假肢，疼痛程度反而加重。

4 截肢者大腦運動命令的偏側化

全腦頭皮腦電圖(electroencephalogram,EEG)的使用，使我們能夠評估大腦半球的偏側化在運動皮質區計劃和執行中的模式，這個模式可以揭示與截肢者殘肢康復有關的神經可塑性。Gagné等[38]發現，上肢截肢后，殘存肌肉在大腦運動皮質投射代表區并不總是橫向擴展轉移，也并不總是表現出在初級運動皮質區投射面積增大。

在一項需要使用勞動工具的運動任務中，實驗者比較使用依靠遠端關節運動的工具(如剪刀)與依靠近端關節運動的工具(如鋸子)時大腦皮質活動，研究結果表明，右利手者在近端關節和遠端關節運動時，進行運動計劃時需要激活大腦左側運動前區和頂下小葉區。在不適應假肢的優勢手臂截肢者中，行為適應所產生的單手行為可能為非優勢手臂提供機會顯示全新的大腦半球偏側化模式。Williams等[39]將截肢前為右利手的右臂截肢者與右利手和左利手的正常受試者進行比較，結果顯示，截肢者在使用殘肢進行動作時，對側運動皮質區被激活，在頂葉皮質區產生有明顯特征的α和β波；在使用左臂時，激活模式與使用左臂的右利手者相似。表明患者健側上肢運動時，對側大腦運動皮質激活與正常人基本一致；但在患側“運動”時，對側大腦的激活明顯不同，這種差異可能代表了大腦皮質不同區域在運動執行和運動控制等方面的功能情況。

5 展望

截肢后神經變化的復雜性可能會對運動計劃、執行和學習產生深遠影響。是否可以利用神經可塑性來理解治療方法和技術具有重要價值。有證據表明，神經可塑性和運動學習可能會在沒有來自假肢的恢復性感覺反饋的情況下發展。神經科學、神經工程和臨床協作可能有助于截肢者的康復。

有關上肢截肢者大腦運動皮質區的相關研究還較少，上肢截肢者殘肢或假肢的運動控制與學習神經機制還有待進一步研究。