靜息態(tài)fMRI觀察電刺激誘發(fā)肢體持續(xù)麻木感

方 杰，魯學(xué)婷，劉 飛，費家廷，王海寶

(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，安徽 合肥 230022)

麻木(numbness)系內(nèi)外界因素包括血運(yùn)障礙、神經(jīng)病變及營養(yǎng)不良等所致機(jī)體針刺感覺異常或缺失，涉及各系統(tǒng)多種疾病[1]。電刺激能激活皮膚感受器、神經(jīng)、肌肉細(xì)胞等，產(chǎn)生疼痛麻木、神經(jīng)傳導(dǎo)、肌肉收縮及大腦信號改變，已廣泛用于疼痛、最小意識狀態(tài)、腦卒中和抑郁障礙等相關(guān)腦功能研究[2-3]。基于血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)的靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)能反映靜息狀態(tài)下腦功能，安全、可重復(fù)性強(qiáng)，空間分辨率高，為腦功能研究的重要手段。本研究基于電刺激誘發(fā)肢體持續(xù)麻木感，模擬臨床病理性麻木，以rs-fMRI結(jié)合比率低頻振幅 ( fractional amplitude of low frequency fluctuation, fALFF)方法觀察腦功能變化，為探討持續(xù)性麻木感腦機(jī)制提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象 招募21名健康成人，男10名，女11名，年齡24～30歲，平均(26.0±1.8)歲；均為右利手；身體健康，無MR檢查禁忌證，既往無精神疾病、神經(jīng)系統(tǒng)病變、精神活性物質(zhì)依賴或濫用史、嚴(yán)重軀體疾病。本研究獲校生物醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn) (倫理編號：20190474)，受試者均自愿參加研究，并簽署知情同意書。

1.2 設(shè)計 掃描前對受試者進(jìn)行訓(xùn)練，通過改裝引線將電麻木刺激儀與貼于其右側(cè)小腿下段內(nèi)外側(cè)的兩個表面電極(4.5 cm×6.0 cm)相連。掃描分兩階段，間隔2 min：第一階段無電刺激，采集3D-T1WI(結(jié)構(gòu)像，6 min 12 s)和BOLD-fMRI(10 min)；第二階段持續(xù)性施加相同脈沖電刺激，刺激誘發(fā)肢體麻木，同時行BOLD-fMRI(10 min)。掃描結(jié)束后囑受試者參考數(shù)字分級評分法(numerical rating scale, NRS)[4]評價個體麻木感強(qiáng)度，0分表示無麻木感，10分代表麻木強(qiáng)烈。

1.3 儀器及參數(shù) 采用深圳奧泊康公司CL-105低頻脈沖電刺激儀(電源：6 V 0.3 W，1～15檔)，根據(jù)掃描前訓(xùn)練，選擇受試者均能耐受并產(chǎn)生麻木效果的第7檔脈沖(頻率：1000 Hz)。采用Philips Ingenia 3.0T MR儀，頭顱專用線圈。首先采集矢狀位3D-T1WI結(jié)構(gòu)像，TE 2.9 ms，TR 6.5 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，F(xiàn)A 9°，矩陣256×256，層厚1 mm，層距0 mm，層數(shù)211，時間6 min 12 s；之后平行于胼胝體前后聯(lián)合行BOLD-fMRI掃描，TR 3 000 ms，TE 30 ms，F(xiàn)A 90°，F(xiàn)OV 217 mm×217 mm，矩陣64×64，層厚3.3 mm，層距0，層數(shù)48，時間10 min。

1.4 圖像后處理 以Mricron軟件將MR數(shù)據(jù)從DICOM格式轉(zhuǎn)化為NIFTI格式，剔除前10個時間點的數(shù)據(jù)。采用CONN v18軟件進(jìn)行時間校正、頭動校正(計算X、Y、Z軸上的平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)，頭動平移<1.5 mm，旋轉(zhuǎn)角度<1.5°)、空間標(biāo)準(zhǔn)化、去線性漂移、去除協(xié)變量(包括6個頭動參數(shù)、心跳、呼吸、腦脊液和腦白質(zhì)等高頻生理噪聲)等預(yù)處理，然后以半峰全寬(full width at half-maximum, FWHM)均為4 mm的高斯核行平滑化處理，并完成時域濾波(帶通濾波范圍0.01～0.08 Hz)；經(jīng)傅里葉轉(zhuǎn)換及均方根計算得到每個體素的標(biāo)準(zhǔn)ALFF值，除以整個頻段的ALFF值，得到每個體素0.01～0.08 Hz頻段的fALFF值；進(jìn)一步獲得平均標(biāo)準(zhǔn)化fALFF值。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 采用CONN v18軟件對有無電刺激下腦fALFF進(jìn)行兩配對樣本t檢驗(FDR校正，簇塊≥500體素)，并以性別及年齡作為協(xié)變量，獲得存在顯著差異的腦區(qū)及其參數(shù)。對電刺激下腦fALFF與個體麻木感強(qiáng)度評分行全腦相關(guān)分析(FDR校正，簇塊≥500體素)，并以性別及年齡作為協(xié)變量，獲得顯著相關(guān)腦區(qū)及其統(tǒng)計參數(shù)；再以顯著相關(guān)腦區(qū)為ROI，提取受試者ROI的fALFF值。以SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件對fALFF值與個體麻木感強(qiáng)度評分行Pearson相關(guān)分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 評分 受試者個體麻木感強(qiáng)度評分結(jié)果為(7.3±1.3)分。

2.2 有無電刺激腦fALFF比較 電刺激下額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)、前扣帶回、左側(cè)顳中回、左側(cè)顳下回、右側(cè)顳中回、右側(cè)顳下回和右側(cè)顳極fALFF顯著增強(qiáng)(P均<0.05，F(xiàn)DR校正)，而楔前葉/后扣帶回及右側(cè)小腦顯著減低(P均<0.05，F(xiàn)DR校正)。見圖1、表1。

表1 電刺激導(dǎo)致fALFF產(chǎn)生顯著差異的腦區(qū)

圖1 電刺激導(dǎo)致fALFF顯著差異腦區(qū) 暖色示fALFF升高，冷色fALFF降低；L：左；R：右

2.3 相關(guān)分析 電刺激下楔前葉/后扣帶回和左側(cè)顳中回fALFF與個體麻木感強(qiáng)度評分呈顯著正相關(guān)(P均<0.05，F(xiàn)DR校正)，右側(cè)額極和左側(cè)顳下回則呈顯著負(fù)相關(guān)(P均<0.05，F(xiàn)DR校正)。見圖2、3，表2。

表2 電刺激下腦fALFF與個體麻木感強(qiáng)度評分顯著相關(guān)腦區(qū)

圖2 電刺激下腦fALFF與個體麻木感強(qiáng)度評分顯著相關(guān)腦區(qū) 暖色：正相關(guān)；冷色：負(fù)相關(guān)；L：左；R：右

圖3 電刺激下腦區(qū)fALFF與個體麻木感強(qiáng)度評分相關(guān)性分析 A.楔前葉/后扣帶回(r=0.835，P<0.001)； B.左側(cè)顳中回(r=0.830，P<0.001)； C.右側(cè)額極(r=-0.773，P<0.001)； D.左側(cè)顳下回(r=-0.810，P<0.001)

3 討論

麻木是常見的復(fù)雜多維體驗，能引起不適感和不良情感體驗。肢體麻木感常繼發(fā)于血管、神經(jīng)等多種疾病。本研究采用電刺激成功誘發(fā)持續(xù)性肢體麻木感，對全部受試者施加相同的脈沖電刺激，而受試者麻木感強(qiáng)度評分結(jié)果不同，提示麻木感存在個體差異。

rs-fMRI可用于檢測大腦的自發(fā)神經(jīng)活動。fALFF屬于rs-fMRI數(shù)據(jù)分析方法，反映靜息狀態(tài)下大腦功能區(qū)低頻率(0.01～0.08 Hz)BOLD信號波動特征，可降低腦室及腦白質(zhì)生理噪聲信號干擾，有助于檢測持續(xù)麻木感引起的腦功能變化[5]。本研究結(jié)果顯示電刺激誘發(fā)肢體持續(xù)麻木感相關(guān)腦區(qū)涉及楔前葉、扣帶回、額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)、顳葉及小腦。楔前葉/后扣帶回及額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)是腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)的重要組成部分，參與情緒、記憶、意識及認(rèn)知等諸多功能，對維持機(jī)體基礎(chǔ)狀態(tài)具有著重要作用，許多疾病的病理生理改變與DMN異常關(guān)聯(lián)密切，如抑郁癥、阿爾茲海默病、兒童注意缺陷多動障礙癥等[6]。

本研究發(fā)現(xiàn)電刺激誘導(dǎo)持續(xù)性麻木感引起額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)及前扣帶回激活顯著增強(qiáng)，表明其在麻木感相關(guān)腦機(jī)制中起著重要作用。額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)接受廣泛的感覺輸入，屬感覺整合區(qū)域，推測大腦對麻木感的處理與額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)激活增加有關(guān)，為腹側(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點之一，該網(wǎng)絡(luò)對識別外界環(huán)境刺激產(chǎn)生的情緒意義及情感狀態(tài)有關(guān)[7]。KRAGEL等[8]發(fā)現(xiàn)消極情緒表現(xiàn)集中在腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層，認(rèn)知控制表現(xiàn)集中在背內(nèi)側(cè)前額葉皮層，本研究結(jié)果與之相符。前扣帶回是認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點之一，參與注意、感知覺、自主反應(yīng)及情緒等整合[9]。前扣帶回是邊緣系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一，參與評估內(nèi)部和外部刺激的動機(jī)內(nèi)容，并調(diào)控與情境有關(guān)行為[10]；前扣帶回激活增加可能與受試者知覺感受、注意力轉(zhuǎn)移至受刺激部位及情緒調(diào)節(jié)有關(guān)，或者是機(jī)體對麻木感產(chǎn)生適應(yīng)性的基礎(chǔ)。麻木與疼痛均屬于感覺異常，均引起不適感及不良情緒體驗。既往研究[10]發(fā)現(xiàn)有疼痛反應(yīng)時額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)及前扣帶回兩個腦區(qū)激活增加，參與感覺處理、注意力及情緒調(diào)控。本研究結(jié)果提示麻木與疼痛可能具有類似的腦機(jī)制，上述兩個腦區(qū)在麻木調(diào)節(jié)中也具有重要作用。

麻木狀態(tài)下兩側(cè)顳葉廣泛激活增加，但部分腦區(qū)相關(guān)分析存在相反結(jié)果，與顳葉腦區(qū)功能分化有關(guān)。顳葉是DMN的經(jīng)典組成部分，為感知和高階社會認(rèn)知的重要腦區(qū)[11]，顳葉異常會引起記憶、情緒、注意力、執(zhí)行決策及控制力異常[12]，推測其可能參與麻木所致認(rèn)知及情緒反應(yīng)調(diào)節(jié)。

本研究顯示麻木刺激下楔前葉/后扣帶回fALFF值減低,且與個體麻木感強(qiáng)度評分顯著相關(guān)，提示楔前葉/后扣帶回與麻木感靜息態(tài)腦功能密切相關(guān)。AMINOFF等[13]認(rèn)為楔前葉與后扣帶回功能相似，為整合高級認(rèn)知的復(fù)合體及DMN關(guān)鍵節(jié)點，靜息狀態(tài)下處于高激活狀態(tài)，對整合DMN功能起著關(guān)鍵作用；楔前葉/后扣帶回神經(jīng)活動減低或為麻木狀態(tài)下DMN異常的基礎(chǔ)，對大腦、身體和環(huán)境之間的整合及管理內(nèi)部認(rèn)知模型至關(guān)重要[14]。本研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)麻木時楔前葉/后扣帶回激活減低，與成人周圍性面神經(jīng)麻痹患者楔前葉激活減低相契合[15]，由此推測麻木可致機(jī)體對外界刺激反應(yīng)遲鈍。

本研究發(fā)現(xiàn)麻木的腦機(jī)制中有小腦參與。小腦具有運(yùn)動、行為、情感和認(rèn)知等功能[16]。研究[17]表明小腦參與感覺獲取，對感覺事件進(jìn)行預(yù)測、處理及適當(dāng)反應(yīng)調(diào)控，支持其控制知覺和認(rèn)知方面感覺的觀點。在情緒方面，參與負(fù)面情緒控制時，小腦蚓部激活增加[18]。本研究發(fā)現(xiàn)麻木感引起不良情緒體驗，致小腦蚓部fALFF值減低，推測麻木感引起小腦情緒調(diào)節(jié)異常或機(jī)體接觸刺激時保持不動，引發(fā)運(yùn)動抑制對小腦的調(diào)節(jié)。

額極是前額葉皮層的重要部分，參與注意、記憶、情緒及執(zhí)行控制能力等多種認(rèn)知功能整合。既往研究[8,19]發(fā)現(xiàn)認(rèn)知控制能力下降時，前額葉fALFF值減低。本研究中個體麻木感強(qiáng)度評分越高，右側(cè)額極激活越弱，提示受試者整體注意力、情緒及維持靜止?fàn)顟B(tài)等認(rèn)知控制能力下降。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)麻木感與情緒、認(rèn)知、感覺運(yùn)動及BMN等功能腦區(qū)密切相關(guān)，存在個體差異，且涉及楔前葉/后扣帶回、左側(cè)顳中回、左側(cè)顳下回及右側(cè)額極，為研究病理性麻木腦機(jī)制提供了新的依據(jù)。