慢性腰痛與運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層功能改變的研究進(jìn)展

楊懷春,肖文武,管業(yè)簫,王楚懷

慢性腰痛,是當(dāng)前全球范圍內(nèi)最主要的致殘疾病之一,已成為影響勞動(dòng)生產(chǎn)力的最主要因素之一[1-2]。然而,慢性腰痛是一大類異質(zhì)性疾病,其病因及發(fā)病機(jī)制不盡相同,其中,高達(dá)90%的慢性腰痛患者病因不明[3-4]。因此,有必要進(jìn)一步探討慢性腰痛的發(fā)病機(jī)制。

既往,研究者較多地關(guān)注慢性腰痛患者的外周肌肉運(yùn)動(dòng)控制改變,并且認(rèn)為這些運(yùn)動(dòng)控制改變可能與慢性腰痛的發(fā)生存在聯(lián)系[5-7]。近年來,研究提示慢性腰痛患者運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層也可能發(fā)生了功能改變[4,8-9],然而這些運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層腦功能改變與慢性腰痛之間的關(guān)系仍不甚清楚。本文通過對(duì)近年來慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層功能改變的研究進(jìn)行回顧,旨在為理解慢性腰痛的可能發(fā)病機(jī)制及促進(jìn)其全面康復(fù)提供潛在的思路。

1 運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層

運(yùn)動(dòng)控制是人體執(zhí)行動(dòng)作的神經(jīng)肌肉控制過程,其涉及感覺信息傳入、中樞整合、運(yùn)動(dòng)輸出,最終以適當(dāng)?shù)募∪饬α亢蛥f(xié)調(diào)性實(shí)現(xiàn)適宜的運(yùn)動(dòng)或動(dòng)作[10-12]。進(jìn)一步,運(yùn)動(dòng)控制可分為隨意運(yùn)動(dòng)控制及無意識(shí)運(yùn)動(dòng)控制,其中,無意識(shí)姿勢(shì)控制包括了預(yù)期姿勢(shì)調(diào)節(jié)及補(bǔ)償姿勢(shì)調(diào)節(jié)[13]。

在中樞神經(jīng)系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層分布較為廣泛,其中,主要涉及初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(primary motor area, M1)、運(yùn)動(dòng)前區(qū)(premotor area, PMA)等腦區(qū)[14-16],其中,PMA腦區(qū)進(jìn)一步可以分為輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area, SMA)及運(yùn)動(dòng)前皮質(zhì)(premotor cortex, PMC)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng),M1、SMA、PMC在運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃與執(zhí)行過程中起到重要作用[17-19]。M1區(qū)是隨意運(yùn)動(dòng)控制的執(zhí)行腦區(qū)[20],同時(shí)也是運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)期間預(yù)期姿勢(shì)控制適應(yīng)性改變的核心腦區(qū)[21]。SMA與PMC是無意識(shí)運(yùn)動(dòng)控制過程中運(yùn)動(dòng)指令編程的高級(jí)皮層[22],同時(shí)參與了調(diào)節(jié)M1區(qū)運(yùn)動(dòng)輸出指令[23-24]。

因此,運(yùn)動(dòng)控制是一個(gè)復(fù)雜的人體肌肉控制過程,M1區(qū)、SMA及PMC在介導(dǎo)隨意運(yùn)動(dòng)控制及無意識(shí)運(yùn)動(dòng)控制過程中起到重要作用,各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)腦區(qū)既有彼此分工,也存在共同參與、相互協(xié)調(diào)的關(guān)系。

2 慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層功能改變

慢性腰痛存在運(yùn)動(dòng)控制改變得到了較為廣泛的認(rèn)可[25-26]。以往,人們主要關(guān)注運(yùn)動(dòng)控制的外周肌肉功能改變。近年來,人們逐漸意識(shí)到運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)中樞改變可能在慢性腰痛發(fā)病過程中起到的重要作用,其中M1區(qū)、SMA、PMC等運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層得到了廣泛的關(guān)注。

在M1區(qū)研究方面,有學(xué)者分別采用經(jīng)顱磁刺激及表面肌電進(jìn)行M1區(qū)及多裂肌功能檢測,結(jié)果顯示,在執(zhí)行內(nèi)源性可預(yù)期姿勢(shì)干擾動(dòng)作時(shí),右側(cè)慢性腰痛患者中雙側(cè)M1區(qū)活動(dòng)運(yùn)動(dòng)閾值較左側(cè)慢性腰痛及無癥狀受試者顯著下降,其多裂肌預(yù)期姿勢(shì)調(diào)節(jié)潛伏期較左側(cè)慢性腰痛患者顯著變短;雙側(cè)慢性腰痛多裂肌預(yù)期姿勢(shì)調(diào)節(jié)激活提前與更低M1區(qū)活動(dòng)運(yùn)動(dòng)閾值存在相關(guān)性[27]。采用M1區(qū)經(jīng)顱磁刺激記錄腹橫肌/腹內(nèi)斜肌皮質(zhì)脊髓束興奮性、激活運(yùn)動(dòng)閾值、短間隔皮質(zhì)內(nèi)抑制,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行快速肩部前屈任務(wù)時(shí),慢性腰痛同側(cè)腹橫肌/腹內(nèi)斜肌預(yù)期激活延遲,雙側(cè)腹橫肌/腹內(nèi)斜肌共激活模式消失,伴隨M1區(qū)短間隔皮質(zhì)內(nèi)抑制丟失[28]。進(jìn)一步,采用經(jīng)顱磁刺激進(jìn)行M1區(qū)軀干肌代表皮層定位,結(jié)果顯示慢性腰痛患者腹橫肌、多裂肌運(yùn)動(dòng)皮層定位發(fā)生改變[29]。而采用經(jīng)顱磁刺激及表面肌電進(jìn)行慢性腰痛中樞運(yùn)動(dòng)皮層及外周肌肉肌電改變,結(jié)果發(fā)現(xiàn),慢性腰痛患者椎旁肌肉代表的M1區(qū)出現(xiàn)離散運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)分布消失,并且這種改變與慢性腰痛的疼痛程度和疼痛部位存在關(guān)聯(lián)[30]。因此,慢性腰痛患者出現(xiàn)了M1區(qū)功能改變,有限的研究提示這些功能改變可能與外周肌肉運(yùn)動(dòng)控制改變存在相關(guān)性,然而,目前M1區(qū)功能改變與外周肌肉運(yùn)動(dòng)控制改變之間的關(guān)系仍不甚清楚,值得進(jìn)一步開展相關(guān)研究。

在SMA及PMC腦區(qū)研究方面,有學(xué)者采用高密度腦電分析慢性腰痛患者相關(guān)腦區(qū)功能改變,結(jié)果顯示,在執(zhí)行虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下站立位身體前傾舉臂觸物任務(wù)時(shí),慢性腰痛患者較健康受試者出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)反應(yīng)時(shí)延遲、SMA及PMC腦區(qū)beta值下降等變化,并且這些改變與運(yùn)動(dòng)誘發(fā)疼痛存在相關(guān)性[31]。另外一份獨(dú)立研究采用功能磁共振進(jìn)行SMA腦區(qū)檢測,結(jié)果顯示,慢性腰痛左側(cè)SMA腦區(qū)及右顳上溝激活程度較健康受試者下降[32]。類似的,對(duì)于PMC腦區(qū),研究也發(fā)現(xiàn),在面對(duì)疼痛刺激時(shí),相較于健康受試者,慢性腰痛患者PMC的部分區(qū)域存在去激活情況[8]。采用功能磁共振技術(shù)進(jìn)行腦功能檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn),相較于健康受試者,慢性腰痛患者SMA腦區(qū)、中央前回/中央后回、前扣帶回等腦區(qū)的低頻振幅 (amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF)顯著上升,左側(cè)前扣帶回灰質(zhì)體積顯著下降;當(dāng)腰痛激發(fā)后,慢性腰痛患者島葉、杏仁核、海馬/海馬旁回和丘腦ALFF值升高[33]。在腦功能連接方面,慢性腰痛患者M(jìn)1區(qū)、SMA腦區(qū)、前扣帶皮層、中扣帶皮層、后扣帶皮層、額葉下回、顳中回、枕葉回、中央回后、丘腦、尾狀核和小腦等腦區(qū)之間存在廣泛靜息態(tài)腦功能連接下降,并表現(xiàn)出不穩(wěn)定及低效率的腦網(wǎng)絡(luò)連接[34]。此外,研究也發(fā)現(xiàn)慢性腰痛患者PMC也出現(xiàn)靜息態(tài)異常改變[35]。然而,在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí),慢性腰痛患者存在雙側(cè)運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層顯著激活及任務(wù)態(tài)功能連接增加[36]。目前,較多研究提示慢性腰痛患者SMA、PMC腦區(qū)存在功能改變。盡管在健康人群中,SMA、PMC腦區(qū)功能與外周肌肉運(yùn)動(dòng)控制存在相關(guān)性[37-38]。但是,關(guān)于慢性腰痛SMA、PMC腦區(qū)功能改變與外周肌肉運(yùn)動(dòng)控制改變之間的關(guān)系,較少報(bào)道。

綜上所述,相較于無腰痛受試者,慢性腰痛患者可能出現(xiàn)了以M1區(qū)、SMA及PMC腦區(qū)激活和或功能連接改變?yōu)橹饕卣鞯哪X功能改變。盡管較多研究提示慢性腰痛患者存在M1區(qū)、SMA、PMC等腦區(qū)功能改變,但是關(guān)于這些腦區(qū)與運(yùn)動(dòng)控制外周改變之間的聯(lián)系及可能機(jī)制,報(bào)道較少,相關(guān)研究需要進(jìn)一步開展,這將有助于進(jìn)一步揭示慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制改變的中樞機(jī)制。

3 靶向慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層的無創(chuàng)性腦調(diào)控治療

無創(chuàng)性腦調(diào)控治療,是區(qū)別于有創(chuàng)腦調(diào)控技術(shù)的一種腦調(diào)控治療方法,其具有無創(chuàng)、相對(duì)安全等特點(diǎn),包括了經(jīng)顱直流電刺激、重復(fù)經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱超聲刺激、經(jīng)顱交流電刺激、經(jīng)顱隨機(jī)噪音刺激、迷走神經(jīng)刺激、前庭電刺激、經(jīng)顱靜磁場刺激[39-41]。在慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)腦區(qū)的無創(chuàng)腦調(diào)控治療研究中,經(jīng)顱直流電刺激在靶向慢性腰痛M1區(qū)的康復(fù)治療作用得到了較多的研究。

在慢性腰痛患者中,單純應(yīng)用M1區(qū)陽極經(jīng)顱直流電刺激對(duì)慢性腰痛、疼痛相關(guān)殘疾評(píng)分未見顯著改善[42]。然而,應(yīng)用M1區(qū)陽極經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方法,可有效改善皮層興奮性、運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)及運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)能力[43]。此外,M1區(qū)陽極經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合姿勢(shì)控制訓(xùn)練亦可顯著改善慢性腰痛患者平衡功能、姿勢(shì)穩(wěn)定性及疼痛評(píng)分[44]。因此,相較于單純應(yīng)用經(jīng)顱直流電刺激,采用經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方案在改善慢性腰痛疼痛評(píng)分及功能障礙方面,可能更具有治療效果。為此,有學(xué)者指出,單純無創(chuàng)性腦調(diào)控治療對(duì)慢性腰痛的治療作用可能效果有限[45],無創(chuàng)腦調(diào)控聯(lián)合運(yùn)動(dòng)療法可能更具有積極的治療作用。然而,盡管目前的研究提示M1區(qū)經(jīng)顱直流電刺激聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練在慢性腰痛中可能起到治療作用,但其具體治療機(jī)制仍不甚清楚,后續(xù)值得開展相關(guān)的治療機(jī)制研究。

綜上所述,關(guān)于靶向慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層的腦調(diào)控治療研究中,人們較多關(guān)注慢性腰痛的M1區(qū)經(jīng)顱直流電刺激治療研究。然而,關(guān)于慢性腰痛SMA及PMC等運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)腦區(qū)的無創(chuàng)腦調(diào)控研究仍較少報(bào)道。同時(shí),盡管重復(fù)經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱交流電刺激對(duì)慢性腰痛的治療作用亦展現(xiàn)出潛在的治療價(jià)值[46-47],然而,其在慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層中的腦調(diào)控研究亦較少報(bào)道。因此,慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層的無創(chuàng)腦調(diào)控治療研究仍處于起步階段。有限的關(guān)于M1區(qū)腦調(diào)控治療作用的研究中,其治療機(jī)制亦不甚清楚。

4 小結(jié)

近些年研究提示,慢性腰痛患者M(jìn)1區(qū)、SMA區(qū)、PMC等運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層可能發(fā)生了功能改變,然而,這些相關(guān)皮層功能改變與慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制及慢性腰痛發(fā)病過程之間的關(guān)系及可能作用機(jī)制仍不甚清楚。深入探討慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層功能改變機(jī)制有助于進(jìn)一步揭示慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制改變的中樞機(jī)制。同時(shí),針對(duì)慢性腰痛運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)皮層的無創(chuàng)性腦調(diào)控研究,存在諸多空白領(lǐng)域,且其對(duì)慢性腰痛的治療作用具有爭議。這可能與慢性腰痛本身病因異質(zhì)性、無創(chuàng)腦調(diào)控方法及相關(guān)操作規(guī)范等均有關(guān)系。因此,針對(duì)慢性腰痛的無創(chuàng)性腦調(diào)控康復(fù)治療研究,仍值得進(jìn)一步深入研究,這將為慢性腰痛的精準(zhǔn)化康復(fù)治療提供潛在的康復(fù)手段。