脊髓神经功能的功能磁共振成像研究

1、脊髓神经功能的功能磁共振成像研究    作者：王伟东，孔抗美，吴仁华  摘要随着功能磁共振成像(fMRI)技术在脑功能研究方面的广泛应用，脊髓fMRI研究也在逐步展开。通过动物实验及临床试验，发现fMRI可对相应脊髓神经功能区进行定位，突破了既往仅在解剖学、生理学和病理生理学研究的格局，对刺激后脊髓神经活动有了新的发现和深入理解，并在临床中得到了初步应用。 关键词脊髓；功能磁共振成像 功能磁共振成像(fMRI)技术是利用脑组织被激活时血氧水平尤其是磁敏感性的变化导致T2弛豫时间的变化来成像的14，并成为研究正常脑功能活动及临床实践的一个重要手段

2、。目前关于应用fMRI研究脊髓神经功能的报道不多。这主要是由于脊髓本身的结构形态细长，伴有明显的脑脊液搏动效应，加上心脏和呼吸的影响，相关功能研究受到技术限制。Yoshizawa等5通过手运动刺激对健康志愿者进行颈脊髓的功能成像，fMRI检测到颈脊髓功能激活区域和理论对应区域相一致，并认为用fMRI技术检测脊髓神经功能是可行的。后续研究提示合理应用fMRI技术将有望对脊髓功能定位、疗效监测、治疗指导等方面的研究具有重要的临床意义。 1  正常脊髓的fMRI研究 11 运动刺激的脊髓fMRI特征 上肢运动刺激可引起颈脊髓灰质中间外侧区域的激活，同时也引起脊髓前角的信号轻度增强。有人对健

3、康志愿者进行最大力度握拳(频率2Hz)实验，以第7颈椎为中心行15T_fMRI研究，提示血氧水平依赖(BOLD)效应图像信号强度值约为48%5。激活区域位于同侧脊髓中部和前角灰质，包括运动神经元、皮质脊髓束的终端神经轴突和供应脊髓神经元的毛细血管。Stroman等6应用30T_fMRI技术研究颈脊髓的BOLD效应成像，发现运动刺激时颈脊髓功能激活区信号增强值约为70%，静息时信号恢复正常。有认为运动刺激可以单独或同时激活同侧C6T1脊髓前角或后角神经功能区。 Madi等7用15T_fMRI技术对运动刺激后颈脊髓神经功能激活的成像进行分析，发现激活区域与颈脊髓的实际解剖位置相一致，并具有相当的可

4、靠性。实验结果提示在所有对象的图像中均有BOLD效应，信号增强值为05%70%。相同运动刺激条件下，运动量大小与信号增强具有线形相关性。功能激活区分布于整个脊髓，主要激活区与实际对应的脊髓解剖位置相一致。例如，屈肘运动(肱二头肌对应C5、C6)引起C5、C6fMRI信号改变，伸腕(桡侧腕长、腕短伸肌对应C67)在5/6实验对象的图像中有C67fMRI信号改变。张劲松8对7例健康右利手志愿者进行握拳、屈腕及穴位按压试验，采用15T磁共振系统，运用单次激发平面回波成像(EPI)扫描序列进行颈脊髓功能成像并进行BOLD功能分析，结果发现7例均不同程度激活相应脊髓兴奋区，握拳试验和屈腕试验主要激活C4

5、T1支配区，信号增加强度一般在10%20%之间。 下肢运动刺激同样可以应用BOLD_fMRI技术观察腰脊髓神经功能的激活情况。研究发现双侧下肢踝关节主动运动时，激活区同时位于腰脊髓的运动及感觉功能区，主要有S23脊髓的左侧前后角、L5脊髓两侧前角、L14脊髓两侧前后角，信号增加强度一般在(119±10)%之间；而被动运动时，腰脊髓下段运动及感觉功能区同时激活，上段只有运动功能区激活，主要有S23脊髓两侧后角、L4右侧前角及中部、L13两侧前角，信号增加强度一般在(124±11)%之间9。 12  感觉刺激的脊髓的fMRI特征 研究发现冷刺激手和前臂不同皮肤感觉区后

6、，脊髓神经激活区所在层面与感觉区域密切相关10。结果表明刺激右手掌拇指区相当于刺激正中神经，颈脊髓激活区分布在C58，以C6最为明显；刺激小指区相当于刺激尺神经，对应颈脊髓激活区分布在C7和C8，而C6激活不明显；刺激前臂肘区相当于刺激前臂外侧皮神经，对应脊髓激活区分布在C56，向下延伸至C7有稍低信号激活10。Stroman等11还通过温度刺激L4脊髓感觉分布区，fMRI脊髓功能激活区成像主要位于同侧脊髓后角(第细胞层)，脊髓中央灰质区(第细胞层)也有较为明显的激活；脊髓前角第细胞层同样可以观察到激活，可能是前角运动神经元对感觉刺激负反射的结果所致；前正中裂激活现象可能是其本身血管血流量改变

7、引起。在对侧脊髓也有激活现象，但并不明显，激活区多数位于后角及中部灰质。激活信号增加值与刺激温度高低相关，29刺激时信号增加(26±11)%，15时(32±05)%，10时 (70±09)%。10刺激主要通过皮肤伤害感受器引起激活，激活区明显位于同侧脊髓后角(第细胞层)的表层，而灰质前角及中部激活明显减少；对侧后角区及中部运动区(第细胞层)也有更为明显的激活。 电刺激肘部正中神经后引起下段颈脊髓(主要为C4T7)功能区的激活12，信号增强约8%15%。Backes等12对电刺激肘部正中神经(频率1Hz，电流2040mA)进行BOLD_fMRI分析。矢状面fMRI提

8、示7例实验对象中有5例出现颈脊髓下段激活，而横断面 (C67)fMRI只有2例出现激活。研究结果并未发现电刺激后脊髓在横断面的具体激活区域。 13  穴位刺激的脊髓fMRI特征 有人对7例健康右利手进行穴位按压试验(常用合谷穴)，结果显示兴奋点分布较散在，信号增加强度略低。虽然C4平面激活频率较高，但总体而言，按压穴位引起的激活点信号增加强度值较低，且分布比较散在，缺乏集中性，甚至C2(超出臂丛范围)亦受到明显激活8。由于腧穴的传导机理不明，尚不能用目前的神经系统理论加以解释，因此功能磁共振成像的研究有望对此进行更深入的研究。 2 脊髓损伤的fMRI研究 近几年，脊髓fMRI开始被应

9、用到脊髓损伤的研究。通过热刺激应用fMRI技术对正常及损伤脊髓进行功能成像的研究结果表明，在热刺激条件下应用fMRI技术能检测到于脊髓损伤水平下有相对固定的神经功能激活区11，13。肯定了脊髓fMRI技术的可靠性及其临床应用意义。实验通过对小腿内的热刺激可以激活脊髓的腰段，正常对照组提示主要激活区域位于同侧，尤其是在脊髓的后角、中部及前角(功能区)。这可能与脊髓对热刺激的负反射作用有关16。同时发现对侧有较少显著激活区，主要集中在前角与中部。不完全脊髓损伤组激活情况具有感觉功能组，脊髓对热刺激的激活情况与正常对照组相似；未具有感觉功能组激活比正常对照组少，于同侧前角区明显减少。而完全脊髓损伤组

10、，根据损伤脊髓的水平，激活呈多样化。同侧前角区域激活更少，而同侧及对侧前角脊髓灰质均明显激活。因此，认为脊髓前角灰质神经元功能的激活是对冷或有害刺激的一种反射，这与脊髓损伤后下传通路的中断有关。正常和损伤脊髓的功能激活区域对温度刺激(1529)的信号增加强度值相似(约为20%30%)，低于这个温度(10)刺激的信号增加强度值更大 (70%80%)11，13。    3 动物脊髓的fMRI研究 有关应用fMRI研究脊髓神经功能活动情况的动物实验报道较少，但研究结果表明fMRI技术能在动物身上直接反映出脊髓神经激活区域的情况。首篇有关动物脊髓fMRI的研究报

11、告来自Porszasz等14。实验采用的方法特点应用47T驰豫加强快速采集序列(RARE)获得实验资料；采用100ms的有效回波时间；获得层厚为1mm的冠状面图像。结果提示脊髓对刺激的信号增加强度值为127%14。Malisza等15，16应用94TRARE技术在大鼠脊髓研究中获得层厚为2mm的横断面图像。实验在大鼠四肢注射神经毒性物质(福尔马林、辣椒素等)，应用fMRI技术观察药物对脊髓神经功能的影响情况，结果提示信号增加强度值分别为160%和200%。 Lawrence等17对大鼠的前、后肢行损伤性电刺激并行脊髓fMRI，应用c_fos染色对fMRI提示的神经激活区组织行免疫组化检测，发现

12、图像激活区与实际脊髓组织有很好的对应性。Majcher等18在最近的动物实验研究中应用fMRI技术发现脑与颈脊髓神经功能激活区和它们的解剖位置具有高度的相关性。实验通过电刺激大鼠前肢，在94T快速旋转回波技术获得层厚为2mm的横断面图像，回波时间定为44ms。结果提示脑和脊髓对刺激的信号增加强度值约为30%。 4  展望 尽管应用fMRI技术研究脊髓神经功能已取得了较大进展，但仍存在一些有待优化和扩展的问题。fMRI是通过血氧饱和度和血流量变化的测定间接反映神经元功能活动。因此,血管状态、成像设备和参数、刺激任务的设计及统计学方法的选择等因素都会影响fMRI结果。此外，成像时间和分析

13、时间较长,受试者的配合情况等因素也是有待解决的问题。随着高磁场磁共振设备、超快速成像软件及数据处理软件的开发,成像方法及后处理方案的标准化，fMRI有望成为采集脊髓资料及分析脊髓神经元激活区域情况的有效手段。 参考文献： 1Ogawa S，Lee TM，Nayak A，et al. Oxygenation_sensitive contrast in magnetic resonance image of rodent brain at high magnetic fieldsJ. Magn Reson Med，1990，14：68-78. 2Ogawa S，Lee TM，Kay AR，et a

14、l. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenationJ. Proc Natl Acad Sci USA，1990，87：9868-9872. 3Ogawa S，Lee TM. Magnetic resonance imaging of blood vessels at high fields：in vivo and in vitro measurement and image simulationJ. Magn Reson Med，1990，16：9-18. 4Blamire AM，Og

15、awa S. Dynamic mapping of the human visual cortex by high_speed magnetic resonance imagingJ. Proc Natl Acad Sci USA，1992，89：11069-11073. 5Yoshizawa T，Nose T，Moore GJ，et al. Functional magnetic resonance imaging of motor activation in the human cervical spinal cordJ. Neuroimage, 1996, 4: 174-182. 6St

16、roman PW，Nance PW，Ryner LN. BOLD MRI of the human cervical spinal cord at 3 teslaJ. Magn Reson Med， 1999，42：571-576. 7Madi S，Flanders AE，Vinitski S，et al.Functional MR imaging of the human cervical spinal cordJ. AJNR， 2001，22：1768-1774. 8张劲松.单次激发EPI序列行颈髓磁共振功能成像的初步研究J. 实用放射学杂志， 2003， 19(1)： 20-24. 9J

17、 Kornelsen1，PW Stroman. fMRI of the Lumbar Spinal Cord During a Lower Limb Motor TaskJ. Magnetic Resonance in Medicine，2004，52：411-414.( ) 10Stromana PW，Krausea V，Malisza KL，et al.  Functional magnetic resonance imaging of the human cervical spinal cord with stimulation of different sensory der

18、matomesJ. Magnetic Resonance Imaging，2002，20：1-6. 11Stroman PW，Tomanek B，Krause V，et al. Mapping of neuronal function in the healthy and injured human spinal cord with spinal fMRIJ. Neuroimage，2002，17：1854-1860. 12Backes WH，Mess WH，Wilmink JT. Functional MR Imaging of the Cervical Spinal Cord by Use

19、 of Median Nerve Stimulation and Fist ClenchingJ. AJNR，2001，22：1854-1859. 13Kornelsen J，Stroman PW. fMRI of the lumbar spinal cord during a lower limb motor taskJ. Magn Reson Med，2004，52：411-414. 14Porszasz R，Beckmann N，Bruttel K，et al. Signal changes in the spinal cord of the rat after injection of formalin into the hindpaw: characterization using functional magnetic resonance imagingJ. Proc Natl Acad Sci USA，1997，94：5034-5039. 15Malisza KL，Stroman PW. Functio