郭峰，郝瑩，陳漁

1.沈陽體育學(xué)院運動人體科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽市 110102；2.遼寧省優(yōu)撫醫(yī)院，遼寧沈陽市 110021

0 引言

2015年世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計顯示，全球殘疾人數(shù)量約占世界人口總數(shù)的15%[1]。截肢后殘疾人運動功能康復(fù)一直是一個難題，原因在于學(xué)者們對截肢后大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能變化知之甚少。

目前，僅有少數(shù)學(xué)者在這方面開展相關(guān)研究。Cusack 等[2]觀察截肢者在佩戴假肢模仿假體演示運動時大腦的激活模式。Aziz-Zadeh 等[3]發(fā)現(xiàn)，截肢者殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時，會特異性地激活右側(cè)顳-頂交界處的皮質(zhì)區(qū)。Blank等[4]發(fā)現(xiàn)，上肢截肢者殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時，會特異性地激活大腦枕后區(qū)皮質(zhì)。Makin 等[5]發(fā)現(xiàn)，人體上肢截肢后，大腦的感覺運動皮質(zhì)區(qū)發(fā)生重組。

國內(nèi)學(xué)者在這方面也開展一些研究。蔣光耀[6]通過功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術(shù)發(fā)現(xiàn)，下肢截肢后大腦視覺運動皮質(zhì)區(qū)的大腦皮質(zhì)變薄，但是鑒于fMRI 測試時不允許受試者運動，未探究運動態(tài)下腦激活模式。同樣，受到fMRI 技術(shù)對運動限制的影響，呂元媛[7]僅僅觀察截肢者運動想象時腦激活源的特征，并未對殘肢的實際運動進行深入研究。

以上研究結(jié)果表明，截肢患者在腦結(jié)構(gòu)和腦功能方面都發(fā)生一定的可塑性變化，但是研究結(jié)果不一致。fMRI 的時間分辨率相對較低，相關(guān)研究無法探測截肢者殘肢運動觸發(fā)瞬時其大腦皮質(zhì)采用的神經(jīng)策略。因此，尋找一種具有較高時間分辨率的腦成像技術(shù)探究殘肢者運動任務(wù)態(tài)下的腦神經(jīng)機制顯得更加重要。

腦電圖具有較高的時間分辨率，可以探測到毫秒級的神經(jīng)元活動[8]。因此，可以使用記錄到的腦電圖數(shù)據(jù)，通過特定的方法，計算出神經(jīng)活動的發(fā)生源。標(biāo)準(zhǔn)化低分辨率腦電磁斷層掃描成像(standard low resolution brain electromagnetic tomography,sLORETA)技術(shù)通過特定的數(shù)學(xué)算法，將在頭皮上記錄到的腦電圖數(shù)據(jù)進行逆運算，從而得到神經(jīng)元電活動發(fā)生源的強度及三維空間分布[8]。與其他腦源成像技術(shù)相比，如腦電源分析(brain electrical source analysis,BESA)、時空最大后驗概率估計(spatio-temporal maximum a posteriori,ST-MAP)，sLORETA定位精度更高，在精準(zhǔn)性和抗噪聲方面均具有較強的優(yōu)越性[9]。目前，sLORETA 技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各種神經(jīng)中樞機制的研究中[8-11]。前期研究對上肢截肢后大腦運動皮質(zhì)區(qū)的可塑性進行綜述[12]，總體來看，截肢后大腦可塑性變化的機制尚不清楚。

本研究通過探討前臂截肢者殘肢運動時大腦神經(jīng)元活動的腦源特征，闡明人體截肢后大腦的可塑性變化特征，為截肢患者的功能康復(fù)提供基礎(chǔ)理論支持，同時也希望為截肢患者的臨床治療和預(yù)后觀察提供潛在的影像學(xué)標(biāo)記。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2019 年6 月至9 月，于沈陽市當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)、殘聯(lián)以及沈陽體育學(xué)院非體育專業(yè)(如運動人體科學(xué))共募集受試者24例，其中健全組15例，截肢組9例。兩組年齡、身高、體質(zhì)量無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

表1 兩組一般資料比較

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～35 歲；②右利手；③非運動愛好者，且無長期運動經(jīng)歷；④健全組1 年內(nèi)無重大疾病，無肩關(guān)節(jié)損傷史，無雙上肢手術(shù)史；⑤截肢組截肢年限均在6 年以上，均為右側(cè)腕肘關(guān)節(jié)間的肢體缺失，并無幻肢痛或手術(shù)留下的疼痛；⑥在訪視期間，所有受試者的右肩(殘肢)活動范圍均在正常關(guān)節(jié)活動范圍內(nèi)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①肩關(guān)節(jié)有外傷史、慢性疾病或活動異常；②48 h內(nèi)未充分休息或酗酒。

試驗前向受試者詳細(xì)介紹整個試驗流程，所有受試者均同意參與本研究，并在試驗前簽署知情同意書。本研究經(jīng)沈陽體育學(xué)院倫理委員會審批通過(倫理字[2019]1號)。

1.2 試驗設(shè)計

受試者坐在座椅上，身體放松，兩臂自然下垂，分別進行左右側(cè)上臂直臂屈伸運動，包括運動前的放松、運動準(zhǔn)備、運動執(zhí)行以及運動后的再放松，共8 s，每側(cè)肢體完成50 次屈伸運動。運動過程中要求受試者注意力集中，雙眼注視電腦屏幕，在每一個階段，電腦屏幕會出現(xiàn)相應(yīng)的提示語。試驗開始后，首先出現(xiàn)黑色屏幕，提示受試者保持放松；然后屏幕會出現(xiàn)倒計時的數(shù)字，提示受試者要注意力集中，即將開始運動；倒計時結(jié)束后會出現(xiàn)“運動”的指示標(biāo)記，提示受試者完成上臂直臂屈曲運動，上臂屈曲到水平位置時結(jié)束，該過程需要2 s，然后上臂自然回到初始位置；此時電腦屏幕再次變成黑色，受試者再次進入休息放松階段。重復(fù)進行，直到試驗結(jié)束。兩側(cè)上肢運動順序按照隨機原則，兩側(cè)上肢運動任務(wù)之間休息5 min。運動過程中同步采集受試者的腦電(electroencephalography,EEG)信號和三角肌前束的表面肌電(surface electromyography,sEMG)信號。

1.3 sEMG信號采集與處理

sEMG 信號的采集采用雙極差分記錄法，兩個記錄通道均來自腦電采集系統(tǒng)，以保證EEG 和sEMG 數(shù)據(jù)采集的同步化。三角肌前束的sEMG 信號主要用于確定肌肉的激活時刻。為了更好地確定肌電激活點，將原始肌電數(shù)據(jù)采用均方根振幅法[13]進行全波整流。

1.4 EEG信號采集與分析

采用eegoTMmylab EEG 系統(tǒng)對受試者EEG 信號進行采集，腦電帽為64 通道的Waveguard 帽，電極分布按照10-20 國際標(biāo)準(zhǔn)分布，采樣頻率2 000 Hz，放大器的帶通濾波范圍0.1～100 Hz。接地電極位于Fpz 與Fz之間，參考電極為CPz點。測試前，受試者洗凈頭發(fā)并吹干。主試者為受試者佩戴腦電帽，注射導(dǎo)電膏、撥離頭發(fā)，降低阻抗，使每個電極阻抗均＜5 kΩ。

以肌電激活點作為事件相關(guān)點，選取肌電觸發(fā)時刻到觸發(fā)后的2 000 ms 時間窗為腦電段(0～2 000 ms)，每側(cè)肢體運動都包含50 個EEG 分段數(shù)據(jù)。原始EEG數(shù)據(jù)濾波，頻率范圍0.5～30 Hz，隨后進行陷波50 Hz處理，以去除50 Hz 交流電干擾；將原始EEG 數(shù)據(jù)的采樣頻率降到250 Hz；將各個電極的重參考設(shè)置為全腦平均參考；使用獨立成分分析(independent component analysis,ICA)方法對EEG 信號進行降噪處理；使用閾值法再次進行偽跡去除，閾值標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為±80 μV。最終，執(zhí)行左上肢運動任務(wù)時的健全組無干擾的腦電分段數(shù)為(45.0±1.1)個，截肢組為(45.6±1.0)個；執(zhí)行右上肢運動任務(wù)時的健全組無干擾腦電分段數(shù)為(43.7±2.7)個，截肢組為(43.1±2.4)個。兩組的分段腦電數(shù)量之間均無顯著性差異(t左=-1.337,P=0.195 ;t右=0.548,P=0.589)。

1.5 sLORETA處理與分析

使用加拿大蒙特利爾神經(jīng)科學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)的MNI152 頭模[14]。系統(tǒng)將顱內(nèi)腦模擬成由6 239 個立體像素組成的數(shù)字化結(jié)構(gòu)，每個立體像素之間的最小分辨率為5 mm。每個立體像素對應(yīng)一個標(biāo)準(zhǔn)化電流密度，密度大小可以反映腦源的激活情況，其值越大，說明被激活區(qū)域的腦源激活強度越強；每個立體像素都對應(yīng)著一個三維坐標(biāo)(X,Y,Z)。根據(jù)Talairach Daemon 數(shù)據(jù)庫的腦圖譜將坐標(biāo)位置與布羅德曼分區(qū)(Brodmann area,BA)相對應(yīng)。

選取與運動相關(guān)的β 腦電波段(13～30 Hz)[9]，對預(yù)處理后的腦電進行sLORETA 腦成像分析[13,15]。將電極帽電極進行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，根據(jù)本研究中數(shù)據(jù)特征，經(jīng)過數(shù)據(jù)篩選后，最終確定61個腦電電極，這些電極基本覆蓋大腦的額葉、顳葉、頂葉以及枕葉區(qū)皮質(zhì)。將這61 個電極位置坐標(biāo)與MNI152 中Talairach 腦圖譜的坐標(biāo)位置進行數(shù)字化匹配。利用頭皮電極坐標(biāo)對應(yīng)的Talairach 腦圖譜坐標(biāo)進行矩陣轉(zhuǎn)化，生成矩列文件，計算每個受試者特定頻率段內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化電流密度值以及對應(yīng)的激活像素位置坐標(biāo)。鑒于每個BA 分區(qū)內(nèi)激活的像素數(shù)目不一致，為了將標(biāo)準(zhǔn)化電流密度值在組間進行比較，將激活的立體像素所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化電流密度總和除以總的激活像素數(shù)目。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 17.0 統(tǒng)計學(xué)軟件進行數(shù)據(jù)分析。激活的像素數(shù)目以及標(biāo)準(zhǔn)化電流密度以()表示，兩組間比較采用獨立樣本t檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 殘肢運動

健全組上肢運動時，主要激活前額葉和頂葉皮質(zhì)區(qū)(圖1A)。截肢組殘肢運動時，前額葉皮質(zhì)激活程度低于健全組，且截肢者在頂枕區(qū)皮質(zhì)激活更強(圖1B)。

圖1 截肢組殘肢與健全組同側(cè)肢體運動時β波段腦電sLORETA電流在大腦皮質(zhì)的分布

健全組運動時，平均最大電流密度值為2.36×10-2μV/mm2，坐標(biāo)為(-10 mm,63 mm,-7 mm)，位于額葉額上回的BA10 區(qū)(圖2A)。截肢組平均最大標(biāo)準(zhǔn)化電流密度值為1.00×10-2μV/mm2，坐標(biāo)為(15 mm,-60 mm,63 mm)，位于頂葉皮質(zhì)區(qū)的頂上小葉的BA7 區(qū)(圖2B)。從大腦最強激活位置坐標(biāo)來看，截肢組最強激活點移向運動同側(cè)的枕后區(qū)。見圖2。

圖2 截肢組殘肢與健全組同側(cè)肢運動時β波段腦電sLORETA電流最大值在大腦三個不同平面的分布

2.2 健肢運動

健全組肢體運動時主要激活大腦前額葉的額上回、額中回及頂葉皮質(zhì)(圖3A)。截肢組健肢運動時主要激活區(qū)與健全組相似，主要為前額葉的額上回、額中回以及頂葉皮質(zhì)，但其在前額葉的激活強度更大(圖3B)。

圖3 截肢組健肢與健全組同側(cè)健肢運動時β波段腦電sLORETA電流在大腦皮質(zhì)的分布

健全組平均最大電流密度值為1.05×10-2μV/mm2，坐標(biāo)為(5 mm,62 mm,-16 mm)，位于額葉的額中回BA11 區(qū)(圖4A)。截肢組平均最大電流密度值為2.51×10-2μV/mm2，坐標(biāo)也為(5 mm,62 mm,-16 mm)(圖4B)。從額狀面可以看出，截肢組的激活強度高于健全組。見圖4。

圖4 截肢組健肢與健全組同側(cè)健肢運動時β波段腦電sLORETA電流最大值在大腦三個不同平面的分布

2.3 不同腦區(qū)像素及電流密度

健全組與截肢組在上肢前臂執(zhí)行直臂屈伸運動時，激活的大腦區(qū)域主要涉及中央前回、額上回、額下回、中央后回、頂上小葉、頂下小葉。截肢組殘肢進行運動任務(wù)時激活的像素最多的位置與健全組同為BA7，其次是額葉BA6 以及BA10，且截肢組位于大腦枕葉的BA18、BA19 區(qū)激活的立體像素數(shù)高于健全組(P＜0.05)。而截肢組在進行健肢(左臂)運動任務(wù)時，大部分腦區(qū)激活的立體像素位置與進行左臂任務(wù)的健全組無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 兩組運動執(zhí)行階段大腦不同布羅德曼分區(qū)內(nèi)sLORETA立體像素激活數(shù)目 單位：n

殘肢運動時，頂葉皮質(zhì)BA7區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電流密度值最高，其次是額葉皮質(zhì)的BA5 區(qū)、枕葉皮質(zhì)BA19區(qū)以及初級運動皮質(zhì)區(qū)的BA4區(qū)。健全組完成同樣運動任務(wù)時，激活最強的區(qū)域位于額葉額上回和額中回的BA10區(qū)，其次是BA7區(qū)、BA11區(qū)、BA5區(qū)。

截肢組殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時，額葉皮質(zhì)的BA8、BA9、BA10、BA11、BA45、BA46、BA47，頂葉的BA7、BA13、BA21、BA22、BA40 區(qū)的電流密度均低于健全組(P＜0.05)，枕葉皮質(zhì)的BA17、BA19 區(qū)的電流密度高于健全組(P＜0.05)。健肢執(zhí)行運動任務(wù)時，健全組與截肢組均表現(xiàn)為BA10 區(qū)的電流密度最高，而且主要集中在額葉皮質(zhì)區(qū)，大部分分區(qū)的平均電流密度無顯著性差異(P＞0.05)，枕葉以及額葉的額上回和額下回位置有非常顯著性差異(P＜0.01)。見表3。

表3 兩組運動執(zhí)行階段大腦不同布羅德曼分區(qū)平均sLORETA標(biāo)準(zhǔn)化電流密度 單位：×10-3 μV·mm-2

3 討論

目前，有關(guān)人體截肢發(fā)生后，其大腦對殘肢運動功能控制發(fā)生變化的腦機制研究很少，本研究以單側(cè)(右側(cè))上肢截肢者為測試對象，觀察受試者在進行單側(cè)殘肢和健肢運動時，大腦不同皮質(zhì)區(qū)神經(jīng)元電活動發(fā)生的變化，同時利用腦成像技術(shù)進行定量評估。

本研究發(fā)現(xiàn)，健全組和截肢組健側(cè)上肢進行直臂屈伸運動時，其激活的大腦皮質(zhì)區(qū)域比較相近。激活的腦區(qū)主要有BA1、BA2、BA3、BA4、BA5、BA6、BA7、BA8、BA9、BA10、BA11、BA21、BA22、BA24、BA31、BA32、BA40、BA45、BA46、BA47，這些腦區(qū)主要覆蓋初級運動皮質(zhì)區(qū)、額內(nèi)側(cè)回、額中回以及額上回皮質(zhì)以及扣帶回皮層，這與Nakata 等[16]的研究結(jié)果一致。而殘肢進行運動時，其大腦激活模式有所不同，截肢組激活的腦區(qū)主要涉及BA1、BA2、BA3、BA4、BA5、BA6、BA7、BA8、BA17、BA18、BA19、BA22、BA24、BA31、BA32、BA40，這些區(qū)域主要涉及與視覺空間信息加工密切相關(guān)的枕區(qū)皮質(zhì)[17]以及與運動相關(guān)的頂區(qū)皮質(zhì)[18-19]。Bao 等[20]對上肢截肢者進行靜息態(tài)下大腦fMRI 掃描后發(fā)現(xiàn)，大腦頂區(qū)皮質(zhì)發(fā)生重組，并且認(rèn)為頂區(qū)皮質(zhì)重組與截肢后的幻肢感有密切關(guān)系。

截肢組殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時，激活區(qū)域與健全組同側(cè)健康肢體運動時存在顯著性差異。與健全組相比，截肢組腦源激活區(qū)域有向運動同側(cè)(右半球)大腦后部枕區(qū)移動的趨勢。BA17 為視覺皮質(zhì)區(qū)，接受來自眼睛對側(cè)視野的視覺信息；大腦枕區(qū)BA18、BA19中的楔前葉與情景記憶、自我相關(guān)信息處理以及意識等許多高級認(rèn)知功能密切相關(guān)[21]。Cusack 等[2,21]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截肢者進行某種無法像健全人精準(zhǔn)完成的動作時，大腦會出現(xiàn)運動同側(cè)頂、枕區(qū)皮質(zhì)的激活；而模仿其他截肢者動作時，則主要表現(xiàn)為對側(cè)頂、額區(qū)皮質(zhì)的激活。Cusack 等[2]還發(fā)現(xiàn)，假肢使用者在模仿假體演示時，可以觀察到典型的左側(cè)頂、額區(qū)皮質(zhì)的激活。但假肢使用者在模仿健全人動作時，會觀察到另一種腦激活模式，即在右側(cè)頂、枕區(qū)皮質(zhì)表現(xiàn)出更強的激活模式。另外，Bruurmijn 等[22]發(fā)現(xiàn)，發(fā)生上肢截肢(肘關(guān)節(jié)以上)多年后，在其殘肢同側(cè)大腦半球的感覺運動皮質(zhì)區(qū)，能夠提取出與幻肢手部運動有關(guān)的特征性腦電信號。同樣，Aziz-Zadeh 等[3]發(fā)現(xiàn)，截肢者殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時，除了激活左側(cè)額葉皮質(zhì)區(qū)外，還會激活其他與運動相關(guān)的區(qū)域，如右側(cè)顳頂交界處。而Blank等[4]發(fā)現(xiàn)上肢截肢者殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時，大腦枕后區(qū)皮質(zhì)激活。本研究結(jié)果與以上研究結(jié)果相近。Bramati等[23]認(rèn)為，這種人體截肢后大腦功能發(fā)生的變化可能是由于創(chuàng)傷性肢體截肢后神經(jīng)輸入抑制，破壞了感覺運動皮質(zhì)區(qū)在大腦的分布所導(dǎo)致。

蔣光耀[6]通過fMRI技術(shù)觀察下肢截肢者大腦神經(jīng)解剖學(xué)的可塑性變化，發(fā)現(xiàn)其大腦視覺運動區(qū)的灰質(zhì)和白質(zhì)成分明顯減少，提示截肢者的頂、枕皮質(zhì)區(qū)的功能可能發(fā)生可塑性變化。這與本研究結(jié)果基本一致。截肢組進行上臂直臂屈曲動作，出現(xiàn)大腦半球雙側(cè)頂、枕區(qū)激活。而頂、枕區(qū)的激活通常與運動過程中視覺空間信息的加工過程增強有關(guān)[24]，也可能與其為了理解不經(jīng)常使用的動作而觀察動作的意圖有關(guān)[25]。人體80%以上的感知信息來自于視覺[26]；截肢者更多依賴視覺-運動協(xié)調(diào)信息來完成運動任務(wù)[4]。如Aziz-Zadeh 等[3]發(fā)現(xiàn)，截肢者殘臂運動可激活同側(cè)顳-頂區(qū)皮質(zhì)的交界處。呂元媛[7]也發(fā)現(xiàn)，右側(cè)上肢截肢者的大腦運動和感覺通路以及聯(lián)合皮質(zhì)(額葉和視覺皮質(zhì))的結(jié)構(gòu)均發(fā)生萎縮；通過fMRI 技術(shù)觀察右側(cè)上肢截肢者靜息態(tài)下腦網(wǎng)絡(luò)連接的特征后發(fā)現(xiàn)，上肢截肢后感覺運動皮質(zhì)區(qū)與視覺區(qū)的功能聯(lián)系增強。這可能與截肢后適應(yīng)性行為有關(guān)，即截肢者在殘肢執(zhí)行運動任務(wù)時，視覺信息起到重要作用[4,27]。

在本研究中，頂葉BA7區(qū)也出現(xiàn)了比較明顯的激活，它的一個主要功能是視覺-運動協(xié)調(diào)功能。事實證明，手眼協(xié)調(diào)任務(wù)需要這些皮質(zhì)區(qū)域的高度參與[28-29]，這些任務(wù)可能有助于受損害肢體的感覺運動皮質(zhì)區(qū)功能恢復(fù)，這為本體感覺受損后可能引起運動皮質(zhì)以外的其他皮質(zhì)區(qū)域發(fā)生顯著變化這個論斷提供了有力證據(jù)。本研究要求受試者跟隨電腦屏幕的提示進行運動，需要視覺與動作配合，所以該皮質(zhì)區(qū)在健全組中的激活也比較明顯?？傮w來看，截肢組殘肢在執(zhí)行運動任務(wù)時激活腦區(qū)向運動同側(cè)半球的枕區(qū)移動，這可能與截肢者神經(jīng)功能重建有關(guān)，原因可能在于執(zhí)行任務(wù)時運動同側(cè)大腦半球以及視覺相關(guān)區(qū)域代償。

綜上所述，截肢者健肢執(zhí)行運動任務(wù)時與正常人的腦源激活區(qū)相似。但是，在其殘肢執(zhí)行運動任務(wù)時，腦源激活區(qū)域有向與視覺有關(guān)的大腦枕區(qū)皮質(zhì)移動的趨勢，這可能是截肢者截肢后大腦出現(xiàn)的一種可塑性變化。

利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。