人体生理学论文
摘 要： 目的 探讨主动肢体运动相关听觉刺激的脑激活效应及特点。方法 募集2018年3～6月中国康复研究中心附属北京博爱医院18例健康志愿者完成功能性MRI扫描。采用组块设计, 静息期组块与任务期组块交替出现。任务期组块为右下肢主动运动, 采用音频提示指示运动节奏;听觉提示组块采用简短言语提示, 在静息组块之后, 任务期组块之前出现。应用SPM 12软件处理数据完成统计分析, 并对比任务期组块和听觉提示组块的激活效应差异, 统计阈值取PFWE<0.05并至少10个连续体素。结果 受试者在x、y、z轴的头动平移均<1.5 mm。运动任务和听觉提示均能激活双侧辅助运动区、左侧初级运动区等多处脑区;两者对比时, 听觉提示对双侧颞叶听皮质区及双侧壳核、苍白球前部及邻近的尾状核头部激活效应更强, 但未发现运动任务强于听觉提示的激活。结论 双侧壳核、苍白球前部及邻近的尾状核头部等基底神经节的神经元可能与运动的准备-启动过程有关。
关键词： 听觉提示; 主动运动; 基底神经节; 功能性磁共振;
既往功能性MRI研究发现, 听觉刺激能够激活位于双侧颞叶的听觉皮质, 且左侧听觉皮质的激活程度更高[1,2]。以往研究主要分析了躯体感觉刺激与听觉刺激的激活效应, 但与肢体主动运动相关的听觉刺激的激活效应少有报道。本研究分析运动任务的听觉提示引发的脑激活效应, 报告如下。
对象与方法
1.一般资料:
募集2018年3～6月中国康复研究中心附属北京博爱医院18例健康志愿者, 平均年龄 (26.17±6.7) 岁。纳入标准:右利手, 男性, 年龄18～36岁。排除标准:体内有铁磁性物质, 患有神经系统疾病, 有幽闭恐怖症或存在其他不适合接受MRI检查的情况。本研究得到我院伦理委员会批准, 所有志愿者均知情同意。
2.方法
(1) 检查方法:应用Simens 3T Trio MRI系统完成扫描。志愿者仰卧闭目接受检查。功能像采用GRE-EPI序列, 扫描参数为TR 3 000 ms, TE 40 ms, 扫描视野为240 mm×240 mm, 矩阵为64×64, 连续轴位扫描30层, 层厚5 mm。全脑结构像以T1加权3D MP-RAGE序列完成扫描, 参数为TR 1 600 ms, TE 2.15 ms, 扫描视野为256 mm×256 mm, 矩阵为256×256。
功能像扫描时间570 s, 静息期 (不施加刺激, 每次27 s) 、听觉提示期 (每次3 s) 、运动任务期 (每次30s) 依次出现9次, 最后以30 s静息期结束。在每一运动期内, 每1.5秒出现一次音频提示音 (嗒-嗒声, 最后一次为“停”) , 受试者在音频提示下完成右侧踝部的“背屈-放松”交替运动, 要求听到音频提示时马上进行背屈, 并在下次音频提示出现前使肢体回复原始体位。听觉提示期播放语音“准备右脚运动, 开始”, 播放时间持续2 s。
(2) 观察指标:以“运动任务期>静息期”观察运动期激活;“听觉提示期>静息期”观察听觉提示激活;并分别观察“听觉提示>运动任务”与“运动任务>听觉提示”两种对比条件下的激活体素 (激活的功能像体素, 功能像体素大小为3.75 mm×3.75 mm×5.00 mm, 是本研究条件下达到的空间分辨率。激活的体素用彩色表示) 。采用混合效应模型进行成组分析, 激活阈值取PFWE<0.05且连续激活体素≥10个。
(3) 分析软件:应用SPM12软件包进行数据处理。依次进行功能像数据的刚体运动校正、功能像-结构像配准、标准化 (使用MNI模板) 、功能像空间平滑 (使用6 mm的全宽半高高斯核) 。如头动平移超过2 mm则剔除数据。对于符合头动要求的数据, 将刚体运动校正参数作为回归量引入设计矩阵, 以去除头动影响。应用SPM解剖工具箱对激活区进行定位。
3、结果
1.运动校正结果:所有受试者在x、y、z轴的头动平移均<1.5 mm。
2.听觉提示和运动任务的激活:SPM软件组分析结果显示, 听觉提示和运动任务均出现双侧辅助运动区、左侧初级运动区等多处脑区激活, 见图1。
3.激活效应的比较:“运动任务>听觉提示”条件下未发现激活体素。“听觉提示>运动任务”的激活体素979个, 分布于脑内4个区域, 即双侧颞叶听皮质区及邻近区域 (右侧激活体素552个, 左侧激活体素271个;右侧峰值体素T值9.46, 左侧峰值体素T值7.60) , 以及双侧壳核、苍白球前部及邻近的尾状核头部, 见图1。
图1 运动和听觉刺激的激活及差异
第1行为运动任务的脑激活区, 第2行为听觉提示的脑激活区, 第3行为“听觉提示>运动任务”的激活分布;左栏为冠状位, 右栏为轴位, 最右侧为彩色, 指示T值大小;R:右侧, L:左侧
4、讨论
研究显示, 单侧肢体运动任务可激活对侧脑的初级运动皮质、双侧辅助运动区、基底神经节等多处区域[3], 与本研究观察到的肢体运动时的脑区激活一致。
本研究中, 运动任务之前的听觉提示引发了部分脑区激活, 可以认为是脑对即将进行的肢体运动的准备和启动的反映。研究发现, 想象肢体运动 (运动想象) 时能够激活脑内一部分区域, 其分布与肢体实际运动时的激活脑区分布类似[4]。无论是运动想象还是听觉提示引发的脑激活, 都是在没有实际肢体运动时, 由脑处理想象或预期中即将发生的运动任务而引发的功能响应。
“听觉提示>运动任务”的对比结果反映了听觉提示时, 激活程度明显高于实际肢体运动时的脑区。相对于肢体运动期时采用简单的“嗒-嗒”声提示运动的节奏, 听觉提示期采用了更为复杂的言语提示, 这应当是双侧听觉皮质呈现出更高程度激活的原因。但在听觉提示期, 双侧壳核、苍白球前部及邻近的尾状核头部区域比肢体运动期呈现更高程度的激活, 则难以用听觉内容的差异解释——因为这些脑区并不负责直接处理听觉信号。
本研究在运动任务前3 s开始播放听觉提示, 言语提示的时间长度为2 s。在听觉提示1 s后, 受试者即需要跟随音频提示进行肢体运动。整个听觉提示期为受试者随后进行的肢体主动运动提供了准备-启动的预处理过程。因此, 在听觉提示期, 双侧壳核、苍白球前部及邻近的尾状核头部区域比运动期呈现更高程度的激活, 说明这些区域与肢体运动的准备-启动有关。这一推测与帕金森病的病理-临床关联相符合。尾状核、壳核、苍白球共同构成纹状体, 其多巴胺含量显着降低是帕金森病的主要病理改变之一;而运动启动困难是帕金森病的特征性表现。双侧壳核、苍白球前部及邻近的尾状核头部在听觉提示时出现比肢体运动时更高程度的激活, 提示这些区域与运动启动有关, 其受累可能是导致帕金森病患者运动启动困难的神经机制之一。
节律性听觉提示具有改善帕金森病患者步行功能的作用[5], 本研究发现的基底神经节在听觉提示时出现激活, 可能是其机制之一。深入研究基底神经节、听觉刺激、肢体运动控制之间的关联, 有望进一步提高现有疗法的效果, 以及开发新的治疗技术。
参考文献
[1]Foxe JJ, Wylie GR, Martinez A, et al.Auditory-somatosensory multisensory processing in auditory association cortex:an fMRI study[J].JNeurophysiol, 2002, 88:540-543.
[2]Schürmann M, Caetano G, Hlushchuk Y, et al.Touch activates human auditory cortex[J].Neuroimage, 2006, 30:1325-1331.
[3]Wei P, Zhang Z, Lv Z, et al.Strong functional connectivity among homotopic brain areas is vital for motor control in unilateral limb movement[J].Front Hum Neurosci, 2017, 11:366.
[4]Caligiore D, Mustile M, Spalletta G, et al.Action observation and motor imagery for rehabilitation in Parkinson's disease:a systematic review and an integrative hypothesis[J].Neurosci Biobehav Rev, 2017, 72:210-222.
[5]Dalla Bella S.Music and movement:towards a translational approach[J].Neurophysiol Clin, 2018, 48:377-386.