近紅外腦功能成像在腦卒中的研究應(yīng)用

根據(jù)NEJM全球卒中報告顯示:中國（25歲后）卒中發(fā)生的終生風(fēng)險為39.3%，比全球平均水平高出58%。根據(jù)國家統(tǒng)計局年度數(shù)據(jù)，2017年中國腦血管病死亡人數(shù)占總死亡人數(shù)的比重，在城市和農(nóng)村分別統(tǒng)計為20.56%和23.18%，與惡性腫瘤、心臟病位列死因占比前三。腦卒中除了高致死率外，還具有高致殘率和高復(fù)發(fā)率的特點(diǎn)，是中國成年人殘疾的首要原因，嚴(yán)重威脅國民生命健康和生活質(zhì)量。
 

腦卒中
 

腦卒中（cerebral stroke）也被稱為“中風(fēng)”，是一種急性腦部血管疾病，因腦部血管阻塞導(dǎo)致血液不能流入大腦或腦部血管破裂導(dǎo)致腦出血而引起腦組織損傷的一類疾病，分為缺血性卒中和出血性卒中。缺血性卒中的發(fā)病率較高，占腦卒中總數(shù)的60%～70%。而出血性卒中的死亡率較高。腦卒中使局部腦組織受到損傷，導(dǎo)致其功能不能有效發(fā)揮。但人腦有高度的重組能力和可塑性，即大腦通過讓其他部位代替受損傷的腦組織行使其原有功能。而這種可塑能力與康復(fù)訓(xùn)練有密切關(guān)系，康復(fù)訓(xùn)練越早、越充分，受損大腦功能恢復(fù)的越明顯，因此卒中患者在進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練時，常常出現(xiàn)不同于健康人腦部皮層激活及興奮性的改變。
 

圖 腦卒中的兩種發(fā)病原因
 

近紅外腦功能成像
 

近紅外腦功能成像（fNIRS）技術(shù)是一種新興的光學(xué)成像技術(shù)，可以在大腦活動期間獲得大腦組織內(nèi)脫氧血紅蛋白和/或氧合血紅蛋白的變化情況，反映肢體活動期間腦部有氧代謝的變化，是一種非侵入性腦成像技術(shù)。由于卒中病人通常伴有肢體活動障礙，而fNIRS技術(shù)不像其他技術(shù)那樣對受試者的姿勢施加太多限制，因此它可能是研究中風(fēng)康復(fù)和恢復(fù)中最方便的技術(shù)。

卒中患者平衡及行走時腦部皮質(zhì)的激活特征
 

Ichiro等人（2002）利用機(jī)械控制輔助（CON）和醫(yī)師輔助治療（FT）在卒中患者在跑步機(jī)上行走的任務(wù)來獲得相關(guān)皮質(zhì)激活，發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重卒中患者的偏癱步態(tài)期間，內(nèi)側(cè)SMC，SMA，PMC和前SMA被激活，且FT誘導(dǎo)的激活通常比CON更強(qiáng)，并提出運(yùn)動相關(guān)區(qū)域的側(cè)向指數(shù)（LI），發(fā)現(xiàn)前運(yùn)動皮質(zhì)（PMC）中的LI顯著高于輔助運(yùn)動區(qū)，感覺運(yùn)動皮質(zhì)和前SMA。
 

圖 兩種情況下的腦部激活及側(cè)向指數(shù)(LI)的對比
 

Masahito等人（2007）利用健康志愿者和卒中患者在跑步機(jī)上行走進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，在健康人和患者的加速行走期，皮質(zhì)激活在內(nèi)側(cè)SMC，SMA和PFC中是明顯的，在穩(wěn)定期期間，患者表現(xiàn)出持續(xù)的皮質(zhì)激活，而對健康受試者的皮質(zhì)激活傾向于減少。
 

圖 健康志愿者和卒中病人在行走期間皮質(zhì)激活的對比
 

Hiroaki等人（2013）通過利用卒中患者在平臺上快速前后運(yùn)動引起的外部姿勢擾動從而獲得相關(guān)的皮質(zhì)激活。發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)化康復(fù)后，受影響和未受影響的半球的SMA中的姿勢擾動相關(guān)的皮質(zhì)激活顯著增加。在未受影響的半球的SMA中，姿勢擾動相關(guān)的氧合血紅蛋白信號的增量與平衡增益顯著相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)支持SMA在姿勢平衡控制中起重要作用的結(jié)論，并表明SMA是偏癱中風(fēng)后平衡恢復(fù)的關(guān)鍵區(qū)域。
 

圖 在康復(fù)前后卒中患者SMA區(qū)域皮質(zhì)激活變化
 

卒中患者在手部抓握運(yùn)動時腦部皮質(zhì)的激活特征
 

Hiroyuki等人（2002）在對比健康志愿者和卒中患者在手掌抓握時腦部皮質(zhì)激活時發(fā)現(xiàn)，卒中患者不僅激活對側(cè)SMC和SMA，通常激活強(qiáng)度強(qiáng)于健康志愿者，中風(fēng)后腦部的這些功能變化表明，用于運(yùn)動控制的皮層網(wǎng)絡(luò)的重組（可塑性）可能有助于適應(yīng)性導(dǎo)致中風(fēng)后偏癱的功能恢復(fù)。
 

圖 卒中患者和正常志愿者左右手運(yùn)動時HbO、HHb、totHb變化對比
 

Kotaro等人（2007）對5名卒中患者發(fā)病后手部進(jìn)行短期追蹤發(fā)現(xiàn)，中風(fēng)患者在發(fā)病后到進(jìn)入慢性階段時經(jīng)受握力經(jīng)訓(xùn)練后，受影響的手的握力變強(qiáng)，但是未受影響的手沒有改變，并且在中風(fēng)發(fā)作的早期（<25天），雙側(cè)SM1區(qū)域在受影響的手移動期間被顯著激活。相反，在后期（> 35天），對側(cè)SM1（受損半球）在受影響的手部運(yùn)動期間主要被激活，這類似于在未受影響或正常手部運(yùn)動期間看到的激活模式，表明卒中發(fā)作后腦部神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了一系列重組現(xiàn)象。
 

圖 卒中患者在康復(fù)前后腦部皮質(zhì)激活變化對比
 

而他們在2014年對比了正常人和不同程度卒中患者皮質(zhì)激活發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)動功能恢復(fù)，卒中患者的運(yùn)動激活向雙側(cè)腦激活的轉(zhuǎn)變，這是由于同側(cè)也發(fā)生激活的加入引起的。我們還在慢性期輕度偏癱患者中觀察到明顯的對側(cè)優(yōu)勢模式。這表明中風(fēng)后運(yùn)動功能恢復(fù)與運(yùn)動相關(guān)激活的側(cè)向平衡恢復(fù)有關(guān)，并且發(fā)現(xiàn)在所有中度偏癱患者的同側(cè)半球中觀察到廣泛激活，該程度似乎比正常受試者或輕度偏癱患者更寬。
 

圖 A. 正常人的對側(cè)占優(yōu)勢模式; B. 輕度卒中的對側(cè)優(yōu)勢;C.中度卒中的同側(cè)優(yōu);D.中度卒中的雙側(cè)激活。
 

卒中患者在下肢蹬踏運(yùn)動時腦部皮質(zhì)的激活特征
 

Pei-Yi Lin等人（2007）招募中風(fēng)患者和年齡相同的正常人以觀察在主動和被動循環(huán)條件下的皮質(zhì)激活，發(fā)現(xiàn)主動運(yùn)動時時比被動時的反應(yīng)更強(qiáng)，但被動期間也會有運(yùn)動皮層的參與。證明了在中風(fēng)患者在被動運(yùn)動時也存在皮質(zhì)的激活，其可應(yīng)用于制定不同階段的中風(fēng)患者的患者的運(yùn)動康復(fù)策略。
 

圖 卒中患者和正常受試者在主動和被動運(yùn)動時不同的腦皮質(zhì)激活
 

卒中患者在上肢被動運(yùn)動時腦部皮質(zhì)的激活特征
 

Kazuya等人（2017）對慢性卒中患者進(jìn)行HAL-SJ機(jī)械肘部康復(fù)訓(xùn)練，并進(jìn)行行為學(xué)的評價，發(fā)現(xiàn)患者在基線時平均FMA-UE總分為29.9±13.2。2周時平均FMA-UE總分為32.7±12.6，隨訪4個月時為35.0±12.8。表明上肢運(yùn)動功能改善。腦部皮質(zhì)激活顯示在基線時對側(cè)半球的主要感覺運(yùn)動區(qū)域和病灶側(cè)半球的前額區(qū)域的活動增加。但在2周和隨訪4個月時，病灶側(cè)半球的主要感覺運(yùn)動區(qū)域的活動增加，并且對側(cè)半球的活動額外增加。
 

圖 HAL-SJ肘部機(jī)械康復(fù)訓(xùn)練器
 

圖 不同時間段卒中患者腦部皮質(zhì)激活變化
 

在2018年他們對卒中患者和健康人被動運(yùn)動進(jìn)行比對，探究使用HAL-SJ運(yùn)動后立即在無輔助情況下重復(fù)肘關(guān)節(jié)屈曲和伸展運(yùn)動，發(fā)現(xiàn)HAL輔助康復(fù)治療可立即誘發(fā)卒中患者上肢運(yùn)動功能的任務(wù)相關(guān)神經(jīng)可塑性。此外，腦部皮質(zhì)激活顯示損傷半球中運(yùn)動皮層的更多激活，且病灶側(cè)激活變化更大。
 

圖 被動訓(xùn)練結(jié)束后腦皮質(zhì)激活變化，紅色代表增加，藍(lán)色減少
 

Sung Jin等人（2017）對卒中患者使用腕部康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行訓(xùn)練，并采用0.25,0.5和0.75 Hz三種頻率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在右手腕的被動運(yùn)動期間，在左側(cè)SM1，PMA和所有通道的區(qū)域中，HbO濃度有所變化。在不同頻率時，也有不同的皮質(zhì)激活，左側(cè)SM1在僅在0.75Hz下進(jìn)行的手腕被動運(yùn)動期間被激活。在左側(cè)PMA中，在0.25Hz和0.75Hz的運(yùn)動期間觀察到顯著的激活。體感聯(lián)合皮層（SAC）在0.25Hz和0.75Hz中有顯著激活，并且在0.75Hz處觀察到比在0.25Hz處更大的激活。在0.5Hz下未觀察到顯著的活化。
 

圖 腕部康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器
 

圖 不同頻率下的大腦皮層的激活狀態(tài)
 

卒中患者在運(yùn)動想象時腦部皮質(zhì)的激活特征
 

Masahito等人（2013）利用卒中患者根據(jù)信號想象運(yùn)動時從而獲得大腦皮層激活，實(shí)驗(yàn)分為兩組，REAL反饋組中的受試者被提供了與想象相關(guān)的血紅蛋白信號。SHAM反饋組中的受試者在神經(jīng)反饋期間被提供無關(guān)的隨機(jī)信號，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在REAL組中，F(xiàn)MA的量表顯著改善。對嚴(yán)重受損患者的分析也顯示了改善；此外，在REAL組中，神經(jīng)反饋的心理練習(xí)增強(qiáng)了在病灶同側(cè)前運(yùn)動區(qū)域中與圖像相關(guān)的皮質(zhì)激活，而在SHAM組中沒有觀察到皮質(zhì)激活的顯著變化，通過血氧濃度前后時間的變化，也表明了運(yùn)動的心里想象，可以誘發(fā)腦部神經(jīng)元的激活。
 

圖 REAL組和SHAM組在想象時的腦部激活
 

圖 REAL組和SHAM組皮質(zhì)激活對比，可以看出REAL組有比較顯著的皮質(zhì)激活
 

卒中患者在雙重任務(wù)下前額葉的激活特征
 

Emad等人（2016）通過對比卒中患者和正常志愿者在行走、計數(shù)、行走和計數(shù)三種情況下腦皮質(zhì)激活發(fā)現(xiàn)，與單任務(wù)行走相比，雙重任務(wù)期間前額葉皮質(zhì)活動增加（HbO增加程度更大，同時HHb降低的程度更大）。此外中風(fēng)幸存者在雙任務(wù)條件下行走時遇到的困難可能反映了中風(fēng)后行走所帶來的認(rèn)知需求的增加。我們觀察到在單任務(wù)行走和雙任務(wù)條件下，與健康對照相比，中風(fēng)幸存者都表現(xiàn)出PFC活化增加，這些研究結(jié)果表明，在中風(fēng)后行走期間對PFC活動的需求增加，并且這種需求在并發(fā)認(rèn)知任務(wù)的存在下進(jìn)一步增加。

圖 卒中患者（上）與健康人（下）在單任務(wù)（虛線）和雙任務(wù)（實(shí)線）下皮質(zhì)激活的變化
 

Eric等人（2019）對急性及亞急性卒中患者（發(fā)病3個月內(nèi)）在快/慢認(rèn)知任務(wù)、行走任務(wù)、及快/慢雙任務(wù)時前額皮質(zhì)激活程度發(fā)現(xiàn)，對于急性亞急性卒中患者來說，單獨(dú)行走任務(wù)時的前額皮質(zhì)激活和雙任務(wù)時的前額皮質(zhì)激活程度基本一樣，說明在急性亞急性期前額皮質(zhì)似乎通過運(yùn)動任務(wù)就可以到達(dá)皮質(zhì)激活的極限。
 

圖 卒中患者在不同任務(wù)下前額皮質(zhì)激活程度
 

而Sudeshna等人（2019）對認(rèn)知能力不同的慢性卒中患者（發(fā)病超出6個月）進(jìn)行了步行任務(wù)、連續(xù)減7任務(wù)、及行走和減7的雙任務(wù)時前額皮質(zhì)進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)雙任務(wù)期間的前額葉HbO濃度變化大于單獨(dú)行走和減7任務(wù)，且在典型步行期間具有較高前額葉激活的人，可解釋為過度激活，可能會受益于減少對行走需求的康復(fù)方法。
 

圖 不同認(rèn)知能力下前額激活（A）、認(rèn)知表現(xiàn)（B）、行走狀態(tài)（C）之間的區(qū)別
 

小結(jié)
 

fNIRS由于適宜肢體運(yùn)動場景可以很好地檢測卒中病人腦激活和腦網(wǎng)絡(luò)連接，其在卒中發(fā)病后的治療評估及幫助病人制定有效的康復(fù)方案等方面有巨大前景。

參考文獻(xiàn)
 

【1】GBD 2016 Lifetime Risk of Stroke Collaborators. Global, regional, and country-specific lifetime risks of stroke, 1990 and 2016[J]. New England Journal of Medicine, 2018, 379(25): 2429-2437.

【2】Miyai I , Yagura H , Oda I , et al. Premotor cortex is involved in restoration of gait in stroke[J]. Annals of Neurology, 2002, 52(2):188-194.

【3】Mihara M , Miyai I , Hatakenaka M , et al. Sustained prefrontal activation during ataxic gait: A compensatory mechanism for ataxic stroke?[J]. NeuroImage, 2007, 37(4):1338-1345.

【4】Fujimoto H , Mihara M , Hattori N , et al. Cortical changes underlying balance recovery in patients with hemiplegic stroke[J]. NeuroImage, 2014, 85:547-554.

【5】Kato, H. Near-Infrared Spectroscopic Topography as a Tool to Monitor Motor Reorganization After Hemiparetic Stroke: A Comparison With Functional MRI[J]. Stroke, 2002, 33(8):2032-2036.

【6】Takeda K , Gomi Y , Imai I , et al. Shift of motor activation areas during recovery from hemiparesis after cerebral infarction : A longitudinal study with near-infrared spectroscopy[J]. Neurosci Res, 2007, 59(2):136-144.

【7】Takeda K, Gomi Y, Kato H. Near-infrared spectroscopy and motor lateralization after stroke: a case series study[J]. International Journal of Physical Medicine & Rehabilitation, 2014, 2: 1-6.

【8】Lin P Y, Lin S I, Penney T, et al. Applications of near infrared spectroscopy and imaging for motor rehabilitation in stroke patients[J]. J Med Biol Eng, 2009, 29(5): 210-221.

【9】Saita K , Morishita T , Hyakutake K , et al. Combined therapy using botulinum toxin A and single-joint hybrid assistive limb for upper-limb disability due to spastic hemiplegia[J]. Journal of the Neurological Sciences, 2017, 373:182-187.

【10】Saita K , Morishita T , Arima H , et al. Biofeedback effect of hybrid assistive limb in stroke rehabilitation: A proof of concept study using functional near infrared spectroscopy[J]. Plos One, 2018, 13(1):e0191361.

【11】Bae S J , Jang S H , Seo J P , et al. A pilot study on the optimal speeds for passive wrist movements by a rehabilitation robot of stroke patients: A functional NIRS study[J]. IEEE Int Conf Rehabil Robot. 2017:7-12.

【12】Mihara M , Hattori N , Hatakenaka M , et al. Near-infrared Spectroscopy-mediated Neurofeedback Enhances Efficacy of Motor Imagery-based Training in Poststroke Victims: A Pilot Study[J]. Stroke, 2013, 44(4):1091-1098.

【13】Al-Yahya E , Johansen-Berg H , Kischka U , et al. Prefrontal Cortex Activation While Walking Under Dual-Task Conditions in Stroke: A Multimodal Imaging Study[J]. Neurorehabilitation and Neural Repair, 2015:1545968315613864.

【14】Hermand E, Tapie B, Dupuy O, et al. Prefrontal cortex activation during dual task with increasing cognitive load in subacute stroke patients: A pilot study[J]. Frontiers in Aging Neuroscience, 2019, 11: 160.

【15】Chatterjee S A, Fox E J, Daly J J, et al. Interpreting prefrontal recruitment during walking after stroke: influence of individual differences in mobility and cognitive function[J]. Frontiers in Human Neuroscience, 2019, 13.