截肢后脑网络重组及其对认知影响的研究

Modern neuroscience has elucidated general mechanisms underlying the functional and structural plasticity of the human brain after limb amputation. However, these previous studies only focus on discrete brain areas or local regions, little is known about changes in the global topological organization of large-scale whole brain network following limb amputation. Here we aimed to (i) investigate the brain structure of 50 volunteers with unilateral limb amputation using voxel-based analyses, and whether these structural plastic changes associated with functional integration abnormalities; (ii) to construct a large-scale integrated network within the functional and structural domain in the limb amputees; (iii) to measure individual netwrok parameters, and to reveal the relationships between reorganization of brain networks and cognition; (ⅳ) to seek evidence that altered functional-structural coupling of large-scale brain networks. In this work, the large-scale brain network analysis was applied to evaluate the extent of cortical reorganization in patients with lower limb amputation. We suggest our findings provide further evidence for the neural mechanisms underlying the functional and structural plasticity of amputees, and may be able to assist rehabilitation and response criteria evaluation for the amputees.

神经功能影像技术已经发现截肢患者大脑皮层功能活动及结构会发生重组，对其所涉及的单独的、孤立的脑区已经有了清楚的认识，但是截肢后所涉及的脑网络层次上的改变还未知。该研究利用多模态神经影像技术对50名截肢患者进行研究，具体包括：（1）利用基于体素的分析方法探测患者的脑灰、白质特性，并在此基础上研究其功能连接的改变；（2）构建大尺度结构连接及功能连接网络，加深对其肢体缺失后的大脑在网络水平可塑性机制的理解；（3）构建个体脑网络，研究网络重组与认知之间的关系；（4）利用结构连接和功能连接网络融合，在系统水平上揭示截肢患者大脑皮层功能及结构的重组。本课题利用脑网络分析方法来研究截肢患者所发生的大脑皮层功能及结构的重组，为进一步揭示脑可塑性提供了有效证据，有利于病人的康复治疗及疗效评价。

人脑可塑性是指为了增加适应性而引起的大脑结构及功能的改变。证据表明截肢能够诱发大脑感觉及运动皮层的功能改变，先前研究主要集中在上肢截肢患者以及专注于幻肢痛的影响，下肢截肢患者的大脑结构改变，以及发生在灰、白质的改变是否存在交互影响，目前仍未知。本研究使用基于体素形态学、皮质厚度、白质纤维骨架分析，结合概率性纤维追踪技术，调查了单侧下肢截肢患者的脑重组模式，并分析脑重组指标与临床功能之间的关联。主要研究内容和结果如下：.1. 神经影像技术开发和验证：项目组首先开发了皮质厚度与白质纤维连接融合的研究方法，通过皮质厚度组间差异区进行病变定位，之后分析关键脑区之间是否存在白质连接异常。为了研究视觉区域的形态学改变，建立了结构磁共振视皮质分区的模板，并在国际上首次应用了V1前、后亚区（分别是外周和中心视野投射区）的分割方法。这些技术在不同疾病模型上得到了验证。.2. 肢截肢患者大脑灰、白质重组：通过对17名右侧下肢截肢患者和18名正常对照的磁共振3D结构像与弥散张量序列进行研究，发现截肢患者在不同的脑区都表现出了皮质变薄的趋势，其中最主要的脑区位于左侧前运动皮层以及视觉相关脑区，同时伴有这些区域皮层下白质纤维束的FA值减低。该研究表明截肢者肢体递呈区灰、白质均存在重组。.3. 下肢截肢患者视觉运动区皮质的渐进性变薄：截肢患者大脑存在视觉区域的改变，但是并不确定发生改变的亚区。通过对40名单侧下肢截肢患者和40名正常对照的磁共振结构像进行研究，采用Freesurfer进行数据处理，发现截肢患者存在视觉运动区（V5/MT+）的皮质改变，并且该区皮质厚度与截肢时间呈负相关。由此推论截肢后随着传入输入刺激以及运动的减少，引起视觉信息处理、视觉运动呈现等相关脑区的渐进性萎缩。.4. 下肢截肢患者半球连接的结构和功能异常：胼胝体作为双侧半球的连接结构，在感觉整合、运动以及其他意识活动中起着重要的作用。本研究使用弥散张量成像技术，将胼胝体分为五个亚区，分别测量了38例截肢者每区的厚度、表面积，以及弥散参数。结果显示，患者与对照组的胼胝体各区形态学没有显著性差异，而患者组中胼胝体Ⅱ区的FA值下降，而AD、RD、MD值均增高。胼胝体Ⅱ区由连接双侧大脑半球前运动区及辅助运动区纤维束组成，以上改变提示该区白质改变主要由神经轴突髓鞘变性导致。本研究对截肢后康复提供了可靠的定量指标。