势Ultrahigh-Field MRI研究躯体感觉重组在先天性半身不遂

文摘

重组躯体感觉功能影响的临床康复学科与先天性单侧脑损伤。Ultrahigh-field (UHF)功能磁共振成像(fMRI)使用7 T磁铁有可能从根本上有助于当前知识的可塑性机制。本研究的目的是获得初步信息的可能的优势在超高频躯体感觉重组功能磁共振成像的研究。我们招收6年轻人(平均年龄25±6年)与先天性单侧脑损伤(4左半球和右半球2;4与perilesional汽车重组和2与contralesional汽车重组)和7个健康的年龄组。非惯用手的感官评估包括立体感觉和2点歧视。Task-dependent fMRI引起躯体感觉激活执行通过使用一个安全的和定量装置开发临时提供可再生的温柔的触觉刺激的远端指骨拇指和食指。组分析对照组。个人的本地空间进行数据分析偏瘫的科目。温柔的触觉刺激表现出极大的准确性决定躯体感觉皮质激活。 Single-subject gentle tactile stimulus showed an S1 activation in the postcentral gyrus and an S2 activation in the inferior parietal insular cortex. A correlation emerged between an index of S1 reorganization (distance between expected and reorganized S1) and sensory deficit ( )在受试者半身不遂,较高的距离与一个更严重的感觉赤字。增加空间分辨率在7 T允许更好的本地化重组触觉功能与临床验证的相关措施。我们的结果支持S1早期决断、假说和支持地形的中心角色重组S1相比不那么相关S1-M1集成。

1。介绍

在过去的几年,躯体感觉障碍的风险单方面脑瘫患儿(CP)日益认识到,成为一个一致的目标评价和干预。研究触觉障碍单边CP报告中一个变量普遍赤字从42 ~ 90%的儿童,与立体感觉和两点歧视(2 pd)最常受损方面(1- - - - - -4]。触觉功能障碍对动作的质量产生负面影响,限制了孩子的能力与环境进行交互,最重要的是,有助于进步影响上肢的功能障碍继发于所谓的“学习不使用”[5- - - - - -7]。

除了临床认可,越来越多的兴趣的神经可塑性机制的理解先天性脑损伤后的躯体感觉系统,与知名重组的皮质脊髓的系统。重组传入丘脑皮层的感官大片初级感觉皮层(S1)假设有关主要的能力提升纤维绕过预处理或围产期损伤和达到预期的皮质目的地在中央后回8]。然而这种机制似乎不完美,导致某种程度的感官赤字证明了几项研究[9- - - - - -11]。

重大贡献研究大脑躯体感觉系统的重组单边CP是传统上所提供的功能磁共振成像研究,虽然在空间分辨率有很大的局限性。事实上,研究感觉运动重组与临床领域MRI(即。,1。5or 3 tesla) are unable to accurately circumscribe the primary sensory area at a single-subject level, including the distinction, within the perirolandic region, between primary sensory and primary motor activation [12,13]。

ultrahigh-field可用性的增加(UHF) MRI(≥7特斯拉)是一个独特的机会研究人类大脑的结构和功能之间的关系,明确所示第一在健康受试者的研究(14]。低场核磁共振相比,超高频磁共振成像空间分辨率增加,预计增加的敏感性和特异性激活功能磁共振成像(15]。然而,到目前为止,没有研究探讨了超高频fMRI的能力描述偏瘫的受试者大脑可塑性的先天性脑损伤。

我们初步调查研究超高频fMRI的潜力躯体感觉重组在青少年或成年人先天性半身不遂。特别是,我们旨在测试以下假设:(i)在受影响的半球(即。,the hemisphere contralateral to the hemiparetic side), S1 activation is dislocated from the expected area and (ii) the degree of the dislocation of the reorganized S1 correlates with the severity of the somatosensory deficit.

测试我们的假设,我们执行task-dependent fMRI 7 T通过应用一个被动的,温柔的触觉刺激偏瘫的对照组,通过自动化7 T MRI-compatible设备特别开发的。控制研究中,我们使用一个感官的任务由被动地通过牙刷刷牙手指(9]。

可靠的设备显示功能的特定激活触觉中央后地区7 T。激活的坐标获取每个偏瘫的主题与预期的激活(S1定位器)通过一组定义的分析进行控制。最后,在偏瘫的主题,S1的位错的程度与触觉感官缺陷的严重程度评估的立体感觉和2 pd。

2。材料和方法

2.1。主题

十个青少年或成年人(8男性,平均年龄26±7年)先天性偏瘫(7对偏瘫的科目)参与了这一研究。受试者从注册表的先天性偏瘫患者选择治疗IRCCS基金会Stella马里斯。

为了允许良好的协作水平在实验期间,只有对象智商超过70,没有精神并发症的报道被认为是合格的。

禁忌症MRI被视为排除标准。七右撇子,健康受试者(3男性,平均年龄29±6年)从社区参与控制。

研究项目是儿童道德委员会批准的托斯卡纳地区的(意大利的佛罗伦萨)和意大利卫生部和依法进行了道德规范的世界医学协会(赫尔辛基宣言)涉及人类的实验。书面知情同意依照授权协议得到所有成年受试者和父母或监护人为青少年参与者。

2.2。临床评估

偏瘫的话题收到了详细的临床评估,包括电动机和感官评价。通过使用非惯用手的感官功能评估2点歧视(2 pd)和立体感觉,这是已知良好的clinometric性能和临床实用程序(6]。2 pd描述了两个点的距离(毫米)下面的触觉刺激在一个皮片不能区分了,高值反映了强大的障碍。立体感觉正确描述对象的百分比确定与非惯用手在操纵,较低的值反映了更大的障碍(16]。nonhemiplegic手的运动功能评估使用沃尔夫运动功能测试(WMFT)如前所述,由包括质量维度和时间维度(17,18),协助手评估(哈哈)19]。主电机和主感官功能的重组也评估了电机和躯体感觉诱发电位(欧洲议会议员和SEP)。损伤严重程度评分的1.5 T的数据集应用于偏瘫的科目(20.)为了确定大脑损伤扩展S1重组可能造成的影响和临床评估。

2.3。数据采集

数据获得7 T发现MR950 MRI系统(美国通用电气医疗集团,密尔沃基,WI),配有2声道传输/ 32路接收线圈(新星医疗,威尔明顿,妈,美国)。功能图像获得准确地识别S1在一门学科上水平,仅为对照组,确定预期的激活在一组级别(S1定位器)。我们使用T2 - - - - - -加权梯度回波(GRE) echo-planar成像(EPI)序列(TR = 2000毫秒,TE = 21.5毫秒,翻转角= 60°,视野(FOV) = 192 mm×192 mm,矩阵= 128×128,各向同性体元= 1.5×1.5×1.5毫米³)。32片(大约5厘米的报道)被放置以涵盖中小学感觉皮质。每个功能系列是由160个时间点(卷)和5个额外的初始虚拟扫描,总收购时间的530. 。一个整个大脑GRE-EPI序列功能系列的具有相同参数的获得,除了长TR(6000毫秒),使大脑的完全覆盖。一个体积的90片收购3虚拟扫描后在24秒。我们还获得了一个3 d FSPGR t1序列(TR / TE = 5.9/2.1女士;翻转角度12°,各向同性体元= 1×1×1毫米³,收购时间= 450 )。结构也获得图像,空间coregistration功能7与解剖图像1.5 T T数据。

受试者评估在1.5 T标记HDxt(美国通用电气医疗集团,密尔沃基,WI)磁共振扫描器配备摘要阵列线圈(美国佛罗里达州盖恩斯维尔,比起现场公司)。特别是三维结构图像获得使用3 d FSPGR t1序列(回波的时间重复(TR) / (TE) = 11.9/3.6女士;翻转角度10°,各向同性体元= 1×1×1毫米³)。自3 d t1加权全脑图像在超高频可能存在信号失败大脑分割尺度,我们使用结构获得较低的磁场对大脑图像分割,以及规范化的单一学科的大脑控制组织在一个共同的空间(21]。

2.4。功能的任务

两种不同的感官进行任务。第一感觉任务由一个温柔的触觉刺激交付每只手的拇指和食指分别通过触觉刺激器开发临时(Linari工程、比萨、意大利)。详细的触觉刺激器由MRI-compatible气动系统有两个泵(范围的压力= 0÷0.2 MPa)。泵是位于扫描仪机舱由控制台房间里唯一的远程控制。每个泵是通过塑料管道连接到一个小泡,充满了空气。每个泡应用于索引的远端指骨(F1)或拇指(F2)手指。泵已经设定压力为0.1 MPa和通胀/通缩率1赫兹,以便有一个“触摸”每一秒。

第二个感觉任务是用作控制研究中,比较温柔的触觉标准任务,通常用于此类患者在诊所(9,22]。这个任务由被动地刷手食指和拇指手指(分别为F1和F2),通过一个牙刷,约1赫兹的频率。

实验由4功能系列,2为每个任务表现在两边。fMRI系列建成使用一块设计格式(块时间= 20年代),交替休息按照下列的感官刺激:F1→→F2→休息休息。这个方案是为每个感官刺激重复4次。本文的目的,全面激活的F1和F2刺激被认为是数据分析(见下文)。

受试者被要求闭着眼睛在休息或刺激分娩;闭塞的耳塞减毒环境扫描噪声在休息和激活时间。每个功能系列之前,一个简短的测试执行的任务是在每一个受到感官刺激的确认交货;每个系列的结束时,受试者被要求确认刺激知觉。

2.5。数据分析

数据分析与执行BrainVoyager(大脑创新,马斯特里赫特,荷兰),通过使用特定的脚本用MATLAB编写(美国马MathWorks,纳蒂克)。首先,每个功能系列是视觉检查,寻找运动峰值或重型运动时期。功能包括数据预处理意味着强度调整补偿内扫描强度差异,颞插值,和重采样,以弥补slice-dependent时间差异(sinc函数),3 d运动校正(刚体变换,sinc插值)和高通颞过滤(GLM-Fourier方法,两个周期)。

1.5 T 3 d t1影像变成了AC-PC坐标系统通过应用一个six-parameter刚性变换,变成Talairach的空间。在偏瘫的患者中,转换计算half-artificial大脑,通过替换损伤脑健康,在矢状面翻转。

功能数据coregistered“全脑”GRE-EPI数据集通过使用刚体对齐,考虑到EPI收购引发同样的扭曲图像。此外,为了coregister整个大脑GRE-EPI数据7 T结构图像,一个仿射变换(9参数;旋转3翻译,3,3 FOV缩放)自动计算,视觉上检查,手动纠正了两名有经验的评级机构(磅和PC)。最后,一个刚体变换计算调整7 T结构图像的类似收购了在1.5 T。

为了保护超高频空间分辨率,偏瘫的主题,本机空间进行了分析,使用上面的倒数的转换或者调整解剖图像功能,保持不变的。类似的方法被用于三维可视化重建表面的表征(网);1.5 T t1影像ACPC空间自动分段,以获取分段皮质边界。以上的逆空间转换应用到分段卷,导入功能的分割的空间数据。最后,手动校正用于编辑小瑕疵。

在控制,应用了空间转换函数图像,为了执行组分析在公共空间。

血氧等级相关(粗体)反应进行了分析使用一般线性模型(GLM)方法,建模感兴趣的解释变量(每个刺激通过卷积方脉冲函数块两个伽玛函数的血流动力学反应)和六个伪运动解释变量(3 d运动校正过程的输出)。温柔的触觉刺激的对比活动两个手指与其他条件((F1 + F2) > rest)被用来研究躯体感觉皮层的重组。

同样的对比“刷”的刺激手指与其他条件((F1 + F2) > rest)是用作控制测试,比较的结果。

一级统计分析使用一个阈值 ( )和集群大小> 10毫米³本地空间中,生成个人主体的地图。对触觉刺激,每个半球(侧和侧刺激手),两个感兴趣的特定区域(roi)被认为是(S1和S2)。通过应用描述的空间转换之前,为了比较激活的个体差异性,每个偏瘫的话题被转移到Talairach的roi的大规模计算空间和个人中心。在控制,空间归一化后,coregistered功能数据集用于二级综合性分析,通过使用一个固定效应(FFX) GLM-based分析和统计阈值修正错误发现率(罗斯福) 对应于一个 。对照组的激活,质心的ROI计算。在病人,预期之间的向量和单一学科S1质心决心,重组S1错位及其长度的测量(毫米)被认为是一个“混乱指数。“一个错位指数计算激活引起温和的保护手的触觉刺激偏瘫的科目。标准偏差( , , )预期的质量重心坐标被用来计算出半径, ,球面的描述预期的激活区域,根据以下:

一个配对 - - - - - -执行测试来评估不同的平均位错主要指标和非惯用hand-related激活。

S1错位感觉赤字相关指数评估2 pd和立体感觉,病变的严重程度在半球侧非惯用手使用单侧皮尔逊相关指数。

3所示。结果

十入学科目的半身不遂,两个后拒绝执行7 T MRI表现1.5 T MRI和退出这项研究没有提供解释,同意允许的协议。另外两个数据集获得7点后T被排除在分析存在的过度运动构件功能收购期间,事后校正过程失败。数据从六个科目(4与右侧偏瘫和2左半身不遂,平均年龄25±6年,范围= 19÷36年)因此可供分析。

3.1。临床评估

临床特征的六个主题报道在表1,包括临床感觉和运动特征和躯体感觉和运动诱发电位重组评估。

根据病变的时间(23在一个主题),结构磁共振成像显示脑发育不良(单边广泛polymicrogyria两半球间的囊肿),室周的白质病变(即在一个主题。,focal venous infarction), cortical and deep grey matter lesions in 3 subjects (focal stroke, <28 days of life), and early acquired brain injury in one subject (focal stroke, around 3rd month of life). All hemiplegic subjects but one had pure unilateral brain lesions. The only subject with bilateral lesions (patient 5, Table1)有一个分水岭梗死非常温和的白质异常半球侧的手。尽管局部病变的存在,解剖具有里程碑意义的手感觉运动区域(“把手”)成功地确定了双边在所有科目(图1),但一个病人(6),广泛polymicrogyria。脑损伤严重程度评分(20.报道在表1。

3.2。识别的主要和次要控制科目的躯体感觉区

的优势手的手指温柔的触觉刺激控制确定单边激活左侧中央后回(Broadmann面积(BA) 3 - 1),位于Talairach的坐标 −]=−57±5日17±3,44±5,图左列的表示1。这个地区被确定为“预期S1区,”和位错指数每个偏瘫的主题是根据它的质心计算。集团还分析显示两国在顶叶小叶激活(BA 40-2平均坐标=±53±3−25±3,35±7),分为S2地区,和单边激活右侧中央前回(BA 6)。

3.3。识别的主要和次要躯体感觉区偏瘫的科目

偏瘫的学科,fMRI 7点激活T仔细检查了三个有经验的评级机构(MC、磅和科幻小说)。多亏了温柔的触觉刺激,S1激活疫源地成功映射在每个主题的本地空间(图1)。ROI坐标,变成Talairach的空间,被发表在表2。偏瘫的科目,S1的激活显然是单方面的半球侧刺激的手。

发现激活的顶叶小叶4 6例,双侧同时检测身体的同侧的或controlaterally每个(表一个主题2和图2)。进一步激活每个话题的焦点温柔的触觉任务详细图2。

刷刺激引起了类似的活动模式,除了侧S1和内侧额叶脑回的激活(BA - 6)(图1在补充材料)。事实上,刷牙决定巨大激活斑点没有S1和S2解剖分离,无论是在罗斯福还是在Bonferroni多重比较修正。

3.4。位错的激活偏瘫的科目

S1错位向量为每个偏瘫的主题和其半径范围内的地位= 11.5毫米,提出了描述预期的激活,在图3。nonhemiplegic手刺激的范围包括所有病人的S1错位向量,而对于偏瘫的手,范围包括S1错位向量的只有两个。S1错位指数的双手被报道每一个偏瘫的主题图4(一)。平均位错指数的非惯用手和偏瘫的受试者产生明显不同的惯用手( )。

3.5。与临床相关的措施

重组S1错位之间出现了显著相关指标和感官指标,在立体感觉( , =−0.868)和2 pd ( , )。特别是,一个更大的距离实际和预期S1与一个更严重的触觉赤字(图4 (b))。

4所示。讨论

这是第一个研究使用超高频fMRI研究躯体感觉重组在先天性半身不遂,通过应用一个可靠的温柔的触觉刺激。我们可以确认我们最初的假设。首先,我们的研究结果显示更大的S1可变性的半球侧hemiparetic比同侧。其次,位错的程度的重组S1与触觉赤字的严重程度相关。

假设,S1激活本地空间的可识别每个偏瘫的主题;规范化和平滑是申请功能图像在每个单一学科分析,为了最大化的潜力空间定位获得超高频功能磁共振成像。事实上,我们的数据有一个立体像素大小约3.4毫米³以前的研究相比,决议从27岁到36毫米不等³(13,12]。躯体感觉激活由于温柔的触觉刺激激活一个小区域(意思是激活主题~ 0.7厘米³)解剖标识为S1中央后回的半球侧温柔的触觉刺激的两个手的手指。这个活动区域在躯体感觉皮质有相似的特点,在位置和尺寸,7点活动在先例调查发现手指somatotopy T [14,25,26]。在控制和偏瘫的科目(在后一种情况下,S1将称为“重组S1”引起的半球侧非惯用手),这个激活显然是单方面的。相反,激活取决于刷牙了双边模式在两个六名病人,在四个控制(对照组分析如图1在补充材料)。此外,刷牙刺激引起较大的区域(意思是激活~ 3.2厘米³),使隔离S1和S2的困难以及区别S1(中央后回激活)和M1(中央前)。这些差异可以部分归结于温柔的触觉刺激的高特异性,部分生理差异的皮质处理两个刺激。进一步的区域显然是认同变量模式(身体的同侧的、双边或侧刺激侧)后壁岛叶皮质,称为S2。激活由于刷牙一个类似变量模式决定的,与更大的激活。

最近的研究在健康受试者somatotopy T[7点25,14,27- - - - - -29日)采用某种形式的机械和/或电刺激,难以适用于临床。人情味也用作刺激7 T fMRI研究调查皮质表示个人的手指(26),与再现性的限制。我们应用的设备在当前的研究中有一个自动化的优点,预定的,和可再生的刺激,这是管理所需的主题没有协作(除了一般合规MRI检查)。这是特别有用的在偏瘫的科目电动机赤字,肌肉骨骼的约束,或者镜像运动可以对电动机激活功能磁共振成像和图像质量产生负面影响。此外,通过不需要合作的主题,该设备可能也适用于年轻的年龄,或者从理论上讲,睡眠问题。因此我们的研究结果支持设备的实用的功能磁共振成像研究躯体感觉重组。

虽然限于半球侧偏瘫的一边,重组S1显示一定程度的变化,正如前面演示了在较低场核磁共振(13]。我们和以前的发现支持了假设两半球间的重组的主要躯体感觉区(S1)是罕见的先天性脑损伤(13,8]。分别和不同于S1, S2显示不同的激活模式,用纯ipsilesional S2中激活1主题和纯contralesional S2激活1主题,尽管所有剩余的受试者双边S2激活。这些结果与先前的研究相同,假设一个更广泛的S2本地化模式(13,12]。

为了检查如果S1某些灰质可塑性是可能的,尽管有限进行半球,我们试图给S1错位的测量,通过使用一个预期的球形体积分配正常概率在健康受试者S1(半径, )。对于重组S1,我们发现只有2科目分为 ,这是在预期的S1的概率。相反,同侧惯用的一边,半球在S1总是产生在一个半径。在前面的功能磁共振成像研究,Wilke et al。13]相比S1在一组受试者的地形先天性半身不遂。他们展示了一个更大的可变性S1的位置在中央沟的损伤脑半球侧相比保留的手。与我们的结果相比,它们不包括任何定量衡量S1错位和他们的研究结果被临床验证措施。此外,我们的研究结果添加到先前的文学,躯体感觉重组posterior-mesial模式函数可以确定(见图3)。

由于更高的空间分辨率和精度S1映射在7 T功能磁共振成像,我们的结果测量相关距离定义的2厘米范围³体积为预期的地区搬迁重组S1。由于这个标记扩展,我们可能因此认为一定程度的皮层可塑性发生预定的躯体感觉区至少4 6偏瘫的主题在我们的样例,限于ipsilesional半球。

尽管一定程度的皮层可塑性可能发生,我们的研究结果也支持先前的假设早期测定S1 (8),如果一些躯体感觉保留预定的组织。相反Juenger et al。8],我们的示例包括两个发生病变,早些时候显示更好的触觉临床资料(病人1和6)。有趣的是,这两个科目很长polymicrogyria(病人6)一边轻偏瘫侧,显然与少量的保留上皮层灰质结构图像。然而,在少量的可用正常皮层组织,它能够容纳躯体感觉触觉映射,从而加强高度定义确定区域的概念,允许非惯用手没有感觉赤字(30.]。

S1位错之间的显著相关性出现在我们的研究中指数这两个指标我们用来评估躯体感觉赤字。据报道在研究先天性单侧脑损伤,运动机能,尤其是精细运动控制,更糟糕的是当M1重组是侧偏瘫的一面,可能由于电机和躯体感觉区域的隔离在两个不同的半球31日,9,11]。在我们的示例中,我们有两个科目与侧汽车重组评估与欧洲议会议员。有趣的是,这些主题最接近的距离预期S1和有更好的感官功能,没有实质性的差异相比,运动机能与ipsilesional集团重组。如果这个观察将在一个更大的样品确认的主题,它将支持假设的功能重组S1更多取决于预期的躯体感觉皮层区域的距离比距离M1 (13]。之前的发现,我们之前添加到文学,从这个意义上来说,给S1早期测定的临床意义。需要注意到,正如预期的那样,所有科目与侧重组围产期动脉缺血性病变。这已经假设扮演一个角色在限制白质提升丘脑皮层的传入S1 (32]。最后,正如我们预期可能影响大脑病变大小S1重组,我们评估脑损伤严重程度通过使用最近开发了半定量的系统(20.]。有趣的是,没有关系出现位错之间的指数和脑损伤严重程度。研究在更大样本的定量测量病灶体积将证实这一发现。

为了进一步支持感觉赤字运动的相关性的结果在我们的示例中,我们研究了在事后感觉赤字和运动损伤之间的关系。特别是,我们发现了一个立体感觉之间的相关性和质量维度WMFT ( , )和啊( , )和2 pd和质量维度WMFT ( , =−0.773)和啊( , =−0.765)。我们的研究结果进一步支持触觉赤字对电机控制的影响。

本研究的主要局限是样本容量。主题包含在这个样本的数量是有限的,由于疾病的患病率低,心理和生理要求的合规MRI考试;另外,过度运动工件两个对象被排除在外,可能在超高频核磁共振是一个问题。然而,有人建议考虑谨慎而积极,重要的结果在小群(33]。少数受试者不允许包括偏瘫的一面和性别作为协变量的分析。同样,由于数量有限的主题在最后的数据集,电动机的潜在影响重组还没有系统地考虑在分析只是推测在讨论基于单一学科的研究成果。最后,没有对比S1和M1进行重组,由特定的因素可能影响不同。

5。结论

第一次,我们的研究使用超高频fMRI研究躯体感觉重组在先天性半身不遂,通过应用一个可靠的温柔的触觉刺激。由于使用超高频MRI仍是有限的,这是至关重要的识别可能应用的领域,即。,定义的附加值超高频MRI相比传统的核磁共振。事实上,增加信号灵敏度在7 T允许在单一学科获得更可靠的大胆的信号,降低磁场强度相比,也缩短采购时间和块重复(25),强烈建议在临床和儿科设置。我们相信,这个初始的超高频的潜力研究自适应年轻人的大脑可塑性可能促进进一步大样本的研究对象与先天性脑损伤且年龄。

数据可用性

所有的数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究部分由比萨大学(也免不了Progetti di Ricerca di Ateneo 2015年PRA2015) MC。

补充材料

图1展示了激活在初级躯体感觉区引起的刷任务,对照组分析(分析组)和单一学科分析(病人)。优势手的刷牙刺激引发双边S1激活组分析的控制(S1定位器)。双边S1的代表还在单一学科分析进行患者被发现。特别是,2 6例患者有双边激活刷牙刺激的惯用手(灰色,上面一行,病人# 1和# 5)和非惯用手(红底行患者# 1和# 4)。右脑病变。(补充材料)

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