文摘

背景。截肢成人是一个严重的过程或创伤的结果,可能导致一个“重新映射”肢体表示(somatotopy)运动和感觉皮质。的时间和空间范围内基本重组somatotopy尚不清楚。本研究的目的是为了更好地了解当地和全球结构可塑性在感觉运动皮层网络暂时和上肢截肢后空间的变化。方法。我们研究了8健康nonamputee对照组和16完成上肢截肢者。静息状态的核磁共振(rs-fMRI)是用来衡量当地和大规模的相对差异(相对于控制)在两个低频波动的振幅(ALFF)和程度的中心(DC)在2个月,6个月,12个月后创伤性截肢。结果。在截肢者,rs-fMRI扫描显示空间模式的差异ALFF随着时间的推移和直流的大脑区域。ALFF相对大幅上涨和直流检测不仅感觉和运动皮层,而且在相关的皮质区域被认为是参与认知和运动计划。我们观察到的变化大小的ALFFs预处理和中央后回和初级感觉皮层,以及在前扣带,海马旁回、海马、截肢后2个月。增加/减少的区域分布在ALFFs和直流记录在两个月的postamputation非常不同于那些在6和12个月postamputation。结论。本地和广泛ALFFs变化后的大脑感觉运动皮层和cognitive-related区域上肢截肢可能暗示功能障碍不仅在感觉和运动功能,还负责感觉运动领域的集成和运动计划。这些结果表明,大脑皮层重组后上肢传入神经阻滞是暂时的,空间更复杂的比之前的赞赏,在广泛地区影响直流。

1。介绍

不仅是完成成人创伤性截肢,情感上的令人不安的一个伤口,但它也可以发展成为一个严重的疾病。创伤性截肢事件往往造成广泛的破坏和毁灭的皮肤、肌腱、肌肉、骨骼、血管、神经创伤部位,因为神经微,传入神经元退化,终端肿胀随之而来,切断了轴突的再生萌芽形成神经瘤的肢体树桩。这也传入神经阻滞导致脊髓结构和生理变化,和一些以前的研究表明,重新映射,或重组,肢体表示(somatotopy)最终发生在皮层水平运动和感觉网络。这些变化通常伴随着改变知觉病人报告的感觉。

改变感觉运动皮层的肢体截肢者都进行了广泛的调查和各种电生理和神经成像技术(1- - - - - -5]。几乎90%的截肢者报告“幻影的感觉”,这被描述为一个模糊的感觉,缺少上或下肢仍然存在;一些截肢者感到剧烈的疼痛,这似乎是失踪的肢体(6- - - - - -9]。经颅磁刺激结合脑电图记录表明增强反应,或神经可塑性,在电动机和躯体感觉皮质与幻肢疼痛[截肢者2]。此外,静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI)研究表明,幻肢疼痛是与初级感觉运动功能重新映射截肢后,表明这个功能重组代表传入神经阻滞的不恰当的调整。

不适应的可塑性在感觉运动网络神经传入神经阻滞(10,11)是一个假设来解释幻肢痛的现象。重组皮质的大脑的身体地图似乎是一个重要的元素在区分痛苦从nonpainful幻影的感觉10]。然而,被广泛接受的理论,不适应的可塑性是幻肢痛的原因最近受到了挑战。而不是塑性,异常升高受影响的感觉运动区域的神经活动截肢上肢幻痛可能是负责(12,13]。这些结果可能表明一个更复杂的和多方面的原因可能是幻肢痛的基础。因此,研究也调查了截肢患者的大脑皮层可塑性没有幻肢痛(5,14,15),发现初级躯体感觉皮层的改变不是持续疼痛症状相关1]。

在过去的几十年里,神经影像技术如fMRI通常都被用来检测和分析功能和解剖大脑的变化(16,17),探测大脑的功能体系结构。rs-fMRI是一种功能磁共振成像提供估计blood-oxygen-level依赖(粗体显示)信号在大脑清醒,安静,不执行任何任务,rs-fMRI可以提供解剖特异性感觉运动皮层分区域somatotopy [18,19]。大胆的信号代表了血流动力学反应神经活动(20.]。低频波动的振幅(ALFFs)的大胆的信号被认为反映内在的神经活动的大小(当地个别地区或压)的活动,可以提供关于区际功能连通性的信息。因此,rs-fMRI研究可以揭示神经发生的过程没有外部刺激,rs-fMRI信号和分析可以揭示信息静息状态网络的连通性。只有少数研究分析rs-fMRI连接和其他指标如ALFF确定变更后全脑创伤性事件或帕金森症等神经病理学。

在目前的研究中,我们使用rs-fMRI调查当地和全球上肢截肢患者的大脑可塑性。我们的目标在这个研究是映射出当地和全球结构和功能连接在感觉运动皮层网络和其他大脑区域上肢截肢后改变时间与空间。我们使用两种rs-MRI可靠和有效的措施:(1)ALFF和(2)的中心(DC),后者反映了一个地区之间的瞬时功能连接的数量,其余的大脑,因此多少节点影响整个大脑区域。这些参数被用来表明自发波动强度的信号2、6和12个月后创伤性截肢。

2。方法

2.1。参与者

八个健康limb-intact男人和女人他们招募了志愿者(对照组),连同16创伤性上肢截肢者,24岁和55岁之间(表1)。对照组的便利样本招募被截肢者的年龄和性别平衡。详细的病史和仔细检查头部CT扫描证实,无论是截肢者还是控制显示脑损伤的证据,和他们的病历显示,没有证据表明神经或精神疾病。

表1
人口和上肢截肢患者的临床特点( )。

在这项研究中使用的所有程序是医学伦理委员会批准上海交通大学附属第六人民医院,并遵循伦理原则涉及人类受试者的医学研究(赫尔辛基WMA-Declaration)。书面知情同意了所有的研究参与者。

2.2。数据采集和扫描程序

扫描被收购了西门子三3-Tesla扫描仪在上海第六人民医院,上海交通大学(大学)。解剖数据获得使用t1磁化准备收购快速梯度回波序列使用以下参数: , , °, 。功能数据的基础上,大胆使用多个梯度回波信号是平面T2 - - - - - -加权脉冲序列,使用以下参数: , , °, ,和 。40片和切片厚度2.7毫米和面向没有差距在斜轴面,覆盖整个皮质,与部分小脑的报道。总共240卷收集,在此期间,参与者被要求躺在变暗的房间里,睁大眼睛。他们明确要求不移动任何身体部位。

2.3。rs-fMRI数据预处理

rs-fMRI每个主题的数据预处理软件数据处理助理了静息状态功能磁共振成像(DPARSF) [21),这是基于统计参数映射软件,SPM8(维康基金会神经造影中心,伦敦,英国;http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)和rs-fMRI数据分析工具包(22]。功能图像预处理执行按照下列步骤:(1)从分析第十册被丢弃,因为受试者适应扫描仪的噪声和测试情况;这段preacquisition也允许扫描仪稳定。这段时间点的数量是不少于230;(2)切片扫描时间进行了修正;(3)头部运动进行了修正;(4)空间归一化完成,然后纠正图像注册T1结构图像,和空间归一化标准模板蒙特利尔神经学研究所(重新取样 );(5)讨厌的变量,包括白质信号和头部运动,测量使用Friston-24模型,通过回归和脑脊液信号被移除;(6)空间高斯平滑使用6毫米的半最大值宽度内核执行;(7)最后,线性时间序列的趋势被移除。

2.4。ALFF计算

研究之间的关系后上肢功能可塑性传入神经阻滞和大脑静息状态的功能,我们采用ALFF分析探讨静息状态的网络可能会激活不同截肢患者与健康对照组相比。ALFF计算从各体素(大胆的时间进程23]。ALFF计算进行相同的研究中所描述的藏et al。24,25]。ALFF计算对传统低频带(0.01 -0.08赫兹)。

2.5。直流计算

直流反映了对于一个给定的连接强度体素与其他所有体素在大脑中可以捕捉其与整个大脑的关系网络的体素水平;它代表一个节点大规模大脑内在连接网络的特征(26]。的二进制版本相比,加权DC提供了一个更精确的中心特征的脑功能网络(27]。因此,我们使用加权。皮尔森之间的相关性计算的时间课程各体素与其他所有体素在整个大脑。相关系数和 被总结为每个体素,然后为每个立体像素加权得到直流。0.2的阈值被用来消除计数低时间相关的体素。它已经表明,不同的阈值选择不定性改变结果(28]。空间平滑( )在直流计算后进行了,因为缺乏空间平滑可能导致人工本地相关性。我们使用以下这个直流计算公式:

符合之前的rs-fMRI研究,我们删除负相关性(29日]。由于负相关性的生理基础是不确定的,不计算(30.- - - - - -32]。

2.6。统计分析

两个示例 - - - - - -测试使用的两个指标分别大胆的信号(ALFF和直流)。结果修正为多个阈值相结合的比较单一的体素( )与高斯随机场(平)修正。

3所示。结果

3.1。人口统计学和临床特点的学科

表1显示了截肢者的基本人口和临床特点为本研究贡献数据。健康受试者的平均年龄8和16个上肢截肢者在统计学上无法区分(37.9年和41.2年, )。同时,两组被性很好平衡,与3女性和男性在对照组和5女性和11个男性截肢组。

3.2。随着时间的推移变化ALFF

表2- - - - - -4现在的结果显著区域的大脑变化ALFFs在2 - 6 -,和12个月postamputation,分别。数据1- - - - - -3是相应的轴向图像ALFFs rs-fMRIs显示相对变化的截肢患者与对照组相比。

表2
在2个月相对ALFFs区域变化 在上肢截肢者( )与正常对照组相比( )。
表3
相对区域ALFFs在6个月的变化 。
表4
相对区域ALFFs在12个月内的变化。

图1
改变的识别区域的大脑活动利用rs-fMRI创伤性截肢后2个月。之间的相对大小ALFF上肢截肢患者( )和正常对照组( )用轴向图像(从上到下,不如优越)。颜色为红色表示增加ALFF(意义重大 - - - - - -值),颜色对蓝色显示显著降低ALFF相对于控件(cf表2)。

图2
区域的大脑活动的变化通过使用rs-fMRI创伤性截肢后6个月。之间的差异的大小ALFF上肢截肢患者和对照组相同。同样的规则如图1。

图3
区域的大脑活动的变化通过rs-fMRI创伤性截肢后12个月。之间的差异的大小ALFF上肢截肢患者和对照组相同。同样的规则如图1。
3.2.1之上。两个月Postamputation

rs-fMRIs,我们观察到的最大的积极ALFFs颞叶、扣带回、预处理和post-central脑回和楔前叶(表2,图1)。正常对照组相比,在两个月的创伤后截肢,在上肢截肢患者中,我们发现重大积极ALFFs的右侧大脑前扣带,海马旁回,脑岛,和硬膜,而在左边在这个时间点,发现了显著正ALFFs海马,海马旁回、壳核、中央后回、辅助运动区。重大的负面ALFFs在2个月的右侧大脑中被发现中央前回,楔前叶,辅助运动区,而在左边在这个时间点,检测到了重大的负面ALFFs中央前回、中央后回。

3.2.2。六个月Postamputation

六个月后第一个rs-fMRI扫描,不同的地区ALFF变化模式出现了。在一般情况下,我们观察到的大积极ALFFs颞叶区域在2个月不再检测到在6个月或减少得多体素程度(例如,左海马)。一个例外是一个大的相对增加负面ALFF正确的补充运动区42像素点在2个月至903年6个月(表压3,图2)。在6个月的时间点,最大的改变是重大的负面ALFFs近中心小叶,补充运动区,语言区,和楔片。其他值得注意的重大积极变化在ALFFs左壳核、尾状,在梭状回和消极ALFFs伪劣颞叶。

3.2.3。十二个月Postamputation

一般来说,在12个月postamputation, ALFFs更重要的正面和负面的变化被发现,但体素区段往往较小,一些以前未被发现的区域出现在这12个月(表扫描4,图3)。异常大积极ALFF更改正确的尾状核和额叶的左腹直肌回,和大负ALFF正确的舌区和梭状回的变化。有趣的是,虽然腹直肌回的功能尚不清楚,可能是参与高级认知功能。我们观察到最大的积极ALFFs扣带回、预处理和post-central脑回,楔前叶。持续大幅相对变化检测到了ALFFs感觉运动皮层和颞叶区域(表4,图3)在2 - 6和12个月的扫描。

3.3。直流随时间的变化

表4- - - - - -6目前的结果显著区域的大脑变化DCs在2 - 6 -,和12个月postamputation分别。数据4- - - - - -6rs-fMRIs相应的轴向图像显示DCs的截肢者的相对变化与对照组相比。


图4
差异的大小相同的上肢截肢患者和对照组之间的直流rs-fMRI扫描的2个月。同样的规则如图1。

图5
差异的大小相同的上肢截肢患者和对照组之间的直流rs-fMRI扫描的6个月。同样的规则如图1。

图6
差异的大小相同的上肢截肢患者和对照组之间的直流rs-fMRI扫描的12个月。同样的规则如图1。
3.3.1。两个月Postamputation

rs-fMRIs,我们观察到的最大的积极改变直流在左midcingulate回最大的负面变化对楔前叶和海马旁脑回(表5,图4)。一般来说,直流的空间范围的变化在两个月的postamputation远小于相应的ALFFs在2个月(cf数据1和4)。较小的重大积极或消极的DCs在中央盖检测到的变化,额叶内侧眶皮层,楔前叶,海马旁回,尾状,midoccipital皮层,部分triangularis额下回。

表5
在2个月相对区域变化的直流。
3.3.2。六个月Postamputation

六个月后第一个rs-fMRI扫描,不同的区域功能连通性的模式出现了。在这个时间点,我们发现一个新的大积极直流距状,和其他积极的和消极的DCs在同一数量级,观察到2个月(表6,图5)。

表6
相对区域直流在6个月的变化。
3.3.3。十二个月Postamputation

在最后扫描在12个月里,我们发现大积极的变化在正确的舌和楔片和大型直流负海马旁回的变化和楔前叶(表7,图6)。这些变化在功能连通性缺席在早些时候扫描或在规模小得多。

表7
相对区域改变直流12个月。

4所示。讨论

大脑皮层重组的时间和空间区段上肢截肢后尚不清楚。在目前的研究中,我们描述了空间的内在大脑活动模式的变化(ALFFs)和功能连通性(DC)通过测量rs-fMRI在创伤性上肢截肢者在2个月,6个月和12个月。相对于ALFFs和直流在正常控制,有选择性的增加发生在感觉和运动皮层,正如预期的那样,但也增加和减少发生在相关的大脑区域参与后上肢功能可塑性传入神经阻滞。增加/减少的区域分布在ALFFs和直流记录在两个月的postamputation非常不同于那些在6 - 12个月。

人类大脑的感觉和运动的大脑网络组织的支配。剧烈的人类上肢损伤,如创伤性截肢,可能会改变的somatotopy的初级运动皮层和初级感觉皮层deafferented半球。去神经由于截肢或神经损伤会破坏正常的感觉运动功能。据报道,皮质感觉运动皮层重组,在皮质地图完整的身体部位“扩大”相关的区域与失踪肢体的传入之前,也一直在众多报道实验截肢动物研究[33- - - - - -35]。

感觉运动重组也观察到一些经颅磁刺激研究截肢者。在这些研究中,运动区兴奋性增加侧截肢肢体发生。残肢肌肉有更高的响应振幅可以通过经颅磁刺激诱发应用于一个更大的区域在头皮上比反应在完整的手臂36,37]。此外,somatotopy转变的唇38],下巴[39),和肩膀40]表示deafferented皮质手部的上肢截肢者报道使用脑磁图描记术(MEG)和功能磁共振成像。

去神经不会导致一个完整的损失受影响的肢体皮质表示,因为感觉运动皮层仍然似乎是使用所谓的“运动”未遂截肢。当一个截肢者试图“移动”他们的幻肢,激活相应的感觉运动区域出现在功能性磁共振成像,这激活类似于健全的学科(实际执行的动作38,41,42]。

已经表明,上肢截肢者的持久皮质表示相对详细的中央后回和顶叶皮层。例如,在一个瘫痪患者患者,运动轨迹和运动目标已经成功解码后顶叶皮层的电生理活动使用颅内录音(43]。持久的手在S1也在长期的脊髓损伤病人以microstimulation [44]。同时,持久的单个手指表示的地形幻手被截肢者的躯体感觉皮质所示45]。

ALFF措施时间序列波动的振幅在每个体素,和DC代表了大规模的内在连接大脑的体素的水平。这些措施从不同的角度rs-fMRI探测大脑的活动。在我们的调查中,我们发现ALFF直流重叠空间,主要发生在左侧额上回(Frontal_Sup_L)。这个结果可能表明,认知的变化可能发生在截肢患者,并有可能延长对大脑可塑性的影响。

我们还发现ALFFs的初级运动皮层和初级感觉皮层,减少截肢后6、12个月。大脑区域参与感觉运动集成增加,特别在壳核、尾状核、楔前叶。我们推测,这可能代表一个截肢后补偿模式。失活的副皮质感觉运动皮层可能影响感官的反馈。因为直流值减少楔前叶,尾状,中央后回,这可能表明,截肢后感觉运动的集成也受损。预计初级运动皮层和初级感觉皮层沉默传入神经阻滞后受伤的肢体。之后,在感觉运动网络连接半球是减弱的影响。一般来说,我们发现截肢患者重要的脑功能变化在当地区域和广泛的广泛的脑区,改变如纹状体和cognition-emotion皮层。

这项研究有一些局限性。首先,正常对照组和截肢患者的样本大小相对较小,这可能会减少对结果的信心。因此,在未来的研究对象将招募更多的明确评估这些发现。第二,我们选择ALFF和直流指数检测地区自发活动强度的波动。根据这两个措施,截肢患者的大脑显示大规模变化超过12个月。澄清相关的潜在神经机制amputation-related大脑的变化,未来的研究应该检查改变在脑网络水平。最后,临床评估与验证神经心理学工具应该执行在未来的研究中,可以发现一个更有趣的截肢和大胆改变信号之间的关系。

5。结论

我们的研究结果表明,当地和广泛的时空变化发生在固有的感觉运动皮质活动和功能连通性和cognitive-related截肢后的大脑区域。未来的验证性研究,这种可塑性可能暗示功能障碍发生不仅在感觉和运动区域,还负责感觉运动领域的集成和运动计划。无论如何,这些结果和他人ALFF和直流塑料后创伤性截肢强调如何分析内在大脑活动没有任何任务相关的感知或认知刺激(rs-fMRI)可能是一个卓有成效的方法分析塑性“自然传入神经阻滞”后,出现在阿尔茨海默氏症或帕金森病。

数据可用性

目前的研究包括8健康志愿者的5个男人和3个女人(平均年龄:37.9岁)和16个截肢患者(11男5女;平均年龄:41.2岁)。在这项研究中使用的所有程序是医学伦理委员会批准上海交通大学附属第六人民医院。书面知情同意了所有的研究参与者。

信息披露

这篇文章已经发表在预印本研究广场。Bingbo包是第一作者。Lei段co-first作者。海峰,“彭博罗(朱,陶高,肖,北京日报Li Jing Li义民庙柴,长庆张共同合作者。

的利益冲突

所有作者声明没有利益冲突。

作者的贡献

Bingbo包和Lei段同样这项工作。仙游郑是负责研究设计和写作手稿。Bingbo包和Lei段负责数据收集和分析。Bingbo包负责的修订手稿。所有作者批判了手稿的内容。所有作者阅读和批准最终的手稿。

确认

这项研究得到了上海市临床医学教育Commission-Gaofeng资助(批准号20161429)和中国国家自然科学基金(批准号81371965)。