运动想象对脊髓损伤患者大脑活动和脑网络重塑MR研究进展

王 玲，陈 楠*

(1.首都医科大学宣武医院放射科，北京 100053；2.北京磁共振成像和脑信息学重点实验室，北京 100053)

运动想象(motor imagery, MI)是指不伴有任何实际运动的意识执行过程，已在运动技能学习和运动康复方面显示出巨大潜力[1-4]，并作为脑机接口(brain-computer interface， BCI)的基础为瘫痪患者带来希望。目前认为MI可产生类似于运动执行(motor execution， ME)的大脑激活和大脑连接模式，从而促进提高运动功能[5-6]，但现有研究主要集中于正常人，对功能障碍如脊髓损伤(spinal cord injury， SCI)后大脑激活和网络连接变化以及对运动功能康复影响的机制研究较少。本文就MI对SCI患者脑功能重塑的功能MR研究进展进行综述，旨在揭示MI在SCI康复中的作用机制,为MI在SCI运动功能康复治疗及未来BCI研究中的应用提供理论依据。

1 MI理论模型和应用

MI是意识执行动作过程，不伴随显式肢体运动，即在无任何运动输出的情况下，根据运动记忆在大脑中激活某一活动的特定区域，实现运动技能的提高[7]。MI安全、有效、无成本、可反复无限制应用，已广泛用于体育运动[8]、音乐[9]等领域，并取得良好效果。近年来，MI疗法开始用于中枢神经及周围神经疾病引起的运动功能障碍的康复治疗，在脑卒中、帕金森综合征和SCI等疾病的康复治疗中起到重要作用[3]。

有关MI在提高正常人的运动能力和患者运动康复作用中的机制尚不清楚，目前认为MI是一个综合感觉、运动、认知过程的心理模拟现象，主要有心理神经肌肉理论(外周理论)和中央理论。前者认为MI与ME所诱发的神经肌肉活动一致，即两者具有相同的运动神经通路，基于个体中枢神经系统已储存了进行运动的“流程图”或运动安排，假设ME时所涉及的运动流程图与MI时所涉及的流程图相同，则在MI过程中该流程图即有可能得到强化和完善[10]。后者则认为MI是大脑控制中心驱动了一个“仿真器”模拟执行了身体的动作，同时断开了大脑内正常控制肌肉活动的输出通路[11]，即下行传导通路。其他理论还包括生物讯息理论、三重编码理论及符号学习理论，均难以完全解释MI对运动能力的提升及康复机制。

随着功能MR技术的发展，近年来，各种任务活动引起大脑结构和功能的改变均可得到客观、真实的再现[12-13]，为研究MI的机制提供了可靠手段。MI属于任务态功能，实施过程中必然会导致特定脑活动区发生改变，引起相关的神经网络变化，因此对MI所引起的脑活动和脑网络重塑研究将可能明确MI的运动康复机制。

2 基于MI的关键脑区及脑网络的功能MR研究进展

2.1 MI时大脑功能区重塑的研究

2.1.1 正常人MI与ME时大脑功能活动的变化 目前已有较多针对正常人MI时脑激活改变的研究，以揭示MI提高正常人特别是运动员运动能力的机制。研究[3,7,14-15]认为,健康人进行MI时，其大脑的激活区域与ME具有类似改变，主要包括初级运动皮层(primary motor cortex,M1)、辅助运动区(supplementary motor area, SMA)、背侧前运动皮层(dorsal premotor cortex, PMD)、腹侧前运动皮层(ventral premotor cortex， PMV)、顶下小叶(inferior parietal lobule, IPL)、小脑、背侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex, PFC)以及缘上回(supramarginal gyrus， SMG)。这些相似的脑功能区改变揭示了MI与ME具有相似的运动调节作用，从而起到与ME类似的锻炼效果。但健康人MI和ME对大脑的激活也有不同，在同一任务中，控制MI和ME的大脑网络是分层组织的，与MI相比，ME过程中脑运动区域的激活程度更高[16]，MI时对初级运动和躯体感觉皮层的激活强度仅约为ME时的30%～50%[17]。产生这些差异的主要原因是MI条件下缺乏明显运动，故而缺少与运动相关的其他反馈。除脑激活程度不同之外，MI与ME的激活脑区亦有不同，ME时主要激活M1以及初级和次级感觉皮层，而MI除激活M1、SMA与运动相关的脑区外，还激活额叶视区等与认知相关的脑功能区[18]，说明MI涉及一些高级认知活动，可能是一个综合感觉、运动及认知的心理过程。

2.1.2 SCI患者与健康人MI时对大脑激活的差异 有学者[19]认为由于MI取决于当前执行运动任务的具体身体能力水平，SCI患者的MI能力可能下降；但目前已有针对SCI患者MI的研究均通过MI问卷评分(KVIQ20/KVIQ10≥25)证实SCI后保留了MI的能力[3,5-6,20-21]，提示MI训练在SCI患者康复治疗中有一定潜力。

SCI后，上下行传导纤维不同程度受损，大脑传入、传出神经信息障碍，患者MI时与健康人脑功能激活区是否类似尚不可知。由于M1是运动中枢，而MI是不伴有任何实际运动的意识执行过程，理论上不应该发生M1脑激活，但一些研究[7,15]发现，SCI患者和健康人MI时均有M1激活，且MI时SCI患者M1的激活强度明显高于健康人，甚至高于健康人ME时M1的激活程度，可能是由于MI时健康人直接或间接连接脊髓的区域被积极抑制，从而阻碍了运动系统的有效激活；而SCI后不需要任何运动抑制，故未发现这种激活减少[7]。另外也可能是SCI后上下行传导障碍，躯体感觉运动反馈长期缺乏，导致皮质功能的可塑性改变，而皮质内抑制作用的减少与这种可塑性变化有关，导致SCI患者M1的激活程度明显增高[7]。在去传入动物模型中发现的皮质抑制快速丢失的证据进一步支持了SCI患者潜在皮质兴奋性的概念[22]。也有研究[3]认为SCI患者与健康受试者MI期间均无M1的激活，M1缺失可能是由于SMA对M1的抑制作用。已有功能MRI研究结果中有关MI时M1是否直接参与运动控制仍存争议，可能与技术和个体化因素等有关。如大量与MI相关的脑电图研究均发现MI可增加M1的兴奋性[23-24]，但由于功能MRI技术时间分辨率较低，难以捕捉到可用脑电图评估的兴奋/抑制过程中的快速变化；Dechent等[25-26]报道，在M1无群体激活的研究中，单个受试者分析清楚显示部分参与者MI期间存在M1激活，即个体差异也可能对MI时脑区激活情况产生影响。此外，也有研究认为MI时M1激活可能是由于受试者肌肉收缩而不是MI本身所致[27]。

一些研究[7,14-15]还发现，与健康对照组相比，SCI患者在MI任务中颞上回、前额叶和顶叶区的活动增强。颞上回主要参与运动模仿及听觉注意力[14]，前额叶主要参与记忆、判断、分析、思考、操作等复杂的认知功能，且顶叶皮层已从视觉引导运动任务作用扩展到了感官信息整合，以保持注意力集中等更高的认知和运动功能，说明由于感觉运动功能障碍， SCI患者在MI时可能需要更多认知情感的参与[28]。

2.1.3 SCI患者MI与ME时大脑功能活动的研究 最近一项针对不完全SCI患者的研究[3]发现其在执行MI任务时出现了与ME任务类似的脑激活区，包括SMA、背外侧前额叶皮层、PMC、IPL、小脑小叶VI和前岛叶，这些激活脑功能区的共同特征均与运动的准备和执行密切相关，说明即使对于下行传导功能受损的SCI患者，MI对其康复训练亦具有与ME相同的作用。

但SCI患者MI和ME之间也存在不同。不完全SCI患者在MI任务时其SMA、额中回、小脑、中央旁小叶等大脑运动相关区域激活程度和强度均较ME时显著减低，但前岛叶、颞上回、前额叶和顶叶等与认知、情感、心理相关的脑区活动增强[7,14-15]。不完全SCI患者在ME时运动相关区域的激活强度较健康对照组增高，但与认知相关的脑区，尤其是参与运动注意、运动规划和运动编码的顶下小叶和SMG的激活却显著降低；而在MI时其与健康对照组的认知相关脑区的激活却无显著差异，提示SCI患者MI对脑的激活并非经运动传导所致，而是由ME前的一些高级心理活动所直接引起，这为揭示BCI机制及其在运动康复中的机制提供了理论依据。

2.2 MI脑功能网络研究进展 众所周知，大脑即便执行简单的运动和/或认知任务，也需要多个皮层区域的参与，这些皮层区域相互联系，并通过轴突可塑性进行远程交换信息。这些脑区空间定位在不同位置的脑皮层区域，只有通过整合作用才能共同完成这一功能。MI可能是一个综合感觉、运动、认知过程的心理模拟现象，随着对脑网络变化研究的深入，将进一步揭示其脑功能机制。

目前已有学者开始应用功能MR神经网络观察正常人MI[29]，发现MI网络中静息态功能连接较高区域为MI任务时比ME任务时激活较强的区域，包括SMA、感觉运动皮层、中央岛盖皮层、颞上回、M1以及右侧PMD，这或许代表了MI区别于ME的网络特点，且脑区间紧密的功能联系揭示了健康人MI脑功能网络间的功能整合及交互作用的神经机制，可能为探索SCI康复治疗后MI神经网络重塑机制提供新的途径。

3 MI对于SCI患者康复的作用

MI与ME对大脑的运动区域有类似的激活作用，并且简便、安全、可重复，正逐步用于SCI后患者康复治疗。目前已有大量临床病例证实MI对SCI后运动康复具有较好作用[21,30]，且通过MI训练，患者大脑结构可发生相应重塑，如SCI患者在MI康复治疗后，其运动性能提高与大脑双侧海马、对侧枕中回、颞极、胼胝体、颞中回、梭状回以及脑干、小脑等运动相关区域体积增加有关[30]，进一步表明这些结构上的改变可能作为增强下肢神经康复的神经影像学生物标志物。同时，MI虽然有利于SCI患者运动功能恢复，但也可能导致或加重病理性损害，如神经性疼痛[22,31]。研究[22]认为MI诱发疼痛可能与背外侧前额皮质、前扣带皮层、辅助前额叶、双侧前岛叶、PMC等与认知、情感的脑功能区发生变化相关。因此，明确MI机制，制定合理的MI康复计划，对提高运动康复和有效减轻病理性损伤具有重要意义。

总之，对于SCI患者，MI除与ME具有类似脑功能改变外，还与认知、情感等脑功能区的活动密切相关，但目前对其神经机制仍不十分清楚。深入研究MI康复机制、特别是神经网络，将为运动功能障碍患者的康复治疗提供依据，并为以MI为基础的BCI研究提供理论基础。