基于多模态功能磁共振的重复经颅磁刺激促进脑卒中运动功能恢复的作用机制研究

第一部分脑卒中后运动皮层功能重组与运动障碍程度的相关性研究目的:本研究利用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)结合经颅磁刺激(Transcranial magnetic stimulation,TMS)的多模态评估方法,观察早期缺血性卒中患者皮层功能重组与运动功能障碍程度的相互关系,探索缺血性脑卒中后运动功能损伤的神经机制。方法:研究纳入25例早期缺血性卒中伴有上肢运动功能障碍的患者(发病时间1-15天)。利用一般线性回归模型(General-linear-model,GLM)和动态因果模型(dynamic causal model,DCM)处理运动任务的fMRI数据,评估任务相关的脑激活及皮层运动网络有效连接性;利用TMS检测运动诱发电位(motor evoked potential,MEP)的静息阈值(Resting motor threshold,RMT)评估大脑运动皮层兴奋性。运动功能的评估采用上肢FMA(Fugl-Meyer Assessment)评分。采用Pearson检验对fMRI评估(脑激活值、有效连接参数)与RMT、FMA评分分别进行相关性分析。结果:TMS和fMRI结果显示,患侧半球初级皮层运动区(M1)皮层兴奋性和fMRI激活强度与运动功能有显著相关性(r=-0.789,p<0.001;r=0.543,p=0.009);患侧半球感觉皮层区fMRI激活与患侧M1皮层兴奋性有显著相关性(r=0.743,p<0.001);DCM分析显示,健手和患手分别运动时,双侧半球M1间均存在相互抑制性连接作用,与健手运动时相比,患手运动下健侧M1对患侧M1的抑制性作用较强;相关性分析结果显示,患手和健手分别运动时,健侧M1对患侧M1的抑制性连接作用均与运动障碍程度呈显著负相关(r=-0.461,p=0.047;r=-0.486,p=0.022);患手运动时,患侧PMC对患侧M1的促进性连接增加与患侧M1运动皮层兴奋性显著相关(r=-0.457,p=0.043),健手运动时,健侧M1对患侧M1抑制性作用降低(r=0.542,p=0.020),或患侧M1对健侧M1抑制性连接作用增加(r=-0.472,p=0.036),与患侧M1的皮层兴奋性显著相关。结论:脑卒中早期患侧半球M1的功能障碍及皮层运动网络有效连接的异常可能是患者运动功能障碍潜在的神经机制。在脑卒中早期阶段,调节患侧半球运动皮层兴奋性及恢复双侧半球相互竞争抑制的平衡,可作为促进患者运动恢复的作用靶点及干预目标。本研究为脑卒中早期神经康复治疗提供了重要的神经生理学依据。第二部分基于多模态功能磁共振成像对脑卒中运动功能恢复的预测及恢复机制的研究目的:准确预测脑卒中患者的运动功能预后,对于指导脑卒中早期个体化神经康复治疗至关重要。本研究基于多模态功能磁共振成像联合TMS的神经电生理技术,探寻脑卒中患者运动功能预后的理想的预测评估方法,其次,通过对患者的长期纵向的多模态评估随访,探索脑卒中后运动功能恢复的神经机制。方法:研究纳入34例缺血性卒中伴有上肢运动功能障碍的患者(发病时间1-16天),所有患者均在两个时间点(基线及发病3个月时)接受多模态评估,包括临床(年龄,运动障碍程度)、神经电生理(TMS/MEP检测)与影像学(弥散张量成像DTI、任务态BOLD-f MRI)检测。f MRI扫描的任务设计采用偏瘫手被动的对指运动。运动功能预后的评定选择发病3个月后上肢FMA评分(FMA3m)。采用双变量相关分析基线指标与FMA3m的相关性,逐步多元线性回归分析对FMA3m进行预测并选择最优回归模型。结果:在双变量相关分析中,运动功能预后良好与以下基线评估指标显著相关:(1)发病时的运动障碍程度(FMA)越小(r=0.814,p<0.001),(2)皮质脊髓束损伤程度(各向异性值)越小(r=0.394,p=0.021),(3)TMS可诱发出MEP波幅(r=0.626,p<0.001),(4)运动任务相关的f MRI脑激活强度越高(p<0.05)。在多元线性回归分析中,与临床和电生理指标的预测模型相比,增加神经影像学评估后可改善模型预测能力,f MRI运动皮层激活的预测能力优于DTI检测的皮质脊髓束结构损伤。年龄(b=-0.298,p=0.003)、急性期运动障碍程度(b=0.719,p<0.001)及辅助运动区(SMA)f MRI激活(b=-0.249,p=0.025)是脑卒中运动功能预后的独立预测因素,组成了预测运动功能预后的最优模型,可解释运动功能预后73.6%的变异性。长期随访结果显示,脑卒中后运动功能的恢复与脑功能和皮质脊髓束结构的动态改变呈显著相关性。结论:利用f MRI结合临床指标(年龄、运动功能测定)可以对脑卒中运动功能预后进行良好的预测。脑卒中早期任务态f MRI对运动皮层功能的评估,可作为对运动功能预后具有独立预测价值的神经影像学标志。脑卒中运动功能恢复伴随着动态的脑结构和功能重塑。第三部分基于任务态功能磁共振成像的重复经颅磁刺激(r TMS)促进脑卒中运动功能恢复的作用机制研究目的:利用任务态f MRI技术,观察缺血性卒中患者经高频与低频r TMS治疗后局部运动皮层活动变化以及与运动功能恢复的相关性,探索卒中早期r TMS治疗促进运动皮层功能重组的中枢机制。方法:本研究招募90例于2015年1月至2016年12月在南京总医院神经内科住院的首次缺血性卒中并伴有上肢运动功能障碍的患者,其中60例接受随机化分组,分为高频组(10Hz r TMS作用于患侧半球M1)、低频组(1Hz r TMS作用于健侧M1)与对照组(1Hz r TMS作用于健侧M1的假刺激),连续治疗5天,所有患者住院期间均接受常规内科治疗及相同的运动康复治疗。患者在r TMS治疗前后的24小时内,和卒中发病3个月进行临床功能评分、神经电生理(TMS/MEP)及运动任务态f MRI检查。f MRI扫描的任务设计采用偏瘫手被动的对指运动。主要终点指标为患侧上肢FMA评分,卒中严重程度及日常生活能力分别采用NIHSS、Barthel Index评定。结果:临床运动功能评估结果显示,与对照组相比,r TMS组治疗后及3个月随访时,高频与低频组的FMA均显著提高;神经电生理结果显示,与对照组相比,r TMS组治疗后患侧皮层兴奋性均显著提高,其中低频组治疗后的健侧皮层兴奋性显著降低;f MRI结果显示,在r TMS治疗前后,三组患者偏瘫手运动的f MRI激活有显著性交互作用的脑区是双侧M1与SMA(p<0.01)。针对f MRI结果,提取ROI内激活值进行组间比较,结果显示,与对照组相比,高频组的患侧M1及SMA区激活强度显著增加,低频组在健侧M1区激活显著降低;高频组与低频组相比,治疗后患侧M1、健侧M1及SMA激活均显著增加(p<0.05)。所有患者治疗后患侧M1区的激活强度与治疗后的运动评分(r=0.313,p=0.043)及3个月随访时运动功能(r=0.447,p=0.017)呈显著正相关。在卒中发病3个月时,三组神经电生理及脑激活模式差异亦无统计学意义。结论:急性期和亚急性期缺血性卒中患者予高频或低频r TMS治疗,通过调节脑局部运动区神经活动,诱发运动皮层功能重组,促进脑卒中运动功能恢复。此外,脑卒中早期的患侧M1区f MRI激活强度对于运动功能预后具有预测价值。本研究利用运动任务f MRI联合TMS评估,为卒中早期r TMS促进运动功能恢复的作用机制提供了客观的脑重塑依据。第四部分基于静息态功能磁共振的r TMS对脑卒中皮层运动网络功能连接影响的研究目的:利用静息态功能磁共振(rs-f MRI)技术,观察缺血性卒中患者经高频与低频r TMS治疗后皮层运动功能网络连接的变化,以及与运动功能恢复的相关性,探讨r TMS治疗促进脑运动网络功能重组的神经机制。方法:本研究招募90例于2015年1月至2016年12月在南京总医院神经内科住院的首次缺血性卒中并伴有上肢运动功能障碍的患者,其中60例接受随机化分组,分为高频组(10Hz r TMS作用于患侧半球M1)、低频组(1Hz r TMS作用于健侧M1)与对照组(1Hz r TMS作用于健侧M1的假刺激),连续治疗5天,所有患者住院期间均接受常规内科治疗及相同的运动康复治疗。所有患者住院期间均接受常规内科治疗及相同的运动康复治疗。患者在r TMS治疗前后的24小时内,和卒中发病3个月进行临床功能评分、神经电生理(TMS/MEP)及rs-f MRI检查。采用基于种子感兴趣区的功能连接(FC)分析方法,提取以下运动相关功能区作为种子点:双侧M1、双侧SMA、双侧背侧前运动皮层(PMd)及双侧腹侧前运动皮层(PMv),分别计算各种子点之间的功能连接系数,比较治疗前、治疗后及3个月随访时三组患者运动网络功能连接变化的差异,以及与运动功能改善的相关性。结果:临床运动功能评估结果显示,与对照组相比,r TMS组治疗后及3个月随访时,高频与低频组的FMA均显著提高。FC分析结果显示,与对照组相比,r TMS治疗后,高频组显著增加的FC有患侧M1-健侧M1(p=0.007),患侧PMv-健侧M1(p=0.023),患侧SMA-患侧PMv(p=0.034),治疗后患侧M1与健侧M1、患侧SMA的FC增加值与运动功能改善呈显著正相关(r=0.623,p=0.013;r=0.543,p=0.036);与对照组相比,r TMS治疗后低频组显著增加的FC是健侧M1-患侧SMA,治疗后健侧M1-患侧SMA的FC的增加量与运动功能改善呈显著正相关(r=0.559,p=0.020)。在卒中发病3个月时,低频组的健侧M1–健侧SMA、健侧M1-患侧SMA的FC显著降低(p<0.05),提示了卒中早期的低频治疗对运动皮层功能连接可能具有长效作用。结论:在缺血性卒中早期,高频或低频r TMS联合常规运动康复治疗,可改变皮层网络脑区间功能连接,诱发皮层运动功能网络重组,促进患者运动功能恢复。与运动功能恢复有关的运动区功能连接可作为早期神经康复治疗的干预靶点和目标。