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功能磁共振成像在诊断新生儿脑发育与损伤中的作用

?综述?功能磁共振成像在诊断新生儿脑发育与损伤中的作用

胡章雪 史源 李廷玉

脑损伤被认为是早产儿重要的医学与社会问题,颅内出血和早产儿脑室周围白质软化是最常见的原因,脑瘫是最严重的并发症[1]。许多早产儿则在学龄期被发现具有认知与思维能力缺陷,部分出现性格与情绪障碍,如孤独症,注意缺陷及多动症等[2]。早期诊断早产儿脑损伤将可能在脑功能完全建立之前对神经功能发育进行干预,使目前极为有限的康复治疗手段发挥最大的作用。医学影像技术一直在诊断早产儿脑损伤中发挥重要作用:磁共振成像(magneticresonanceimaging,MRI)作为目前最常用的影像诊断技术,也只能从结构水平发现异常,为预测早产儿脑损伤提供参考[3]。功能磁共振成像(functional

magneticresonanceimaging,fMRI)作为目前影像学领域的重要研究技术,能从功能水平检测脑发育水平和损伤程度,具备更高的准确度和灵敏度,可将早产儿脑损伤的诊断提升到一个更高的水平。基于fMRI技术的静息状态网络(resting唱statenetwork)分析能检测到的脑在基线状态下各个功能区内和不同功能区之间的自发的功能连接,反映脑在安静状态下的基础活动[4],已经在多种神经精神疾病的病理分析中发挥作用。皮层折叠(corticalfolding)是指皮层进行折叠形成沟回的过程,早产儿所处的孕28~36周,正是皮层发育最迅速的阶段,以皮层折叠为主要特征,研究发现,皮层折叠异常可能在早产儿脑损伤发病机制中发挥重要作用[5]。我们认为:皮层折叠既包括皮层结构的发育,也蕴含着皮层功能的建立,静息状态网络作为反映皮层功能的重要特征,在皮层折叠过程中迅速建立和成熟。静息状态网络的发育状况可从功能水平反映早产儿脑发育和损伤的程度。但目前新生儿静息状态网络的研究刚刚起步,早产儿的静息状态网络尚缺乏系统的数据和标准,采集早产儿的静息状态网络数据有助于从功能水平建立早产儿脑发育标准,为早期诊断早产儿脑损伤提供依据。

一、早产儿脑损伤

早产是围产医学的重要课题,在早产相关的诸多并发症中,脑损伤是其中机制最复杂、诊断和治疗最困难的一种。虽然神经功能发育与多种因素如出生情况、家庭环境、营养状况等也密切相关,但早产被证实是脑损伤的独立危险因素[7]。较严重的脑损伤如颅内出血和脑室周围白质软化等能通过MRI进行诊断[8]。但是许多出生时脑部MRI检查完全正常的早产儿,其远期神经功能发育水平仍低于正常新生儿,而这种水平差异在初期并不明显,在学龄期高级皮质功能建立时才得以被发现[9]。一项fMRI研究发现出生情况正常的早产儿在学龄期其听力低于对照组[10],这一研究提示从功能水平研究早产儿脑损伤具备更高的准确度和灵敏度。

二、皮层折叠

对于正常妊娠而言,皮层折叠属于胎儿在宫内进行的过程,其发育速度最快的时期为孕28~36周(图1)[11],出生后即可完成约90%的折叠水平,此时的大脑皮层已具有和成人接近的沟回数,为各个功能区的建立提供较成熟的结构基础[10]。早产儿提前脱离宫内环境后,体内外生理环境出现巨大变化,立即启动出生后的各项脑功能发育程序,而此时皮层折叠尚未完成,不能适应功能发育的需要,可能使脑发育过程紊乱,造成脑损伤。皮层折叠的研究目前局限于结构水平,包括对皮层面积的测量,局部脑回指数(localgyrificationindex,LGI)的计算等。MRI三维重构可以直观地再现皮层折叠的过程。

皮层折叠是脑发育的一个过程,不仅与皮层结构形成相关,也与脑功能发育密切相关[12]。皮层折叠异常在宫内生长受限的患儿中表现明显,出生时皮层折叠水平较差的患儿在纠正胎龄足月时进行神经功能评分,其发育水平明显低于对照组[3]。皮层折叠异常还与许多神经系统功能障碍密切相关,智力缺陷的患者其皮层折叠较正常对照组明显减少[13],主要表现为皮层多个区域LGI的降低。强迫性神经症患者的皮层折叠也低于正常人[14]。一项MRI研究发现早产儿纠正胎龄足月时其脑白质的容量仍低于正常足月儿,且其发育程度随出生胎龄的减小而减弱,早产发生的时间与皮层折叠的时间重合可能与早产儿脑损伤相关[15]。目前,从功能水平度量皮层折叠水平尚缺乏有效的指标,但随着fMRI研究的深入开展,静息状态网络的数据和资料不断得到补充和完善,为从功能水平检测皮层折叠水平提供了可能。

三、fMRI静息状态网络

与其他功能影像技术相比,基于检测血氧水平依赖(bloodoxygenlevel唱dependent,BOLD)信号变化的fMRI技术具有高的时间分辨率和空间分辨率,并且具有无创性。这些突出优势使得fMRI技术在人脑功能研究中获得了广泛应用,从而极大地推动了人类对脑功能的深入认识[16唱17]。

鉴于静息状态下人脑耗能占人脑总耗能的95%以上,Raichle等[18]认为基于静息状态的人脑功能研究至少应该放在与基于任务状态的人脑功能研究同等重要的位置上。最早基于静息状态fMRI的人脑功能研究是由Biswal等(1995)开展的,他们DOI:10.3877/cma.j.issn.1674唱0785.2011.20.045

作者单位:400042 重庆,第三军医大学附属大坪医院儿科(胡章雪、史源);重庆医科大学附属儿童医院儿童保健中心(李廷玉)通讯作者:史源,Email:petshi530@vip.163.com

发现静息状态下人脑左右半脑主运动区BOLD信号的低频成分(f<0畅08Hz,称为“慢波振荡”)之间存在显著的相关性,也即左右半脑主运动区之间存在显著的功能连接[19]。之后一系列基于静息状态的fMRI研究报道了诸如语言[20]、听觉[21]、视觉[22]、背侧及腹侧注意[23]以及默认网络[24]内部的显著功能连接。Raichle等[25]指出存在于静息状态下的功能连接是人脑固有的功能组织模式的一种反映。静息状态网络的临床应用研究已在神经疾病和精神疾病等领域取得进展,有研究将该网络作为顶层皮质卒中后神经功能缺失的生物标记[26],或将其作为新的方法来研究如注意力缺陷与孤独症等脑发育疾病[27]。

新生儿的fMRI研究虽受到许多局限(如数据采集相对困难等),但是因为新生儿脑处于快速发育中,其研究价值更显重要。在任务状态下,对初生早产儿进行手部的刺激后,fMRI可在皮层躯体感觉运动区发现神经活动[28]。非任务条件下的研究进一步证实静息状态网络存在于不同年龄阶段的儿童[29],且处于动态发育过程中。足月新生儿脑内发现自发的BOLD信号,此种信号与新生儿的基础神经活动密切相关[30]。新生儿的皮质功能与成人有较大区别,此时人脑的许多高级功能如语言、学习、记忆等仍未形成,皮层主要形成运动与基本的感觉功能,包括听觉、视觉、痛觉、触觉等功能。上述神经功能发育在fMRI静息状态网络研究中均找到相对应的网络连接,但是这些网络与成人存在明显区别,表现在网络数量少和网络连接简单,成人发现的静息状态网络已经超过10个,而新生儿足月时仅发现5个,成人十分重要的默认网络在新生儿中没有被发现,提示静息状态网络与皮层功能是密切相关的,并可随着脑发育而逐渐成熟和复杂化[31]。早产儿与足月儿又存在明显的功能区别,且脑损伤发生率高,但是目前尚缺少不同胎龄早产儿静息状态网络数据的研究。

目前基于静息状态fMRI的脑功能网络分析主要从如下三个方面展开:(1)静息状态脑活动分析:基于静息状态fM唱RI信号在时间域和空间域的特点,前人开发了诸如局部一致性(regionalhomogeniety)、慢波振荡幅度(amplitudeoflowfrequencyfluctuations)等度量,实验结果表明这些度量能够很好地衡量静息状态下的脑活动;(2)脑功能连接分析:就静息状态fMRI而言,功能连接度量两个脑区慢波振荡的同步性。目前基于静息状态fMRI进行功能连接分析涉及的连接包括“一对多”和“多对多”连接。功能连接分析最常用的度量手段是相关分析,此外偏相关分析、独立成分分析等技术也被用于度量脑功能连接;(3)复杂脑网络分析:在分析“多对多”连接的基础上,引入诸如类聚系数(clusteringcoeffi唱cient)、最短路径长度(pathlength)等图论度量,从全脑的角度衡量脑功能。上述丰富的数据分析方法为我们深入分析早产儿不同皮层折叠阶段数据,进而揭示其脑功能网络在皮层折叠过程中的发育规律提供了重要技术支撑。

皮层折叠过程不仅有皮层结构的明显改变,也是脑初级皮质功能迅速发育的阶段;静息网络状态随着皮质折叠过程中结构的复杂化而不断成熟;其发育速度和趋势与皮层结构变化相适应,其方向应当是网络内连接程度提高,功能网络数量增加。静息状态网络建立和发育障碍可作为评价早产儿远期神经功能发育和损伤的重要参考。后续的研究应该集中在以下几个方面:(1)静息状态网络的分析和度量:选取合适的度量工具或者算法,基于静息状态fMRI数据进行脑功能网络分析,进而得到个体脑功能网络发育水平度量。(2)处于脑发育相同阶段的早产儿,其静息状态网络必然具有一定的共性,我们可找出其共同点并建立该胎龄阶段的标准。比较各胎龄组静息状态网络的区别,揭示该网络在皮层折叠过程中的发育规律。(3)分析静息状态网络与远期神经功能发育之间的关系,将静息状态网络作为反映脑功能发育和损伤水平的指标早期诊断早产儿脑损伤。

参 考 文 献

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(收稿日期:2011唱05唱25)

(本文编辑:吴莹)

胡章雪,史源,李廷玉.功能磁共振成像在诊断新生儿脑发育与损伤中的作用[J/CD].中华临床医师杂志:电子版,2011,5(20):6076唱6078.

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