引用本文： 馮雨桐, 葛云祥, 竇維蓓, 吳瓊, 潘鈺. 康復干預對不完全性脊髓損傷腦網絡圖論屬性影響的初步研究. 華西醫學, 2021, 36(7): 882-888. doi: 10.7507/1002-0179.202104015 復制
脊髓損傷會導致神經沖動的信號傳遞受到破壞，從而可以部分或完全離斷脊髓與大腦的連接并改變整個神經回路的功能[1]。神經和腦功能成像方面的技術進展使得研究脊髓損傷后人腦的功能連接性變化成為可能，神經影像學可揭示遠端中樞神經系統損傷后大腦功能連接的改變，其中靜息態功能磁共振掃描成像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）已用于評估各類神經系統疾患后腦內的連接性變化[2]。rs-fMRI 根據顱內血氧水平依賴性（blood oxygen level dependent，BOLD）信號的低頻波動評估內源性或自發性大腦活動，從而發現某些潛在連接體系的變化，這些變化可能與臨床表現相關。與腦卒中和顱腦外傷等引起大腦皮質損傷的神經系統疾患不同，脊髓損傷后其大腦結構仍保持完整，但既往研究已發現，脊髓損傷患者往往合并脊髓萎縮，且其大腦感覺-運動皮質也會出現皮質萎縮和重組現象，而這種脊髓損傷水平以上的神經功能變化也是預測傷后功能恢復的重要因素[3]。我們前期的研究也發現，與健康人群相比，不完全性脊髓損傷（incomplete spinal cord injury，ISCI）患者半球間或半球內內源性運動皮質的功能連接性降低，但灰質體積無明顯變化[4]。然而，目前尚無研究基于圖論屬性分析的方法，利用 rs-fMRI 技術研究脊髓損傷患者在康復治療后大腦各區域的信息處理能力。因此，本研究通過基于圖論屬性的方法分析 rs-fMRI 數據，明確全腦內各元素，即腦區相關信息傳遞能力的變化，從而探討脊髓損傷后全腦網絡的功能重組模式。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象
納入 2017 年 1 月—2020 年 6 月入住北京清華長庚醫院康復醫學科的 ISCI 患者，并選擇同時期招募的年齡、性別和教育程度相匹配的右利手正常受試者。
ISCI 患者納入標準（全部滿足）：年齡 18～70 歲；男性或非懷孕、哺乳期女性；發病后 1～3 個月內（亞急性期）；根據美國脊柱損傷協會（American Spinal Injury Association，ASIA）神經功能學分類標準[5]，評級為運動 ISCI 患者，即 AISC 級及 AIS D 級患者；手術切口已拆線、愈合，術區無明顯感染；心肺功能良好，有足夠體力完成試驗。排除標準（滿足其一）：① 除脊髓損傷外還存在其他嚴重神經損傷病史（腦卒中、周圍神經損傷史）；② 有嚴重的意識障礙，或存在影響試驗的精神、認知問題，心肺功能不全，患有不穩定型心絞痛、嚴重心律失常等心臟疾病或嚴重慢性阻塞性肺疾病；③ 存在影響研究的并發癥（泌尿系統感染、下肢深靜脈血栓形成等）；④ 脊柱不穩或下肢、骨盆未痊愈的骨折；⑤ 存在磁共振檢查禁忌證（如體內植入心臟起搏器及其他非耐磁類金屬、合并幽閉恐懼癥、噪音不耐受等）。
正常受試者納入標準（全部滿足）：年齡 18～70 歲；男性或非懷孕、哺乳期女性；心肺功能良好，無影響試驗的急、慢性疾病及神經系統損傷病史。排除標準（滿足其一）：存在影響試驗的精神、心理問題；存在磁共振檢查禁忌證（如合并幽閉恐懼癥、噪音不耐受等）。
本研究于中國臨床試驗注冊中心完成注冊，注冊號為 ChiCTR-ROC-17013566，患者與健康受試者參與本研究前均已簽署知情同意書。
1.2 研究方法
1.2.1 研究過程
ISCI 患者進行為期 2 周康復干預，每周治療 5 d。治療項目包括運動療法，2 次/d，30 min/次；雙下肢功能性電刺激踏車，1 次/d，20 min/次；步行訓練，1 次/d，20 min/次。
所有患者入院時和康復治療結束后均由 2 名經驗豐富的醫生進行全面的臨床評估，包括：使用 ASIA 神經功能分類學標準量表計算運動、感覺評分；通過視覺模擬量表（Visual Analogue Scale，VAS）定量評估病理性神經痛癥狀；使用改良 Ashworth 量表（Modified Ashworth Scale，MAS）評估痙攣癥狀，取 MAS 分級最高之痙攣肌群；通過脊髓損傷步行指數（Walking Index for Spinal Cord Injury，WISCI）評估步行功能；通過脊髓損傷獨立性評估（Spinal Cord Independence Measure，SCIM）量表對患者日常生活活動能力進行評估。
1.2.2 rs-fMRI 數據掃描和處理
① rs-fMRI 掃描及掃描參數。對正常受試者及 ISCI 患者康復治療前后分別進行頭顱 rs-fMRI 掃描，所有數據均使用北京清華長庚醫院的 GE 3.0T 磁共振掃描儀（型號：DISCOVERY MR750，美國通用電氣公司）獲取。使用“ Ax-BOLD-rest”系列軟件通過以下參數獲取 rs-fMRI 的 BOLD 數據：重復時間（repetition time，TR）=2 000 ms，回波時間（echo time，TE）=30 ms，翻轉角（flip angle，FA）=90°，像素間距=3.5 mm，切片厚度=3.5 mm，切片之間的間距=4 mm，采集矩陣=［64，0，0，64］等效于面內分辨率=64×64，重建直徑=224 mm，得到 34 個軸向切片和 240 個時間位置。使用 “Sag 3D T1BRAVO”系列軟件掃描 T1 加權圖像（T1），掃描參數如下：TR=8.21 ms，TE =3.18 ms，FA=8°，體素間距=1 mm，切片之間的間距=1 mm，采集矩陣=［0，256，256，0］，得到 256 個軸向切片和 256 個冠狀切片。矢狀切面數目取決于每個受試者的頭部大小，范圍為 156～174 mm。重建直徑為 256 mm。
② rs-fMRI 數據處理。使用 DPARSFA（3.2 版，http://rfmri.org/DPARSF）預處理 fMRI 數據。首先丟棄前 10 個時間點，然后進行切片時間校正和頭部運動校正。后進行空間標準化，即使用 3 mm 各向同性體素重采樣將數據歸一化到蒙特利爾神經科學學院（Montreal Neurological Institute，MNI）空間。在 MNI 空間中使用服從正態分布的高斯濾波器進行平滑。去除時間序列和有害協變量的線性趨勢，包括運動參數、白質、腦脊液和全腦信號。最后，對數據進行時間濾波，以使信號保持在 0.01～0.08 Hz 之內。為建立全腦網絡，使用 Brodmann 腦區圖集以及自動解剖標記（automatic anatominal label，AAL）腦區圖集中的小腦部分劃分得到腦區分布。使用信號的平均值作為該腦區節點的信號強度，即建立腦區間的全腦網絡。此外，在腦區內部，設每個體素為網絡節點，用每個體素的信號強度做時間相關，從而建立內腦區內體素級的局部網絡，即建立多尺度腦網絡[4]。
③ 圖論屬性計算。本研究使用基于 Matlab 的 Brain Connectivity Toolbox（BCT）工具包，計算四個圖論屬性來反映全腦腦區間的連接功能[6]，包括：介數中間性（betweenness centrality，BC），是衡量一個網絡節點的在網絡中的影響程度，其值越高則該節點在這個網絡中越為重要。聚集系數，是指一個節點附近的聯絡集聚程度，用于衡量其附近所有節點形成一個簇的趨勢。局部效率（local efficiency，LE），是指某節點至所有給定節點的反向最短路徑的平均和，其量化了網絡傳輸信息的難易程度。加權度（weighted degree，WD），是指該節點在該網絡中的連接強度的總和。
1.3 統計學方法
采用 SPSS 21.0 軟件進行統計學分析。定量資料采用均數±標準差表示，定性資料（性別、學歷）采用例數和/或構成比表示。對兩組患者年齡進行組間獨立樣本 t 檢驗，對兩組患者性別構成比進行 χ2 檢驗，對兩組患者學歷進行秩和檢驗。對患者康復治療前后的 ASIA 下肢運動評分、ASIA 感覺評分、VAS 評分、最大痙攣肌群 MAS 分級、WISCI 分級、SCIM 評分進行配對 t 檢驗（非正態分布數據采用配對樣本秩和檢驗）。此外分別對 ISCI 患者康復治療前與正常受試者、ISCI 患者康復治療后與正常受試者，ISCI 患者康復治療前后的全腦圖論屬性進行組間獨立樣本 t 檢驗，找到差異有統計學意義的腦區。雙側檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 ISCI 患者和正常受試者人口統計學資料
共納入 23 例亞急性 ISCI 患者。其中，男 13 例（56.5%），女 10 例（43.5%）；平均年齡（44.22±18.46）歲；高中及以下學歷 12 例（52.2%），大學本科、專科學歷 8 例（34.8%），研究生學歷 3 例（13.0%）；病程為（2.03±0.92）個月，其中 AIS D 級 12 例（52.2%）、AIS C 級 11 例（47.8%）；頸段損傷 9 例（39.1%），胸段損傷 14 例（60.9%）。
共納入 22 名正常受試者。其中，男 10 例（45.5%），女 12 例（54.5%），平均年齡（42.41 ± 13.85）歲；高中及以下學歷 11 例（50.0%），大學本科、專科學歷 9 例（40.9%），研究生學歷 2 例（9.1%）。
兩組人群的年齡（t=0.370，P=0.713）、性別（χ2=0.551，P=0.458）、學歷（U=253，P>0.99）比較，差異均無統計學意義，具有可比性。
2.2 ISCI 患者治療前后臨床評估結果
ISCI 患者康復治療后 ASIA 下肢運動評分、ASIA 感覺評分、WISCI 分級、SCIM 評分升高，而 VAS 評分下降（P<0.05）；MAS 分級治療前后比較，差異無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
康復治療前后患者功能評估相關得分（n=23，
，分）
2.3 rs-fMRI 圖論屬性變化結果
2.3.1 ISCI 患者治療前與正常受試者圖論屬性比較
與正常受試者相比，ISCI 患者治療前，其 R38 腦區 BC 下降；L21、L22、L39、L41、L42、L44、L48、R22、R39 腦區 LE 下降，L22、L39、L41、L44、L48、R22、R39 腦區 WD 下降。見表 2 及圖 1。
表2
ISCI 患者治療前與正常受試者相比存在圖論屬性變化之腦區
圖1
ISCI 患者治療前與正常受試者相比圖論屬性有差異的腦區
a. 右腦顳極區（R38 區）BC 下降；b. 左腦顳中回（L21）、顳上回（L22）、角回（L39）、初級聽覺皮質（L41）、聽覺聯合皮質（L42）、Broca 區（L44）、下腳后回（L48）以及右腦顳上回（R22）、角回（R39）LE 下降；c. 左腦顳上回（L22）、角回（L39）、初級聽覺皮質（L41）、Broca 區（L44）、下腳后回（L48）以及右腦顳上回（R22）、角回（R39）WD 下降。L：左腦，R：右腦；藍點表示 BC、LE 或 WD 下降
2.3.2 ISCI 患者治療后與正常受試者圖論屬性比較
與正常受試者相比，ISCI 患者治療后，其 R5、R6、R7、AL111、AR112 腦區 BC 升高，R6、AR94 腦區聚集系數升高。見表 3 及圖 2。
表3
ISCI 患者治療后與正常受試者相比發生圖論屬性變化之腦區
圖2
ISCI 患者治療后與正常受試者比較圖論屬性有差異的腦區
a. 右腦體感聯合皮質（R5、R7）、右腦前運動皮質（R6）、左小腦蚓部Ⅳ-Ⅴ區（AL111）、右小腦蚓部Ⅵ區（AR112）BC 升高；b.右腦前運動皮質（R6）及右小腦腳Ⅱ區（AR94）聚集系數升高。R：右腦；紅點表示 BC、聚集系數升高
2.3.3 ISCI 患者治療前、后圖論屬性比較
ISCI 患者治療后，較治療前其 L21、L22 腦區 LE 及 WD 升高。見表 4、圖 3。
表4
ISCI 患者治療前、后發生圖論屬性變化之腦區（n=23， 
）
圖3
康復治療前、后比較圖論屬性有差異的腦區
左腦顳中回（L21）、顳上回（L22）LE 及 WD 升高；L：左腦；紅點表示 LE 及 WD 升高
3 討論
Liu 等[7]已報道無顱腦損傷的 ISCI 患者可表現出與相關肢體功能障礙相對應的腦適應性變化，但是目前關注康復干預后全腦功能變化的研究仍屈指可數。因此，本研究首次通過圖論屬性分析方法，利用 rs-fMRI 初步探討 ISCI 患者功能改善后其腦功能連接相關變化，為脊髓損傷康復治療相關腦功能重塑這一前沿觀點提供理論依據。最近，在健康人群和患病人群的腦功能評估研究中，已證實了圖論屬性法的實用性，該理論將大腦建模為一個由節點和邊組成的網絡，在該網絡中，節點代表諸如大腦區域的解剖元素，而邊代表節點之間的關系，如功能連接性。經過腦網絡建模后，各種圖論屬性指標可以揭示腦網絡的組織機制[8-10]。基于圖論屬性的腦網絡研究方法，其優勢在于除了將大腦所有元素之間整體連接模式可視化之外，還可以定量地描述全腦的全局組織特征。此外，該方法還對大腦結構與功能之間的關系提供了重要的研究框架[11-12]。有研究的前期研究結果表明，圖論屬性方法在進行腦電圖分析方面是一種非常有用的方法，可用來獲取脊髓損傷患者其腦功能連接模式中的一些全局和局部特征，并發現脊髓損傷會影響皮質網絡的功能架構，其主要體現在全局特征上發生變化[13]。而 Min 等[14]通過圖論屬性方法發現，脊髓損傷患者保留了有效的大腦控制能力。
本研究結果提示，ISCI 患者某些在運動功能中非常規活動的大腦區域（如 L21、L44 區）在 LE 等圖論屬性表現有所下降，這些區域主要代表聽覺中樞。而 Zhu 等[3]利用 BOLD-fMRI 技術通過局部一致性（regional homogeneity，ReHo）也發現右側額下回、雙側扣帶回前部及雙側尾狀核 ReHo 值也出現減低，本研究結果與其相似。這提示脊髓損傷后全腦網絡內部分腦區節點之間替代路徑可能出現減少，也表示相關腦區之間的連接性渠道因脊髓損傷而遭到破壞，其機制可能與脊髓損傷后全腦網絡整體特征受到影響，部分區域由于腦可塑性發生腦功能重組有關。
本研究發現，對 ISCI 患者進行康復干預，患者臨床相關功能評估均明顯改善，且康復干預后 ISCI 患者與正常受試者相比，體感聯合皮質（如 R5、R7 區）和前運動皮質（R6 區）BC 顯著升高，前運動皮質 R6 區聚集系數也顯著升高，提示感覺運動皮質參與了康復訓練的腦功能重塑，這與 Nishimura 等[15]的研究結果相似，他們也發現在功能恢復過程中，大腦 M1 區、腹側紋狀體及伏隔核等神經聯系的功能網絡有所增強。另外，我們注意到錐體外束某些腦區，如 AL111、AR112 等小腦區域的 BC 等圖論屬性在康復治療后發生改變。一項前期的研究表明，小腦回路會因脊髓損傷而發生顯著變化，從而影響脊髓小腦上行通路信號傳導[16]。小腦的功能主要為接收皮質輸入后，輸出相關運動執行信號來改善自主運動的動作；另外，長期以來小腦也一直被認為是感覺-運動系統的關鍵部分。此外，也有研究證實雙側小腦蚓部參與運動學習的過程，并可在腦功能重塑中與 M1 區共激活[17]。同時，也有利用 fMRI 技術的相關文獻報道，小腦在進行言語功能記憶及打響指任務時被激活[18]。因此，我們推測小腦相關腦區的圖論屬性變化可能與運動調節能力提高有關，椎體外系腦區在運動訓練過程中發生重塑，其腦網絡節點重要性提高。
除此以外，不完全脊髓損傷后出現圖論屬性下降的聽覺中樞，康復干預后，其在整個腦網絡中的信息傳遞能力（如信息匯聚及信息傳導速度）得到了改善，提示相關聽覺中樞在康復干預后這些相關腦區在全腦網絡內重獲與其他腦區節點的廣泛連接。據報道，聽覺中樞相關腦區可影響身體的不同功能，通常是與情感或語言處理相關[19]。但是近年相關文獻也已發現，聽覺中樞在感知、運動控制、自我意識、認知功能，甚至人際關系經驗中發揮作用[20]。在以往功能磁共振成像研究中曾觀察到隨著運動功能恢復，聽覺中樞相關腦區有所激活，如多發性硬化患者雙側顳回相關腦區在其進行任務指向性的活動時會被激活[7]。也有研究發現，視神經脊髓炎患者其左顳下回腦區 fMRI-BOLD 信號的低頻波動性隨著病情好轉而增加[21]。此外，Wegner 等[21]研究發現，肥胖兒童進行不同類型的體能訓練后，雙側顳下回區域的白質體積增加；更發現訓練后肥胖兒童的運動功能提高程度雙側顳上回、緣上回的白質體積的增加量有相關性。皆與本研究康復治療后相關聽覺中樞相關腦區的圖論屬性變化相一致，從而說明聽覺中樞相關腦區在運動訓練過程中神經信號傳導能力增強，可能是脊髓損傷后腦功能重塑的重要環節。
綜上所述，我們認為基于圖論屬性的全腦網絡功能分析可敏感反映 ISCI 患者腦網絡重塑變化，脊髓損傷可引起聽覺中樞相關腦區的圖論屬性下降，康復治療后感覺運動皮質、聽覺中樞及椎體外系相關腦區在全腦網絡中信息傳遞能力提高，提示康復訓練可能通過激活感覺運動中樞和非運動中樞相關腦區參與腦功能重塑。
本研究的局限性：首先，基于臨床研究倫理要求，我們沒有納入未經康復治療的 ISCI 患者與經過康復治療的 ISCI 患者進行比較研究，不能除外脊髓損后自然病程對腦功能重塑的影響。其次，此項研究納入亞急性期患者，未納入急性期和慢性期患者，且缺少長時間隨訪數據，今后研究將觀察不同病程患者并進行隨訪觀察，以全面挖掘脊髓損傷患者康復治療的腦功能重塑機制。第三，本次研究中納入的 ISCI 患者發病原因包括外傷和腫瘤壓迫等不同病因，外傷性病因與髓內脊髓腫瘤患者的恢復模式可能存在差異，因此在后期研究中可針對單一病因進行研究與分析，以避免研究偏倚。
脊髓損傷會導致神經沖動的信號傳遞受到破壞，從而可以部分或完全離斷脊髓與大腦的連接并改變整個神經回路的功能[1]。神經和腦功能成像方面的技術進展使得研究脊髓損傷后人腦的功能連接性變化成為可能，神經影像學可揭示遠端中樞神經系統損傷后大腦功能連接的改變，其中靜息態功能磁共振掃描成像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）已用于評估各類神經系統疾患后腦內的連接性變化[2]。rs-fMRI 根據顱內血氧水平依賴性（blood oxygen level dependent，BOLD）信號的低頻波動評估內源性或自發性大腦活動，從而發現某些潛在連接體系的變化，這些變化可能與臨床表現相關。與腦卒中和顱腦外傷等引起大腦皮質損傷的神經系統疾患不同，脊髓損傷后其大腦結構仍保持完整，但既往研究已發現，脊髓損傷患者往往合并脊髓萎縮，且其大腦感覺-運動皮質也會出現皮質萎縮和重組現象，而這種脊髓損傷水平以上的神經功能變化也是預測傷后功能恢復的重要因素[3]。我們前期的研究也發現，與健康人群相比，不完全性脊髓損傷（incomplete spinal cord injury，ISCI）患者半球間或半球內內源性運動皮質的功能連接性降低，但灰質體積無明顯變化[4]。然而，目前尚無研究基于圖論屬性分析的方法，利用 rs-fMRI 技術研究脊髓損傷患者在康復治療后大腦各區域的信息處理能力。因此，本研究通過基于圖論屬性的方法分析 rs-fMRI 數據，明確全腦內各元素，即腦區相關信息傳遞能力的變化，從而探討脊髓損傷后全腦網絡的功能重組模式。現報告如下。
1 資料與方法
1.1 研究對象
納入 2017 年 1 月—2020 年 6 月入住北京清華長庚醫院康復醫學科的 ISCI 患者，并選擇同時期招募的年齡、性別和教育程度相匹配的右利手正常受試者。
ISCI 患者納入標準（全部滿足）：年齡 18～70 歲；男性或非懷孕、哺乳期女性；發病后 1～3 個月內（亞急性期）；根據美國脊柱損傷協會（American Spinal Injury Association，ASIA）神經功能學分類標準[5]，評級為運動 ISCI 患者，即 AISC 級及 AIS D 級患者；手術切口已拆線、愈合，術區無明顯感染；心肺功能良好，有足夠體力完成試驗。排除標準（滿足其一）：① 除脊髓損傷外還存在其他嚴重神經損傷病史（腦卒中、周圍神經損傷史）；② 有嚴重的意識障礙，或存在影響試驗的精神、認知問題，心肺功能不全，患有不穩定型心絞痛、嚴重心律失常等心臟疾病或嚴重慢性阻塞性肺疾病；③ 存在影響研究的并發癥（泌尿系統感染、下肢深靜脈血栓形成等）；④ 脊柱不穩或下肢、骨盆未痊愈的骨折；⑤ 存在磁共振檢查禁忌證（如體內植入心臟起搏器及其他非耐磁類金屬、合并幽閉恐懼癥、噪音不耐受等）。
正常受試者納入標準（全部滿足）：年齡 18～70 歲；男性或非懷孕、哺乳期女性；心肺功能良好，無影響試驗的急、慢性疾病及神經系統損傷病史。排除標準（滿足其一）：存在影響試驗的精神、心理問題；存在磁共振檢查禁忌證（如合并幽閉恐懼癥、噪音不耐受等）。
本研究于中國臨床試驗注冊中心完成注冊，注冊號為 ChiCTR-ROC-17013566，患者與健康受試者參與本研究前均已簽署知情同意書。
1.2 研究方法
1.2.1 研究過程
ISCI 患者進行為期 2 周康復干預，每周治療 5 d。治療項目包括運動療法，2 次/d，30 min/次；雙下肢功能性電刺激踏車，1 次/d，20 min/次；步行訓練，1 次/d，20 min/次。
所有患者入院時和康復治療結束后均由 2 名經驗豐富的醫生進行全面的臨床評估，包括：使用 ASIA 神經功能分類學標準量表計算運動、感覺評分；通過視覺模擬量表（Visual Analogue Scale，VAS）定量評估病理性神經痛癥狀；使用改良 Ashworth 量表（Modified Ashworth Scale，MAS）評估痙攣癥狀，取 MAS 分級最高之痙攣肌群；通過脊髓損傷步行指數（Walking Index for Spinal Cord Injury，WISCI）評估步行功能；通過脊髓損傷獨立性評估（Spinal Cord Independence Measure，SCIM）量表對患者日常生活活動能力進行評估。
1.2.2 rs-fMRI 數據掃描和處理
① rs-fMRI 掃描及掃描參數。對正常受試者及 ISCI 患者康復治療前后分別進行頭顱 rs-fMRI 掃描，所有數據均使用北京清華長庚醫院的 GE 3.0T 磁共振掃描儀（型號：DISCOVERY MR750，美國通用電氣公司）獲取。使用“ Ax-BOLD-rest”系列軟件通過以下參數獲取 rs-fMRI 的 BOLD 數據：重復時間（repetition time，TR）=2 000 ms，回波時間（echo time，TE）=30 ms，翻轉角（flip angle，FA）=90°，像素間距=3.5 mm，切片厚度=3.5 mm，切片之間的間距=4 mm，采集矩陣=［64，0，0，64］等效于面內分辨率=64×64，重建直徑=224 mm，得到 34 個軸向切片和 240 個時間位置。使用 “Sag 3D T1BRAVO”系列軟件掃描 T1 加權圖像（T1），掃描參數如下：TR=8.21 ms，TE =3.18 ms，FA=8°，體素間距=1 mm，切片之間的間距=1 mm，采集矩陣=［0，256，256，0］，得到 256 個軸向切片和 256 個冠狀切片。矢狀切面數目取決于每個受試者的頭部大小，范圍為 156～174 mm。重建直徑為 256 mm。
② rs-fMRI 數據處理。使用 DPARSFA（3.2 版，http://rfmri.org/DPARSF）預處理 fMRI 數據。首先丟棄前 10 個時間點，然后進行切片時間校正和頭部運動校正。后進行空間標準化，即使用 3 mm 各向同性體素重采樣將數據歸一化到蒙特利爾神經科學學院（Montreal Neurological Institute，MNI）空間。在 MNI 空間中使用服從正態分布的高斯濾波器進行平滑。去除時間序列和有害協變量的線性趨勢，包括運動參數、白質、腦脊液和全腦信號。最后，對數據進行時間濾波，以使信號保持在 0.01～0.08 Hz 之內。為建立全腦網絡，使用 Brodmann 腦區圖集以及自動解剖標記（automatic anatominal label，AAL）腦區圖集中的小腦部分劃分得到腦區分布。使用信號的平均值作為該腦區節點的信號強度，即建立腦區間的全腦網絡。此外，在腦區內部，設每個體素為網絡節點，用每個體素的信號強度做時間相關，從而建立內腦區內體素級的局部網絡，即建立多尺度腦網絡[4]。
③ 圖論屬性計算。本研究使用基于 Matlab 的 Brain Connectivity Toolbox（BCT）工具包，計算四個圖論屬性來反映全腦腦區間的連接功能[6]，包括：介數中間性（betweenness centrality，BC），是衡量一個網絡節點的在網絡中的影響程度，其值越高則該節點在這個網絡中越為重要。聚集系數，是指一個節點附近的聯絡集聚程度，用于衡量其附近所有節點形成一個簇的趨勢。局部效率（local efficiency，LE），是指某節點至所有給定節點的反向最短路徑的平均和，其量化了網絡傳輸信息的難易程度。加權度（weighted degree，WD），是指該節點在該網絡中的連接強度的總和。
1.3 統計學方法
采用 SPSS 21.0 軟件進行統計學分析。定量資料采用均數±標準差表示，定性資料（性別、學歷）采用例數和/或構成比表示。對兩組患者年齡進行組間獨立樣本 t 檢驗，對兩組患者性別構成比進行 χ2 檢驗，對兩組患者學歷進行秩和檢驗。對患者康復治療前后的 ASIA 下肢運動評分、ASIA 感覺評分、VAS 評分、最大痙攣肌群 MAS 分級、WISCI 分級、SCIM 評分進行配對 t 檢驗（非正態分布數據采用配對樣本秩和檢驗）。此外分別對 ISCI 患者康復治療前與正常受試者、ISCI 患者康復治療后與正常受試者，ISCI 患者康復治療前后的全腦圖論屬性進行組間獨立樣本 t 檢驗，找到差異有統計學意義的腦區。雙側檢驗水準 α=0.05。
2 結果
2.1 ISCI 患者和正常受試者人口統計學資料
共納入 23 例亞急性 ISCI 患者。其中，男 13 例（56.5%），女 10 例（43.5%）；平均年齡（44.22±18.46）歲；高中及以下學歷 12 例（52.2%），大學本科、專科學歷 8 例（34.8%），研究生學歷 3 例（13.0%）；病程為（2.03±0.92）個月，其中 AIS D 級 12 例（52.2%）、AIS C 級 11 例（47.8%）；頸段損傷 9 例（39.1%），胸段損傷 14 例（60.9%）。
共納入 22 名正常受試者。其中，男 10 例（45.5%），女 12 例（54.5%），平均年齡（42.41 ± 13.85）歲；高中及以下學歷 11 例（50.0%），大學本科、專科學歷 9 例（40.9%），研究生學歷 2 例（9.1%）。
兩組人群的年齡（t=0.370，P=0.713）、性別（χ2=0.551，P=0.458）、學歷（U=253，P>0.99）比較，差異均無統計學意義，具有可比性。
2.2 ISCI 患者治療前后臨床評估結果
ISCI 患者康復治療后 ASIA 下肢運動評分、ASIA 感覺評分、WISCI 分級、SCIM 評分升高，而 VAS 評分下降（P<0.05）；MAS 分級治療前后比較，差異無統計學意義（P>0.05）。見表 1。
表1
康復治療前后患者功能評估相關得分（n=23，，分）
2.3 rs-fMRI 圖論屬性變化結果
2.3.1 ISCI 患者治療前與正常受試者圖論屬性比較
與正常受試者相比，ISCI 患者治療前，其 R38 腦區 BC 下降；L21、L22、L39、L41、L42、L44、L48、R22、R39 腦區 LE 下降，L22、L39、L41、L44、L48、R22、R39 腦區 WD 下降。見表 2 及圖 1。
表2
ISCI 患者治療前與正常受試者相比存在圖論屬性變化之腦區
圖1
ISCI 患者治療前與正常受試者相比圖論屬性有差異的腦區
a. 右腦顳極區（R38 區）BC 下降；b. 左腦顳中回（L21）、顳上回（L22）、角回（L39）、初級聽覺皮質（L41）、聽覺聯合皮質（L42）、Broca 區（L44）、下腳后回（L48）以及右腦顳上回（R22）、角回（R39）LE 下降；c. 左腦顳上回（L22）、角回（L39）、初級聽覺皮質（L41）、Broca 區（L44）、下腳后回（L48）以及右腦顳上回（R22）、角回（R39）WD 下降。L：左腦，R：右腦；藍點表示 BC、LE 或 WD 下降
2.3.2 ISCI 患者治療后與正常受試者圖論屬性比較
與正常受試者相比，ISCI 患者治療后，其 R5、R6、R7、AL111、AR112 腦區 BC 升高，R6、AR94 腦區聚集系數升高。見表 3 及圖 2。
表3
ISCI 患者治療后與正常受試者相比發生圖論屬性變化之腦區
圖2
ISCI 患者治療后與正常受試者比較圖論屬性有差異的腦區
a. 右腦體感聯合皮質（R5、R7）、右腦前運動皮質（R6）、左小腦蚓部Ⅳ-Ⅴ區（AL111）、右小腦蚓部Ⅵ區（AR112）BC 升高；b.右腦前運動皮質（R6）及右小腦腳Ⅱ區（AR94）聚集系數升高。R：右腦；紅點表示 BC、聚集系數升高
2.3.3 ISCI 患者治療前、后圖論屬性比較
ISCI 患者治療后，較治療前其 L21、L22 腦區 LE 及 WD 升高。見表 4、圖 3。
表4
ISCI 患者治療前、后發生圖論屬性變化之腦區（n=23， ）
圖3
康復治療前、后比較圖論屬性有差異的腦區
左腦顳中回（L21）、顳上回（L22）LE 及 WD 升高；L：左腦；紅點表示 LE 及 WD 升高
3 討論
Liu 等[7]已報道無顱腦損傷的 ISCI 患者可表現出與相關肢體功能障礙相對應的腦適應性變化，但是目前關注康復干預后全腦功能變化的研究仍屈指可數。因此，本研究首次通過圖論屬性分析方法，利用 rs-fMRI 初步探討 ISCI 患者功能改善后其腦功能連接相關變化，為脊髓損傷康復治療相關腦功能重塑這一前沿觀點提供理論依據。最近，在健康人群和患病人群的腦功能評估研究中，已證實了圖論屬性法的實用性，該理論將大腦建模為一個由節點和邊組成的網絡，在該網絡中，節點代表諸如大腦區域的解剖元素，而邊代表節點之間的關系，如功能連接性。經過腦網絡建模后，各種圖論屬性指標可以揭示腦網絡的組織機制[8-10]。基于圖論屬性的腦網絡研究方法，其優勢在于除了將大腦所有元素之間整體連接模式可視化之外，還可以定量地描述全腦的全局組織特征。此外，該方法還對大腦結構與功能之間的關系提供了重要的研究框架[11-12]。有研究的前期研究結果表明，圖論屬性方法在進行腦電圖分析方面是一種非常有用的方法，可用來獲取脊髓損傷患者其腦功能連接模式中的一些全局和局部特征，并發現脊髓損傷會影響皮質網絡的功能架構，其主要體現在全局特征上發生變化[13]。而 Min 等[14]通過圖論屬性方法發現，脊髓損傷患者保留了有效的大腦控制能力。
本研究結果提示，ISCI 患者某些在運動功能中非常規活動的大腦區域（如 L21、L44 區）在 LE 等圖論屬性表現有所下降，這些區域主要代表聽覺中樞。而 Zhu 等[3]利用 BOLD-fMRI 技術通過局部一致性（regional homogeneity，ReHo）也發現右側額下回、雙側扣帶回前部及雙側尾狀核 ReHo 值也出現減低，本研究結果與其相似。這提示脊髓損傷后全腦網絡內部分腦區節點之間替代路徑可能出現減少，也表示相關腦區之間的連接性渠道因脊髓損傷而遭到破壞，其機制可能與脊髓損傷后全腦網絡整體特征受到影響，部分區域由于腦可塑性發生腦功能重組有關。
本研究發現，對 ISCI 患者進行康復干預，患者臨床相關功能評估均明顯改善，且康復干預后 ISCI 患者與正常受試者相比，體感聯合皮質（如 R5、R7 區）和前運動皮質（R6 區）BC 顯著升高，前運動皮質 R6 區聚集系數也顯著升高，提示感覺運動皮質參與了康復訓練的腦功能重塑，這與 Nishimura 等[15]的研究結果相似，他們也發現在功能恢復過程中，大腦 M1 區、腹側紋狀體及伏隔核等神經聯系的功能網絡有所增強。另外，我們注意到錐體外束某些腦區，如 AL111、AR112 等小腦區域的 BC 等圖論屬性在康復治療后發生改變。一項前期的研究表明，小腦回路會因脊髓損傷而發生顯著變化，從而影響脊髓小腦上行通路信號傳導[16]。小腦的功能主要為接收皮質輸入后，輸出相關運動執行信號來改善自主運動的動作；另外，長期以來小腦也一直被認為是感覺-運動系統的關鍵部分。此外，也有研究證實雙側小腦蚓部參與運動學習的過程，并可在腦功能重塑中與 M1 區共激活[17]。同時，也有利用 fMRI 技術的相關文獻報道，小腦在進行言語功能記憶及打響指任務時被激活[18]。因此，我們推測小腦相關腦區的圖論屬性變化可能與運動調節能力提高有關，椎體外系腦區在運動訓練過程中發生重塑，其腦網絡節點重要性提高。
除此以外，不完全脊髓損傷后出現圖論屬性下降的聽覺中樞，康復干預后，其在整個腦網絡中的信息傳遞能力（如信息匯聚及信息傳導速度）得到了改善，提示相關聽覺中樞在康復干預后這些相關腦區在全腦網絡內重獲與其他腦區節點的廣泛連接。據報道，聽覺中樞相關腦區可影響身體的不同功能，通常是與情感或語言處理相關[19]。但是近年相關文獻也已發現，聽覺中樞在感知、運動控制、自我意識、認知功能，甚至人際關系經驗中發揮作用[20]。在以往功能磁共振成像研究中曾觀察到隨著運動功能恢復，聽覺中樞相關腦區有所激活，如多發性硬化患者雙側顳回相關腦區在其進行任務指向性的活動時會被激活[7]。也有研究發現，視神經脊髓炎患者其左顳下回腦區 fMRI-BOLD 信號的低頻波動性隨著病情好轉而增加[21]。此外，Wegner 等[21]研究發現，肥胖兒童進行不同類型的體能訓練后，雙側顳下回區域的白質體積增加；更發現訓練后肥胖兒童的運動功能提高程度雙側顳上回、緣上回的白質體積的增加量有相關性。皆與本研究康復治療后相關聽覺中樞相關腦區的圖論屬性變化相一致，從而說明聽覺中樞相關腦區在運動訓練過程中神經信號傳導能力增強，可能是脊髓損傷后腦功能重塑的重要環節。
綜上所述，我們認為基于圖論屬性的全腦網絡功能分析可敏感反映 ISCI 患者腦網絡重塑變化，脊髓損傷可引起聽覺中樞相關腦區的圖論屬性下降，康復治療后感覺運動皮質、聽覺中樞及椎體外系相關腦區在全腦網絡中信息傳遞能力提高，提示康復訓練可能通過激活感覺運動中樞和非運動中樞相關腦區參與腦功能重塑。
本研究的局限性：首先，基于臨床研究倫理要求，我們沒有納入未經康復治療的 ISCI 患者與經過康復治療的 ISCI 患者進行比較研究，不能除外脊髓損后自然病程對腦功能重塑的影響。其次，此項研究納入亞急性期患者，未納入急性期和慢性期患者，且缺少長時間隨訪數據，今后研究將觀察不同病程患者并進行隨訪觀察，以全面挖掘脊髓損傷患者康復治療的腦功能重塑機制。第三，本次研究中納入的 ISCI 患者發病原因包括外傷和腫瘤壓迫等不同病因，外傷性病因與髓內脊髓腫瘤患者的恢復模式可能存在差異，因此在后期研究中可針對單一病因進行研究與分析，以避免研究偏倚。
