研究背景和目的人脑的重塑性是人对环境适应能力的体现。20世纪40年代,唐纳德·海布就提出了突触重塑性的一个理论机制,认为突触前细胞对突触后细胞的反复和持续的刺激是突触效能改变的原因。通过将动物解剖得到的脑网络结构与人脑fMRI和DTI全脑解剖网络进行对比,已经证明脑网络具有模块化结构的属性。拓扑上将模块定义为高度互连节点的子集,其相对稀疏地连接到其他模块中的节点。大脑网络在拓扑尺度上展示了分层模块化的特性:在每个模块又分为一组子模块,并且在每个子模块内又可分子子模块。目前虽精确划分脑的分层模块结构的方法,效果还不理想。但可以确定的是:拓扑模块通常由解剖学上相邻和/或功能相关的皮层区域组成;网络层级越高,对应的物理尺度越大。已有文献报道,在人类截肢患者的运动和感觉脑区中,存在广泛的脑重塑现象。可以通过静息态fMRI的手段,可以观察到截肢后患者不同物理尺度的相关指标改变,进而间接反映脑重塑发生的大脑网络层级。并探索相关改变的影像标记,作为进一步研究的监测指标。通过运用ALFF(amplitude of low frequency fluctuation,低频振荡幅度)、fALFF(fractional amplitude of low frequency fluctuation,分数低频振荡幅度)、ReHo(regional homogeneity,局部一致性)、DC(Degree centrality,度中心性)、VMHC(voxel-mirrored homotopic connectivity,体素镜像同源连接)等指标,从单个体素水平神经元群的自发活动,多个体素水平局部神经网络功能、双侧大脑半球同源脑区神经活动等不同物理尺度,来研究截肢后大脑的改变。并通过对DTI技术对胼胝体的改变进行研究,了解胼胝体作为连接双侧大脑半球的白质结构,在截肢后大脑重塑中的改变。基于此,本研究提出假说:(1)在截肢后,相应脑区的神经活动频率会发生改变;(2)截肢后,会出现脑区局部一致性和度中心度的改变;(3)截肢后,双侧大脑半球的同源连接会发生改变;(4)特定胼胝体亚区参与到下肢截肢后的脑重塑过程;(5)通过这些特定亚区的脑白质纤维束也将受到影响。材料和方法第一部分、入组了十二名成年单侧下肢截肢患者和对应的正常对照患者,采集他们的静息态功能磁共振图像和高分辨率T1结构图像。使用SPM8软件包、DPABI软件包计算两组的ALFF和fALFF图像,进行组内比较研究脑区自发活动模式;第二部分、采用第一部分的MRI数据,计算两组的ReHo和DC图像。两组间进行比较,了解截肢组与正常对照组在局部神经网络功能上有无变化。第三部分、招募了三十七名成年单侧下肢截肢患者和人口分布对应的正常对照,截肢患者扫描时,截肢时间从14个月到587个月。将截肢组分为左下肢截肢组、右下肢截肢组、正常对照组。采集静息态功能磁共振图像和高分辨率T1结构图像。使用软件包分别计算三组的VMHC图像。左右下肢截肢组间比较了解同源脑区活动模式的变化,将左下肢组与正常对照组进行组间比较,了解左下肢截肢组与正常对照组间神经自发活动有无差异。计算左下肢截肢组平均VMHC改变,将VMHC值与截肢时间进行相关,了解两者有无相关性。第四部分、招募了三十七名成年单侧下肢截肢患者和人口分布对应的正常对照,采集高分辨率T1结构相数据及DTI数据。使用C8工具包在T1结构相数据上测量胼胝体每个亚区的厚度、面积等形态学指标。使用FSL工具包对DTI数据进行处理。使用弥散张量分析工具包(diffusion tensor analysis toolkit,FDT)计算生成每个胼胝体亚区的弥散参数图像。使用FSL的PDT工具生成连接相关区域的神经纤维束,并提取每个个体纤维束的DTI参数(FA,AD,RD和MD)平均值。比较截肢者与正常对照之间每个亚区的多模态测量值的差异,最后,使用进行过年龄和性别修正后的斯皮尔曼(Spearman)相关分析来探讨所有患者的临床变量(截肢时间和幻肢痛水平)与测量之间的关系。结果1、ALFF在脑池区域有较多噪音信号干扰,fALFF能有效的降低脑池区域非脑电活动的生理信号对ALFF结果的影响,ALFF与fALFF结果一致表现为在后扣带回、楔前叶、前额叶、顶下小叶等区域的活动性增高。将两组病人ALFF图像和fALFF图像进行独立样本t检验后,未发现有显著差异的脑区。2、ReHo和DC活动模式跟fALFF结果一致,表现为在后扣带回、楔前叶、前额叶、顶下小叶等区域的活动性增高,将两组病人的ReHo图像和DC图像进行独立样本t检验后,未发现有显著差异的脑区。3、左下肢截肢组与右下肢截肢组VMHC图进行独立样本t检验后,两者之间没有显著性差异。左下肢截肢组与正常对照组之间,在双侧舌回,楔前叶、楔叶、距状皮层、顶上回、枕上回、枕中回、枕下回同步活动显著增加。结果经过了无阈值聚类增强置换多重比较校正。下肢截肢组平均VMHC值与截肢时间的Pearson相关性计算结果显示两者没有显著相关,p=0.874。4、截肢组和对照组间,每个胼胝体亚区的形态学测量结果没有统计学差异。截肢患者DTI分析显示在胼胝体II区的AD,RD和MD与健康对照组相比具有较大的测量值(校正后P<0.05)。与健康对照组相比,截肢组II区的呈FA降低趋势,但未通过多重比较校正(校正后p=0.07)。纤维束示踪成像分析结果显示,截肢者连接双侧BA6区域的神经纤维的平均FA值显著减小(p=0.008),AD,RD和MD值显著增大(P值均<0.001)。经过多重比较校正后,连接初级运动皮层和躯体感觉皮层的神经纤维,FA,AD,RD,MD这些值在两组被试中没有显著性差异。结论1、在使用假肢的截肢患者中,体素水平的神经团自发活动没有发生改变,脑重塑没有发生在单体素尺度这个脑网络层级。截肢患者在单体素尺度的神经网络活动与正常人一致。2、在使用假肢的截肢患者中,局部神经活动的一致性和局部神经网络的度中心性没有发生改变。脑重塑也没有发生在多体素尺度这个脑网络层级。在这个神经网络层级,截肢患者的局部神经网络功能与正常人是一致的,没有遭到破坏。3、左下肢截肢组与正常对照组之间,在双侧舌回,楔前叶、楔叶、距状裂周围皮层、顶上小叶、枕上回、枕中回、枕下回同步活动显著增加。分析这可能是由于截肢后大脑缺乏体感神经的信息反馈,在假肢使用中,更多的依赖视觉信息的修正,造成相关视觉及视觉整合区域同步活动增加。4、在截肢者胼胝体II亚区中发现FA值小于正常对照组同时AD,RD和MD大于正常对照组。纤维束示踪成像分析也检测到通过胼胝体II亚区的神经纤维存在类似改变,这些神经纤维束连接着双侧运动前区PMC和辅助运动区SMA。相比之下总面积或平均厚度的宏观形态学结构差异。这个与既往文献不同的发现,证明可以将胼胝体II亚区的DTI本征值作为一个敏感的影像标记进行康复相关监测。5、综合以上结果,截肢后脑网络的重塑,对低层级神经网络功能没有造成影响,脑重塑的改变是从脑网络高层往低层进行,更类似于一种适应训练的结果。而从文献报道来分析,出现ALFF、ReHo等较低网络层级的病变,往往逆转比较困难,推测可能脑重塑发生的网络层级与临床预后存在相应性,但需进一步研究证实。