0 引言

       视觉反馈训练（visual feedback training, VFT）是一种基于视觉信息来观察和调整自身行为以改善运动能力的训练方法，包括镜像视觉反馈（mirror visual feedback, MVF）、虚拟现实（virtual reality, VR）以及脑机接口等。它不仅用于运动员运动能力的提升^[1]，也广泛应用于各种运动功能障碍性疾病的康复治疗，如脑卒中、多发性硬化等^{[2, 3, 4, 5, 6]}，对患者的运动康复具有较好的疗效。脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）作为一种严重影响患者生活质量的运动功能障碍性疾病，其运动功能康复一直是临床关注的重要问题。目前已有多种VFT方法应用于SCI患者的康复训练，且取得了一定效果^{[7, 8]}，但各种VFT对运动功能康复的神经机制尚不清楚。近年来，功能MRI（functional MRI, fMRI）的发展为揭示VFT对运动功能障碍患者大脑运动皮层和网络连接变化的影响提供了有效手段。本文针对VFT促进SCI患者运动功能康复相关机制的fMRI研究进展作简要综述，以揭示其神经影像学机制，并为VFT应用于SCI患者的临床治疗提供理论基础。

1 VFT影响运动功能的可能机制

1.1 视觉-运动控制理论

       运动由复杂的定位、运动规划和运动执行组成，包括视觉、本体感觉和前庭系统在内的机体知觉系统对运动控制和重建起着重要作用^[9]。在复杂运动任务过程中，视觉能帮助辨识物体、空间定位以及提供自体状态信息^[10]，并通过神经系统前馈和反馈机制参与运动控制^[11]。此外，视觉信息与本体感觉（即由躯体产生的身体各部位相对位置和状态的感觉）的整合也在运动控制中起着重要作用^{[12, 13]}。TAKEOKA等^[14]对小鼠的研究显示，来自本体感觉传入纤维的体感反馈对于SCI后运动恢复至关重要。当脊髓受损时，躯体的本体感觉也受到损害，患者常感觉不到受累区域所支配的肢体存在，只能通过视觉信息得到肢体状态的反馈，因此其运动控制对视觉的依赖性大大增加^[15]。临床上许多本体感觉训练基于视觉反馈实施^{[9, 16]}，表明VFT可能通过促进患者本体感觉的重建间接促进其运动功能的康复。

1.2 镜像神经元理论及脑功能区重塑

       基于镜像神经元系统（mirror-neuron system, MNS）的基础研究为VFT影响运动功能的机制提供了一定的理论基础。人脑中的镜像神经元主要位于额下回后部（BA44）、前运动皮质（BA6）、顶下小叶（BA39，40）和顶内沟等部位，它们共同构成了MNS^{[17, 18]}。MNS在人类的观察、认知、模仿及学习能力中都发挥着重要作用。通过观察其他个体的动作影像或自己在镜子中的动作，MNS的不同组成部分通常按照枕叶皮层（视觉皮层）-颞叶-下顶叶-下额叶（Broca区）-运动皮层的顺序激活，且模仿时Broca区和运动皮层的信号明显增强^{[17, 18]}。神经生理学证据表明，运动皮层不仅可以在动作执行时被激活^[19]，对动作的观察、模仿及执行都能激活MNS，继而引起运动皮层的激活^{[20, 21]}。事实上，为了在观察他人时抑制不必要的自我运动回放，运动前神经元，尤其是控制脊髓运动回路的皮质脊髓细胞，在动作观察过程中经常被抑制，尽管初级运动皮层（M1区）神经元在观察期间是活跃的，但其活动更接近于拒绝运动而不是执行运动时的神经动力学^[22]。因此VFT激活MNS及M1区的关键可能在于动作观察后运动想象或尝试执行的过程^{[23, 24]}，一定频率和疗程的VFT可能因长期引起这种激活而促进相应脑功能区尤其是M1区的重塑，从而促进运动再学习，最终达到提升运动能力的效果。

1.3 视觉影响运动的主要神经通路

       视觉皮层与运动皮层的相关通路以及对运动功能影响的关系尚不清楚。目前认为：视觉皮层主要发出两条通路，其中从V1区到背侧枕顶皮层的通路与视觉刺激的空间位置和运动信息加工有关，即背侧视觉通路^[25]，该通路能将物体的空间信息传递到与运动相关的顶叶区域^{[26, 27]}。另一条视觉通路为腹侧视觉通路，主要表征了物体颜色、质地、形状及大小等外观特征。两种视觉与运动的皮层-皮层连接通路互相联系^[27]，共同影响大脑对目标物体的判断，其中大脑的顶内前沟可能支持这些特征的整合^[28]。此外，皮层下也存在视觉与运动通路连接（如皮质-脑桥-小脑通路），在视觉运动控制中发挥着重要作用^{[29, 30]}。因此，VFT可能通过作用于视觉与运动的皮层-皮层连接及皮层下连接通路引起运动功能改善。

2 VFT对运动功能康复影响的fMRI研究进展

       fMRI能客观反映脑区激活和脑网络连接状态^[31]，已广泛应用于各种运动功能障碍性疾病神经机制研究，并发现视觉系统与运动障碍之间存在潜在联系，为揭示VFT改善运动功能的神经机制提供了基础。例如，通过fMRI检测到帕金森病患者视觉系统广泛改变，包括视辐射连通性分布明显改变及视觉皮质体积减小等，且与运动障碍程度相关^[32]。目前研究表明，SCI患者大脑结构和功能改变不仅发生在原始感觉运动区，也发生在视觉相关的结构和功能区。如HAWASLI等^[33]发现，SCI患者视觉皮层与M1区和感觉顶叶皮层之间功能连通性（functional connectivity, FC）随时间推移下降。另有研究表明^[34]，急性不完全性颈髓损伤不仅会引起部分视觉相关区域结构改变，如海马及海马旁回灰质体积减少，还会导致视觉网络FC改变，如内侧视觉网络的网络内FC下降。而将急性不完全性颈髓损伤患者M1区各亚区分别作为种子点作FC分析时，发现M1区多个亚区（双侧A4hf、A4ul及A6cdl，左侧A4t）与视觉相关区域如舌回、梭状回及距状回的FC下降^[35]。上述研究为VFT促进运动功能康复提供了理论依据，即VFT可能通过改变视觉-运动皮层之间的某些连接通路及网络连接，反过来刺激运动皮层的重组，从而促进运动功能的改善。

2.1 视觉-运动控制的多感觉运动功能整合相关fMRI研究

       由于自我运动知觉涉及到来自视觉、前庭及本体感觉的多重信息，相关脑区之间的相互作用及多感觉运动功能整合对运动行为的控制和调节尤为重要，其中扣带沟、小脑和颞顶叶皮层区域发挥着核心作用^{[36, 37, 38, 39]}。全脑连通性和梯度分析表明，这些区域具有共同的神经递质基础，且与视觉等感觉区域和高级运动区之间有着模块化的功能连接，构成了自我运动网络的主体^[36]。BEER等^[37]让健康志愿者分别接受前庭和视觉运动线索的刺激，发现扣带沟视觉区和楔前叶运动区会选择性地响应自我运动信号。先前的研究^[38]报道了慢性SCI患者小脑蚓部等运动控制相关区域的FC显著下降，表明其多感觉整合能力有所下降，可能与损伤平面以下的感觉缺陷有关。当机体的某种感觉反馈（如本体感觉）缺失时，增加其他运动反馈信息如视觉反馈或许对整体的自我运动知觉和动作相关表征（动作识别、动作学习、运动意向）有一定的代偿作用^{[15, 16]}，这可能是VFT促进SCI后运动功能恢复的病理生理学基础，但仍需要更多相关研究进行补充。

2.2 VFT通过激活MNS引起感觉运动皮层的激活及重塑

       VFT过程中涉及对大量对运动动作的观察、模仿及执行，均可能引起MNS的激活。且VFT时激活的脑区与患者单独进行运动想象时激活的脑区存在一定程度重叠，两者相互作用，共同促进相关功能脑区的重塑^[40]。大脑功能区的短期重塑改变与其被暂时激活有关，而长期可塑性变化的基础是相关脑区的持续激活造成的相关神经生理变化，如轴突、树突、突触、胶质细胞和血管数量的增加，以及某些区域的神经回路再生和重建^[41]，感觉信息的持续反馈、任务特异性训练和人类脊髓回路最佳兴奋状态的整合在神经重塑中至关重要^[42]。目前已经在多项fMRI研究中观察到VFT激活MNS及感觉运动皮层并促进其重塑的相关迹象^{[40, 43, 44]}，尽管并未明确其详细中间过程。一项慢性脑卒中研究中，在fMRI扫描期间记录偏瘫患者未受影响手的实时运动，并用于驱动VR中的手部模型，从而激活受影响手的MVF，发现其能引起同侧感觉运动皮层内外区域的显著激活，与患者受影响手的意志控制区域相似^[40]。健康志愿者首次进行基于运动想象和视觉反馈的脑机接口训练后，短时间（一小时）内便能观察到其楔前叶和感觉运动区FC增强及任务诱发的血氧水平依赖（blood oxygen level dependent, BOLD）活动增加^[43]，与其在T1WI上信号增加的区域基本一致，其中楔前叶也被证明在视觉空间整合（如手眼协调）中发挥重要作用。目前有关VFT的fMRI研究在SCI报道仍相对较少。研究发现，完全性SCI患者分别进行大脚趾的运动尝试、运动想象以及接受视觉反馈下的大脚趾被动本体感觉刺激时，均能观察到涉及运动控制的皮层区域（即M1区、运动前区和补充运动区）激活，而接受无视觉反馈的大脚趾被动本体感觉刺激时则未观察到相同改变^[44]。这些研究在一定程度上证明，MVF可能通过一定的顺序激活MNS系统中的不同组成部分，最终激活感觉运动皮层，从而在运动康复中起到作用。由于不同类型的VFT可能会有其侧重的机制，如脑机接口更侧重于VFT后的运动想象而MVF更强调动作本身的反馈及模仿的过程，不同类型VFT应用于SCI后的疗效及机制还需未来更多的研究进行验证。

2.3 VFT引起视觉-运动相关脑区及脑网络改变

       大量fMRI研究发现，VFT能引起运动功能障碍患者视觉和运动相关脑区的激活及脑功能网络的变化^{[6, 43]}，主要表现为视觉网络与感觉运动网络之间FC增加，这种改变与患者运动功能改善有关，且有些区域已成为脑卒中患者康复的目标干预靶点^{[15, 45]}。但脑卒中及帕金森病等脑内疾病与SCI两者运动功能恢复的具体机制是否一致，目前仍不清楚。有研究证明，SCI患者的视觉皮层与感觉运动皮层之间的FC随时间逐渐下降^[33]，内侧视觉网络的网络内FC也降低^[34]。而先前CHOE等^[15]报道，完全性SCI患者感觉功能恢复很大程度上依赖于视觉反馈的引导，静息态fMRI随访显示其感觉运动和视觉网络之间FC增加。因此VFT引起SCI患者视觉-运动相关脑区及脑网络改变与其他疾病可能有类似之处，侧面反映了皮层-皮层连接通路在相关脑区交互中的作用。此外，在VR训练后的帕金森病患者中发现上肢运动功能的改善伴随着前额叶皮层的激活增强和FC的广泛增加，表明VFT对运动功能的改善可能与动作观察相关的额顶网络有关^[46]。SCI后患者长期无法成功执行运动指令可能导致动作观察及执行相关脑区的失用性萎缩或重塑，部分患者表现出运动指令和感觉反馈相关的缺陷^[47]，VFT带来的获益或许与额顶网络对这些缺陷脑区的补偿性调节有关。与正常人相比，SCI患者从运动错误中学习的能力减低，结构MRI发现这种能力的降低与小脑感觉运动区的体积减小有关^[47]，另一项适应性视觉运动学习的fMRI研究中也观察到小脑第Ⅵ小叶的激活^[48]，印证了前述基础研究中视觉皮层-小脑运动皮层的皮层下通路的存在，表明了小脑在视觉-运动康复中的可能作用。综上，VFT可以引起视觉-运动相关皮层重塑、网络激活增强及网络间的FC增加，与各种皮层-皮层连接和皮层下连接有关，提示了VFT在SCI患者运动功能康复中作用的可能机制，若能发现其中影响最大的连接通路，或许能揭示康复治疗过程中的关键靶点。

3 展望

       VFT如MVF、VR训练、脑机接口训练^{[2, 3, 43]}等，已成为运动功能障碍患者康复训练的常规且有效方法，可与传统康复治疗及经颅磁刺激和经颅电刺激等神经调控方法联合使用以取得更好的疗效^[49]，这为SCI运动康复提供了有效的方法，但其具体的机制仍不清楚。本文阐述了其可能的相关机制，即在多感觉运动功能整合基础上，VFT可能通过各种皮层-皮层连接及皮层下连接激活MNS，引起感觉运动皮层重塑及视觉-运动功能网络的改变，进而促进运动功能恢复。然而，SCI患者样本量不足、VFT类型及训练时间、频率的差异对研究结果有较大影响，不同文献中报道的训练效果有明显异质性^[50]。因此明确不同类型VFT影响运动康复的神经机制并对训练流程规范化，将有助于未来针对不同类型的SCI患者进行合适的VFT治疗。