目前，脑卒中仍然是导致成年人残障的一个主要原因。脑卒中病发后超过半数的病人都会遗留运动功能障碍，对患者的生活质量造成巨大影响^[1]。严重偏瘫患者很难配合顺利完成任务设计的功能磁共振成像检查，故静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)已成为研究脑卒中患者运功功能恢复神经机制的一种有效手段。目前rs-fMRI数据分析方法主要包括直接观测局部脑自发活动和分析脑区间功能连接两大类^[2]。静息态下直接观测人脑局部脑活动的方法常用的是低频振荡振幅(amplitude of low frequency fluctuation, ALFF)^[3]。ALFF方法是通过直接观察脑部功能活动血氧依赖水平（blood oxygenation level dependent, BOLD）信号基线变化的幅度提示脑部神经元的自发活动^[4]，然而，ALFF对生理性噪声比较敏感^[3]。Zou等^[5]通过低频(0.01~ 0.08 Hz)比全频功率谱的方法提出了比率低频振幅（fractional ALFF, fALFF)的概念，该方法能够改善脑自发活动检测的敏感性和特异性，已成功应用于多种临床疾病研究中^[6,7,8]。现有关脑卒中静息态功能连接研究主要关注的是患者大脑皮层预设脑区之间的连接异常，无法全面地检测出大脑中产生功能异常的所有脑区^[9,10]。本研究运用rs-fMRI技术，采用fALFF方法研究脑卒中患者整体脑局部自发性神经活动的变化，并探究其所表现出的异常变化是否与临床手运动功能损伤程度有关，旨在进一步阐释脑卒中运动功能障碍的病理生理学机制。

1　材料与方法

1.1　临床资料

       本研究选取来自复旦大学附属华山医院康复科的16名有明显单侧运动功能障碍的慢性期脑卒中患者。所有受试者在进行MRI扫描之前均进行了认知功能量表（mini-mental state examination, MMSE）评测以及手运动功能评定（fugl-meyer assessment, FMA)，FMA分数越大表示手功能越好，反之越差。所有临床评估均由复旦大学附属华山医院康复科的一位专家完成。患者入组标准如下：右利手；48~ 75岁；首次发病；至少卒中后11个月；存在偏瘫；认知能力正常（MMSE> 24)。所有患者的详细临床信息及人口统计学信息见表1。同时还收录了16名来自本地社区的性别年龄相匹配的健康对照组，其中有11名男性，平均年龄为(60±9.6）岁，与16名[12名男性，平均年龄（60±9.3)岁]脑卒中患者性别年龄相匹配，所有参与本实验的受试者的排除标准为：有磁共振禁忌证；严重的四肢偏瘫；有神经或精神疾病病史；有手运动功能障碍史。

       本实验研究设计经过华东师范大学伦理委员会批准，所有被试签署知情同意书后进行磁共振成像扫描。

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表1  16名皮层下脑卒中患者的临床和人口统计学数据
Tab. 1  Clinical and demographic data of 16 subcortical stroke patients

1.2　fMRI扫描参数

       磁共振扫描仪为德国西门子3.0 T超导磁共振成像系统，扫描用线圈为标准12通道相控阵头部线圈。扫描时告知被试放松、闭上眼睛，保持头不要动。扫描过程中被试戴防噪音耳机并用海绵垫子固定头部，待被试适应扫描室内部环境后开始扫描实验。本研究所需的实验数据扫描顺序依次为：初定位像、用于分割配准的高分辨T1加权结构像、确认病灶位置的常规T2加权像、静息态功能磁共振数据。其扫描参数分别如下：(1)高分辨T1加权结构像：快速梯度回波序列（magnetization prepared rapid gradient echo imaging, MPRAGE)，矢状位192层，层厚1 mm，层间距0.5 mm，重复时间TR=1900 ms，回波时间TE=3.42 ms，视野FOV=240 mm×240 mm，采集矩阵为256×256；扫描时间共6 min 3 s。(2) T2加权像：快速自旋回波序列，轴向横断位30层，层厚5 mm，无层间距，重复时间TR=6000 ms，回波时间TE=93 ms，视野FOV=220 mm×220 mm，采集矩阵为320×320；扫描时间共1 min 26 s。(3)静息态功能磁共振成像：平面回波序列（echoplanar imaging, EPI)，横断位30层，层厚4 mm，层间距0.8 mm，重复时间TR=2000 ms，回波时间TE=30 ms，倾斜角＝90°，视场FOV=220 mm× 220 mm，采集矩阵为64×64。采集时间共8 min 6 s，前6 s为空扫，后8 min时间内采集获取到240个时间点。

       每个患者的病灶体积由一名经验丰富的放射科医生确定。运用MRIcron软件（www.mricro.com)逐层手动描绘出T2加权像里信号异常的轮廓制作出每位患者的病灶mask，并对T2加权图像空间标准化处理，标准化到MNI空间上。对每个患者的病灶mask求和最终得出病灶叠加图，并叠加在MRIcron提供的标准模板上。分层展示所有脑卒中患者的最终病灶叠加图（图1A)。

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图1  脑区分布图。L：左侧；R：右侧。A：16位脑卒中患者的病灶叠加分布图，彩色条表示病灶重叠程度；B：脑卒中患者与正常对照组相比fALFF异常降低的脑区（双样本t检验，P<0.05，Alphasim矫正），彩色条代表T值；C ：fALFF异常脑区与病灶的比较叠加图。蓝色：病灶；红色：fALFF异常脑区；紫色：fALFF异常脑区与病灶重叠区域
Fig. 1  Brain mapping. L: Left; R: Right. A: Lesion maps across 16 stroke patients, colour coding indicates lesion overlap; B: Brain areas showing decreased fALFF in the stroke compared with the healthy controls (P<0.05, corrected by AlphaSim). The color bar represents t-values; C: The overlay of the abnormal brain regions in fALFF and lesions. The blue: Lesions; The red: Abnormal brain regions in fALFF; The purple: Overlapping areas of the abnormal brain regions in fALFF and the lesions.

1.3　fMRI数据分析

1.3.1　数据预处理

       采用SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）软件对采集到的功能磁共振数据进行预处理，首先去除每个被试的前10个时间点。然后，对数据进行时间层矫正和头动矫正，排除头动过大被试，本研究头动过大范围为：任意方向的平动不大于2 mm，转动不大于2°。其次，进行空间标准化处理，标准化之后将图像重采样成体素大小为3 mm× 3 mm×3 mm。最后，采用半高宽为6 mm的各向同性的高斯核对标准化之后的数据进行空间平滑，以减小呼吸或心脏等生理噪声。

1.3.2　fALFF的计算

       在REST软件包（http://www.restfmri.net)对预处理后的数据进行去线性漂移，之后并完成fALFF值的计算。对0.01~ 0.08 Hz下信号的功率谱进行开方，得到ALFF值，将此范围内的低频振幅相加得到其总和值，与0.01~ 0.25 Hz的全频段振幅总和值相除，即得到fALFF值；将每个体素的fALFF值与全脑信号幅值的均值相除，对全脑体素进行标准化处理。

1.3.3　统计分析

       利用SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）软件将fALFF所得到的图进行双样本t检验来比较脑卒中患者于健康对照组之间的差异。并在REST (http://restfmri.net)软件中对统计结果进行阈值为P<0.05的Alphasim矫正（单个体素的阈值为P<0.01，最小团块大小91的体素）。

1.3.4　相关性分析

       采用SPSS 17.0对差异脑区的fALFF值与临床手功能评分FMA分数做皮尔森相关性分析。首先把脑卒中患者与健康对照组两组之间双样本t检验得到的有显著差异的脑区制作成mask，然后提取每个脑卒中患者对应mask脑区的fALFF值并作平均，最后利用皮尔森相关分析来计算所有脑卒中患者差异脑区的平均fALFF值和FMA分数的相关系数(P<0.05)。

2　结果

       与健康对照组相比，脑卒中患者fALFF值降低区域位于病灶同侧（左侧）丘脑，基底节和枕叶(P<0.05，Alphasim矫正）。其中左侧基底节区fALFF值降低区域主要包括有基底节区神经核团（壳核，苍白球和屏状核）及周围白质（图1B，表2)。结果图中显示的fALFF异常脑区与患者病灶有部分重叠（图1C)，未发现比正常对照组fALFF值增高的脑区。在脑卒中患者与正常对照组相比fALFF显著降低的脑区中，左侧丘脑的fALFF值与临床手功能评分呈正相关(r=0.54，P=0.03 <0.05) （图2)。

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图2  脑卒中患者左侧丘脑fALFF值和临床手功能评分的相关图
Fig. 2  Correlation results between the fALFF values of the left thalamus and the FMA scores of the stroke patients. fALFF in vertical axis indicates the fALFF values, FMA in horizontal axis indicates the FMA scores.

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表2  脑卒中患者相对于健康对照组fALFF异常的脑区
Tab. 2  Brain areas showing decreased fALFF in the stroke compared with the healthy controls

3　讨论

       脑卒中是一种常见的脑血管疾病，根据卒中病灶发生的位置一般可分为皮层和皮层下脑卒中。本研究关注的是一组发生在同侧（左侧）脑皮层下的卒中患者的静息态下全脑神经活动的异常变化，结果发现fALFF值显著降低区域主要涉及皮层下基底节区，包括病灶区及其周围组织。

       本研究显示脑卒中患者组较正常健康对照组的左侧丘脑fALFF显著降低，仔细观察该区域fALFF值降低的范围比常规T2WI序列显示的异常信号病灶范围更广，说明脑卒中导致病变侧丘脑区的神经功能活动异常大于解剖结构损伤。丘脑作为运动感觉信息传输的中继站，在大脑信息从传入的整合乃至最后的输出效应中都发挥重要作用^[11]。早期研究猴脑已经发现丘脑与大脑相关运动皮质有结构上的连接，其腹前侧核和腹外侧核与大脑初级运动皮层、运动前区、辅助运动区及扣带回运动区之间都有连接^[12,13,14]。本课题组之前一研究采用弥散张量成像探测到病灶处及其周围皮层下丘脑和基底节区的（fractional anisotropy, FA）值显著降低很可能，就是归因于椎体束和基底节-丘脑-皮层回路的逆行性神经变，而且这种逆行性变也会导致卒中患者的运动功能损伤^[15]。已有任务态fMRI研究发现脑卒中患者在执行手部运动时左侧丘脑处激活显著异常^[16]，并且在静息态下与大脑相关运动皮层的功能连接显著异常^[17]。本研究结果进一步证实，静息态下丘脑脑自发神经活动异常将很有可能导致大脑皮层和皮层下之间分布的整个运动调控系统工作异常，进而可能会影响脑卒中患者的感觉运动信息的输入和传导过程，导致其无法完成正常运动行为的输出，行为学上表现出运动功能障碍。而每个患者的左侧丘脑的fALFF值与其相应的临床手功能评分相关性分析发现，脑卒中患者的丘脑部位的fALFF值越高，对应的手功能评分也就越高，则说明患者静息状态下的左侧丘脑的fALFF与其对侧手运动功能障碍严重程度具有密切联系。

       本组病灶同侧（左侧）基底节区神经核团也表现出显著的fALFF降低，并且主要集中在壳核部位。壳核不仅在结构上与大脑运动皮层存在神经纤维联系，而且在基底节-丘脑-大脑运动相关皮质环路具有重要作用^[18]。Ronald等基于正电子发射断层成像（positron emission tomography, PET）和fMRI研究的Meta分析对基底节的功能连接做统计分析，发现壳核与左侧初级运动皮层和初级感觉皮层和运动前区及双侧辅助运动区和后顶叶皮层都有显著的功能连接，还与双侧小脑及双侧丘脑（左侧居多）存在功能连接，因此，壳核的功能活动与整个大脑运动系统的运作密不可分，即壳核的局部脑功能活动异常有可能会影响整个大脑运动系统的正常工作^[19]。本研究选取的脑卒中患者主要临床表现就是运动功能障碍，运动过程本身是一个复杂的多层信息编码过程，既有可以看到的低级的运动执行表象，要想完成一个动作的执行还需要有运动的高级调控与支配^[20]；壳核主要起到运动的高级精细控制功能^[21,22]，因此，患者所表现出的运动输出功能障碍也可能暗示了潜在的高级运动控制功能出现障碍。有研究已证实大脑功能连接与结构连接有一定的相对呼应关系^[23,24]，故推测患者在左侧皮层下内囊、基底节神经核团和丘脑的功能显著异常降低应受其本身结构的组织损伤影响，即卒中病灶应该是造成该区自发神经活动降低的直接原因。

       此外，左侧枕叶fALFF值也表现出一定程度的降低，表明患者组病变同侧的枕叶局部脑活动降低。这与本课题组另一研究报道结果相似，Yin等^[25]报道脑卒中患者相对正常人在双侧枕叶均出现大脑局部一致性降低，反映出脑卒中患者大脑在静息状态下枕叶的局部脑活动异常减弱。已有对脑卒中患者的静息态fMRI研究大多集中在大脑皮层区域，很少有关注到皮层下相关运动脑区的功能活动异常，并且很多研究限于基于一定的先验设定的缺陷。而本研究是对脑卒中患者的整个全脑能量活动幅度信号分析，更有客观性。尽管ALFF的确切病生理学意义尚不十分清楚，但普遍认为fALFF值降低是所在脑区自发神经活动降低的反映。本研究结果提示：fALFF或许可以作为监测皮层下病灶及其周围组织神经活动异常的重要指标，如果把静息态fALFF与功能连接分析结合起来，或许更能全面客观地反映脑卒中的病理生理学变化机制。

       脑卒中病发后遗留的运动功能障碍往往是永久性缺陷，对卒中后的脑重塑机制研究有利于提出适当的康复干预方法。综上所述，本研究采用fALFF分析方法对脑卒中患者的全脑活动进行了静息态fMRI研究，结果发现主要在同侧皮层下病变损伤区域（内囊、基底节神经核团和丘脑）出现fALFF显著下降，反映了该区域神经功能活动"低效"表现；尤其是丘脑的fALFF值降低程度与患者临床手运动功能损伤严重程度密切相关，进一步提示观测患者病灶侧丘脑的fALFF值变化，或许可成为评估脑卒中患者手运动功能障碍的一个潜在重要参考指标。