速度强化运动训练对创伤性脑损伤成人想象走廊行走时脑功能磁共振成像变化的影响

《Brain Injury》：Speeded motor training leads to fMRI changes during imagined hallway walking conditions in adults with traumatic brain injury

　　

摘要 目的：创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）常导致多个功能领域的持续性缺陷。研究人员在一项为期8周的快速抗阻椭圆机训练试验中采集了慢性TBI可步行成人的功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）数据，以促进运动、认知和行为功能及适应性脑可塑性。 参与者：9名慢性TBI患者与9名未受伤成人用于步态和fMRI数据的比较。 主要测量指标：在有（杂乱）或无（整洁）干扰的虚拟现实走廊中跑步机行走时的步态速度。在fMRI扫描期间，参与者观看以其个体化速度播放的走廊视频，并在干预前后想象自己行走于其中。研究人员假设脑激活结果在组别、条件和训练后存在差异，并与先前报道的平衡结果相关。 结果：杂乱走廊条件比整洁走廊激活更多脑区。未受伤成人最初在初级运动皮层及参与视觉空间加工和姿势控制的区域表现出更大激活。干预后，TBI患者表现出激活增加，组间差异减小，尤其在运动相关区域。训练后，姿势控制的改善与小脑激活增加直接相关。 结论：以速度为重点的运动训练成功诱导了慢性TBI参与者与平衡改善相关的脑可塑性，强化了规律运动对该人群的益处。 关键词：影像学（Imaging）、康复（rehabilitation）、运动（exercise）、平衡（balance）、脑激活（brain activation）、运动（motor）

一、研究背景与目的

创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）是影响美国约2%人口的重大公共卫生问题，可导致认知（记忆、注意力、学习与推理）、感觉运动（协调与平衡）及情绪（抑郁、焦虑与攻击性）等多领域持续性功能障碍。TBI被描述为一种从撞击时刻开始并随时间延续的异质性、动态病理生理过程，其后遗症可能在初次事件后多年仍持续存在。随着对TBI作为慢性疾病的认识加深，寻求治疗的患者日益增多，亟需更具针对性和有效性的干预策略。

神经系统固有的适应性可塑性为促进TBI后的神经恢复和功能重建提供了理论基础。结构磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）虽长期用于评估TBI后的皮质或皮质下损伤与萎缩，但弥漫性轴索损伤对白质的影响常更为显著，且群体影像结果存在分歧。近年来，功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）等动态评估脑功能的技术受到推崇，但既往fMRI研究多聚焦于额叶执行功能，针对运动任务的研究甚少。Kashara等虽探查了TBI成人在手指对指运动中的运动系统激活，但尚无研究报道TBI患者在运动训练干预后皮质激活的变化。

研究人员此前在12名TBI成人中开展的快速抗阻椭圆机训练观察性试验显示，干预后两项平衡指标显著改善，提示运动速度提升可能促进更快或更高效的神经处理。基于此，本研究旨在利用fMRI探查TBI患者在干预前后想象行走于杂乱与整洁走廊时的皮质激活程度，并与未受伤成人进行比较，验证以下假设：杂乱走廊较整洁走廊在脑激活和步态速度上呈现更大组间差异；训练后组间差异减小；干预后脑激活变化与平衡指标变化相关。

二、研究设计与方法

本研究为慢性TBI队列的试点干预试验，并与未受伤成人基线数据进行比较（病例对照设计）。样本来自先前临床研究中的24名参与者（12名TBI患者和12名对照），最终纳入9名具有完整高质量fMRI数据的TBI患者（5男/4女，平均年龄32.5±10.4岁，伤后至少6个月）和9名未受伤对照（UC组，5男/4女，平均年龄30.8±9.2岁）。该研究获得美国国立卫生研究院临床中心机构审查委员会批准，所有参与者签署书面知情同意书。

主要技术方法包括：①虚拟现实（virtual reality, VR）环境下的自定速 treadmill 行走测试，参与者以尽可能快的速度（不奔跑）通过杂乱和整洁两种虚拟走廊，通过三维运动捕捉系统记录步态速度；②fMRI运动想象任务，参与者在扫描仪中观看以其个体化行走速度播放的走廊视频片段（30秒/段，每条件5次，随机排列并穿插休息期），同时想象自己行走于走廊中；③运动干预采用家用椭圆训练器，要求参与者以40–80转/分的较快节奏进行30分钟/天、5天/周、持续8周的训练，达到目标速度后逐步增加阻力并维持中等运动强度；④fMRI数据分析采用AFNI软件进行图像处理（包括配准、切片时间校正、运动伪影校正、空间标准化至蒙特利尔神经学研究所模板），组分析采用基于AFNI的多元建模程序3dMVM进行一般线性模型（general linear model, GLM）重复测量分析，显著性标准为校正后p≤0.05（体素p≤0.01，簇大小=31），并采用Spearman秩相关分析探讨脑激活变化与平衡指标的关系。

平衡评估采用NeuroCom平衡管理系统中的运动控制测试（motor control test, MCT）和稳定极限测试（limits of stability, LOS），分别评估对外部突发干扰的自动平衡反应和自主平衡控制能力。

三、研究结果

走廊条件下的步态速度：GLM结果显示条件、组别、时间均无显著差异及显著交互作用。UC组在杂乱和整洁走廊的步态速度几乎相同（分别为1.23和1.22 m/s）。TBI组干预前分别为1.16和1.18 m/s，干预后分别为1.22和1.19 m/s，更接近UC组水平。

fMRI结果：杂乱与整洁走廊的脑激活差异显示，视觉区域在两种条件下均被激活，但杂乱走廊引起更广泛的脑激活，在视觉皮层和楔前叶显著更高，在脑岛显著更低。楔前叶近期被证实属于旁扣带回网络，参与监测感觉运动动态以优化任务表现；脑岛也参与感觉运动加工，并可能在前庭平衡处理中发挥作用。

组间比较显示，干预前UC组在运动相关区域的激活显著大于TBI组，包括双侧BA 40（缘上回）、初级运动皮层（BA 4）、初级感觉皮层、左侧BA 6、齿状核、颞中回及右侧海马。缘上回参与视觉目标的空间和时间位置变化的眼动控制，海马和颞中回属于背侧视觉流，参与运动中的视觉空间信息和导航加工，齿状核对站立和行走时的姿势控制至关重要。干预后，UC组与TBI组的组间差异明显减小，运动区域不再出现激活差异。TBI组在右侧BA 10（前运动区和运动规划相关）和右侧海马（导航相关）表现出更大激活，提示完成任务需要更多资源；左侧半球在角回、中额叶和上额叶皮层及脑岛出现显著激活下降。

TBI组干预前后比较显示，干预前左侧后扣带回和左侧角回存在显著差异，这两个区域属于默认模式网络（default mode network, DMN）。当大脑处于"静息"状态时DMN最活跃，当大脑定向执行任务或目标时DMN去激活。未受伤成人在重复任务中DMN激活下降，表明训练对TBI组产生了积极影响。BA 8也显示显著差异，该区域传统上被认为参与视觉加工，但近期研究显示其参与运动规划和目标导向运动启动。

平衡与fMRI结果的关系：在训练前显示组间差异的8个脑区中，仅发现一个fMRI结果与平衡指标显著相关。Spearman秩相关分析显示，杂乱走廊条件下左侧小脑齿状核激活增加与LOS前向终点偏移评分改善直接相关（r_s=0.86，p<0.01），该强相关性表明训练后该区域激活增加可解释自愿前倾能力改善近75%的方差。

四、讨论与结论

本研究的主要目的是评估TBI患者在心理穿越杂乱和整洁走廊时不同条件和组间的脑激活差异，以及运动训练引起的变化。通过将VR走廊任务与运动捕捉系统和用户驱动 treadmill 同步，并以个体化速度重现相同场景的视频片段，研究人员认为所有参与者想象行走的能力均显著增强，从而提高了识别高度任务相关的感觉运动激活结果的可能性。

正如预期，杂乱走廊激活了更多与动态任务中感觉信息整合和处理（包括前庭反应）相关的额外脑区。TBI患者在环境变得复杂时往往比同龄人表现出更慢的心理处理或运动速度。干预前TBI组平均步态速度低于UC组，干预后最大增幅出现在杂乱走廊条件，但均未达统计学显著，可能受样本量限制。

基线fMRI评估中UC组在多个感觉运动相关脑区激活增加，反映了TBI组主要表现于平衡任务中的运动和感觉缺陷。干预后TBI组运动激活接近未受伤对照组水平，且变化不仅限于运动区域，DMN也出现改善。研究发现训练后自主平衡指标改善与fMRI幅度增加之间存在强相关性，具体相关脑区为小脑白质深部的齿状核，该区域在运动控制中起主要作用，是连接小脑与运动皮层及基底神经节多个回路的关键组成部分，支持其在运动相关中枢神经系统可塑性机制中的作用。

研究局限性包括：缺乏包含12周不训练期的双基线或匹配的未训练TBI对照组，无法完全排除时间或其他混杂因素影响；未跨组测试运动想象能力；样本量有限；预先设定的统计阈值可能未充分控制多重比较导致的I型错误风险，但应用更严格阈值后结果基本不变。

结论：据研究人员所知，这是首项在TBI中利用fMRI作为干预后结局指标的研究。由于fMRI是动态脑变化的更敏感指标，研究人员倡导在未来评估TBI患者运动效果的试验中，以fMRI替代或结合其他影像学模态作为结局指标。为期2个月的运动训练项目在TBI组中产生了任务相关的积极皮质激活变化，其平衡能力亦获改善且与fMRI结果强相关，支持规律运动对脑损伤患者的重要性。