手部运动的功能磁共振成像（fMRI）侧化研究及不同用手习惯人群的白质运动通路量化分析

《Behavioural Brain Research》：Hand movement fMRI-lateralization and white matter motor tract quantification for handedness groups

　　

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  我们比较了不同惯用手在M1区域fMRI激活方面的侧化差异，这些差异与手部运动有关。
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  对胼胝体和皮质脊髓初级运动束的白质进行了量化分析。
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  我们复现了大多数关于手部功能代表侧化的先前研究结果。
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  在用左手进行手指序列动作时，右利手者的fMRI侧化程度降低。
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  在初级运动束的白质量化分析中，未发现惯用手类型的差异。

引言

惯用手是指个体在执行任务时普遍偏爱使用某侧手的习惯。大约90%的人更倾向于用右手完成复杂的感觉运动任务，如捏取、探索物体和书写[1]。左利手的比例因划分标准的不同而有所变化，同时也受到文化和地理因素的影响[2]。为了评估侧化程度，最常用的是运动功能问卷，例如爱丁堡惯用手量表（EHI，[3]），其评分范围从-100（完全左利手）到100（完全右利手），完全混合惯用的情况下得分为0。另一种确定侧化方式是进行表现测试，例如运动感知测试[4]。一个简单的测试是硬币旋转任务（CRT），该任务显示了惯用手与非惯用手之间的显著差异[5]。此前已有研究表明CRT是一个有效的手部灵巧性测试方法[6]。

为了从不同维度（表现、fMRI激活强度、白质纤维量化）计算侧化程度，人们提出了一个侧化指数（LI）[7]，这有助于减少统计分析所需的参数数量，并帮助理解侧化的基本机制。该指数的计算方法是将两侧的参数相减后除以它们的总和（详见方法部分）。在初级运动皮层中，随着运动任务复杂性的增加，不对称性会降低[8]，这可能反映了处理更复杂运动转换的过程，但与运动记忆负荷无关[9]。

对于健康的右手和左手参与者而言，使用惯用手或优势手会导致功能表征向对侧半球的更大侧化[[10], [11], [12], [13], [14]]。然而，在比较不同惯用手组之间的差异时，研究结果并不一致：Singh及其同事（1998年）发现，右手参与者在进行非优势手的左侧运动时，同侧感觉运动激活程度更高，而左手参与者则没有这种现象。其他研究则表明，左手在M1、前运动皮层和联合皮层中的侧化程度普遍较低[8,10,12,13]。

由于90%的锥体纤维在延髓处交叉，因此初级运动皮层向对侧半球的功能激活不对称性与解剖结构密切相关[15]。胼胝体（CC）连接着两个半球，特别是连接两个初级运动皮层的纤维（CC_M1）在防止镜像运动中起着重要作用[16]。因此，半球间的抑制性相互作用可能通过胼胝体纤维介导[17]，可以假设结构上更整合的胼胝体M1纤维可能与更复杂的运动表现中的M1 fMRI激活强度有关。

分数各向异性（FA）是一种通过扩散加权磁共振成像测量水扩散方向性的可靠方法，因此可用于量化白质纤维路径[18]。大脑受损后，两条纤维束（CST和CC_M1）的完整性至关重要，而通过FA评估的纤维方向性量化与上肢运动功能障碍呈负相关（例如[53]）。然而，在正常大脑中，对于CST[[19], [20], [21]]和CC[[22], [23], [24]]的白质量化分析并未发现惯用手类型的差异。此外，在基于体素的形态学研究中，右手和左手参与者的中矢状面胼胝体也没有明显差异[25]。

迄今为止，尚无研究在同一组右利手和左利手健康志愿者中同时探讨上肢运动的功能表征和CST与CC的白质量化。因此，我们研究了一组左右利手健康参与者，以比较：（1）每侧手/手指的灵巧性（CRT），（2）每侧手进行简单敲击或手指序列时的功能激活情况，以及（3）CC_M1和CST_M1（位于内囊后部）的白质量化，目的是验证以下假设：假设1：不同惯用手组的M1功能激活侧化程度存在差异。假设2：同侧激活与灵巧性相关。假设3：CST_M1或CC_M1的LI_FA与表现（CRT）或fMRI激活相关。

章节片段

参与者

通过在学校内发放的传单招募了52名右利手（n=26；年龄范围19–34岁；平均年龄24.00±3.27岁；16名女性）和左利手（n=26；年龄范围19–29岁；平均年龄23.42±3.30岁；16名女性）志愿者。所有参与者均无当前或既往的神经系统或精神疾病史，视力正常或经过矫正。根据之前的功效和样本量计算，我们决定每组招募26名参与者。

结果

两组惯用手在性别分布和年龄方面具有可比性（见表1）。通过硬币旋转测试（CTR）评估的灵巧性显示，右手和左手参与者的侧化程度相似（t(50) = 1.23；p = 0.23；Cohen’s d = 0.34）。此外，在校正了四种不同运动任务后，fMRI记录显示两组在正确按键速度方面的表现没有显著差异。

讨论

我们通过测试每侧手的灵巧性（硬币旋转任务）、使用惯用手和非惯用手进行简单敲击或手指序列时的功能MRI激活情况，以及胼胝体M1纤维（CC_M1）的白质量化（FA）和皮质脊髓M1纤维的侧化指数（LI CST_M1），研究了左右利手健康参与者。

我们预期对于简单任务，惯用手和非惯用手在fMRI侧化程度上应该是相似的。

结论

总体而言，我们观察到左右利手参与者的侧化程度相当，这一差异受到手侧（惯用手、非惯用手）和任务复杂性（敲击、序列）的影响。需要对右手参与者在复杂手指序列任务中的较低侧化程度这一发现进行进一步验证。我们认为，我们采用的方法（包括性别和年龄的平衡考虑）、使用侧化指数进行组间比较等都是合理的。

作者贡献

N. Neumann： 手稿的撰写、修改和概念化。M. Lotze： 概念构思；方法论；数据评估；手稿撰写。M. Domin： 数据评估；手稿撰写

伦理声明

所有参与者或其法定代表均已签署知情同意书，同意参与研究并发表文章。参与者的隐私权得到了尊重。

本研究符合进行研究所在地区的相关法律、监管框架和指南。本研究获得了Greifswald大学医学部门的批准（批准编号：BB 002/17）。

数据可访问性

此处使用的参数表可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

N. Neumann|M. Domin|M. Lotze