[研究]扩散张量成像在运动障碍性疾病脑深部电刺激术中的应用 | 陈宇昆 王学廉

本文标题：扩散张量成像在运动障碍性疾病脑深部电刺激术中的应用；本文来源：[J].中国现代神经疾病杂志，2018(08):626-629；本文作者：陈宇昆,王学廉，空军军医大学唐都医院神经外科；本文转载自医脉通网站，神外前沿转载已经获得授权。

扩散张量成像（DTI）是在扩散加权成像（DWI）基础上发展的一种以三维成像方式显示神经纤维束走行并评价白质间联系的MRI技术，是目前有效观察和追踪在体白质纤维束的非侵入性检查方法，可以实现脑结构和连接重建、可视化和量化分析，从而用于术前手术方案的制定和术后评价。

DTI技术的原理是，人体单一水分子在垂直轴突方向运动受限，而平行轴突方向运动不受限，故水分子主要沿轴突方向呈椭圆形各向异性运动；再由多个各向异性运动的水分子连接成平行于轴突方向的轨迹；最终由图像后处理软件描绘出一条反映白质纤维束方向的彩色线段。为便于识别，人为规定DTI图像中白质纤维束左右方向为红色，前后方向为绿色，上下方向为蓝色。

1994年，Basser等根据水分子扩散各向异性原理，通过提取数据并进行后处理最终获得白质纤维束图像，即DTI图像。自2000年以来，DTI图像联合神经导航系统已辅助应用于神经外科手术，但当时主要应用于中枢神经系统肿瘤的治疗。晚近逐渐重视白质纤维束在运动障碍性疾病中的作用，采用DTI技术可以观察到相关脑区投射连接的白质纤维束，有助于探究疾病发生机制并指导临床治疗。

脑深部电刺激术（DBS）是一种功能神经外科微侵袭技术，在患者体内植入一种称为神经刺激器的医学设备，通过植入的脑深部电极向特定神经核团发放电脉冲，因其可逆性、可调节的优点，目前逐渐取代神经核团毁损术用于治疗运动障碍性疾病。法国Benabid教授和美国Delong教授开创帕金森病（PD）运动症状的脑深部电刺激术，并于2014年共同获得拉斯克临床医学研究奖。脑深部电刺激术的核心是将电极准确植入靶点，作为一种微侵袭技术，其定位误差可以影响手术效果，因此可以通过影像学、术中电生理学监测及其他手术环节支持使电极准确植入预期靶点，从而达到有效治疗目的。

既往脑深部电刺激术主要采用传统MRI技术定位神经核团靶点，自DTI技术问世以来，因其可以可视化神经核团周围纤维束，逐渐广泛应用于脑深部电刺激术中。DTI在脑深部电刺激术中有4种应用方式：（1）显示胞质纤维束。（2）进行束路距离分析（tract proximity analysis），即研究脑深部电刺激术电极触点与特定白质纤维束的距离及其与临床治疗效果的相关性。（3）进行束路激活模型研究，即明确脑深部电刺激术电极触点激活的邻近白质纤维束。（4）结合上述方式直接通过白质纤维束定位神经核团靶点。

尽管脑深部电刺激术可以治疗多种运动障碍性疾病，但其作用机制尚不明确。传统观点认为，脑深部电刺激术通过高频刺激获得类似毁损的抑制作用；晚近观点认为，脑深部电刺激术不仅可以高频刺激抑制神经核团，还可能作用于神经核团周围白质纤维束，通过调控轴突，激活神经递质，调节突触可塑性，使神经功能网络恢复正常，从而改善临床症状。动物实验显示，通过对白质纤维束的追踪，可以辅助探讨脑深部电刺激术治疗帕金森病和精神病的作用机制；临床研究显示，脑深部电刺激术中采用DTI技术可以精确定位靶点和进行个体化治疗。本文拟概述DTI在脑深部电刺激术治疗特发性震颤（ET）和帕金森病中的应用。

1.扩散张量成像在脑深部电刺激术治疗特发性震颤中的应用 

脑深部电刺激术治疗特发性震颤时，丘脑腹中间核（Vim）是最常用的传统治疗靶点，由于该核团在MRI上不可视，传统定位通常基于脑图谱坐标，但是由于个体差异和解剖学变异，这种定位方法不甚理想。脑深部电刺激术刺激丘脑腹中间核需较高电压以控制震颤症状，同时伴感觉异常、肢体抽搐等不良反应，这可能是由于电刺激神经核团周围锥体束和内侧丘系等白质纤维束所致，术中采用DTI则可以避免出现上述不良反应。

研究显示，对于某些震颤症状，较低电压刺激未定带尾侧和丘脑底核（STN）同样可达到较好的治疗效果，究其原因，可能是由于齿状核-红核-丘脑束通过上述区域，从而推测齿状核-红核-丘脑束是脑深部电刺激术治疗震颤症状的共同作用区域。Coenen等于2011年首次在脑深部电刺激术中联合DTI技术治疗特发性震颤，结果显示，最佳控制震颤症状的电极触点与齿状核-红核-丘脑束相关；又于2014年通过神经导航系统可视化齿状核-红核-丘脑束以评价最优刺激靶点，实现特发性震颤的个体化治疗；再于2017年率先采用传统MRI定位方式确定目标靶点为丘脑腹中间核以治疗特发性震颤，初次植入脑深部电极时震颤症状控制欠佳，随后采用DTI技术辅助调整并确保电极靶点穿过齿状核-红核-丘脑束，震颤症状改善明显。联合DTI技术可以观察和追踪白质纤维束，并在特发性震颤的脑深部电刺激术中对目标靶点进行精确定位，从而实现个体化治疗。

2.扩散张量成像在脑深部电刺激术治疗帕金森病中的应用 

目前，丘脑底核是脑深部电刺激术治疗帕金森病的有效靶点，但其作用机制尚不清楚。丘脑底核自丘脑底核背外侧区至丘脑底核腹内侧区分为运动区、联络区和边缘区共3个亚区，三者之间相互重叠且界限不清。电刺激丘脑底核运动区可以改善帕金森病运动症状，证实丘脑底核运动区是最有效的脑深部电极植入位置。既往研究认为，帕金森病与大脑皮质和基底神经节之间的直接通路和间接通路病变相关；晚近研究显示，运动皮质直接投射至丘脑底核的超直接通路（hyper direct passway）对帕金森病的治疗有一定意义，可能是潜在的神经调控靶点。

1996年，Nambu等在颅内微刺激的引导下，注射顺行追踪剂至灵长类动物相应运动皮质，发现追踪剂大多投射至丘脑底核背外侧区，随后通过电生理学监测证实存在运动皮质直接投射至丘脑底核背外侧区的胞质纤维束，即超直接通路。正常人也存在来源于运动皮质的超直接通路，由皮质脊髓束侧支发出，直接投射至丘脑底核背外侧区，其潜伏期较直接和间接通路更短，可以更快控制运动的启动和终止。

2009年，Gradinaru等在Science发表文章，通过光遗传技术刺激转基因帕金森病模型小鼠，高频光刺激投射至丘脑底核轴突可以抑制运动皮质和丘脑底核动作电位，从而改善症状，而低频光刺激的作用相反，进一步证实激活投射至丘脑底核的轴突可以发挥治疗作用。既往研究显示，15例行丘脑手术（9例行单侧丘脑腹中间核电刺激术，2例行双侧丘脑腹中间核电刺激术，3例行单侧丘脑腹中间核毁损术，1例行单侧丘脑腹中间核毁损术和对侧丘脑腹中间核电刺激术）的帕金森病患者，其基底神经节通路均已破坏，但予丘脑底核脑深部电刺激术（STN-DBS）后仍可以缓解症状，提示丘脑底核脑深部电刺激术的作用机制并非单纯通过基底神经节通路，还可能通过其他通路如超直接通路发挥治疗作用。

研究显示，脑深部电刺激术通过逆轴突刺激丘脑底核可以改变运动皮质活性，脑深部电刺激术的作用机制可能是直接通路、间接通路和运动皮质投射至丘脑底核的超直接通路的共同作用。通过DTI技术可以重建超直接通路的白质纤维束，进一步研究丘脑底核脑深部电刺激术的作用机制并指导临床治疗。

然而，DTI技术尚有一定局限性：（1）图像具有局限性，根据MRI勾画兴趣区（ROI）过于主观，DTI图像空间分辨力较低且无法解决白质纤维束之间的交叉问题。（2）DTI与MRI的融合误差也可以影响脑深部电刺激术的精准性。（3）由于脑是一个神经网络，刺激某一白质纤维束易受到其他邻近结构的干扰。

综上所述，运动障碍性疾病的脑深部电刺激术与神经网络功能节点密切相关，而白质纤维束是连接上述神经节点的桥梁，DTI可以显示出这些白质纤维束网络。未来随着影像学技术的进展，联合DTI可以更好地阐明脑深部电刺激术的作用机制并指导最佳目标靶点的选择，从而实现精确定位目标靶点和个体化治疗。

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