国内外研究发现截肢会造成患者感觉运动信息传入阻滞和行为模式的改变,从而可能导致神经系统结构和功能重组。截肢后还可能导致幻肢痛（phantom limb pain,PLP）,幻肢痛是指主观感觉已被截除的肢体仍然存在,并且伴有不同程度、不同性质疼痛的一种病理现象。幻肢痛是截肢后最常见的并发症,因其发病率高、难以治愈以及对患者身心健康影响大而引起广泛关注。幻肢痛患者涉及疼痛、情绪等更多维度的认知改变,可能造成更为复杂的大脑重组模式,其大脑病理生理机制仍不清楚,有待进一步的研究。近年来,磁共振成像技术及脑成像数据分析手段的快速发展及广泛应用,为我们研究截肢及幻肢痛患者大脑结构和功能重组模式提供新的途径。不同磁共振成像技术各有所长,在明确大脑结构和功能方面具有各自的优势,因此,综合多种磁共振成像技术对刻画截肢及幻肢痛患者大脑结构和功能影像特征,探讨其病理生理机制具有重要的意义。本文选取37例单侧下肢截肢患者,其中包括18例幻肢痛患者,利用高分辨率的结构磁共振成像,弥散张量成像和静息态功能磁共振成像技术,研究下肢截肢患者大脑结构和功能重组模式,并在此基础上结合多种脑网络分析手段,对幻肢痛患者静息状态下子网络内及网络之间的功能连接、疼痛相关脑区功能连接及结构和功能网络rich club组织的异常变化模式进行分析,从脑网络角度对幻肢痛病理生理机制进行了多层次的深入研究。1、采用基于体素形态学（VBM）和皮层厚度的分析方法,研究截肢和幻肢痛在下肢截肢患者大脑灰质结构重组中作用。研究结果显示,相较于健康对照组,下肢截肢患者主要表现为双侧中央前回皮层厚度变薄,同时其在双侧丘脑、截肢对侧基底核团灰质体积显著降低。这些结果提示下肢截肢患者由于感觉运动信息输入减少,双侧感觉运动环路发生退行性变化。相较于截肢后无幻肢痛患者,幻肢痛患者在疼痛相关脑区表现为灰质体积和皮层厚度变化,包括小脑,截肢同侧顶下小叶灰质体积的降低以及截肢对侧脑岛皮层厚度变薄,且降低的小脑体积与幻肢痛患者VAS疼痛等级评分呈显著的负相关。这些结果提示,截肢后与疼痛处理相关的脑区也发生结构重组,表现为大脑皮层萎缩,从而导致疼痛网络的调控紊乱,这可能是幻肢痛发生的关键因素。2、联合弥散张量成像和静息态功能磁共振成像技术,对截肢及幻肢痛患者的大脑白质结构和功能进行研究。基于白质纤维束空间统计方法（TBSS）结果显示,下肢截肢患者在截肢对侧皮质脊髓束、丘脑前辐射和胼胝体表现为一致性的FA值显著降低和MD值显著升高。基于网络的统计方法（NBS）结果显示,截肢患者结构网络中有两个连接强度显著下降的网络成分,其中一个成分位于截肢对侧,主要涉及的是苍白球和顶叶皮层连接,这一关键环路结构连接降低反映了截肢患者下降的感觉运动信息传输能力;另外一个成分主要是以杏仁核为连接中心一个子网络,这一网络的异常反映了截肢患者情绪状态的改变。进一步基于图论分析发现,下肢截肢患者和健康对照组的结构网络和功能网络均具有小世界属性,但是相较于健康被试,下肢截肢患者在全局网络信息传输的能力降低,表现为结构和功能网络特征路径长度的显著增高。在节点水平上,截肢患者大脑结构网络主要表现为截肢对侧感觉运动相关脑区,如中央后回,壳核,苍白球节点中心性的降低,同时还涉及到本体感觉相关脑区,如楔前叶,后扣带,这些结果提示截肢后大脑重组过程不但累及感觉运动网络,还损伤了本体信息处理的大脑区域。而大脑功能网络则表现为高级运动中枢辅助运动区节点中心性降低,同时也发现中扣带和后扣带这些与本体信息处理能力相关节点属性的改变。相较于截肢后无幻肢痛患者,幻肢痛患者主要表现为结构和功能网络节点属性的异常,尤其是疼痛情感信息处理相关的脑区,如眶额皮层、前扣带和杏仁核,这些脑区信息传输能力的改变可能在幻肢痛患者病理性疼痛情绪感知中起到了重要作用。3、为了进一步探讨下肢截肢患者感觉运动功能网络的重组模式,我们采用了基于感兴趣区域和基于种子点两种功能连接的方法对这一系统进行着重的研究。基于感兴趣区域的功能连接结果显示,相较于健康被试,下肢截肢患者主要表现为皮层下核团和截肢对侧初级感觉运动皮层的功能连接的降低,而基于种子点的全脑功能连接结果显示,与截肢对侧初级感觉运动皮层功能连接降低的脑区延伸至感觉运动网络外的前额叶和视觉皮层。进一步相关分析结果表明,皮层下核团和皮层区域降低的功能连接会随着截肢时间进程性的增加。这些结果提示下肢截肢后大脑存在一个广泛的网络水平的重组模式,尤其是感觉运动网络皮层下和皮层功能连接改变可以作为一个新影像指标用于预测截肢患者的运动功能康复。4、运用独立成分分析（ICA）的方法检测幻肢痛患者大脑静息态子网络内及网络间的功能连接变化。我们通过ICA方法识别了12个静息态子网络。结果显示,与健康对照组相比,幻肢痛患者在多个静息态子网络内的功能连接异常,涉及感觉运动网络、默认网络、基底节网络及岛盖网络,且顶下小叶在默认网络内功能连接与VAS疼痛等级评分,中央后回在感觉运动网络内功能连接与截肢时长存在显著的正相关,这些研究表明长期感觉信息传入阻滞和疼痛可能扰乱正常静息态子网络内组织模式,导致疼痛感觉分辨、疼痛感知以及疼痛的缓解和抑制功能的异常。另外幻肢痛患者背侧注意网络-后默认网络之间功能连接增加,而前默认网络-后默认网络-基底节网络之间连接降低,提示过度疼痛注意可能损伤默认网络连接模式以及功能输出,从而影响了外在的运动表现。同时幻肢痛患者在执行控制网络-左侧额顶网络-内侧视觉网络之间功能连接显著增强,这一从视觉信息感知-信息传输-信息调控环路的功能连接增强,可能是对截肢患者感觉运动和视觉感知缺陷的一种补偿效应。这些结果为研究感觉运动信息缺失以及疼痛对截肢后幻肢痛患者自发脑网络的视觉-运动以及认知功能影响提供了新的思路。5、结合功能连接密度方法和基于种子点的全脑功能连接两种脑网络分析方法,研究幻肢痛患者疼痛相关的脑区功能连接的异常。结果显示,相较于健康对照组,幻肢痛患者在双侧中央前回,截肢对侧海马旁回以及脑岛表现为短程功能连接密度的降低,而在截肢对侧枕中回表现为短程功能连接密度的增高。同时幻肢痛患者还表现为远程信息传输能力的异常,在截肢对侧小脑、枕中回,截肢同侧枕中回、颞上回长程功能连接密度显著增高,而在截肢同侧楔前叶长程功能连接密度显著降低。相关分析结果显示,在幻肢痛患者中截肢对侧的中央前回、脑岛、枕中回以及截肢同侧楔前叶功能连接密度与VAS疼痛等级评分具有明显相关性。进一步的基于这些疼痛相关脑区的全脑功能连接分析发现幻肢痛患者在这些脑区存在广泛的功能连接变化,并表现为以种子点所代表的静息态子网络内信息传输能力的降低,不过值得我们关注的是这些疼痛相关的脑区与背外侧前额叶的功能连接一致性升高,该脑区能够通过自身活化程度实现调控其他疼痛环路的功能,这就提示我们通过一定疗法,如重复经颅磁刺激,有效调控背外侧前额叶活性,有可能对于幻肢痛的缓解具有积极的意义。6、通过构建大脑结构和功能网络的rich club组织,探测幻肢痛患者rich club组织结构和功能连接以及网络属性的变化。结果发现,在两组被试中均存在rich club组织,其核心节点包括前额叶皮层,扣带,楔前叶以及枕叶区域,与静息态下感觉运动网络,默认网络和视觉网络的关键脑区具有明显重合。相较于健康对照组,幻肢痛患者仅表现在rich club组织内节点的功能和结构连接及全局网络效率的降低,未发现其他非rich club节点的结构和功能连接的改变。这一结果提示幻肢痛患者大脑结构和功能网络信息传输模式改变具有特异性,主要是在这一关键环路上。更为重要的是,我们发现幻肢痛患者rich club组织结构和功能连接与病程呈现明显的负相关,即病程越长幻肢痛患者的rich club组织连接强度越低,预示着幻肢痛患者异常的功能输出与进程性的rich club组织紊乱具有密切关系。这些研究结果强调了rich club组织在幻肢痛的大脑重组以及病理生理机制中的重要作用。7、镜像运动疗法被认为能够翻转幻肢痛患者大脑非适应性功能重组,而缓解患者疼痛,但镜像运动是如何在大脑中发挥作用的,其对于大脑作用机制还不清楚。本研究采用功能近红外光谱技术（fNIRS）检测健康被试在运动执行和镜像运动时大脑的激活模式,并进一步探讨含氧血红蛋白（HbO₂）信号随时间变化的特点,对镜像运动在大脑中作用机制进行初步研究。结果显示,在每种运动任务下,大脑双侧的感觉运动皮层均被显著激活,且呈现右侧大脑激活更强的特点。镜像运动时,镜像肢体对侧（右侧）大脑半球激活范围和强度较弱,但与运动执行不存在显著的组间差异。这些结果提示右脚镜像运动能够实现左脚运动执行功能,活化其对侧大脑的感觉运动环路。此外研究还发现两个任务在执行过程中HbO₂相对浓度变化的趋势比较一致,但是有意思的是,相同时长的运动刺激下,镜像运动对大脑激活持续时间短于运动执行,较早出现HbO₂信号的降低和向基线水平回归,提示在镜像运动过程中要注意刺激时长对于大脑激活效果的影响。我们的结果从影像学的角度肯定了镜像运动中镜像肢体对于其对侧大脑感觉运动环路的作用,为镜像运动疗法应用于临床提供了依据。