9.4T下猴脊髓损伤后大脑结构可塑性的磁共振成像研究

Spinal cord injury results in sensory and motor dysfunction below the level of lesion, affects patients' quality of life and imposes heavy economic costs on society. Injury at spinal cord segment can lead to brain structural and functional plastic changes. Studies show structural changes play their particularly important roles in functional reorganization, which have attracted more and more attention in recent years. However, direct methods for visualizing brain structural plasticity are lacking. Phase contrast magnetic resonance imaging (PC-MRI) at high field can detect cortical substructure and small white matter in gray matter. Thus, PC-MRI could be an ideal method to visualize brain structural changes after spinal cord injury. However, PC-MRI research in this field have not yet been reported. In this project, based on non-human primate monkey (an animal that is the closest living relative to human) spinal cord injury model, we propose to investigate long-term structural changes of monkey brain after spinal cord injury mainly using PC-MRI and Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging at high field MRI system (9.4T), and finally combined with histological methods. Specific aims of the projects are: 1) to determine structural changes of cortex, white matter, and subcortical structure after monkey spinal cord injury, 2) to determine evolution of those structural changes, 3) to determine metabolic and celluar mechnism underlying brain structural changes.This research is designed to establish the value of PC-MRI in the study of brain structural plasticity after spinal cord injury, and to lay the foundation for future work related to investigation of brain functional plasticity and therapeutic strategies after spinal cord injury.

脊髓损伤导致破坏性的感觉和运动功能缺失，严重影响病人的生存质量，并给社会造成沉重的经济负担。脊髓局部受到损伤后会诱发大脑结构和功能可塑性变化，其中结构改变会对损伤后功能重组产生重大影响，近年来引起国内外学者特别关注。然而，目前对脊髓损伤后大脑结构可塑性的研究缺乏直接有效的观察手段。高场下相位对比磁共振成像可以清楚地显示大脑皮质层状亚结构和灰质中的微小白质，可以应用到脊髓损伤后大脑结构变化研究中，但相关的研究未见有报道。本项目拟以猴脊髓损伤模型为研究对象，通过在9.4T高场下利用相位对比磁共振成像、磁共振波谱成像等技术结合组织病理学方法，对损伤后大脑结构可塑性变化进行研究。研究内容包括脊髓损伤后大脑结构变化、随时间演变过程及其代谢和细胞机制。研究结果将明确相位对比磁共振成像在大脑结构可塑性变化应用方面的价值，为进一步研究脊髓损伤后大脑功能可塑性变化、临床治疗方法提供重要的实验基础。

脊髓损伤导致神经元死亡，轴突损伤和脱髓鞘，通常会引起暂时性或永久性的运动、感觉或自主神经功能的中断，出现严重的临床功能损害。这个损伤后的结果很大程度上取决于脊髓组织结构和损伤的部位。脊髓损伤后不仅脊髓，大脑也会出现结构上的改变。因此，寻求新的能关联临床功能表现的生物标记物是很有必要的。近年来，有研究者利用活体扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）研究脊髓损伤病人或者脊髓损伤模型动物的感觉运动皮层和皮质脊髓束的白质的微结构改变。然而，为了获得高分辨率扩散张量成像，通常需要耗费较长时间，对运动伪影敏感并且对成像梯度线圈的性能要求非常高。.近年来，利用标准梯度回波序列得到的相位对比磁共振成像（phase contrast MRI）由于相比传统的幅值图像表现出来的优异的灰白质对比度，因而获得越来越多的应用。尽管大脑的磁共振成像相位对比机制仍然还不明确，但一些研究表明此相位对比可能主要与髓鞘有关。相位对比磁共振成像已经在观察髓鞘形成，脱髓鞘和轴突损伤方面表现出了潜在的应用价值。尤其高场（9.4 T）下相位对比磁共振成像的灰质和白质之间的对比度更是比传统幅值图像有数倍甚至一个数量级的提高。.基于大鼠第9胸髓半切损伤模型，本项目中利用扩散张量成像和相位对比磁共振成像来研究大鼠脊髓损伤后大脑可塑性变化。同时，结合组织病理学方法观察大脑相关区域的病理改变情况。结果表明脊髓损伤后2周大脑神经纤维束即可出现可塑性变化，扩散张量磁共振成像和相位对比磁共振成像能够观察到这些可塑性变化。另外，结果进一步证明了在成年大鼠大脑的白质区域，髓鞘是其相位对比的主要来源。