H反射和功能磁共振成像分析膀胱充盈及控尿機制的神經功能學研究進展

黃源興，劉春曉

南方醫(yī)科大學珠江醫(yī)院泌尿外科，廣東 廣州510000

尿液的儲存和周期性釋放依賴于周圍神經和中樞神經系統(tǒng)不同層次的復雜神經網絡，該神經網絡協(xié)調控制膀胱和尿道的平滑肌及括約肌活動［1］，下尿路各器官之間的功能協(xié)調是由位于大腦高級中樞、脊髓低級中樞和周圍神經節(jié)等復雜神經控制機制共同介導的［2］。由于調節(jié)儲尿和排尿的神經機制的復雜性，神經系統(tǒng)及泌尿系統(tǒng)疾病對于排尿行為的影響十分顯著，尿液的儲存和釋放高度依賴于神經系統(tǒng)通路。

過去20 年，電生理學技術和功能磁共振成像（fMRI）技術逐漸成為神經功能學領域內研究人類病理或生理狀態(tài)的有力手段，兩者可以幫助我們更好地理解控尿相關的神經通路和大腦區(qū)域的活動與特定功能之間的關系。

1 H反射—對脊髓神經反射的研究

H反射又稱Hoffman反射，是一種電誘發(fā)的脊髓單突觸反射［3-4］。該反射由感覺神經纖維傳入、經由突觸、運動神經纖維傳出，它和F波都屬于誘發(fā)肌電圖檢查，是可以記錄在人類受試者身上的最簡單的反射之一，現(xiàn)已成為運動控制研究的常用手段。在健康成人中，電刺激腘窩處脛后神經（即直接刺激運動神經纖維）可直接引起其支配腓腸肌和比目魚肌的誘發(fā)電位產生M波，經過一段潛伏期后，出現(xiàn)第二個誘發(fā)電位稱H 波（沖動通過IA類傳入纖維進入脊髓后逆向激發(fā)運動神經的興奮產生的反射性肌肉收縮）。H反射常在肌肉處于靜息狀態(tài)時記錄到，隨著刺激強度緩慢增加，H反射波幅漸增，其潛伏期逐漸降低。刺激量繼續(xù)增大時會同時出現(xiàn)H波與M波。當刺激強度更進一步增加，M波波幅逐漸增大、此時H反射的波幅逐漸降低［5］。

H反射可用于測定脊髓前角α運動神經元的興奮性以及整個傳導通路中感覺、運動神經纖維的功能狀態(tài)，在各種中樞神經系統(tǒng)或運動神經元病變的患者中，H反射可表現(xiàn)為異常。人體排尿反射由四個基本組成部分組成：傳入神經元、脊髓中間神經元、傳出神經元以及調節(jié)脊髓反射的大腦通路，通過研究膀胱充盈狀態(tài)對H反射的不同影響，可以探討人類排尿行為與脊髓運動神經元的相互關系。

1.1 膀胱充盈狀態(tài)對H反射的影響

膀胱充盈和排空階段激的神經元機制主要涉及幾個結構：進出膀胱的軀體神經通路、自主外周神經通路、節(jié)段脊髓回路和脊髓上控制中心［6-8］。膀胱控制涉及中樞神經系統(tǒng)和外周神經系統(tǒng)之間的持續(xù)相互作用，當膀胱充盈時，其擴張導致盆腔傳入神經信號逐漸增多，此時尚無盆腔傳出神經信號的傳遞，隨后當膀胱充盈至達到排尿閾值時，盆腔傳出通路完全激活［9］，從而產生排尿行為。

H反射產生的神經沖動主要反映同側運動神經元池通過脊髓的單突觸反射而使運動神經元產生復合肌肉動作電位。當我們自主排尿時，“器官-軀體”反射（腰骶神經平面）就會工作，促進尿液的順利排出。

有學者人認為膀胱充盈對脊髓運動神經元興奮性具有一定程度的影響，這種影響在健康受試者、多發(fā)性腦梗死患者和脊髓損傷患者中有明顯差異［10］。他們的研究發(fā)現(xiàn)，正常受試者和多發(fā)性腦梗死患者的膀胱充盈抑制H反射，而脊髓損傷患者的H反射則沒有被抑制，甚至略有增強，這與另一研究發(fā)現(xiàn)的截癱患者的膀胱充盈可以增強H反射的現(xiàn)象［11］相吻合。正常受試者膀胱充盈時的肌電反應（H反射、F波和運動誘發(fā)電位）大小呈下降趨勢，其中的運動誘發(fā)電位是通過皮質脊髓下行的沖動直接或通過神經元間細胞間接刺激負責H反射的運動神經元而誘發(fā)的［12］。既往研究通過膀胱充盈降低運動誘發(fā)電位的大小和F波的大小，證實了膀胱傳入的激活通過突觸后機制直接改變脊髓運動神經元的興奮性水平［10］。研究動物單突觸反射的學者也闡述了類似的發(fā)現(xiàn)，他們認為膀胱擴張后的內臟-軀體反應是抑制的，這種抑制在去大腦動物中最高，但在脊椎動物中最低［13］。

因此，膀胱充盈能夠使正常人的脊髓運動神經元興奮性降低，這種現(xiàn)象在H反射的抑制中得以體現(xiàn)，這種抑制作用是通過激活復雜的內臟-軀體通路而產生的，其中脊髓損傷可以抵消這種抑制作用。由于H反射降低時間與膀胱最大充盈時間一致，當受試者感到痛苦并不能繼續(xù)憋尿時，膀胱傳入纖維會向中樞傳遞傷害性信號，因此繼發(fā)于膀胱充盈的運動神經元抑制也可能是一種由痛覺傳入信號激活并由本體脊髓系統(tǒng)介導的復雜內臟-軀體反射，其中可能涉及彌漫性傷害抑制性控制［14］或固有脊髓系統(tǒng)［15-16］。

1.2 原位新膀胱充盈狀態(tài)對H反射的影響

1988年德國學者首先報道了回腸新膀胱術［17］，后在此基礎上進行的改良和創(chuàng)新性術式不斷涌現(xiàn)。國內有學者于2000年創(chuàng)新性采用“去帶”方式構建乙狀結腸新膀胱［18］。該新膀胱選用了更接近生理性位置的，處于消化道末端、幾乎無營養(yǎng)吸收功能的乙狀結腸來構建膀胱，其有著與正常膀胱同源的神經支配，理論上能夠達到更接近生理性排尿的神經調控機制。

為了驗證脊髓運動神經元興奮性在膀胱充盈時受到抑制這一現(xiàn)象的產生，除了膀胱傳入神經的作用之外是否存在其他傳入神經的介導調控，有學者選擇了8例回腸原位新膀胱術后的患者進行了H反射檢查，結果無一例患者的H反射受到抑制；而在正常人群中，該反射在膀胱充盈時受到明顯抑制［19］。因此該團隊認為，正常人體膀胱充盈引起的腓腸肌H反射受抑制的現(xiàn)象主要來源于膀胱傳入神經的刺激信號，而以回腸構建的新膀胱充盈或其充盈所致的腹部/骨盆壓力的變化可能無法像生理性膀胱一樣傳遞相應的充盈信號，因此無法對脊髓興奮性產生影響，也不會引起H反射的變化。

根據上述研究［19］的思路以及乙狀結腸與膀胱部分同源的神經支配理論［20-21］，我們選擇了11例全去帶乙狀結腸原位新膀胱術后的患者進行了膀胱充盈和排空過程的H反射檢查，其中9例患者均存在新膀胱充盈時H反射被抑制且排空時H反射逐漸恢復的現(xiàn)象，剩余患者中未引出H反射者1例，H反射無明顯變化者1例。

從結論上看，與生理性膀胱一樣，全去帶乙狀結腸原位新膀胱充盈所產生的信號能夠抑制H反射，提示脊髓運動神經元興奮性在膀胱充盈時受到抑制這一現(xiàn)象的產生，除了膀胱傳入神經的作用之外可能存在其他傳入神經通路的介導調控，并且使用全去帶乙狀結腸構建的新膀胱充盈時激活了該通路，其信號傳導和機制相較于回腸原位新膀胱可能更加接近生理性膀胱。

由于預試驗樣本量尚少，誤差的干擾和偶然事件發(fā)生率較大，我們的預試驗結果只能初步提示全去帶乙狀結腸原位新膀胱充盈產生的信號對脊髓運動神經元興奮性可能具有一定程度的影響，關于新膀胱患者尿意產生原理和控制排尿的脊髓神經機制還需要我們進一步探索。

2 fMRI—對大腦皮層調控機制的研究

fMRI技術作為一種無創(chuàng)的醫(yī)學影像技術，不僅能對腦功能激活區(qū)進行準確定位，還可以研究不同腦功能區(qū)之間及其與對應生物學行為之間的功能相關性，在臨床上應用已十分廣泛。近年來，國外學者開始利用fMRI開展泌尿系統(tǒng)下尿路相關的機制研究，借助fMRI研究大腦控尿區(qū)域，有利于我們理解最高中樞調控排尿行為的神經學機制。

2.1 血氧水平依賴（BOLD）fMRI的生理學基礎

fMRI是評估大腦功能的主要工具之一，其超快速成像技術能夠準確反映出大腦在受到各種刺激或發(fā)生病變時所產生的功能變化。磁共振圖像的對比度能體現(xiàn)T1、T2弛豫時間及質子密度的差異，使得不同組織在同一圖像上的信號對比以及同種組織在不同圖像上的信號對比產生差異。fMRI與傳統(tǒng)的MRI所測量的磁共振信號不同。傳統(tǒng)MRI是利用組織水分子中的氫原子核在磁場中發(fā)生的核磁共振現(xiàn)象對組織結構進行成像，而fMRI是利用大腦的神經元活性、能量代謝和局部血供之間的關系來間接測量大腦相應區(qū)域在受到各種刺激或發(fā)生病變時所產生的功能變化［22］。

大腦激活區(qū)信號的改變與局部血流因素密切相關。局部的血管反應由多種介質共同參與，其中包括較為重要的一氧化氮和二十烷類［23-24］。當谷氨酸與星形膠質細胞上的受體結合時，會觸發(fā)一氧化氮的釋放，此時突觸周圍的膠質細胞參與控制滋養(yǎng)動脈的血管反應［25］，并由此決定了大腦的局部灌注水平以及與神經元活動相關的局部血流量。由于在人腦的神經元活動中，突觸后神經元的去極化和小幅度動作電位消耗了大部分的能量［26］，即大腦中的能量消耗主要產生于突觸后神經元的信息傳遞和整合，因此能量消耗本身并不能直接驅動局部血流量的增加［27］，血流量的變化可能是大腦局部神經遞質直接作用的結果。

1990 年有學者首次提出BOLD 的概念［28］，隨著BOLD技術的發(fā)展及應用，其逐漸成為研究人腦功能的重要手段。在電生理學中，BOLD信號的變化與MR場強的關系極為密切［29］。當大腦某區(qū)域神經元被激活，其電活動可引起腦血流量顯著增加，同時氧的消耗量也增加，但由于氧耗量增加幅度較低，所以綜合效應是大腦局部血液氧含量增加［30］，這也導致氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白比值增加。BOLD成像取決于微循環(huán)中氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的比值，因為氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白的磁性不同，前者是抗磁性物質，而而后者是順磁性物質，后者中的鐵離子有4種不成對電子，磁距較大，可產生T2縮短效應。因此當大腦局部神經元活動增強時，該區(qū)域局部血流量顯著增加，去氧血紅蛋白含量相對減少，T2縮短效應不明顯，導致T2馳豫時間延長，此時在功能磁共振成像系統(tǒng)采集到的圖像中可見到激活腦區(qū)的信號強度增加，從而獲得激活腦區(qū)的功能成像圖［31］。相反，當某一腦區(qū)的去氧血紅蛋白含量相對增加時，T2加權信號減弱，該區(qū)域中的MR信號強度減弱。

2.2 下尿路神經控制的功能磁共振成像研究

下尿路的神經控制表現(xiàn)為儲尿和排尿兩個階段之間的切換，其基礎是大腦-脊髓神經回路，該回路受相互連接的大腦區(qū)域網絡控制，由中樞多條環(huán)路介導，其共同匯合點位于腦干［32-33］。

在尿液儲存過程中，隨著膀胱逐漸充盈，膀胱內部傳入信號強度逐漸增加，直到超過腦干—特別是中腦導水管周圍灰質（PAG）設置的閾值，然后反射開始被激活，即腦橋排尿中心（PMC，也稱m區(qū)或巴林頓核［34］）被激活，尿道括約肌舒張，膀胱收縮，產生排尿行為。有相關的大鼠腦成像試驗［35］提示，在尿液儲尿過程中，PAG被激活，PMC不活躍。而當膀胱容量達到排尿閾值時，PAG活性增強，PMC激活，說明從儲存到排尿這一過程的轉換與PMC有關。

正常的成年人可以有意識地控制排尿發(fā)生的時間和地點，但即使是正常的受試者也可能無法在所有情況下都能按命令排尿，排尿只能在身體感到舒適且放松的情況下才會發(fā)生。如果排尿反射在不受高級大腦中樞（大腦膀胱控制網絡）抑制的情況下單獨存在，則當膀胱充盈使傳入信號達到閾值水平時，排尿反射就會自動觸發(fā)，從而產生非自愿排尿行為，即尿失禁。

腦干包含兩個與排尿有關且功能不同的核團，即中腦PAG和PMC。PAG是反射信號從膀胱儲尿期到排空期再返回空虛狀態(tài)的位置，它投射到前腦的許多部位，包括杏仁核、尾紋床核、下丘腦和丘腦，并通過這些結構到達膀胱控制網絡的其他部位。大腦下尿路控制網絡投射回PAG，PAG也接收來自膀胱的上行傳入信號，并通過PMC向膀胱和尿道發(fā)送下行信號。另一方面，除了可能接收來自丘腦的排空信號外［34］，PMC幾乎完全從PAG接收信號。當PAG激活PMC時，PMC將信號傳遞到骶髓，骶髓Onuf核的抑制性中間神經元舒張尿道括約肌的同時膀胱收縮，從而產生排尿行為，因此PMC確保了排尿反射的協(xié)調性。早期的研究表明，排尿的開始階段和維持階段應有所區(qū)分［36］，但事實上，一旦排尿反射被觸發(fā)，即使沒有更高中樞進一步控制，排尿行為仍然在繼續(xù)［35］。PAG不僅與膀胱排空的啟動有關，在尿液儲存期也起著重要作用。PAG處于大腦和膀胱之間的關鍵位置，它將來自膀胱的信息傳達至高級大腦，同時也接收來自大腦神經控制網絡的反饋信息，抑制排尿反射，從而產生憋尿行為。

2.2.1 通路1 前額葉皮層和腦島葉（丘腦、島葉、IPFC、mPFC及PAG）島葉是體內平衡的傳入皮層，負責記錄內臟感覺［37-38］。它接受體內的平衡信息（整個身體的生理狀況的感覺，包括內臟），通過脊髓傳入纖維傳入，并在丘腦中傳遞，這些信息便包括了大腦對膀胱充盈程度的評價。有許多關于尿液儲存的腦成像研究中都觀察到了島葉的激活，隨著膀胱充盈，島葉激活增加，從而產生排空欲望［38-39］。老年受試者的膀胱感覺相對較弱［40］，相應地膀胱感覺不明顯［41］。有文章證實［42］，腦島在正常老年女性和那些對治療有反應的急迫性尿失禁患者中存在激活現(xiàn)象。然而對于那些治療無效的急迫性尿失禁患者，島葉則不激活，提示控尿行為依賴于體內平衡信息的有效傳遞。島葉的激活是雙側的。丘腦在處理膀胱信號并將其傳遞到左右島葉（以及許多其他皮層區(qū)域）中的作用得到了成像研究的支持，這些成像研究顯示丘腦對膀胱充盈刺激起反應［43］。

前額葉皮層（PFC）在膀胱控制中的重要性是由臨床研究確立的，后續(xù)臨床研究證實對膀胱功能有長期影響的病變部位位于前額葉皮層內側白質區(qū)［44-45］。前額葉皮層內側灰質區(qū)病變則導致相對短期的尿失禁。原發(fā)性夜間遺尿的兒童為mPFC的重要性提供了進一步的證據，他們在夜間難以控制膀胱，該區(qū)域的靜息狀態(tài)顯示出異常連接［46］。

前額葉皮層腹內側區(qū)參與個體情緒變化和社會環(huán)境下個體思維決策［47］。它們與邊緣系統(tǒng)、下丘腦、杏仁核以及腦島和前扣帶皮層間（ACC）有廣泛的相互聯(lián)系。前額葉皮層外側區(qū)（IPFC）主要參與認知方面，尤其是工作記憶方面［48］，一些膀胱研究觀察到IPFC或額下回的激活現(xiàn)象［49］。前額葉皮層腹內側的信號則通向邊緣系統(tǒng)和大腦其他部分。

一項PET研究表明，排尿時內側前額葉區(qū)域被激活。然而，在憋尿或膀胱充盈，尤其是在尿急失禁時，mPFC在膀胱充盈反應中失活而非激活［50-52］。mPFC是上述默認模式網絡的一部分［53］，但目前尚不清楚mPFC的失激活現(xiàn)象，是否為功能失調，或是失禁原因，還是排尿反射被抑制的跡象，又或者是一種促進失禁的機制。

2.2.2 通路2 前扣帶回背側和輔助運動區(qū) 當膀胱充盈時，越來越強的排空欲望刺激大腦，使人體在合適的時間和地點下有意識地定期排空膀胱。ACC可以被認為是邊緣運動皮層［54］，負責身體喚醒狀態(tài)下的驅動和自我調節(jié)［55］。在循環(huán)系統(tǒng)中，前扣帶回背側（dACC）激活控制心率的交感神經［56］。同樣，ACC激活可通過這些外周器官上的交感β、α腎上腺素能受體協(xié)同控制下尿路功能。此外，dACC通常與相鄰的輔助運動區(qū)（SMA）共同激活，后者的激活與盆底肌和橫紋肌的收縮有關［57-59］。因此，如果急迫性尿失禁患者產生突然的尿意時，dACC和SMA能夠做出相應的反應，使人體產生緊迫尿意，刺激排空，同時又收縮尿道括約肌，延遲排尿，使人體有足夠的時間到合適的地點排空膀胱。

PAG到dACC/SMA的傳入信號可能是通過丘腦傳遞的，完整的信號通路目前尚不清楚，可能涉及腦干的交感核、PAG，甚至是L區(qū)。這種回路似乎是一種短期的后備失禁機制，用于急迫性尿失禁或膀胱過度活動癥患者癥狀發(fā)作時，而在正常受試者中，dACC/SMA被膀胱充盈信號激活的強度較低或不被激活。

2.2.3 通路3 皮層下機制 正常情況下，膀胱始終處于緩慢充盈的狀態(tài)，但人體并無明顯尿意產生，此時大腦在無意識地監(jiān)測膀胱，此時fMRI顯示出皮層下網絡的激活，包括PAG和顳葉皮層海馬旁回［60］。此時通路1和通路2可能沒有激活，因此無膀胱充盈感覺的產生。

在特發(fā)性膀胱感覺或排空功能障礙的女性中，通過骶神經調節(jié)恢復膀胱感覺可導致類似腦干/海馬旁網絡的激活變化［61］。這表明PAG可能是正常監(jiān)測膀胱并與大腦其他部分交換信號的關鍵區(qū)域。由于海馬旁回靠近杏仁核，而杏仁核是情感中心，因此這個區(qū)域可能涉及影響膀胱排空的情感因素。

2.3 原位新膀胱神經控制的功能磁共振成像研究

原位新膀胱重建手術是目前膀胱全切術后尿流改道的主流術式［62-63］，其手術是否成功，很大程度上取決于患者術后能否達到滿意的尿控狀態(tài)，這一狀態(tài)的實現(xiàn)主要基于膀胱尿流動力學特征和神經反射通路的完整保留。目前，國際主流的新膀胱術后尿控功能分析常采用問卷調查評估，存在一定的主觀偏差，且觀察指標相對局限，不能反映整體的排尿功能系統(tǒng)重構情況。

在正常情況下，膀胱逐漸充盈時，膀胱壁被動牽拉刺激牽張感受器，并將沖動信號從盆神經傳至脊髓，再傳至大腦皮層產生尿意。而在排便時，結腸壁的被動牽拉刺激信號通過脊髓傳至大腦皮層產生便意。膀胱和乙狀結腸同處于盆腔低位，乙狀結腸受L1-2交感神經及S2-4副交感神經支配，與膀胱的神經支配部分同源，兩者的蠕動節(jié)律及壓力相近，使得排尿和排便的神經機制具有部分相似之處。經過與神經電生理專家探討及查閱文獻的基礎上，我們挑選了8位行全去帶乙狀結腸手術的新膀胱患者進行靜息態(tài)fMRI腦功能成像檢查并進行ReHo分析，得到的ReHo初步分析圖表明相較于空虛狀態(tài)，新膀胱充盈且產生較為強烈的尿意時，大腦皮層右側額下回島蓋部和旁扣帶回有較為明顯的激活，提示該腦區(qū)可能與全去帶乙狀結腸新膀胱患者尿意產生有關。

目前國際上和國內暫無關于原位新膀胱儲尿控尿機制的神經功能學研究，由于本次我們預試驗納入的樣本量較少，且靜息態(tài)功能磁共振受患者自身思維狀態(tài)影響較大，結果可能存在較大誤差，但這并不影響其對我們的提示和啟發(fā)作用。接下來我們將逐步擴大樣本量，并在靜息態(tài)fMRI的基礎上加入任務態(tài)fMRI檢查，進一步探索原位新膀胱患者儲尿控尿的大腦高級中樞的調控機制。

3 總結與展望

正常膀胱充盈可能通過激活復雜的內臟-軀體通路使脊髓運動神經元興奮性降低，從而出現(xiàn)H反射的抑制。與生理性膀胱一樣，全去帶乙狀結腸原位新膀胱充盈所產生的信號同樣能夠抑制H反射，提示膀胱充盈抑制脊髓運動神經元興奮性這一現(xiàn)象的產生除膀胱傳入神經的作用之外還可能存在其他傳入神經通路的介導調控，并且使用全去帶乙狀結腸構建的新膀胱充盈時激活了該通路，其信號傳導和機制相較于回腸原位新膀胱可能更加接近生理性膀胱。另外，fMRI技術能對膀胱充盈及自主排尿時的腦功能激活區(qū)進行準確定位，還可以研究不同腦功能區(qū)之間及其與對應排尿行為之間的功能相關性，這有利于我們理解最高中樞調控排尿行為的神經學機制。

綜上，尿液的儲存和周期性釋放依賴于周圍神經和中樞神經系統(tǒng)不同層次的復雜神經網絡，該神經網絡協(xié)調控制膀胱和尿道的平滑肌及括約肌的活動。調節(jié)儲尿和排尿的神經機制非常復雜，而利用電生理學和功能磁共振成像技術來記錄和分析膀胱儲尿排尿行為的大腦調控機制是可行的。我們將利用這兩項技術進一步研究生理及病理條件下膀胱儲尿控尿的神經學機制，并以此為基礎，探索膀胱切除術后行原位新膀胱手術患者的尿意產生原理及排尿控制機制，從而為臨床術式的選擇和操作提供新的思路。