BOLD信号的起源
尽管神经元活动伴随着能量利用的增加，但并不是能量使用的增加本身直接引发了相关的血流增加。相反，血流增加是突触前神经递质作用的直接结果(Attwell和Iadecola，
2002)，从而反映局部神经元信号。BOLD信号的增加在电生理学上与局部场电位的相关性最强，而不是神经元放电速率(Logothetis et al.， 2001)。与神经元活动相关的血流增加的体积是由局部小动脉的灌注范围决定的。
微动脉反应可能有多种介质，但在正常情况下，一氧化氮(NO)和类烯二酮显然很重要(Buerk et al.， 2003;圣劳伦斯等人，2003年)。谷氨酸与星形胶质细胞受体的结合触发NO的释放。因此，神经-血流动力学耦合可能随着疾病而改变(D'Esposito等人，
2003)。例如，缺血梗死后早期，区域脑血流(rCBF)可能与区域脑分离(缺乏反应)代谢率对于葡萄糖消耗(rCMRglu)(持续性反应)，这是缺血诱导的一氧化氮合成抑制的结果
thetase (NOS)。即使是长期的，与此或其他机制相关的脑神经元-血流动力学耦合也可能发生变化(Pineiro et al.， 2002)。
多发性硬化症中NOS普遍上调(Smith和Lassmann, 2002)。我们对复发-缓解MS患者的血流动力学耦合的潜在变化进行了初步评估(Saini等，2004年)。令人欣慰的是，运动激活的血液动力学反应似乎得到了很好的保存，这表明在MS研究中，基于fMRI推断功能定位没有重大混淆(图2)。
3运动学习健康的大脑为理解脑损伤后的适应性功能重组提供了基础
可以说，大脑的进化与其说是为了适应损伤，不如说是为了适应外部或内部环境的变化。这是一个很有吸引力的假设，广泛的脑功能重组的例子，以应对改变的外部刺激或内部状态依赖于共同的机制。动物模型研究表明，在感觉运动皮层区有类似的功能变化周围神经例如，损伤(Seil, 1997)、截肢(Florence et al.， 1998)或重复直接皮质刺激(Nudo et al.， 1990)。外围
信号强度(%) |
■控制A型多发性硬化患者 |
|||
3.5 -i 3.02.52.01.51.0.0.5 0.0 -0.5-1.0-1.5- |
M f M j[f . |
t \ \房车 |
||
■我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我36 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 时间(年代) |
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图2显示了健康对照组和临床稳定复发-缓解患者的初级感觉运动皮层中单个高度激活体素的平均血流动力学反应多发性硬化症在用右手重复书写时(见Saini et al.， 2004)。两组间信号强度上升速率及血氧合水平依赖性(BOLD)信号最大增加率无明显差异。这些结果表明，在这些多发性硬化症患者中，神经元活动和BOLD反应之间的关系没有改变。
图2显示了健康对照组和临床稳定复发缓解多发性硬化症患者在用右手重复书写任务时，初级感觉运动皮层单一高度激活体素的平均血流动力学反应(见Saini et al.， 2004)。两组间信号强度上升速率及血氧合水平依赖性(BOLD)信号最大增加率无明显差异。这些结果表明，在这些多发性硬化症患者中，神经元活动和BOLD反应之间的关系没有改变。
猴子的传入神经转移导致传入神经肢体的皮层反应面积减少(Merzenich et al.， 1983;Garraghty和Kaas, 1991)，反映了运动技能学习(Kleim等人，1998)或重复皮质内微刺激(Nudo等人，1990)时皮质反应性的扩大。与传入性或传出性活动的改变相关的皮层功能组织的改变至少有一些共同的机制，无论改变活动的具体原因是什么;然而，这种类型的变化最常见的表现是为了学习。最普遍的学习方式包括改变大脑对刺激及其结果之间关系的表征。因此，对学习的研究可能提供重要的教训，以帮助理解大脑对损伤的反应。
运动学习可以是短期的也可以是长期的。不同的行为模式和脑功能活动变化与两种学习时间框架相关。在短期学习中，表现的快速提高与任务的特定注意力需求的减少相关(Floyer-Lea和Matthews, 2003)。这与前额叶皮层活动的减少和移动肢体对侧初级运动皮层活动的逐渐“聚焦”有关(图3)(例如，Ramnani等人，2000;托尼等人，2001a;Grafton等，1992;Karni et al.， 1995, 1998)，随着练习的增加，表演变得更加自动化。值得注意的是，图3所示的激活模式的动态变化与恢复后大脑活动的动态变化之间有很大的相似之处急性中风(参见Ward et al.， 2003)。
许多类型运动技能的习得似乎与初级运动皮层表征的改变有关;
Higjit Flint ary运动皮层
1234567 ss1u块
额极
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额极
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R |
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左打印ary电机Cortes
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预热电机区a i-
背外侧前额C皮质
背外侧前额C皮质
-
- 1334 - 3678年»10
Intra-Parietal沟
图3一组健康受试者在学习用(惯用)右手按视觉呈现的模式施加手指屈曲压力时，大脑激活与他们的表现改善相关，以及他们的时间进程(组随机效应图像，z < 2.3, P < 0.01，校正)。激活增加的区域用红色表示;激活减弱的区域用蓝色表示。实验开始时，右脑(A)和左脑(B)运动皮层的激活水平相似。尽管在实验过程中，大脑两侧的激活都有所减少，但右半球的激活比左半球的减少更明显，所以在实验结束时，激活几乎完全是左半球化的。背外侧前额叶皮层(DLPFC)和前辅助运动区(pre-SMA)的时间历程形成鲜明对比。DLPFC (E)表现出最初的高激活，然后急剧下降，在早期学习阶段完成之前达到基线水平。pre-SMA (D)的激活先增加后下降，在DLPFC激活下降时达到峰值。额极(C)的时间过程接近行为学习本身的时间过程，而顶叶内沟(IPS) (F)显示出更持续的减少，并持续到学习后阶段。
例如，在学习等量跟踪任务后(Floyer-Lea等人，未发表)或在发展羽毛球等运动技能后(Pearce等人，2000年)，会发现质量相似的现象。基于侵入性皮层映射，非人灵长类动物的初级运动皮层也有类似的变化。例如，当猴子学会从更小的井里画花生时，在初级运动皮层中有肢体运动的运动表征的重组(Nudo et al.， 1996a)。然而，值得注意的是，人类和灵长类动物的研究都强调，这些与学习相关的大脑活动模式的变化是特定于任务的(Floyer-Lea和Matthews, 2003;Karni等人，1995;Kleim等人，1998)。即使两个相似(但截然不同)的手指运动序列也不能使用完全相同的表示(Karni et al.， 1995)。
这表明，一般技能学习的基础(例如，能够弹钢琴，而不是能够在钢琴上演奏任何特定的曲子)不仅仅是初级运动皮层中运动表征的变化。人们可以推测，这种可能是理解康复的核心的学习形式，是由分布更广泛的变化所介导的。这种改变网络中一个潜在的重要部分涉及额顶叶回路。背外侧前额叶皮层的活动与解决问题有关，并表现出与绩效相关的活动增加(Duncan et al.， 2000)。顶叶活动参与评估刺激的潜在意义(Driver和Mattingley, 1998;Mort et al.， 2003)。后顶叶皮层也与视觉和空间刺激选择有关(Fink etal .， 1996)。与此相一致的是，移动的准备与额顶叶的激活有关。
研究皮层下的活动更加困难，但皮层下区域显然也对与学习有关的大脑回路起着重要作用。皮质下回路似乎尤其涉及学习内隐任务(Doyon等人，2002;Laforce, Jr.和Doyon, 2001)或当任务变得更加自动化(当表现不那么受干扰时)(Floyer-Lea和Matthews, 2003)。
尽管我们可以从健康大脑的学习中吸取教训，但是，脑损伤后的运动恢复不太可能仅仅代表学习恢复。在脑损伤的情况下，一些特殊的机制可能改变功能重组的潜力(Witte, 1998)。缺血性脑损伤引发皮层兴奋性的复杂变化(Witte et al.， 2000):在局部梗死区，兴奋性降低(Neumann-Haefelin and Witte, 2000)，但在更远的地方，兴奋性增加。后者与抑制性氨基丁酸(GABA)受体水平的下调有关(Redecker et al.， 2002)。对健康大脑的研究表明，运动皮层的功能重组可能受到gaba能活性的强烈影响(Butefisch et al.， 2000)，以及通过n -甲基作用的兴奋性谷氨酰胺能系统
d -天冬氨酸(NMDA)受体(Hess等人，1994年)。失传入可诱导对侧半球兴奋性至少短暂增加(Werhahn et al.， 2002,2003)。仅感觉传入的丧失就会降低局部的GABA浓度，可能有助于推动短期的功能重组。这些因素甚至可能导致脑损伤数月后发生的结构和功能变化，此时初级修复已经减缓或停止(Taub et al.， 2002,2003)。尽管类似的现象在MS中没有很好地描述，但TMS数据表明，这种变化可能是重要的(Ho等人，1999)。
简单的运动学习和脑损伤后的恢复之间的另一个区别是，后者代表以不同的方式重新学习执行任务。要么必须制定补偿策略，要么必须适应地招募新的途径。一般来说，这必须涉及一些不同于单纯运动学习的系统。令人兴奋的工作已经开始探索处理与行动计划有关的反馈的更普遍的机制，强调这些差异。Ramnani等人使用了一个简单的视觉运动联想学习任务，并将活动锁定时间区分为积极、消极和中立(控制)反馈(Ramnani和Matthews, 2003年)。特定的大脑区域(包括背侧前额叶皮层、扣带皮层、前颞叶皮层、腹侧纹状体/苍白体、丘脑和杏仁核)在有意义的反馈下表现出活动增加。当刺激和行动之间的偶然事件被改变以创建一个再学习试验时，有意义的反馈激活了边缘上回(左侧为负反馈，右侧为正反馈)，其程度明显高于最初的学习。由此可以得出两个与当前讨论相关的结论。首先，特定的机制负责对修改行为所必需的反馈做出响应。第二，参与绩效反馈的具体途径在一定程度上取决于它们参与的环境。
四、对颅脑损伤患者的直接观察:常见的脑机制有助于皮质脊髓束损伤后的适应性改变
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