引用本文
赵敬聪, 张伟, 苏鸣. 屈光参差性弱视儿童运动视觉功能的MRI研究[J]. 中华眼视光学与视觉科学杂志, 2019,21(5): 345-350.
Jingcong Zhao, Wei Zhang, Ming Su. Study of the Perception of Visual Motion in Children with Anisometropic Amblyopia Using Functional MRI[J]. CHINESE JOURNAL OF OPTOMETRY OPHTHALMOLOGY AND VISUAL SCIENCE, 2019,21(5): 345-350.  
Doi:10.3760/cma.j.issn.1674-845X.2019.05.005
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屈光参差性弱视儿童运动视觉功能的MRI研究
赵敬聪1, 张伟2, 苏鸣1
1河北医科大学附属河北省儿童医院眼科,石家庄 050000
2天津市眼科医院,天津医科大学 眼科临床学院,天津市眼科学与视觉科学重点实验室 300020
通讯作者：张伟（ORCID：0000-0003-3613-4089）,Email：zhagnwei3067@163.com

第一作者：赵敬聪（ORCID：0000-0002-8976-1206）,Email：snowflight@sina.com

收稿日期: 2019-01-22
基金资助: 河北省科技计划项目（182777187）
摘要

目的 利用血氧水平依赖性功能磁共振成像（BOLD-fMRI）技术研究屈光参差性弱视儿童双眼间运动视觉功能相关大脑皮层功能改变。方法 系列病例研究。收集2017年6-12月在天津市眼科医院确诊为屈光参差性弱视患儿25例（25眼）作为弱视组,年龄6~15岁,招募健康志愿者25例（25眼）作为正常对照组,年龄6~14岁,采用水平左向、右向移动垂直正弦光栅,1.5T磁共振成像系统扫描图像获取数据。受试者完成视觉任务及数据采集后,应用SPM5软件进行预处理,数据比较采用 t检验。结果 正常对照组激活最明显的区域为中颞区、Brodmann 19区和37区。弱视组弱视眼较正常对照组在中颞区、Brodmann 19区、37区减少显著,额叶有较大范围激活。弱视组对侧眼Brodmann 37区、18区为激活低于正常对照组的主要脑区。弱视组弱视眼和对侧眼比较,MT区和Brodmann 19区、18区为主要激活体积及强度减少区,额中回为主要激活及强度增强区。结论 屈光参差性弱视儿童弱视眼视觉运动功能皮层BOLD-fMRI信号异常表现为脑皮层激活区体积和强度较正常儿童明显下降,且对侧非弱视眼激活脑区亦存在异常。单眼视觉运动刺激时,弱视眼有更多的脑区参与反应。

关键词: 屈光参差; 弱视; 磁共振成像; 运动视觉; 皮层功能损害
Study of the Perception of Visual Motion in Children with Anisometropic Amblyopia Using Functional MRI
Jingcong Zhao1, Wei Zhang2, Ming Su1
1Department of Ophthalmology, Children’s Hospital of Hebei Province, Shijiazhuang 050000, China;
2Tianjin Eye Hospital, Clinical College of Ophthalmology of Tianjin Medical University, Tianjin Key Laboratory of Ophthalmology and Vision Science, Tianjin 300020, China
Corresponding author:Wei Zhang, Tianjin Eye Hospital, Clinical College of Ophthalmology of Tianjin Medical University, Tianjin Key Laboratory of Ophthalmology and Vision Science, Tianjin 300020, China (Email: zhagnwei3067@163.com)
Abstract

Objective: To detect the pathogenetic mechanism of motion-sensitive cortical deficit in response to motion stimuli in children with anisometropic amblyopia using a blood oxygenation level-dependent functional magnetic resonance imaging technique (BOLD-fMRI).Methods: This was a case series study. Patients were collected from June to December 2017 at Tianjin Eye Hospital. Twenty-five patients who were diagnosed with anisometropic amblyopia as amblyopia group and twenty-five normal volunteers were examined as control group. A BOLD-fMRI technique on a 1.5T MRI and a horizontally moving sinusoidal grating block design were used for task conditions. All data were processed with SPM5 software, were analyzed by t test.Results: Significant fMRI activation and comparable right and left eye activation were found in the middle temporal area (MT), and Brodmann areas 19 and 37, in all control subjects; Lesser cortical activation in area MT and Brodmann areas 37, 19, and greater activation in the frontal gyrus of the lazy eye group were detected compared to the control group. Lesser cortical activation in Brodmann area 37, 18 of the contralateral eye of the amblyopic group was detected compared to the control group. Lesser cortical activation in area MT and Brodmann areas 19, 18, and greater activation in the frontal lobes of the anisometropic amblyopic eyes were detected compared to the contralateral eyes.Conclusions: The spatial extent and intensity of the visual cortex activation in the visual cortex decreases in the amblyopic eye compared to the normal control. Decreased cortical activation in the fellow eye is prevalent. A greater visual cortex area is activated when stimulating the amblyopic eye.

Keyword: Anisometropia; amblyopia; magnetic resonance imaging; visual motion; cortical deficit

弱视是视觉发育关键期（可塑期）进入眼内的视觉刺激不够充分, 剥夺了形成清晰物像的机会（形觉剥夺）和（或）两眼输入不同引起清晰物像与模糊物像间发生竞争（双眼相互作用异常）所造成的单眼或双眼视力发育障碍, 属于视觉发育相关疾病。既往对斜视性和屈光参差性弱视的双眼间视功能状态研究发现弱视眼与非弱视眼存在多种视功能异常[1, 2, 3], 其中就包括追随、扫视等运动视觉功能, 弱视眼追随扫视运动潜伏期较对侧眼延长[4, 5]。
功能核磁技术对于弱视发病机制的研究提示弱视患儿存在多种皮层功能缺陷, 导致结构和功能改变, 影响视觉信号处理[6, 7]。本研究采用血氧水平依赖性功能磁共振成像（Blood oxygenation level depndent-functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI）技术对屈光参差性弱视儿童双眼间运动视觉功能皮层的功能进行分析, 旨在观察弱视对皮层功能的影响。

1 对象与方法
1.1 对象

收集2017年6-12月天津市眼科医院门诊确诊的屈光参差性弱视患者25例, 剔除头动与运动伪影后为20例, 其中男11例, 女9例, 年龄6~15岁, 单眼弱视, 弱视眼矫正视力≤ 0.3, 对侧眼矫正视力≥ 1.0, 双眼球镜度相差≥ 1.50 D或双眼柱镜度相差≥ 1.00 D。选择医院斜视与小儿眼科门诊就诊眼部查体正常儿童25例作为正常对照组, 剔除头动与运动伪影后为23例, 其中男11例, 女12例, 年龄6~14岁, 排除其他眼病, 双眼矫正视力为1.0以上。本研究遵守赫尔辛基宣言, 所有被检查者监护人均签署知情同意书, 且通过天津市眼科医院伦理委员会审查论证（批号：TJYYLL-2016-42）。

1.2 实验设备及参数

采用GE 1.5T Twin speed infinity with Excite II磁共振全身扫描仪及头部正交线圈。成像范围覆盖全脑。对所有受试者进行高分辨率T1WI（解剖像）和fMRI扫描。

高分辨率T1WI采用3D-FSPGR序列, 参数如下：重复时间（Repetition time, TR）为30 ms, 回波时间（Echo time, TE）为5 ms, 反转角（Flip angel, FA） 为45° , 矩阵为256× 192, 激励次数为1, 视野（Field of view, FOV）为24 cm× 24 cm, 层厚为1.6 mm, 层间距为1 mm, 层数为76, 扫描时间为4 min 49 s。获得有效图像76幅。

fMRI采用梯度回波单次激发回波平面成像技术采集BOLD数据, 参数如下：TR为2 000 ms, TE为60 ms, 反转角为90° , 视野为24 cm× 24 cm, 矩阵为128× 128, 层面内分辨率为1.875 mm× 1.875 mm, 扫描层厚为5 mm, 层间距为1 mm, 共22层, 与实验内容相对应, 扫描时间为4 min 20 s, 获得图像2 860幅。

1.3 实验刺激程序设计

实验刺激程序采用“ presentation” 编程软件, 刺激内容设计为水平左向、右向移动垂直正弦光栅, 空间频率为2 c/d, 移动速度为4° /s, 对比度为50%, 周边对比度逐渐减低以消除明显的边缘。对照任务：刺激屏中央静止灰色“ +” 为固视点, 刺激图形直接呈现在被检者配戴的Goggle镜中。采用单因素单水平组块设计, 组块由激活状态和控制状态交替进行, 次序为：对照-右向运动光栅-静止光栅-左向运动光栅-对照, 共5个组块, 其中左向与右向运动光栅随机出现。每个组块10个时相（1个时相为全脑扫描1次）, 第1个对照组块前有5个时相的预扫描, 为适应期, 提示受检者做好实验准备。每个时相为2 000 ms, 1次成功成像扫描时间为4 min 20 s。眼贴分别遮盖单眼, 行正常对照组左右眼、弱视组弱视眼和对侧眼检查。

1.4 fMRI数据预处理

提取出采集的数据, 在一台ADV工作站上进行离线处理, 先用MRIcro软件进行头文件（* .hdr）及（* .img）格式转换, 以适合于Matlab（The MathWorks, Inc.）平台下运行。本研究采用通用软件SPM5（英国Wellcome Department of Imaging Neuroscience）进行数据预处理和统计分析。对每个受试者fMRI数据的预处理步骤如下：运动校正去除头动影响; 空间标准化去除个体大脑形状、大小等方面的差异; 空间平滑以减少标准化后剩余的个体差异; 低频滤波以去除高频信号的干扰; 去除协变量以去除运动、全脑信号（不良注视、自主思考）等对同步振荡信号的影响。

1.5 统计学方法

系列病例研究。采用SPM5基本模式对屈光参差性弱视儿童和正常对照组之间脑功能区的激活范围及强度进行t检验, 比较不同受试组之间的脑区激活异同。经过预处理后, 对符合要求的受试者数据进行统计分析。通过时间信号强度曲线的相关分析来判断与刺激和对照任务之间差异直接相关的激活区。然后对资料进行像素水平的t检验, 对脑激活部位进行筛选处理。统计阈值概率设定为P< 0.05, 激活范围阈值设定为10个像素, 即连续激活像素数达到10以上的区域考虑为有意义的激活区。记录激活区的激活体积（用像素数表示）及激活强度（用t检验的统计值t表示）。

2 结果
2.1 对照组视觉刺激脑激活区情况

对正常对照组的左、右眼分别作组分析, 激活最明显的区域为中颞区（MT区）、Brodmann 37区和19区（即中、下颞叶及中枕叶）, 其次为Brodmann 17区、18区（即舌回和楔状回）、楔前叶皮层。分别刺激双侧视皮层激活区体积及强度, 并进行配对t检验分析, 结果显示左、右眼差异无统计学意义（t= 0.872, P=0.833）。

2.2 屈光参差性弱视组刺激脑激活区变化

2.2.1 弱视眼和正常对照眼比较 MT区、Brodmann 17区、18区、19区、37区激活强度均减少, 但以MT区、Brodmann 19区、37区减少较显著, 额叶（额中回）有较大范围激活（见图1）。

图1. 屈光参差性弱视儿童弱视眼与正常对照儿童脑区激活差异图
A：刺激弱视眼脑区激活较正常对照儿童减少, 主要表现在MT区、Brodmann 17区、18区、19区、37区; B：增强区主要在额叶（P< 0.05）Figure 1. Difference in motion-sensitive cortex activation between the anisometropic amblyopic eye and the eye of the normal control group when viewing.
A: Lesser cortical activation in area MT, Brodmann areas 17, 18, 19, of the lazy eye group vs. the control group. B: Greater activation in the frontal gyrus of the anisometropic eye group vs. the control group.

2.2.2 对侧眼和正常对照眼比较 Brodmann 37区、18区、19区激活强度均有所减少, 但以Brodmann 37区、18区减少显著（见图2）。

图2. 屈光参差性弱视儿童对侧眼与正常对照组儿童脑区激活差异图
A：显示刺激对侧眼Brodmann37、18区激活较正常对照组减少; B：显示刺激对侧眼Brodmann 18、19区激活较正常对照组减少（P< 0.05）Figure 2. Difference in motion-sensitive cortex activation between the contralateral eye of the amblyopic group and the eye of the normal control group when viewing.
A: Lesser cortical activation in Brodmann areas 37, 18 of the contralateral eye group vs. the control group. B: Lesser cortical activation in Brodmann areas 18, 19 of the contralateral eye group vs. the control group.

2.2.3 弱视眼与对侧眼比较 MT区和Brodmann 18区、19区为主要激活体积及强度减少区, 而Brodmann 17区和37区未见显著性差异, 额中回为主要激活增强脑区（见图3）。

图3. 屈光参差性弱视儿童弱视眼与对侧眼脑区激活差异图
A、B显示弱视眼MT区和Brodmann 18区、19区激活较对侧眼激活减少, 额中回激活增强（P< 0.05）Figure 3. Difference in motion-sensitive cortex activation between the anisometropic amblyopic eye and the contralateral eye of the amblyopic group when viewing.
A, B: Lesser cortical activation in area MT, Brodmann areas 18, 19 and greater activation in the frontal lobes of the anisometropic amblyopic eye vs. the contralateral eye.

3 讨论

动物实验及临床电生理研究显示, 弱视是由于视觉发育关键期异常的视觉经验引起的空间时间视觉缺损的疾病, 各种原因（斜视或屈光不正等）造成视网膜不能清晰成像, 使视路系统包括视网膜神经节细胞、膝状体神经元及皮质神经元形态或功能异常。对比敏感度是评价弱视空间损害的心理物理学指标。与正常人比较, 中、重度弱视患者的弱视眼在低、中、高各个空间频率上均存在缺损[8], 视力正常的对侧眼在高空间频率也存在缺损[9]。本研究采用BOLD-fMRI以氧合血红蛋白/脱氧血红蛋白作为内源性对比剂, 弱视组受试者弱视眼矫正视力< 0.3, 为重度弱视, fMRI信号采集均在2 cpd低空间频率正弦光栅刺激下进行, 有利于在等价的空间视觉效应下从皮层整体水平观察屈光参差性弱视儿童双眼间运动视觉神经元激活水平的改变。

本研究结果显示正常对照组中MT区反应最为明显, MT区也称V5区, 位于Brodmannn 19区与37区、39区交界处, 负责加工处理复杂的视觉运动刺激[10, 11], 由许多对复杂视觉刺激特点的运动有选择性的神经元构成, V5区能把局部的视觉信号整合到物体复杂的整体运动中去, 是视觉运动信息处理的重要中枢。

既往报道屈光不正弱视儿童存在视觉运动功能的严重受损[12]。我们的研究发现屈光参差性弱视儿童接受单眼刺激时激活区域为MT区及Brodmann 17区、18区、19区、37区, 弱视眼与对侧眼、正常对照眼比较, 以上各区激活均减弱。弱视组的弱视眼与对侧眼比较, MT区和Brodmann 18区、19区为主要激活体积及强度减少区, 而Brodmann 17区和37区未见显著性差异, 这与Ho和Giaschi[13]的报道一致, 提示屈光参差性弱视儿童可能存在视觉运动皮层功能损害。屈光参差性弱视儿童中屈光度较高的眼由于长期无法形成清晰图像, 视觉信息明显减少, 同时双眼由于成像清晰度不同, 视觉信号不能融合, 弱视眼可能受到对侧眼的抑制, 明显减少了视觉信号向初级视皮层的传导及初级视皮层对视觉信息的处理, 导致视通路及初级视皮层无法得到足够的视觉信号刺激[14]。视通路及初级视皮层在长期发育中不仅发生形态及功能性改变, 在初级皮层向高级皮层的传导过程中也存在着竞争抑制不平衡, 造成高级视运动受影响。本研究发现, 弱视眼激活脑区中与对侧眼及正常对照组比较, 存在额中回的激活增强, 这一结果与卢光明等[15]的报道一致。额中回的后部为头眼协同运动中枢, 管理两眼向同侧凝视, 即两眼同时向一侧转动（眼的随意扫视运动）。弱视眼接受刺激时额叶有范围较广泛但强度较弱的信号反应, 说明弱视眼在处理视觉运动信息时有更多的脑区参与来补偿MT区功能的异常[16]。

本研究弱视组的对侧眼与对照组比较, MT区及Brodmann 17区、18区、19区、37区激活亦存在减弱, 以Brodmann 18区、37区减少显著。双眼细胞占视皮层细胞的75%, 引起非弱视眼受损的可能原因与异常双眼相互作用及异常的双眼视功能发育有关[17]。有动物实验显示, 斜视及屈光参差性弱视对侧眼亦存在对比敏感度的缺陷[18], MT区皮层细胞对双眼输入信号敏感, 仅约50%细胞是由弱视眼驱动的, 对侧眼小幅度的对比敏感度降低会对MT区功能造成较大影响[19]。视觉运动交互机制是双眼性的, 在弱视儿童中观察到双眼均存在视觉运动功能损害, 可能是由于发育早期双眼视觉功能发育障碍造成MT区功能的单眼性改变[20]。因此, 非弱视眼的损害可能是由于弱视眼的损害引起的, 这可能是为了保持双眼平衡, 以最大限度地保持双眼视功能。

综上所述, 屈光参差性弱视儿童视觉运动功能皮层BOLD-fMRI信号异常表现为脑皮层激活区体积和强度较正常儿童明显下降, 对侧非弱视眼亦存在显著性异常, 单眼视觉运动刺激时, 弱视眼有更多的脑区参与反应。fMRI技术具有直观高分辨、无创性等优点, 已逐渐广泛用于基础和临床研究中。但由于其并非直接显示神经元的功能活动, 而是通过血氧含量和血流量的变化间接反映神经元的活动, 检查过程中对受试者配合度要求高等特点使该技术应用在弱视儿童视觉研究中仍存在局限。

利益冲突申明 本研究无任何利益冲突

作者贡献声明 赵敬聪：参与课题设计和数据收集分析, 撰写论文, 根据编辑部的修改意见进行核修。张伟：课题设计, 修改论文中关键性理论, 根据编辑部修改意见核修进行审阅。苏鸣：数据收集, 资料分析, 参与修改论文中关键性结果、讨论

The authors have declared that no competing interests exist.

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