人脑高级中枢能够通过完整的反射弧接受来自膀胱壁上的压力感受器信号，并对其做出反馈参与调控人体的排尿和储尿行为。现有理论认为膀胱自然充盈到400~500 mL时，膀胱壁的压力感受器会产生兴奋，通过传入神经至相应的脊髓节段再到脑干的中脑导管周围灰质区（PAG），上传至大脑皮层进行信息整合，对是否排尿做出判断[1]。此过程中的任一流程出现问题均会导致人体的排尿功能出现障碍。研究表明，70%~84%的脊髓损伤患者伴有神经源性下尿路功能障碍[2]，其中高达90%的女性患者在其生活中会经历一定程度的控尿功能障碍，尤其是尿失禁[3]。
对象与方法
一、研究对象
本研究组于2023年1月至4月在深圳市公开随机招募健康成年女性志愿者作为研究对象。考虑到本研究为探索性观察性研究，参考以往fNIRS相关研究样本量设置以及数据分析所需标准，共纳入20名志愿者，其年龄为（30.4±2.4）岁，BMI为（20.4±1.2）kg/m2，其中14人产次< 2次，6人产次≥2次。纳入标准：①右利手；②年龄18~40岁；③认知功能正常，能配合完成研究；④无盆底神经肌肉组织、脏器损伤和功能障碍；⑤无中枢神经系统和其他器官病变。排除标准：①存在颅脑损伤或进行过颅脑手术；②存在脊髓损伤或进行过脊髓手术；③存在腹部创伤或进行过腹部手术；④伴有恶性肿瘤或严重的系统性疾病；⑤存在精神问题；⑥近期服用过可使人兴奋的食物及药物；⑦有长期饮酒熬夜等不良习惯；⑧试验前1 h进行了剧烈运动。本研究通过深圳大学第二附属医院的伦理审查（批件号：BYL20220506），并在中国临床试验注册中心注册（注册号：ChiCTR2200067055），研究对象均自愿参与本研究并签署知情同意书。
二、研究方法
1. 任务模式
本实验采用区块设计方法：任务期以最大力量收缩盆底肌之后保持盆底肌的收缩状态5 s、再放松5 s，耗时10 s，总共收缩3次，时间为30 s，然后休息20 s，任务期加上休息时间为50 s。此过程重复进行5次，时间为250 s。在任务测试前有20 s的静息数据采集，整个流程耗时270 s。
2. fNIRS数据收集
本研究仪器为武汉资联虹康公司的依瑞德近红外脑功能成像系统（BS-3000），其波长为690 nm和830 nm，采样频率为20 Hz。配套的光纤帽有12个发射光极、12个接收光极和37个通道，根据布鲁德曼脑部分区将光纤帽通道所覆盖的前额叶分为4个脑区，分别是腹外侧前额叶（VLPFC）、背外侧前额叶（DLPFC）、额极（FPC）和眶额区（OFC），见图1。在进行实验之前，确保每位受试者学会正确的盆底肌收缩运动。在进行fNIRS检测前，需要排空膀胱，且在15 min内口服1 000 mL的饮用水等待膀胱充盈，直至第1次产生膀胱充盈感或有想排空膀胱的感觉[11]，通过经腹超声检查明确膀胱处于充盈状态。受试者取坐位，充分放松四肢和躯干，避免说话、摇头等额外动作，戴好 fNIRS 光纤帽，矫正帽子上的光极，使其与头皮充分接触。制作同步的270 s视频以减少声音干扰，受试者可根据视频提示（收缩、休息）做出相应动作，其间保持平静呼吸。膀胱充盈时的近红外数据收集完成之后嘱研究对象排空膀胱，休息3 min后以同样流程收集膀胱空虚时的近红外数据。
3. fNIRS数据处理
利用Matlab软件运行Homer2工具箱对37个通道的原始数据进行预处理[12]：①将原始光强转为光密度数据；②运动伪影识别，减少身体微动产生的干扰因素；③用条样插值法去除运动伪影[13]，对数据进行修补；④用0.01~0.10 Hz带通滤波去除外界和自身因素的干扰信号；⑤根据修正版朗伯比尔定律（Lambert-Beer law），将光密度数据转换为信噪比较高的氧合血红蛋白（Oxy-Hb）浓度变化值[14]；⑥叠加平均每个区块的血流动力学数据。再通过NIRS-KIT工具箱对数据进行分析：对Oxy-Hb变化值建立一般线性模型（GLM）估算盆底肌收缩任务下每个通道所对应的参数Beta值[15]，作为此次研究的主要观察指标。然后利用NIRS-KIT工具箱的组水平分析板块分别对膀胱充盈状态和膀胱空虚状态下的2组Beta值数据进行统计学分析，其中组内数据比较采用单样本t检验，以P < 0.05为激活通道；2组间数据比较采用配对样本t检验，以P < 0.05为差异通道。
三、统计学处理
利用Excel表格统计前额叶左右脑区和前额叶左右不同分区所对应各个通道Beta值，然后利用SPSS 23.0软件进行统计学分析。其中符合正态分布的计量资料采用配对样本t检验，以$\bar{x}±s$表示；非正态分布计量资料采用Wilcoxon符号秩和检验，以M（P25，P75）表示。P < 0.05为差异有统计学意义。
结果
一、膀胱充盈与空虚状态下大脑前额皮层脑区的激活情况
膀胱充盈状态下对各通道提取的Beta值进行单样本t检验并作图，结果显示：相较于静息期，在进行盆底肌收缩任务时，前额皮层明显激活，总共有30个通道的Beta值P < 0.05，且4个脑区均有不同程度的激活，分别为背外侧前额叶（通道4/7/9/10/11/12/16/19/20/21/26/28/32/34）、额极（通道13/15/17/18/22/23/25/27）、腹外侧前额叶（通道1/2/3/6/35/37）以及眶额区（通道14/24），见图2A。
以同样的方法，对膀胱空虚状态下的各通道的Beta值进行统计分析，结果显示：前额皮层也有部分脑区被激活，有8个通道的Beta值P < 0.05，分别为背外侧前额叶（通道10/11/28）、额极（通道15/23/27）以及腹外侧前额叶（通道2/30），见图2B。
2种膀胱状态下共同激活的通道共7个，分别是背外侧前额叶（通道10/11/28）、额极（通道15/23/27）和腹外侧前额叶（通道2）。
二、膀胱充盈与空虚状态下大脑前额皮层脑区激活情况对比
1. 膀胱充盈与空虚状态下大脑前额皮层激活通道的差异
对膀胱充盈与空虚状态下前额皮层各通道Beta值进行配对样本t检验，4个通道的差异均具有统计学意义（P均< 0.05），见表1。
表1 膀胱充盈与空虚状态下大脑前额叶皮层激活通道比较 |
| 通道 | 蒙特利尔神经学研究所空间坐标 | 布鲁德曼分区 | Beta值/（×10-7mol/mm） | t值 | P值 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X | Y | Z | 充盈状态 | 空虚状态 | ||||
| 11 | -27.51 | 61.07 | 52.77 | BA9、BA46 | 2.07±2.85 | 2.40±3.05 | -2.539 | 0.020 |
| 13 | -41.68 | 73.83 | 12.87 | BA10 | 2.06±2.35 | -1.07±6.80 | 2.450 | 0.024 |
| 21 | 28.23 | 62.68 | 54.16 | BA9、BA46 | 3.05±2.89 | 1.05±3.65 | 2.113 | 0.048 |
| 26 | 42.34 | 64.48 | 39.20 | BA9、BA46 | 2.49±3.72 | 0.11±3.73 | 2.361 | 0.029 |
2. 膀胱充盈与空虚状态下大脑前额皮层不同脑区激活的差异
表2 膀胱充盈与空虚状态下前额叶左右脑区激活Beta值对比 |
| 膀胱状态 | Beta值/（×10-7 mol/mm） | Z 值 | P值 | |
|---|---|---|---|---|
| 充盈状态 | 空虚状态 | |||
| 左侧脑区 | 2.44（1.92，3.27） | 1.75（0.54，2.75） | -1.207 | 0.227 |
| 右侧脑区 | 2.11（1.63，2.67） | 1.79（1.05，2.29） | -2.059 | 0.039 |
| Z值 | 0.993 | -0.828 | ||
| P值 | 0.336 | 0.407 | ||
表3 膀胱充盈与空虚状态下前额叶不同脑区激活Beta值对比 |
| 脑 区 | Beta值/（×10-7 mol/mm） | t值 | P值 | |
|---|---|---|---|---|
| 充盈状态 | 空虚状态 | |||
| 左侧背外侧前额叶 | 2.75±0.91 | 2.58±2.59 | 0.188 | 0.856 |
| 右侧背外侧前额叶 | 2.13±0.75 | 0.81±1.39 | 2.660 | 0.032 |
| 背外侧前额叶 | 2.44±0.87 | 1.70±2.20 | 1.444 | 0.169 |
| 左侧腹外侧前额叶 | 1.76±0.64 | 2.09±2.06 | -0.435 | 0.686 |
| 右侧腹外侧前额叶 | 1.74±0.40 | 1.90±0.62 | -0.379 | 0.724 |
| 腹外侧前额叶 | 1.75±0.50 | 1.99±1.44 | -0.597 | 0.565 |
| 左侧额极 | 2.88±0.81 | 1.12±1.91 | 1.607 | 0.123 |
| 右侧额极 | 3.24±0.50 | 2.33±0.07 | 1.849 | 0.080 |
| 额极 | 3.06±0.63 | 1.72±1.38 | 2.785 | 0.017 |
讨论
本研究通过膀胱充盈时自主收缩盆底肌来模拟特殊情况下不宜排尿时抑制排尿的行为，并与膀胱空虚时单纯的盆底肌收缩进行对比，发现膀胱充盈时右侧前额皮层显著激活。排尿在很大程度上由右脑控制[1]，临床研究显示右侧额叶出血与尿失禁相关，随着右侧前额皮层出血灶的吸收，患者症状逐渐好转[21]。本研究结果与现有研究结论相一致，由此推测右侧前额皮层在控尿过程中发挥的作用可能更为突出。通过进一步的分析发现右侧DLPFC和FPC在2种膀胱状态下的激活情况存在差异。前额皮层中负责执行功能的大脑区域主要是双侧的背外侧前额叶，其主要功能包括接收来自不同感官模式的输入、保持注意力、监控并执行工作任务中的信息以及协调目标导向等行为[22-23]。此外，背外侧前额叶还参与任务设置和监测[24]，同时与运动系统紧密联系，参与动作的选择和执行[25]。最新提出的膀胱控制工作模型提示膀胱充盈扩张的感觉通过丘脑后可激活外侧前额皮层，减少对中脑导水管周围灰质PAG的输出，从而抑制排尿反射[26]。人在感到排空冲动时会有意识地收缩盆底肌，从而抑制逼尿肌收缩，形成一种保护反射[27]。既往研究表明，健康女性在接受膀胱扩张的内脏刺激时可激活背外侧前额叶[28]，当大脑对空虚的欲望越强，双侧背外侧前额叶的激活就越强，提示背外侧前额叶可能与内部感受刺激的监测和膀胱状态的感知有关[29]。额极位于前额皮层较为靠前的位置，是灵长类动物独有的细胞结构区域，与其相关的神经成像研究大部分探讨的是认知功能[30]，包括工作记忆、任务规划和行为探索等功能[31]。虽然目前没有直接证据表明额极与人体正常控尿功能存在联系，但是有研究显示额极在前额皮层中存在广泛的功能连接并与外侧前额皮层联系密切[32]。此外，额极与扣带皮层以及前运动皮层也存在紧密联系[33]。
综上所述，fNIRS技术未来可以被应用于人体控尿中枢的影像学研究。背外侧前额叶是前额皮层的重要部分，其对膀胱充盈刺激的感受和控尿方面的作用不容忽视。对于大脑如何系统感知膀胱的压力变化并进行信息整合，如何通过调节盆底肌的自主舒缩运动发挥其在控尿过程中的作用等方面仍有待深入研究。