近紅外腦功能成像對卒中后抑郁神經(jīng)機(jī)制的研究

李泓鈺，王 強(qiáng),2,3，杜曉霞,2,3，王 靜，徐 舒，王 曼，宋魯平,2,3

1.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市100068；2.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院，北京市100068；3.神經(jīng)損傷與康復(fù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市100068；4.首都醫(yī)科大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，北京市100069

卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)是指發(fā)生于卒中后，表現(xiàn)出腦卒中癥狀以外的一系列以情緒低落、興趣缺失為主要特征的情感障礙綜合征[1-2]，是急性腦血管病的常見并發(fā)癥[3]。大約1/3腦卒中幸存者伴有抑郁[1]。PSD與腦卒中的不良預(yù)后密切相關(guān)，不僅會增加患者的認(rèn)知功能損害，影響康復(fù)預(yù)后以及生活質(zhì)量[4]，還會導(dǎo)致死亡率升高[5]。

PSD的發(fā)生機(jī)制尚不清楚，嚴(yán)重的抑郁癥常常伴有皮層激活和興奮性的改變，尤其是在前額葉皮層(prefrontal cortex,PFC)[6]。近紅外腦功能成像(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)技術(shù)為一種新興的光學(xué)成像技術(shù)，可以得到大腦活動期間腦組織氧合血紅蛋白(oxy-hemoglobin,Oxy-Hb)和/或脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin,Deoxy-Hb)的實(shí)時(shí)變化情況[7]，反映認(rèn)知活動期間大腦有氧代謝的變化。在神經(jīng)精神疾病及認(rèn)知心理學(xué)研究方面廣泛應(yīng)用，但目前在PSD患者中的研究相對較少。

本研究將應(yīng)用fNIRS系統(tǒng)，采用情緒面孔性別判斷任務(wù)及“1-back”工作記憶任務(wù)，觀察PSD患者在認(rèn)知加工期間前額葉Oxy-Hb相對濃度變化值，初步探討PSD的神經(jīng)機(jī)制和工作記憶功能變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2017年2月至8月北京博愛醫(yī)院神經(jīng)康復(fù)中心收治的腦卒中患者40例，其中PDS患者20例，作為PDS組；非抑郁患者20例，作為對照組。

診斷標(biāo)準(zhǔn)：①符合1995年全國第四屆腦血管病學(xué)術(shù)會議制定的缺血性及出血性卒中診斷標(biāo)準(zhǔn)[8]，并經(jīng)頭部CT或MRI證實(shí)；②符合《美國精神障礙診斷和統(tǒng)計(jì)手冊第五版》(Diagnostic and Statistical Manual of Mental DisordersⅤ,DSM-Ⅴ)[9]中PSD的診斷標(biāo)準(zhǔn)。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～70歲；②病程1～12個(gè)月；③漢密爾頓抑郁量表(Hamilton Depression Scale,HAMD)(24項(xiàng))總分≥8分；④首次抑郁發(fā)作；⑤能夠配合完成各項(xiàng)測試并簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①重度抑郁；②患有其他神經(jīng)精神疾??；③頭部有金屬植入物；④患有意識障礙、嚴(yán)重認(rèn)知障礙、嚴(yán)重失語；⑤簡易智力狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評分≤9分；⑥重要臟器如心、肺、肝、腎有嚴(yán)重疾患或功能衰竭；⑦有酗酒或藥物濫用史；⑧不能配合及耐受該研究方案的各種情況。

兩組一般資料無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

所有研究對象均對本研究知情同意并簽署知情同意書。本研究方案已經(jīng)中國康復(fù)研究中心倫理委員會審查通過。

1.2 方法

1.2.1 工作原理

采用便攜式fNIRS系統(tǒng)(美國NIRSport)記錄皮層血液動力學(xué)信息。本系統(tǒng)使用的近紅外光波長為760 nm和850 nm。有7個(gè)檢測光極和8個(gè)發(fā)射光極，光極之間的距離2.5～3.5 cm，發(fā)射光極與接收光極之間的位點(diǎn)為檢測區(qū)域，共20個(gè)檢測通道。見圖1。fNIRS系統(tǒng)信號采集頻率10 Hz。兩個(gè)波長的光強(qiáng)變化依據(jù)朗伯比爾定律(Lambert-Beer Law)轉(zhuǎn)化為Oxy-Hb相對濃度變化，單位為任意單位(arbitrary unit,a.u)。通過配套NIRS LAB軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，得到PFC的Oxy-Hb濃度變化。

表1 兩組一般資料比較

圖1 光極分布圖

1.2.2 檢測任務(wù)

1.2.2.1 情緒面孔性別判斷任務(wù)

任務(wù)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[10]并進(jìn)行改良。從中國化面孔情緒圖片系統(tǒng)(Chinese Facial Affective Picture System,CFAPS)[11]中挑選出高興、憤怒和中性面孔各10張(男性5張，女性5張)作為實(shí)驗(yàn)的刺激材料，共30個(gè)面孔。采用E-Prime 2.0軟件編寫實(shí)驗(yàn)程序。首先進(jìn)行24 s靜息狀態(tài)任務(wù)前基線數(shù)據(jù)采集；任務(wù)開始時(shí)呈現(xiàn)情緒面孔圖片，共分為正性、中性與負(fù)性三部分，每部分情緒面孔各10張，要求患者對情緒面孔的性別進(jìn)行判斷，“男性”按左鍵，“女性”按右鍵，每張圖片呈現(xiàn)固定時(shí)間2.4 s，共24 s，每部分之間間隔時(shí)間為24 s；任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行24 s靜息狀態(tài)任務(wù)后基線數(shù)據(jù)采集。

1.2.2.2 “1-back”工作記憶任務(wù)

任務(wù)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[12]。采用E-Prime 2.0軟件編寫實(shí)驗(yàn)程序。刺激材料為0～9共10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字，要求患者將出現(xiàn)的數(shù)字與前一個(gè)數(shù)字進(jìn)行比較，數(shù)字相同時(shí)按鼠標(biāo)左鍵。首先進(jìn)行30 s靜息狀態(tài)任務(wù)前基線數(shù)據(jù)采集；之后進(jìn)行“1-back”工作記憶任務(wù)，每個(gè)數(shù)字呈現(xiàn)2 s，數(shù)字之間空屏1 s，共30個(gè)數(shù)字；任務(wù)結(jié)束后進(jìn)行30 s靜息狀態(tài)任務(wù)后基線數(shù)據(jù)采集。

1.3 評價(jià)方法

將光極安放在患者PFC區(qū)域，參照國際10.20電極配置法確定額極中線點(diǎn)(frontopolar midline point,Fp)，確保中間光極發(fā)射光極位于Fp點(diǎn)上，安放時(shí)需撥開患者頭發(fā)，將光極貼于頭皮上。采集在安靜、避光環(huán)境中進(jìn)行，要求患者使用健側(cè)手進(jìn)行按鍵反應(yīng)，限制患者身體活動，尤其是頭部，避免影響數(shù)據(jù)。

進(jìn)行情緒面孔性別判斷任務(wù)及“1-back”工作記憶任務(wù)時(shí)PFC的激活程度，以PFC的Oxy-Hb濃度值的相對變化來反映。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料符合正態(tài)分布，采用表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料的組間比較采用χ2檢驗(yàn)。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 情緒面孔性別判斷任務(wù)

2.1.1 數(shù)據(jù)結(jié)果

對照組在三種情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值無顯著性差異(P＞0.05)；PSD組在三種情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，Oxy-Hb相對濃度變化值有非常顯著性差異(P＜0.01)，其中負(fù)性情緒面孔圖片呈現(xiàn)后的Oxy-Hb相對濃度變化值明顯低于正性情緒面孔圖片呈現(xiàn)后變化值(P＜0.01)。在正性及中性情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，PSD組Oxy-Hb相對濃度變化值與對照組無顯著性差異(P＞0.05)；在負(fù)性情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，PSD組Oxy-Hb相對濃度變化值顯著低于對照組(P＜0.001)。見表2。

表2 兩組情緒面孔性別判斷任務(wù)時(shí)Oxy-Hb相對濃度(10-4×a.u)

2.1.2 波譜曲線結(jié)果

對照組Oxy-Hb在三種情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，波譜變化趨勢統(tǒng)一為：任務(wù)開始后，從基線水平開始上升，到達(dá)峰值之后有下降趨勢。見圖2。

而PSD組在正性和中性情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，波譜變化趨勢為：任務(wù)開始后，從基線水平開始上升，到達(dá)峰值之后有下降趨勢。而在負(fù)性圖片呈現(xiàn)后，波譜變化趨勢為：任務(wù)開始后，曲線波動幅度較小，無明顯上升趨勢及峰值，有輕微下降趨勢。見圖3。

圖2 對照組波譜曲線結(jié)果

圖3 PSD組波譜曲線結(jié)果

2.2 “1-back”工作記憶任務(wù)

PSD組PFC和左側(cè)PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值低于對照組(P＜0.05)。兩組右側(cè)PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值無顯著性差異(P＞0.05)。見表3。

表3 兩組“1-back”工作記憶任務(wù)時(shí)Oxy-Hb相對濃度(10-4×a.u)

3 討論

本研究分別應(yīng)用情緒面孔性別判斷任務(wù)及“1-back”工作記憶任務(wù)，觀察PSD患者在認(rèn)知加工期間前額葉氧合血紅蛋白相對濃度變化值，初步探討PSD的神經(jīng)機(jī)制和工作記憶功能變化。

情緒障礙與大腦網(wǎng)絡(luò)功能障礙相關(guān)，作為大腦情緒網(wǎng)絡(luò)(主要包括前額葉皮層、杏仁核和邊緣系統(tǒng))的一部分，前額葉功能障礙在情緒障礙中發(fā)揮了重要的作用[13]。有研究發(fā)現(xiàn)，抑郁患者表現(xiàn)出對正性和負(fù)性事件的情緒反應(yīng)鈍化，影響個(gè)體對環(huán)境的敏感性，降低其情緒激活水平[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，在負(fù)性情緒面孔圖片呈現(xiàn)后，PSD組Oxy-Hb相對濃度變化值顯著低于對照組，PFC激活程度降低。Kerestes等[15]發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)患者在負(fù)性情緒時(shí)左側(cè)背外側(cè)PFC激活程度降低，與本研究結(jié)果一致。Hassel等[16]研究發(fā)現(xiàn)，與健康對照組相比，雙相障礙(bipolar disorder,BD)患者在輕度愉悅面孔時(shí)左側(cè)紋狀體激活程度顯著升高，在中性、中到重度愉悅面孔時(shí)左側(cè)背外側(cè)前額葉激活程度降低，在中性及輕到重度恐懼面孔時(shí)左側(cè)背外側(cè)前額葉激活程度降低。但也有日本學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[17]，在威脅負(fù)性情緒任務(wù)中，與健康對照組相比，BD患者表現(xiàn)出左下PFC區(qū)域Oxy-Hb顯著增加，而MDD患者左中部PFC區(qū)域Oxy-Hb顯著增加。關(guān)于MDD患者在負(fù)性情緒下PFC激活程度的結(jié)果并不一致，在悲傷和生氣負(fù)性面孔呈現(xiàn)后，背外側(cè)前額葉激活程度增加或者降低，并且兩者報(bào)道數(shù)量基本一致；同樣不一致的結(jié)果也出現(xiàn)在愉悅等正性面孔呈現(xiàn)后[18]。

目前國內(nèi)外在PSD患者中應(yīng)用fNIRS的相關(guān)研究還較少。楊智權(quán)等[19]在PSD患者中應(yīng)用fNIRS，進(jìn)行認(rèn)知激活任務(wù)言語流暢性測驗(yàn)(verbal fluency test,VFT)，發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行VFT任務(wù)期間，對照組中Oxy-Hb的波譜呈現(xiàn)出升高后下降的重心在前的拋物線，Deoxy-Hb呈現(xiàn)出下降后回升的趨勢；而PSD組的Oxy-Hb的波譜曲線雖總體趨勢與對照組類似，但波譜曲線上升速度較慢及達(dá)峰時(shí)間較長，整體變化幅度較小。本研究中，對照組中Oxy-Hb的波譜曲線從基線水平開始上升，到達(dá)峰值之后有下降趨勢，與楊智權(quán)等[19]的研究結(jié)果一致。但PSD組對于三種情緒圖片呈現(xiàn)后的反應(yīng)有所不同，在負(fù)性圖片呈現(xiàn)后，波譜曲線波動幅度較小，無明顯上升趨勢及峰值，有輕微下降趨勢，這可能與PFC在負(fù)性情緒呈現(xiàn)后激活程度降低有關(guān)。隨后楊智權(quán)等[20]的研究還發(fā)現(xiàn)，Oxy-Hb峰值濃度是一個(gè)較為敏感的指標(biāo)，可用于中度、重度PSD患者的觀察，PSD程度不同的患者，呈現(xiàn)出前額葉功能激活下降狀態(tài)的生物學(xué)特征也有差異，重度抑郁狀態(tài)的患者前額葉有氧代謝功能失調(diào)情況更嚴(yán)重，表現(xiàn)更為典型。

在健康人群中，n-back工作記憶任務(wù)可以激活雙側(cè)PFC區(qū)域[21]。許多神經(jīng)心理學(xué)研究表明，MDD患者工作記憶功能受損[22-23]。本研究結(jié)果顯示，PSD組PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值低于對照組。Pu等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行工作記憶任務(wù)時(shí)，MDD患者與正常對照相比，表現(xiàn)出更小的血液動力學(xué)反應(yīng)與更差的任務(wù)表現(xiàn)，與本研究結(jié)果一致。但也有一些先前的研究表明[25]，使用n-back工作記憶任務(wù)時(shí)，抑郁患者表現(xiàn)出增加的皮層激活程度。這種差異可能是由于任務(wù)的難易程度不同，在更復(fù)雜的任務(wù)中，抑郁患者表現(xiàn)出PFC激活程度增加。

有研究顯示，MDD患者的左側(cè)PFC血流量減少、代謝減慢，而右側(cè)PFC代謝亢進(jìn)[26]。本研究中發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果，在1-back任務(wù)中，PSD組左側(cè)PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值低于對照組，而右側(cè)無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，PSD患者左側(cè)PFC工作記憶功能受損。

PSD患者在負(fù)性情緒呈現(xiàn)后，PFC激活程度降低，并且左側(cè)PFC工作記憶功能受損，表明PSD患者PFC有氧代謝功能失調(diào)。PFC涉及的功能非常復(fù)雜，本研究僅使用兩個(gè)檢測任務(wù)，并不能全面地反映PFC功能情況。目前在PSD患者中進(jìn)行fNIRS的相關(guān)研究較少，而在抑郁癥患者中的相關(guān)研究結(jié)果也有爭議，在今后的研究中還需擴(kuò)大樣本量，規(guī)范實(shí)驗(yàn)操作，進(jìn)行深入研究，揭示PSD患病的神經(jīng)機(jī)制，以發(fā)現(xiàn)診斷PSD的特征性生物學(xué)指標(biāo)，為臨床診斷與治療提供理論依據(jù)。

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