早產兒與足月兒腦結構網(wǎng)絡屬性與模塊化特征對比研究

金超，胡亞杰，李賢軍，王苗苗，李彥彥，程燕南，王小玗，陶星星，趙慧芳，楊健

作者單位：西安交通大學第一附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，西安 710061#：共同第一作者

隨著圍產醫(yī)學和新生兒重癥監(jiān)護(neonatal intensive care unit，NICU)技術等的進步，早產兒(胎齡＜37孕周)存活率逐年升高[1]。我國每年約有200多萬早產新生兒，且正以每年20萬的數(shù)量遞增。早產兒腦發(fā)育不成熟，近遠期神經(jīng)發(fā)育異常居高不降[2-3]。因此，對其腦發(fā)育異常及相關損傷的早期識別，對于指導臨床治療方案的有效實施意義顯著。磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)以無創(chuàng)、無輻射等優(yōu)點已成為新生、嬰幼兒腦部影像檢查的首選方法。MRI為大腦灰、白質的結構發(fā)育評估提供了良好的量化工具[4-6]。經(jīng)大腦結構MRI發(fā)現(xiàn)，早產兒腦容積、灰白質體積均顯著低于同齡足月兒(相同校正胎齡)[7-8]。然而，上述腦形態(tài)學特征差異是否對大腦功能構建(信息傳遞、整合等)造成影響尚不明晰。近年來，腦網(wǎng)絡分析已成為探索早期腦發(fā)育的重要技術手段。特別是腦網(wǎng)絡屬性，如小世界屬性[9]、模塊化[10]等為解讀腦功能的結構化構建提供了直觀的量化證據(jù)。本文擬通過3D磁共振T1加權成像構建腦結構(腦容積)網(wǎng)絡，比較分析早產兒與足月兒腦網(wǎng)絡小世界屬性與模塊化特點，為理解早產因素所致神經(jīng)發(fā)育異常提供結構理論基礎。

1 材料與方法

本研究經(jīng)本院倫理委員會批準，所納入新生兒的父母均簽署知情同意書。

1.1 對象

連續(xù)收集自2011年1月至2015年12月在本院行頭顱MRI檢查的新生兒104例(胎齡，30～42孕周)。納入標準：新生兒(檢查時出生日齡≤28 d)；完整的MRI影像資料，包括3D磁共振T1加權成像與T2加權成像；完整的新生兒出生指標資料。排除標準：局灶性腦白質損傷；腦出血；彌漫性腦白質高信號；缺血缺氧性腦?。皇夜苣は履易?；腦軟化灶；其他常規(guī)MRI異常表現(xiàn)等；圖像偽影。

1.2 方法

1.2.1 頭顱磁共振數(shù)據(jù)采集與處理應用

應用GE Signa HDxt 3.0 T MRI設備，8通道新生兒專用頭部線圈進行掃描。為確保MRI檢查順利實施，責任護士遵照臨床主管醫(yī)師醫(yī)囑，于MRI檢查前30 min給予10%水合氯醛0.5 ml/kg口服；嚴格按照相關指南[11]執(zhí)行有關水合氯醛使用的被試選擇、生命體征監(jiān)護于后續(xù)觀察隨訪。待新生兒入睡后，由主管醫(yī)師和家屬護送至MRI檢查室，包裹于襁褓中放置掃描床上，外耳道放置彈性耳塞以減低設備噪聲對聽功能的影響，頭部兩側用海綿墊固定以減少運動偽影，對新生兒心電、心率和呼吸等生理指標進行實時監(jiān)測。掃描結束后，由主管醫(yī)師及父母護送回新生兒監(jiān)護室。

所采集MRI序列及參數(shù)如下：(1)采用快速擾相位梯度回波序列采集3D T1加權圖像：TR/TE=10.28/4.62 ms，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，1 mm×1 mm ×1 mm等體素采集。(2)采用快速自旋回波序列采集T2加權圖像：TR/TE=4200/118.91 ms，層厚=4 mm，F(xiàn)OV=180 mm×180 mm，采集矩陣=256×256。

1.2.2 腦結構網(wǎng)絡構建、網(wǎng)絡屬性與模塊化特征分析

腦結構網(wǎng)絡：利用約翰霍普金斯大學新生兒腦解剖圖譜[12]將大腦劃分為122個區(qū)域，選取其中64個灰質區(qū)作為腦結構網(wǎng)絡的節(jié)點；利用Matlab平臺計算腦區(qū)容積；考慮到校正胎齡、出生體重與性別對大腦灰質發(fā)育的影響[13]，采用多元回歸分析對上述因素進行校正；計算所有樣本腦區(qū)間校正后容積相關系數(shù)，進行邊的構建；基于上述節(jié)點與邊，構建腦結構二值化網(wǎng)絡。

網(wǎng)絡屬性：利用GRETNA平臺進行平均聚類系數(shù)Cp、平均特征路徑長度Lp及節(jié)點特征路徑長度屬性值計算[14]。腦結構網(wǎng)絡小世界屬性是通過比對與之匹配的隨機網(wǎng)絡(節(jié)點度與度分布匹配)進行計算的：Cpreal和Cp

rand分別為實際網(wǎng)絡和隨機網(wǎng)絡的平均聚類系數(shù)分別為實際網(wǎng)絡和隨機網(wǎng)絡的平均特征路徑長度小世界屬性值σ=γ/λ；當γ＞1，λ≈1及σ＞1時，該網(wǎng)絡具有小世界屬性。網(wǎng)絡局部效率與全局效率是度量網(wǎng)絡局部與全局信息傳輸能力的指標，它是通過局部網(wǎng)絡與全局網(wǎng)絡特征路徑長度進行計算的。

模塊：采用GRETNA計算并通過Brain Net Viewer平臺[15]顯示網(wǎng)絡模塊化結構，并依據(jù)腦功能子網(wǎng)絡劃分(默認模式網(wǎng)絡、額頂網(wǎng)絡、背側注意網(wǎng)絡、控制網(wǎng)絡、聽覺網(wǎng)絡、視覺網(wǎng)絡和感覺網(wǎng)絡)進行模塊功能分析。

1.3 統(tǒng)計學分析

應用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析，對早產兒組與足月兒組的人口學特征，計數(shù)資料采用卡方檢驗、連續(xù)變量采用獨立樣本t檢驗；兩組人群腦結構網(wǎng)絡小世界屬性特征比較采用秩和檢驗。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 人口學資料

本研究共納入新生兒42例，其中早產新生兒20例，足月新生兒22例。見圖1。人口學資料統(tǒng)計結果顯示，兩組在性別、校正胎齡、日齡、出生體重間差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，見表1。

2.2 腦結構網(wǎng)絡屬性比較

隨著稀疏度增加，小世界屬性值σ逐漸降低，且早產組高于足月組。兩組小世界屬性值σ＞1，說明兩組腦結構網(wǎng)絡均具有小世界屬性。見圖2。

隨著稀疏度增加，兩組網(wǎng)絡聚類系數(shù)表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢；當網(wǎng)絡稀疏度≥11時，早產組聚類系數(shù)顯著低于足月組(P＜0.05)，見圖3A。特征路徑長度隨著稀疏度增加，呈現(xiàn)快速減低，早產組與足月組差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，見圖3B。網(wǎng)絡局部效率隨稀疏度增加，先增加后降低；當稀疏度在15～25時，早產組局部效率顯著低于足月組(P＜0.05)，見圖3C。網(wǎng)絡全局效率隨著稀疏度增加呈現(xiàn)逐步增加趨勢，早產組與足月組差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)，見圖3D。

2.3 腦結構網(wǎng)絡模塊化特征比較

如圖4A所示，早產組腦網(wǎng)絡共存在7個模塊。模塊1主要包括眶額皮層和直回；模塊2包括右側枕葉和部分顳葉；模塊3分布廣泛，包括梭狀回、海馬旁回、內嗅皮層、小腦半球等；模塊4包括左側枕葉和顳葉；模塊5范圍較小，分布在頂上回和頂中回；模塊6包括雙側的中央前回、中央后回、雙側頂葉和雙側楔前葉；模塊7包括殼核、蒼白球和尾狀核。對以上模塊進行粗略功能分區(qū)：模塊1屬于左側聽覺網(wǎng)絡、左側背側注意網(wǎng)絡及左側視覺網(wǎng)絡的一部分；模塊2與4基本對稱，其涵蓋右側聽覺網(wǎng)絡、右側背側注意網(wǎng)絡和右視覺網(wǎng)絡的一部分；模塊6可劃至感覺網(wǎng)絡。額頂網(wǎng)絡可由模塊1與模塊5組成。

如圖4B所示，足月組腦網(wǎng)絡包含6個模塊。模塊1主要分布在額葉區(qū)域；模塊2包括整個枕葉和頂葉，右側楔前葉和中央前回等；模塊3分布廣泛，其主要分布在雙側丘腦、殼核、蒼白球、尾狀核、額下回、左側頂葉、雙側杏仁核和海馬；模塊4主要包括顳葉；模塊5分布范圍小，主要位于部分枕葉；模塊6分布范圍最小，主要位于中央前溝附近。對以上模塊進行粗略功能分區(qū)：模塊1屬于額頂網(wǎng)絡；模塊1與2包括整個視覺網(wǎng)和右側背側注意網(wǎng)絡；模塊4主要屬于左側聽覺網(wǎng)絡的小部分；模塊3屬于右側聽覺網(wǎng)絡的一部分。

表1 兩組的人口學資料Tab.1 Demographic data of two groups

圖1 納入排除流程圖Fig. 1 Illustration of inclusion and exclusion flow chart.

圖2 早產兒與足月兒腦結構網(wǎng)絡小世界性對比Fig. 2 Comparison of small-world property of brain structural network between preterm and term neonates.

圖3 早產與足月兒腦結構網(wǎng)絡屬性對比結果。A：集群系數(shù)；B：特征路徑長度；C：局部效率；D：全局效率Fig. 3 Comparisons of properties of brain structural network between preterm and term neonates. A:Clustering coefficient; B: Characteristic path length; C: Local efficiency; D: Global efficiency.

圖4 早產兒與足月兒腦結構網(wǎng)絡模塊化比較。A：早產組；B：足月組Fig. 4 Comparison of module organization of brain structural network between preterm and term neonates.A: Preterm neonates group; B: Term neonates group.

3 討論

人類大腦各個區(qū)域相對獨立，腦區(qū)間又存在相互作用、相同協(xié)調，腦區(qū)功能專門化和腦區(qū)間功能整合化相結合的組織模式，使得大腦具有高效經(jīng)濟的功能活動。研究表明，大腦不同區(qū)域形態(tài)學特征，如左右半球灰質密度[16]、語言功能區(qū)皮層厚度[17]等具有較高的協(xié)調性。本研究通過刻畫腦區(qū)間協(xié)變特征構建的容積網(wǎng)絡，可對腦區(qū)間功能整合的結構基礎進行解讀。既往研究發(fā)現(xiàn)[18]，人腦皮層厚度網(wǎng)絡具有對應于人腦功能模塊(比如語言、記憶及視覺等)的組織模式。因此，對于大腦早期結構協(xié)變特征的探究，對于理解人類發(fā)育中腦區(qū)間信息交流，尤其是大腦復雜功能的結構基礎具有理論意義。

自出生起，人類大腦進入急速發(fā)育階段[19]。大腦容積與胎齡、年齡(生后日齡)表現(xiàn)出極強的相關性，隨著胎齡、年齡增長，大腦容積急速增長[13]。既往研究發(fā)現(xiàn)，出生體重與灰質成熟度存在顯著相關[20]。另外，有關腦灰質結構發(fā)育的性別差異亦見研究報道[13]。考慮到上述因素對于腦灰質發(fā)育的影響，本文在構建腦網(wǎng)絡之初，采用多元回歸分析對上述因素進行校正，取校正后腦區(qū)容積作為網(wǎng)絡邊計算的基本參量。此預處理過程一定程度消除了上述因素對于腦結構網(wǎng)絡屬性的影響。

本研究結果顯示，早產兒組與足月兒組腦容積網(wǎng)絡均具有小世界屬性。說明新生兒在發(fā)育早期的大腦灰質容積協(xié)同變化，已呈現(xiàn)高效經(jīng)濟的小世界性。這與既往有關新生兒大腦白質網(wǎng)絡以及功能網(wǎng)絡兼具小世界屬性的結果一致[21-22]。以上研究表明，新生兒大腦在腦區(qū)間協(xié)同、腦區(qū)間功能連接及腦區(qū)功能構建出有效的網(wǎng)絡特征。進一步說明人類大腦在發(fā)育早期，已演變成一個復雜且高效的神經(jīng)結構，對早期大腦功能構建奠定結構基礎[23-24]。

網(wǎng)絡屬性結果顯示，早產兒集群系數(shù)與局部效率均顯著低于足月兒，說明早產兒大腦局部范圍信息整合能力不及足月兒發(fā)育成熟。從發(fā)育時序來看，新生兒腦區(qū)間通信路徑(腦白質纖維束)處于急速發(fā)育階段，其隨胎齡增長逐步成熟[20]。相較同齡足月兒，早產兒腦白質發(fā)育成熟度不足，信息處理和通信功能受限，腦區(qū)間功能整合差，表現(xiàn)出較低的網(wǎng)絡集群系數(shù)與局部效率。既往研究亦發(fā)現(xiàn)[25]，腦結構網(wǎng)絡局部效率會隨著年齡(兒童至青少年)增長而顯著提升，與本文結果一致。同時，早產兒與足月兒大腦容積網(wǎng)絡較短的特征路徑長度與較低全局效率，提示新生兒腦區(qū)間尚未建立跨遠區(qū)的連接，這可能與發(fā)育早期大腦神經(jīng)元的集成受限(以局部區(qū)域內為主)相關。

網(wǎng)絡模塊化特征結果顯示，早產兒模塊的數(shù)量和分布范圍與足月兒存在明顯差異。從模塊化的結構來看，早產兒相較足月兒模塊結構分散、不規(guī)則，且左右半球不對稱。以上結果提示，早產兒腦區(qū)間功能整合能力發(fā)育遲緩或異常。另外，從模塊功能劃分來看，早產兒與足月兒子網(wǎng)絡彼此包含，暫無法準確定義。既往研究表明，早期腦網(wǎng)絡的模塊化組織是一種動態(tài)的發(fā)育變化模式，其中大腦腦區(qū)的拓撲結構重組和腦區(qū)組成要從嬰兒期到青春期直至延續(xù)到成年期[26-27]。相比Chen等[18]發(fā)現(xiàn)的人腦皮層厚度網(wǎng)絡與功能模塊對應的組織模式，新生兒腦結構網(wǎng)絡的模塊組織仍處于動態(tài)發(fā)育變化，這也側面反映了發(fā)育過程中腦區(qū)形態(tài)學上的分離和整合[28]。

本研究通過基于圖論的復雜網(wǎng)絡方法分析，比較早產兒與足月兒腦結構網(wǎng)絡屬性與模塊化特征，發(fā)現(xiàn)早產兒與足月兒腦灰質容積網(wǎng)絡具有小世界屬性。然而，早產兒腦局部信息傳遞效率低，模塊化結構排布較為雜亂，各功能模塊化結構分散、左右半球對稱性差。以上結果進一步證實，早產兒相較足月兒存在腦區(qū)間協(xié)同變化發(fā)育遲緩或異常。