主觀耳鳴患者大腦局部神經(jīng)功能改變的靜息態(tài)功能磁共振研究

韓祺，劉代洪，王堯，馮亞瑾，王健*

作者單位：

1. 陸軍軍醫(yī)大學(xué)(第三軍醫(yī)大學(xué))第一附屬醫(yī)院放射科，重慶 400038

2. 陸軍軍醫(yī)大學(xué)(第三軍醫(yī)大學(xué))第一附屬醫(yī)院耳鼻喉科，重慶 400038

主觀耳鳴(subjective tinnitus，ST)是指在缺乏聲刺激條件下耳內(nèi)或顱內(nèi)產(chǎn)生的嗡嗡、嘶嘶等不成形持續(xù)異常主觀聲幻覺[1]，其僅僅表現(xiàn)為耳鳴癥狀的主觀感覺，病因及表型也復(fù)雜多樣，目前仍無確定發(fā)病機(jī)制和確切治療手段[2]。已有研究認(rèn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)改變?cè)谄渲邪l(fā)揮重要作用，目前靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)相關(guān)研究認(rèn)為ST可能與聽皮層、邊緣系統(tǒng)、前額葉等腦區(qū)改變相關(guān)，但已發(fā)現(xiàn)的局部腦區(qū)改變?cè)诓煌芯块g結(jié)果并不完全相同甚至相反[3]。局部一致性(regional homogeneity，ReHo)和分?jǐn)?shù)低頻振幅(fractional amplitude of low-frequency fluctuations，fALFF)是兩種廣泛使用的用于描述全腦rs-fMRI信號(hào)局部不同神經(jīng)功能特征的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析方法[4]，兩者綜合應(yīng)用可以比其中任一方法單獨(dú)應(yīng)用提供更全面的局部腦區(qū)神經(jīng)功能改變證據(jù)[5]，并為尋找可能與ST密切相關(guān)的關(guān)鍵腦區(qū)提供更可靠參考基礎(chǔ)。因此本研究我們將ReHo和fALFF相結(jié)合，通過計(jì)算并比較兩組間全腦ReHo和fALFF值差異，后提取差異腦區(qū)與臨床資料進(jìn)行相關(guān)分析，試圖從局部自發(fā)神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度和一致性兩方面探測ST患者的全腦局部神經(jīng)功能改變特點(diǎn)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

采集2016年8月至2017年7月在我院耳鼻喉科就診的ST患者25例，其中男性10例，女性15例，年齡33～60 (44.6±8.9)歲。同期選擇納入年齡、性別和受教育程度相匹配的健康志愿者25例，其中男性10例，女性15例，年齡31～60 (44.0±9.0)歲。ST入組標(biāo)準(zhǔn)為：(1)符合《耳鳴臨床應(yīng)用指南》ST的診斷標(biāo)準(zhǔn)[6]，且持續(xù)發(fā)病≥6個(gè)月；(2)年齡18～60周歲，可正常溝通；(3)聽力正常。排除標(biāo)準(zhǔn)為：(1)有聽覺過敏、高聲恐怖，中耳和耳蝸疾??；(2)有聽神經(jīng)占位及腦腫瘤、慢性頭痛等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾?。?3)有抑郁、焦慮等精神心理障礙；(4)有神經(jīng)精神類藥物濫用史及耳毒性藥物史；(5)有嚴(yán)重全身器質(zhì)性疾??；(6)有MRI掃描禁忌(幽閉恐懼、金屬植入等)。

所有受試者均為右利手，接受耳科常規(guī)檢查、聽力檢查和聽覺過敏調(diào)查問卷(hyperacusis questionnaire，HQ)[7]測試，同時(shí)接受焦慮自評(píng)量表(self-rating anxiety scale，SAS)、抑郁自評(píng)量表(self-rating depression scale，SDS)測試以排除焦慮、抑郁障礙，患者另完成臨床資料表和耳鳴殘疾量表(tinnitus handicap inventory，THI)[8]測試。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)通過，所有受試者實(shí)驗(yàn)前均明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容并簽署知情同意。

1.2 數(shù)據(jù)采集

磁共振圖像采集使用德國西門子3.0 T Trio MRI掃描儀，配備頭部標(biāo)準(zhǔn)12通道線圈。在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前，所有被試先進(jìn)行常規(guī)T1和T2加權(quán)軸位掃描，由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師排除受試者顱內(nèi)器質(zhì)性病變。掃描進(jìn)行前告知被試保持平靜且清醒未睡的狀態(tài)，不進(jìn)行任何思考，全程閉眼。同時(shí)給予耳塞(3M，SNR=31db)及耳機(jī)(Siemens，SNR=36db)降低掃描噪音對(duì)受試者的影響，并用泡沫墊固定受試者頭部四周以盡量減少頭動(dòng)。磁共振掃描序列及參數(shù)如下：(1)靜息態(tài)功能磁共振(rs-fMRI)數(shù)據(jù)：采用回波平面成像(echoplanner imaging，EPI)序列，TR 2000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角(flip angle，F(xiàn)A) 90°，層數(shù)36層，層厚3 mm，視野192 mm×192 mm，矩陣64×64，體素(voxel) 3 mm×3 mm×3 mm，共采集240個(gè)時(shí)間點(diǎn)，橫斷位掃描。(2) 3D T1WI高空間分辨率結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)：采用三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波(three-dimensional magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequence，3D MPRAGE)序列，TR 1900 ms，TE 2.52 ms，F(xiàn)A 9°，層厚1 mm，層數(shù)176層，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，體素1 mm×1 mm×1 mm，無間隔，矢狀位掃描。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用基于Matlab 7.14 (R2012a)和SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)的腦影像標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算平臺(tái)DPABI 2.3 (http://rfmri.org/dpabi)進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括原始圖像格式轉(zhuǎn)換、去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間層校正、頭動(dòng)校正(排除頭動(dòng)＞1.5 mm或轉(zhuǎn)動(dòng)＞1.5°的受試者)、去除協(xié)變量和空間標(biāo)準(zhǔn)化到標(biāo)準(zhǔn)蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空間。

1.3.2 ReHo分析

首先進(jìn)行0.01～0.08 Hz的帶通濾波，然后計(jì)算給定體素與其最鄰近的26個(gè)體素間時(shí)間序列上的一致性，即為該體素的肯德爾和諧系數(shù)(Kendall's coefficient of concordance，KCC)，然后用每一體素的KCC值除以全腦平均KCC值得到標(biāo)準(zhǔn)化的ReHo值。最后采用4 mm半高全寬(full-width at half maximum，F(xiàn)WHM)的高斯核進(jìn)行平滑[9]。

1.3.3 fALFF分析

首先進(jìn)行4 mm半高全寬的高斯平滑，將每個(gè)體素的時(shí)間序列轉(zhuǎn)換成頻率域。然后對(duì)0.01～0.08 Hz頻段的功率譜開方，得到低頻振蕩幅度(amplitude of low frequency fluctuations，ALFF)值，相加得總和值，再除以全頻段振幅總和值為fALFF值[10]。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 21.0軟件對(duì)兩組受試者的年齡、受教育程度、HQ評(píng)分行兩樣本t檢驗(yàn)，對(duì)性別、利手行χ2檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用DPABI分別對(duì)兩組受試的ReHo和fALFF圖進(jìn)行兩樣本t檢驗(yàn)，以年齡、性別、受教育程度和灰質(zhì)體積為協(xié)變量，以單個(gè)體素P＜0.001 (單個(gè)體素Z＞3.29)，簇P＜0.05 (GRF校正)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。隨后提取組間ReHo和fALFF差異腦區(qū)與THI評(píng)分進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(以年齡、性別、受教育程度和灰質(zhì)體積為協(xié)變量)，與病程進(jìn)行Spearman相關(guān)分析，以P＜0.05 (Bonferroni校正)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料分析

2組受試之間年齡、性別、受教育程度、利手和HQ、SAS、SDS評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)(表1)。

2.2 ReHo結(jié)果

與對(duì)照組相比，患者組在右側(cè)顳中回和楔葉ReHo值增高，在右側(cè)額中回、左側(cè)小腦前葉ReHo值降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)(表2，圖1)。

2.3 fALFF結(jié)果

與對(duì)照組相比，fALFF增高的腦區(qū)為：右側(cè)顳中回和楔葉，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)(表2，圖2)。

2.4 偏相關(guān)分析結(jié)果

患者組右側(cè)顳中回ReHo值與THI評(píng)分成正比(r=0.576，P=0.003)(圖3)，其余差異腦區(qū)ReHo、fALFF值與病程、THI評(píng)分均未見相關(guān)(P＞0.05)。

表1 一般資料和量表評(píng)分Tab.1 Demographic and clinical characteristics of subjects

表2 患者組與對(duì)照組ReHo和fALFF有差異的腦區(qū)Tab.2 Regions showing ReHo and fALFF differences between ST patients and normal controls

圖1 患者組與對(duì)照組ReHo有差異的腦區(qū)(P＜0.05)圖像，右上方數(shù)字為層面在MNI坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)色條代表t值。R：右 圖2 患者組較對(duì)照組fALFF增高的腦區(qū)(P＜0.05)圖像，右上方數(shù)字為層面在MNI坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)色條代表t值。R：右Fig. 1 Differences of ReHo values between ST patients and normal controls. The threshold was set at P＜0.001 at the voxel level and P＜0.05 at the cluster level by GRF correction. R: right. Fig. 2 Differences of fALFF values between ST patients and normal controls. The threshold was set at P＜0.001 at the voxel level and P＜0.05 at the cluster level by GRF correction. R: right.

3 討論

本研究同時(shí)采用ReHo和fALFF兩種方法來探測ST患者的全腦異常神經(jīng)活動(dòng)。這兩種方法基于不同的神經(jīng)生理機(jī)制，ReHo反映局部神經(jīng)活動(dòng)一致性，fALFF反映局部神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度，ReHo和fALFF已廣泛用于各種神經(jīng)精神疾病機(jī)制的研究[11-12]。作為兩種有著不同神經(jīng)生理機(jī)制的方法，ReHo在檢測局部神經(jīng)功能異常方面比fALFF更為敏感，fALFF則被認(rèn)為是對(duì)ReHo測量全腦自發(fā)神經(jīng)活動(dòng)的有力補(bǔ)充，兩者的結(jié)合可以同時(shí)提供更多信息[5]。通過兩種方法的有效結(jié)合，我們發(fā)現(xiàn)ST患者在右側(cè)顳中回(BA 21)和楔葉(BA 18)的ReHo和fALFF值同時(shí)增高，另外發(fā)現(xiàn)ReHo值在右側(cè)額中回(BA 10)和左側(cè)小腦前葉降低。這些發(fā)現(xiàn)可能從局部神經(jīng)活動(dòng)改變的角度加深了對(duì)ST復(fù)雜神經(jīng)機(jī)制的理解。

3.1 聽覺相關(guān)腦區(qū)改變

顳中回(BA 21)是聽覺聯(lián)合皮層區(qū)域的一部分，負(fù)責(zé)聯(lián)系初級(jí)與次級(jí)聽覺皮層[13]。 Farhadi等[14]基 于SPECT發(fā)現(xiàn)耳鳴患者FDG攝取值在顳中回等聽覺聯(lián)合皮層而非初級(jí)聽覺皮層增高；在以往研究中Chen等[15]利用fMRI發(fā)現(xiàn)慢性ST患者在右側(cè)顳中回ALFF值增高，且與耳鳴嚴(yán)重程度成正比。本研究也發(fā)現(xiàn)患者組右側(cè)顳中回的ReHo和fALFF值同時(shí)增加，且ReHo值與THI評(píng)分正相關(guān)，提示患者存在聽覺相關(guān)皮層的局部神經(jīng)功能改變。已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)耳鳴可能與聽覺皮層的神經(jīng)元同步性活動(dòng)增強(qiáng)、自發(fā)性神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)或神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)重塑相關(guān)，這與多數(shù)fMRI的結(jié)果相一致[16]。因此筆者推測ST可能通過聽覺皮層局部神經(jīng)功能活動(dòng)增強(qiáng)或功能重塑來維持聽覺高級(jí)功能正常水平，在這一過程中發(fā)生ST。但是確切的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3.2 非聽覺腦區(qū)改變

圖3 偏相關(guān)分析 患者組右側(cè)顳中回ReHo值與THI評(píng)分成正比(r=0.576，P=0.003)Fig. 3 ReHo values of right middle temporal gyrus (MTG) were positively correlated with the THI score in ST patients (r=0.576, P=0.003).

已知前額葉廣泛參與中樞傳入信息的接收、整合，包括對(duì)中樞抑制反應(yīng)的控制[17]。Aldhafeeri等[18]發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重耳鳴患者雙側(cè)前額葉部分皮質(zhì)厚度發(fā)生改變，同時(shí)Schecklmann等[19]應(yīng)用PET發(fā)現(xiàn)耳鳴患者前額葉多個(gè)腦區(qū)代謝與病程成正相關(guān)。因此，本研究發(fā)現(xiàn)的前額葉自發(fā)活動(dòng)一致性減低可能與其抑制聽覺區(qū)域異常傳入失敗后的抑制性控制減弱有關(guān)[20]。此外筆者注意到，顳中回和額中回均是默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的重要組成成分之一。以往多項(xiàng)研究均發(fā)現(xiàn)耳鳴患者存在默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的異常自發(fā)神經(jīng)活動(dòng)或功能連接改變，且與耳鳴嚴(yán)重程度相關(guān)[21]。因此耳鳴作為一種聽幻覺，很可能導(dǎo)致默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的異常，而顳中回和額中回的改變應(yīng)該是這種網(wǎng)絡(luò)異常改變的具體表現(xiàn)。

楔葉是視覺皮層所在區(qū)域，本研究發(fā)現(xiàn)ST患者楔葉神經(jīng)活動(dòng)增強(qiáng)同時(shí)伴一致性增加。在既往研究中，Burton等[22]發(fā)現(xiàn)耳鳴患者在聽覺和視覺亞網(wǎng)絡(luò)間存在異常功能連接。已有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)視覺皮層和聽覺皮層間存在解剖聯(lián)系，且視覺皮層直接受聽覺皮層調(diào)節(jié)[23]。結(jié)合本研究發(fā)現(xiàn)，筆者推測ST患者存在視聽覺網(wǎng)絡(luò)的異常改變，即楔葉改變可能是ST患者聽覺皮層發(fā)生異常聲幻覺激活后的繼發(fā)性改變。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為小腦僅在運(yùn)動(dòng)控制和協(xié)調(diào)過程中發(fā)揮重要作用，但目前有證據(jù)表明其還參與聽感覺傳入刺激探測和處理等過程[24]。Chen等[25]發(fā)現(xiàn)耳鳴動(dòng)物模型存在聽覺皮層與小腦間的功能連接改變。此外，Maudoux等[26]發(fā)現(xiàn)耳鳴患者聽覺皮層與小腦間的功能連接。因此我們推測小腦有可能參與耳鳴相關(guān)的聽幻覺處理過程[27]，但這一推測仍需進(jìn)一步的研究。

3.3 本研究的不足

本研究存在以下幾個(gè)方面的不足。首先由于我們的樣本量有限，不能將ST按照患病部位分組，以探究ST的偏側(cè)性是否導(dǎo)致不同的局部神經(jīng)功能改變。其次，ST患者的異質(zhì)性較大，橫斷面的研究可能導(dǎo)致結(jié)果被部分掩蔽或特異性受影響，也不能很好地反映病情變化對(duì)大腦的改變。此外，雖然本實(shí)驗(yàn)嘗試聯(lián)合運(yùn)用耳塞及耳罩避免噪聲影響，但是仍無法完全隔絕掃描噪聲。因此，需要進(jìn)一步綜合運(yùn)用不同方法從多個(gè)角度進(jìn)行分析研究。

綜上，本研究通過ReHo和fALFF相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)ST患者在聽覺和非聽覺部分腦區(qū)發(fā)生不同程度的局部腦功能活動(dòng)改變，并主要累及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)及視聽覺網(wǎng)絡(luò)。初步證實(shí)了ST存在大腦局部神經(jīng)功能異常改變，并為尋找可能與ST密切相關(guān)的關(guān)鍵腦區(qū)提供更可靠參考基礎(chǔ)。