基于靜息態(tài)功能磁共振的健康人與原發(fā)性失眠患者的影像學(xué)研究

王鈺凱，李 鐵，莽 靖*，徐忠信*

(1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 神經(jīng)內(nèi)科，吉林 長春130033；2.長春中醫(yī)藥大學(xué) 針灸推拿學(xué)院，吉林 長春130117)

失眠作為一種全球普遍存在的睡眠障礙，其臨床表現(xiàn)為入睡困難、睡眠維持障礙、晨間早醒等不同程度的睡眠障礙及日間功能障礙，在發(fā)達(dá)國家的平均患病率從10%到30%不等，而在發(fā)展中國家失眠人口比例更是呈上升趨勢[1,2]。失眠患者常因睡眠時長和(或)睡眠質(zhì)量達(dá)不到人體的正常需求而出現(xiàn)日間功能障礙，影響其正常的生活、社交、工作，甚至出現(xiàn)身體機(jī)能失衡，導(dǎo)致心臟病、高血壓、抑郁癥等嚴(yán)重的軀體性疾病或精神性疾病的發(fā)病風(fēng)險增高[3]。原發(fā)性失眠癥是以持續(xù)一個月以上的睡眠障礙為唯一癥狀的疾病，而藥物或酒精使用、環(huán)境改變、精神性疾病和器質(zhì)性病變等因素導(dǎo)致的繼發(fā)性失眠不包括其中[4]。目前原發(fā)性失眠的發(fā)病機(jī)制尚在討論之中，神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為進(jìn)一步探索原發(fā)性失眠的中樞功能性改變提供了新的視角。本研究通過比較靜息態(tài)下原發(fā)性失眠患者和健康志愿者大腦功能磁共振成像的差異，初步探討原發(fā)性失眠患者的神經(jīng)功能特點。

功能磁共振成像(Blood oxygen level dependent functional Magnetic Resonance Imaging,BOLD-fMRI)通過檢測大腦內(nèi)脫氧血紅蛋白及含氧血紅蛋白的濃度，根據(jù)其不同的磁化性質(zhì)產(chǎn)生高空間分辨率的腦區(qū)活動水平的圖像，進(jìn)而反映腦區(qū)功能及活動水平的成像方法[5]。該檢測方法在采集人類腦功能活動數(shù)據(jù)方面，具備無創(chuàng)性、非侵入性的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于皮層下腦區(qū)的功能細(xì)化研究，在腦功能的區(qū)域定位和功能整合方面發(fā)揮了巨大的作用。BOLD-fMRI檢測包括任務(wù)態(tài)fMRI檢測及靜息態(tài)fMRI檢測，靜息態(tài)fMRI檢測能夠反映基礎(chǔ)狀態(tài)下的腦功能狀態(tài)，且不需要患者在掃描期間執(zhí)行特定任務(wù)，目前已被作為重要的檢測方法，被廣泛應(yīng)用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制、診斷及治療的研究中[6]。

本研究納入原發(fā)性失眠癥患者接受靜息態(tài)fMRI檢測，并招募無失眠癥狀的健康成年人作為空白對照，對受試者全腦的BOLD信號進(jìn)行采集分析，以區(qū)域一致性(regional homogeneity，ReHo)[7]和低頻振蕩振幅(amplitude of law frequency fluctuation，ALFF)[8]作為評價指標(biāo)，比較原發(fā)性失眠患者和健康對照者的大腦功能磁共振成像的差異。ReHo可反映某腦區(qū)內(nèi)局部神經(jīng)元與周邊神經(jīng)元活動水平在時間上的一致性,正常情況下局部區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)元具備同步活動的特性，其結(jié)果的上升或下降皆提升局部神經(jīng)元的同步性活動發(fā)生改變。ALFF可通過檢測低頻信號的能量強(qiáng)弱，來計算靜息態(tài)下大腦神經(jīng)元自發(fā)活動水平，進(jìn)而反映腦功能區(qū)的生理狀態(tài)，其結(jié)果的上升或下降提升局部神經(jīng)元功能水平的升高或降低。本研究中發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性失眠患者與認(rèn)知及情緒功能相關(guān)腦區(qū)(海馬旁回、扣帶回、丘腦等)的神經(jīng)活動水平發(fā)生上調(diào)，情緒的興奮性增加最終可能會妨礙睡眠啟動或維持的能力。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本試驗所有患者均來自于吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科就診的符合納入及排除標(biāo)準(zhǔn)的原發(fā)性失眠患者；健康對照組則招募與患者組性別、年齡及受教育程度相匹配的無失眠癥狀的健康成年人。依照《赫爾辛基宣言》的相關(guān)要求確定知情同意書內(nèi)容，并告知受試者試驗內(nèi)容及注意事項，受試者表示明確理解后，簽署知情同意書后進(jìn)入該研究。

1.1.1診斷標(biāo)準(zhǔn)

參照美國精神病學(xué)會(APA)《精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊》-第5版(DSM-5，2013年)睡眠障礙診斷標(biāo)準(zhǔn)，失眠的診斷必須符合以下條件：

(1)主訴為入睡困難、睡眠維持困難、早醒，上述癥狀可單獨(dú)或同時存在；

(2)睡眠障礙發(fā)作頻率不少于3次/周，且持續(xù)時間不少于3個月；

(3)睡眠障礙在患者的日間社會活動及職業(yè)功能方面造成明顯的影響及相關(guān)后果；

(4)在環(huán)境適合睡眠的情況下仍然出現(xiàn)睡眠障礙。

1.1.2納入標(biāo)準(zhǔn)

(1)符合原發(fā)性失眠診斷標(biāo)準(zhǔn)；

(2)年齡在18-65周歲之間；

(3)AIS量表評分>6分，PSQI評分>7分；

(4)未參加其他臨床研究者；

注：同時符合以上4項的患者，方可納入本項研究。

1.1.3排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)由外界環(huán)境干擾所致的睡眠障礙；

(3)由全身性疾病(疼痛、發(fā)熱、手術(shù)等)，嚴(yán)重原發(fā)性疾病(心血管、肺、肝等系統(tǒng))，嚴(yán)重消耗性疾病(惡性腫瘤等)，妊娠哺乳期等造成的睡眠障礙；

(4)患者精神狀況需要治療，包括焦慮自評量表(SAS)和抑郁自評量表(SDS)≥50；

(5)伴發(fā)睡眠障礙包括阻塞性睡眠呼吸暫?；驎円构?jié)律睡眠障礙；

(6)近4周使用過催眠或鎮(zhèn)靜類治療失眠的藥物；

(7)具有金屬植入物等磁共振檢查禁忌。

注：凡符合上述任何1項的患者，均予以排除本項研究。

1.2 功能磁共振圖像采集

被試者在掃描過程中帶耳塞、閉目，囑其盡可能保持靜止不動，避免頭動，均勻呼吸，保持清醒平靜狀態(tài)。待被試者完全適應(yīng)磁體間環(huán)境后進(jìn)行掃描。

采集機(jī)器：3.0T的西門子核磁掃描儀(型號：magnetom-skyra-siemens)

采集圖像序列：

結(jié)構(gòu)像：采用快速自旋回波序列(fast spin echo-sequence，F(xiàn)SE) ，掃描方向平行于前后聯(lián)合連線(AC-PC)，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，Matrix 64×64，Slice thickness=1.0 mm，層數(shù)為96。

Li課題組設(shè)計合成了一種比率型的汞離子探針BT(見圖4)。當(dāng)加入汞離子后，縮硫醛與汞離子作用恢復(fù)成醛基，使探針的發(fā)射波長從530 nm藍(lán)移至454 nm。在含有2%DMSO溶液中，探針對汞離子的檢測限為7.6 nmol/L。在pH=5～9范圍內(nèi)，對汞離子的響應(yīng)較好，探針具有較好的選擇性，響應(yīng)時間約為35 min，將該探針成功應(yīng)用于細(xì)胞成像。

功能像：使用GRE序列掃描的平面回波(Echo-planer Imaging,EPI)序列。靜息態(tài)掃描方向平行于前后聯(lián)合連線(AC-PC)，掃描參數(shù)為TR=2 020 m,TE=30 ms，F(xiàn)A=90°，F(xiàn)OV =256 mm×256mm，Matrix =64×64，層數(shù)為25層，共采集200個時間點， 掃描時間為 6 min 44 s。

1.3 數(shù)據(jù)分析

人口學(xué)資料由SPSS 18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理由DPARSF軟件(http://www.restfmri.net)進(jìn)行處理，統(tǒng)計分析由REST V1.8軟件 (http://restfmri.net/forum/index.php)進(jìn)行處理。

fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理：移除前10個時間點的圖像、時間校正、頭動校正、圖像空間標(biāo)準(zhǔn)化、圖像平滑處理、去線性漂移處理、低頻濾波處理、ALFF值及ReHo值計算。需要特別注意的是，ReHo值的計算基于未進(jìn)行圖像平滑處理的數(shù)據(jù)，圖像平滑處理步驟需在ReHo值計算結(jié)束后進(jìn)行。

fMRI數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析：健康對照組與原發(fā)性失眠組間ALFF值(ReHo值)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗，P<0.01 未校正 voxel size>15。

2 結(jié)果

人口學(xué)資料由SPSS18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中原發(fā)性失眠患者組(n=15，男性6人，女性9人)年齡分布為49.39±9.96歲；健康對照組(n=15，男性11人，女性4人)年齡分布為40.39±11.30歲。

原發(fā)性失眠組較健康對照組ALFF值增高腦區(qū)包括：左側(cè)額內(nèi)側(cè)回、右側(cè)額下回、右側(cè)顳中回、左側(cè)小腦前葉、左側(cè)海馬旁回、右側(cè)殼核、左側(cè)外側(cè)核、左側(cè)丘腦、左側(cè)梭狀回、左側(cè)腦干(表1)；原發(fā)性失眠組較健康對照組ALFF值降低的腦區(qū)包括：左側(cè)額中回、左側(cè)顳上回、左側(cè)顳中回、左側(cè)頂上小葉、右側(cè)梭狀回、左側(cè)楔葉、雙側(cè)楔前葉(表2，圖1)。原發(fā)性失眠組較健康對照組ReHo值升高的腦區(qū)包括：雙側(cè)小腦后葉、左側(cè)腦干、右側(cè)海馬旁回、右側(cè)前扣帶回、左側(cè)顳中回(表3)、左側(cè)枕上回、左側(cè)枕中回；原發(fā)性失眠組較健康對照組ReHo值降低的腦區(qū)包括：右側(cè)額中回、左側(cè)額下回、右側(cè)枕葉、左側(cè)后扣帶回、左側(cè)中央前回(表4，圖2)。

3 討論

近年來針對于失眠的發(fā)病機(jī)制研究中，過度覺醒學(xué)說得到了普遍認(rèn)同[9,10]。過度覺醒可出現(xiàn)在中樞(皮質(zhì))和外周(自主神經(jīng))系統(tǒng)，也可是認(rèn)知或情感系統(tǒng)，最終表現(xiàn)為身體、認(rèn)知和皮層活動增加[11]，導(dǎo)致睡眠過程無法正常出現(xiàn)[12]。

在本研究中，我們對原發(fā)性失眠患者和健康受試者靜息狀態(tài)下的腦功能活動進(jìn)行了檢測和比較。與健康受試者比較，原發(fā)性失眠患者顳中回、腦干、海馬旁回的局部自發(fā)活動增強(qiáng)，其ReHo和ALFF值均大于健康受試者，額中回局部自發(fā)活動降低，其

表1 原發(fā)性失眠組與健康對照組相比ALFF值增高的腦區(qū)

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

表2 原發(fā)性失眠組與健康對照組相比ALFF值降低的腦區(qū)

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

圖1 原發(fā)性失眠組與健康對照組ALFF值差異分布腦區(qū)

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

表4 原發(fā)性失眠組較健康對照組ReHo值降低的腦區(qū)

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

圖2 原發(fā)性失眠組與健康對照組ReHo值差異分布腦區(qū)

ReHo和ALFF值均低于健康受試者。其次我們發(fā)現(xiàn)相對于健康受試者來說，原發(fā)性失眠患者中丘腦的ALFF值升高，楔前葉的ALFF 值降低，左側(cè)梭狀回ALFF 值升高，右側(cè)梭狀回ALFF 值降低；小腦后葉的ReHo值降低，前扣帶回ReHo升高，后扣帶回ReHo降低的現(xiàn)象。

海馬旁回屬于邊緣系統(tǒng)的一部分， 其功能涉及到將感知到的信息轉(zhuǎn)化為更永久的皮層聯(lián)想?yún)^(qū)的儲存成分，與人類的學(xué)習(xí)、記憶等功能密切相關(guān)[13]。腦干中的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)由孤束核及背側(cè)的一些神經(jīng)元構(gòu)成，介導(dǎo)了人類睡眠-覺醒節(jié)律的調(diào)節(jié)功能， 當(dāng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)受到低頻刺激時產(chǎn)生慢波睡眠( slow wave sleep，SWS) ， 而受到高頻刺激時則會引起大腦的覺醒。海馬旁回及腦干的局部自發(fā)活動增強(qiáng)，或許與失眠患者的覺醒狀態(tài)過度激活相關(guān)[14]。丘腦是皮層下覺醒系統(tǒng)和皮層注意網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點，在保持警覺和警惕性方面起著重要作用[15]。楔前葉參與到包括注意、意識知覺、工作記憶和情景記憶檢索等多個過程中，與海馬、杏仁體及丘腦等邊緣系統(tǒng)的皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)存在廣泛聯(lián)系[16]?？蹘Щ貏t與情感的形成與處理、學(xué)習(xí)和記憶等功能有關(guān)，是邊緣系統(tǒng)的一個組成部分，被認(rèn)為是大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的參與睡眠功能的主要成分。其中前扣帶回涉及到某些較高層次的功能，如注意力的分配、獎勵預(yù)期、決策和情緒等,它是行為、認(rèn)知、情緒調(diào)節(jié)的共同通路[17,18]。后扣帶回則介導(dǎo)的情感和記憶之間的相互作用[19]。

失眠通常與情緒失調(diào)有關(guān)，情緒的興奮性增加被認(rèn)為是失眠病因的重要因素[20]。以往的生理、神經(jīng)影像學(xué)和神經(jīng)認(rèn)知研究表明，失眠患者存在大腦葡萄糖代謝率增高，過度警覺和/或過度覺醒等癥狀。本研究中發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性失眠患者與認(rèn)知及情緒功能相關(guān)腦區(qū)(海馬旁回、扣帶回、丘腦等)的神經(jīng)活動水平發(fā)生上調(diào)，情緒的興奮性增加最終可能會妨礙睡眠啟動或維持的能力。