凍結(jié)步態(tài)帕金森病患者腦部結(jié)構(gòu)fMRI：基于體素的形態(tài)學(xué)分析

陳靜勿，胡杉，謝新鳳，楊粵龍，吳曉玲，楊云竣，黃飚

凍結(jié)步態(tài)(freezing of gait，F(xiàn)OG)是帕金森病(Parkinson's disease，PD)晚期患者中常見(jiàn)的致殘性步態(tài)障礙。2010年在美國(guó)華盛頓舉辦的凍結(jié)步態(tài)研討會(huì)上將其定義為在準(zhǔn)備行走時(shí)出現(xiàn)前進(jìn)腳步的短暫性、偶發(fā)性缺乏或明顯減少，患者感到腳被粘在地面上不能行走[1]。因FOG易導(dǎo)致患者發(fā)生跌倒而造成骨折等并發(fā)癥，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和社會(huì)功能[2]，所以FOG被認(rèn)為是PD患者較嚴(yán)重的癥狀之一。目前對(duì)凍結(jié)步態(tài)的病理生理機(jī)制尚未明確，部分合并FOG的PD患者長(zhǎng)期得不到正確有效的治療。左旋多巴胺類藥物能有效改善PD患者的運(yùn)動(dòng)障礙，如靜止性震顫、肌強(qiáng)直和運(yùn)動(dòng)遲緩等，但對(duì)FOG治療效果欠佳，多巴胺類藥物甚至?xí)T發(fā)或加重某些PD患者的FOG[3]。腦深部電刺激(deep brain stimulation，DBS)療法對(duì)FOG也無(wú)明顯改善作用。

越來(lái)越多的研究者認(rèn)為PD-FOG不僅僅是單純的運(yùn)動(dòng)障礙，而是運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知兩大因素之間相互影響、相互作用所致，其中認(rèn)知功能障礙可能起著主要作用。隨著MRI技術(shù)的發(fā)展，有較多的學(xué)者應(yīng)用fMRI和DTI對(duì)PD-FOG患者進(jìn)行研究，Tessitore等[4]應(yīng)用fMRI中的獨(dú)立成份分析法分析PD-FOG患者的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)所提取的5個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，執(zhí)行-注意(右側(cè)額中回和角回)網(wǎng)絡(luò)和視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)(右頂枕回)功能連接下降；Fling等[5]應(yīng)用DTI技術(shù)的研究結(jié)果亦顯示PD-FOG患者腳橋核與額葉皮質(zhì)多個(gè)區(qū)域的連接減少，提示認(rèn)知功能障礙可能與FOG的發(fā)生機(jī)制有關(guān)。但目前PD-FOG患者出現(xiàn)腦部區(qū)域灰質(zhì)萎縮的相關(guān)區(qū)域尚不明確。目前應(yīng)用基于體素形態(tài)學(xué)分析法(voxel-based morphometry,VBM)分析PD-FOG患者的國(guó)內(nèi)研究較少，因此本研究應(yīng)用VBM法來(lái)分析PD-FOG患者腦灰質(zhì)的形態(tài)學(xué)，旨在進(jìn)一步探討本病的病理生理機(jī)制。

材料與方法

1.臨床資料

搜集廣東省人民醫(yī)院2014年1月-2016年12月經(jīng)臨床確診的38例帕金森病患者的病例資料，其中PD-FOG患者20例(男14例，女6例)，PD-nFOG患者18例(男9例，女9例)。同時(shí)招募21例健康志愿者作為正常對(duì)照組(healthy controls，HCs)，年齡、性別和受教育程度與PD組相匹配。所有被試為右利手。

所有患者經(jīng)神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師參照1992年英國(guó)帕金森病協(xié)會(huì)腦庫(kù)臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)明確診斷。凍結(jié)步態(tài)的評(píng)估采用凍結(jié)步態(tài)調(diào)查問(wèn)卷評(píng)測(cè)法(New FOG-Questionnaire，NFOG-Q)，NFOG-Q評(píng)分≥1認(rèn)為有凍結(jié)步態(tài)同時(shí)結(jié)合患者在10米步行、轉(zhuǎn)彎和穿過(guò)狹窄門口的情況進(jìn)行綜合評(píng)估。

所有患者進(jìn)行相應(yīng)的量表評(píng)分，包括統(tǒng)一帕金森病等級(jí)量表(unified Parkinson's disease rating scale，UPDRS)-III、簡(jiǎn)易智能精神狀態(tài)量表(mini-mental state examination，MMSE)和H-Y分期(Hoehn & Yahr stage)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①腦部常規(guī)MRI檢查發(fā)現(xiàn)有顱腦的占位性病變、腦血管疾病或其它顱腦病變等；②頭部存在影響圖像質(zhì)量的金屬異物，因運(yùn)動(dòng)偽影影響圖像質(zhì)量，受試者因不能忍受檢查而導(dǎo)致檢查序列不全等；③具有嚴(yán)重的心、肝、肺和腎等臟器疾病引起的精神障礙，有長(zhǎng)期嗜酒史，或者有甲狀腺功能異常等影響認(rèn)識(shí)的相關(guān)疾?。虎苣X深部受刺激或極嚴(yán)重的靜止性震顫的患者；⑤有精神分裂等其它精神性疾病；⑥存在影響運(yùn)動(dòng)功能的骨骼、肌肉或關(guān)節(jié)疾病。

本研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。所有PD患者及健康志愿者簽署了知情同意書(shū)，并由研究員告知本研究的目的、注意事項(xiàng)等相關(guān)內(nèi)容。

2.檢查方法

所有患者在清晨(停用抗帕金森藥物12 h以上)行磁共振檢查。使用GE Signa Excite II HD 3.0T超導(dǎo)型磁共振成像系統(tǒng)和頭頸聯(lián)合線圈。所有患者行T1WI、T2WI、FLAIR及矢狀面三維T1WI掃描。矢狀面三維T1WI使用快速擾相梯度回波反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列，掃描基線平行于前后聯(lián)合，掃描范圍自頂葉頂端至小腦半球下部。掃描參數(shù)：TR 8.4 ms，TE 3.3 ms，矩陣256×256，視野24 cm×24 cm，翻轉(zhuǎn)角13°，層厚1 mm，共獲得146幀圖像。

3.數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)處理均在Matlab(R2013a)平臺(tái)上進(jìn)行。解剖像數(shù)據(jù)采用DPABI分析軟件進(jìn)行自動(dòng)化流程處理，主要流程如下：①圖像轉(zhuǎn)換，將所有受試者原始圖像數(shù)據(jù)的DICOM格式轉(zhuǎn)換成NIFTI圖像格式；②空間標(biāo)準(zhǔn)化，將每個(gè)被試轉(zhuǎn)換后圖像映射到MNI標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)中；③組織分割，將分割后的灰質(zhì)圖像行體積調(diào)制為原始圖像的組織體積；④圖像平滑，采用8mm半高全寬高斯核對(duì)腦灰質(zhì)圖像進(jìn)行空間平滑。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPM8軟件，對(duì)獲得的3組數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行比較，并同時(shí)以年齡、性別作為協(xié)變量輸入軟件內(nèi)進(jìn)行分析，將P<0.005(AlphaSim校正)且相連灰質(zhì)腦區(qū)體積>80個(gè)體素為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)，得到統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖，應(yīng)用XjView軟件對(duì)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)進(jìn)行顯示，并進(jìn)一步提取相應(yīng)腦區(qū)的相關(guān)信息，包括解剖位置、體素大小、Brodmann(BA)分區(qū)、蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)坐標(biāo)及激活強(qiáng)度(用t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值T表示)。

使用SPSS 20.0軟件，對(duì)3組受試者的臨床統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對(duì)三組間年齡、受教育程度的比較采用單因素方差分析(ANOVA分析)，對(duì)性別差異的比較采用卡方檢驗(yàn)；對(duì)PD-FOG組和PD-nFOG組間病程差異的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，對(duì)MMSE評(píng)分、H-Y分期和UPDRS-Ⅲ評(píng)分的比較采用獨(dú)立樣本非參數(shù)檢驗(yàn)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 三組受試者的基本臨床資料及比較

注：括號(hào)內(nèi)為上下四分位數(shù)。

結(jié) 果

1.臨床資料分析結(jié)果

三組受試者的基本臨床資料及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表1。PD-FOG組、PD-nFOG組和HCs組中受試者的性別、年齡和受教育程度的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

三組間MMSE評(píng)分的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；進(jìn)一步兩兩比較，PD-FOG組與PD-nFOG組間MMSE評(píng)分的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，而PD-FOG組與HCs組間、PD-nFOG組與HCs組間MMSE評(píng)分的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

PD-FOG組與PD-nFOG組間病程、H-Y分期的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而UPDRS-Ⅲ評(píng)分的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

2.VBM分析結(jié)果

PD-FOG組較PD-nFOG組腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)及其分布特征見(jiàn)表2。與PD-nFOG組比較，PD-FOG組中腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)主要位于右額葉和右頂葉(圖1)。

表2 PD-FOG組較PD-nFOG組腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)

PD-FOG組較HCs組腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)及其分布特征見(jiàn)表3。與HCs組比較，PD-FOG組中腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)主要位于左側(cè)小腦(山頂、山坡、小腦扁桃體和蚓結(jié)節(jié))、右額葉和右頂葉(圖2)。

表3 PD-FOG組較HCs組腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)

討 論

本研究利用VBM技術(shù)研究PD-FOG、PD-nFOG患者和HCs的腦部灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與PD-nFOG患者比較，PD-FOG患者的額葉(BA4、BA6)和頂葉(BA3、BA40)皮質(zhì)萎縮；與HCs患者比較，除上述提及的腦部區(qū)域外，PD-FOG患者的小腦灰質(zhì)也存在萎縮。研究結(jié)果顯示PD-FOG患者出現(xiàn)了與認(rèn)知功能相關(guān)的額葉結(jié)構(gòu)改變，提示FOG的發(fā)生可能不僅僅是運(yùn)動(dòng)功能受損，也與PD患者的認(rèn)知、執(zhí)行功能受損相關(guān)，為PD-nFOG患者治療方法的確立提供了理論依據(jù)。

通常認(rèn)為正常行走不僅僅是一種自主性運(yùn)動(dòng)，需要大腦網(wǎng)絡(luò)中的注意力、執(zhí)行功能和視覺(jué)運(yùn)動(dòng)的整合[6-7]。這些大腦網(wǎng)絡(luò)的早期損傷與緩慢步態(tài)和步態(tài)失衡有關(guān)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)障礙均可引起FOG。有研究者[8]認(rèn)為PD患者步態(tài)障礙不但涉及皮質(zhì)-基底節(jié)-丘腦-皮質(zhì)等運(yùn)動(dòng)環(huán)路，還涉及到感覺(jué)認(rèn)知系統(tǒng)，需要認(rèn)知和注意功能對(duì)已破壞的運(yùn)動(dòng)環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，而感覺(jué)認(rèn)知過(guò)程主要由額葉皮質(zhì)完成，提示與認(rèn)知相關(guān)的額葉功能損傷與FOG密切相關(guān)，可能是FOG形成的根本原因。本研究結(jié)果顯示，F(xiàn)OG患者額葉皮層萎縮，其中包括位于BA6的額葉中央前回的前端區(qū)皮層和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)，輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的功能多樣，與運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃和學(xué)習(xí)以及認(rèn)知功能的關(guān)系密切。本組結(jié)果進(jìn)一步提示認(rèn)知功能的損害與FOG的發(fā)生有著密切的聯(lián)系。

圖1 MR VBM圖像， 顯示PD-FOG組較PD-nFOG組腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)主要位于右額葉和右頂葉(呈紅色)。a)橫軸面圖像；b)冠狀面圖像；c)矢狀位圖像；d)三維圖像(上面觀)；e)三維圖像(側(cè)面觀)。

圖2 MR VBM圖像， 顯示PD-FOG組較HCs組腦灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)主要位于右額葉、右頂葉和左小腦(呈紅顏色)。a)橫軸面圖像；b)冠狀面圖像；c)矢狀面圖像；d)三維圖像(側(cè)面觀)；e)橫軸面圖像；f)冠狀面圖像；g)矢狀面圖像；h)三維圖像(上面觀)。

筆者的研究團(tuán)隊(duì)在以往的研究中利用fMRI局部功能一致性(ReHo)方法來(lái)研究靜息狀態(tài)下腦功能，結(jié)果顯示與PD-nFOG患者比較，PD-FOG組的左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(BA6)及左側(cè)額上回的腦功能活動(dòng)性下降[9]。Jha等[10]通過(guò)神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試發(fā)現(xiàn)PD-FOG患者存在認(rèn)知功能障礙，同時(shí)他們應(yīng)用VBM方法研究大腦灰質(zhì)體積的改變，發(fā)現(xiàn)PD-FOG患者中參與感覺(jué)認(rèn)知功能的額葉體積發(fā)生了改變。同樣地，Kostic等[11]對(duì)17例PD-FOG和20例PD-nFOG患者及34例HCs的研究中發(fā)現(xiàn)，與PD-nFOG患者比較，PD-FOG患者的認(rèn)知功能明顯受損，且額葉的執(zhí)行能力下降；同時(shí)VBM法分析結(jié)果顯示，F(xiàn)OG的嚴(yán)重程度與額頂葉灰質(zhì)萎縮有顯著相關(guān)性。本研究結(jié)果顯示，F(xiàn)OG患者中與步態(tài)有關(guān)的額葉皮層存在萎縮，與上述研究結(jié)果基本一致。額葉皮層在周圍環(huán)境改變時(shí)對(duì)控制步態(tài)模式有重要作用，因此當(dāng)額葉區(qū)發(fā)生功能障礙時(shí)，將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)程序中注意力集中能力和執(zhí)行程序能力出現(xiàn)下降，從而可能導(dǎo)致FOG的發(fā)生。

本研究結(jié)果顯示，PD-FOG患者的頂葉皮質(zhì)有多處出現(xiàn)萎縮表現(xiàn)，涉及的區(qū)域主要為前頂葉區(qū)和緣上回。雖然目前大多數(shù)對(duì)PD-FOG患者腦部結(jié)構(gòu)的研究中，顯示額葉功能障礙是導(dǎo)致FOG發(fā)生的重要機(jī)制，但亦有較多研究中發(fā)現(xiàn)了頂葉功能結(jié)構(gòu)的改變。Li等[12]利用體素鏡像同倫功能連接方法(VMHC)分析21例PD-FOG和33例PD-nFOG患者及24例HCs的腦靜息態(tài)功能成像數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)與PD-FOG、HCs組比較，PD-FOG雙側(cè)頂下小葉的VMHC值降低，即自發(fā)性同步下降，提示雙側(cè)頂下小葉VMHC值的降低可能有助于鑒別PD-FOG與PD-nFOG患者。此外，Herman等[13]應(yīng)用VBM對(duì)22例PD-FOG和22例PD-nFOG進(jìn)行VBM分析，發(fā)現(xiàn)頂下小葉及角回有著明顯皮質(zhì)萎縮，頂下小葉和角回在各種高級(jí)認(rèn)知功能中發(fā)揮著重要作用，在動(dòng)作執(zhí)行過(guò)程中，頂下小葉被激活，進(jìn)行時(shí)空信息的感知整合，頂下小葉的萎縮可能會(huì)使帕金森病患者出現(xiàn)步態(tài)失控，從而導(dǎo)致FOG。此外與Herman等[13]的研究結(jié)果相比，本研究新發(fā)現(xiàn)了緣上回灰質(zhì)萎縮，緣上回(BA40)屬于次級(jí)體感皮層，是Wernicke區(qū)的一部分，主要功能是響應(yīng)軀體刺激、完成結(jié)構(gòu)區(qū)分任務(wù)，同時(shí)也能感知空間和肢體位置，因此其結(jié)構(gòu)的損傷可能導(dǎo)致PD患者出現(xiàn)FOG。Gottlieb等[14]分析例相關(guān)的神經(jīng)生理研究常規(guī)，提出頂葉皮質(zhì)是連接知覺(jué)、動(dòng)作和認(rèn)知功能的橋梁，結(jié)合本研究結(jié)果，我們認(rèn)為頂葉的異常也是PD-FOG患者重要的神經(jīng)病理基礎(chǔ)之一。

Fling等[5]的研究結(jié)果支持FOG出現(xiàn)的是由于脊髓上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括腦橋核、小腦、基底節(jié)和額葉執(zhí)行皮質(zhì)區(qū)功能障礙導(dǎo)致的，說(shuō)明小腦可能也與FOG有關(guān)。本研究也發(fā)現(xiàn)PD-FOG患者小腦灰質(zhì)體積異常減少。不少研究表明小腦在維持運(yùn)動(dòng)能力方面具有補(bǔ)償性作用[15-16]。小腦主要的功能是參與軀體平衡、控制姿勢(shì)與步態(tài)、調(diào)節(jié)肌張力以及精細(xì)運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)、計(jì)劃和協(xié)調(diào)。小腦-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路是指來(lái)自齒狀核發(fā)出的纖維束交叉后至對(duì)側(cè)紅核，上行至丘腦，再傳至大腦皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)及運(yùn)動(dòng)前區(qū)，參與椎體束及椎體外系的調(diào)節(jié)，可見(jiàn)小腦和SMA也是其重要組成部分之一。小腦-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路的某一部分出現(xiàn)功能障礙則導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)及部分認(rèn)知功能障礙。Wang等[17]應(yīng)用fMRI對(duì)14例PD-FOG、16例PD-nFOG和16例HCs研究發(fā)現(xiàn)PD-FOG患者腳橋核的功能連接出現(xiàn)異常，主要是皮質(zhì)-腦橋-小腦通路(雙側(cè)小腦、腦橋)和視覺(jué)顳葉區(qū)域受到損害。Schweder等[18]應(yīng)用基于纖維束骨架的空間統(tǒng)計(jì)(tract-based spatial statistics,TBSS)技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)腳橋核-小腦的連接性下降。此外一項(xiàng)VBM研究分析結(jié)果也顯示PD-FOG組小腦的灰質(zhì)體積存在明顯的萎縮[10]。本研究結(jié)果顯示小腦(山頂、山坡、小腦扁桃體和蚓結(jié)節(jié))灰質(zhì)體積異常減少，提示FOG的發(fā)生與小腦結(jié)構(gòu)的損傷也有關(guān)系。

有研究結(jié)果表明PD-FOG患者存在視覺(jué)空間功能的損害，負(fù)責(zé)視覺(jué)處理的枕顳葉腦功能網(wǎng)絡(luò)的連接性下降或皮質(zhì)萎縮[10,17]，但本研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)枕顳葉灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的異常，這可能與樣本量小有關(guān)，今后將繼續(xù)收集PD-FOG患者大樣本數(shù)據(jù)，以期能得出更全面地分析結(jié)果。此外本研究是一項(xiàng)橫斷面研究，如能獲得縱向數(shù)據(jù)，則可以更加集中地對(duì)FOG患者進(jìn)行分析，減少個(gè)體差異的混雜效應(yīng)。

總之，本研究結(jié)果顯示PD-FOG患者不僅與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)中頂葉及小腦灰質(zhì)的體積減少，而且與認(rèn)知相關(guān)的額葉灰質(zhì)的體積也有減少。提示盡管FOG的表現(xiàn)似為運(yùn)動(dòng)障礙，實(shí)際上FOG患者不僅是運(yùn)動(dòng)功能受損所致，而是運(yùn)動(dòng)和認(rèn)知功能障礙相互影響、相互作用的結(jié)果。本研究結(jié)果有助于進(jìn)一步深入了解揭示PD-FOG的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制，為采用改善認(rèn)知功能的治療方法來(lái)治療PD-FOG患者提供了理論依據(jù)。