基于低頻振幅方法的連枷臂綜合征患者靜息態(tài)功能磁共振成像研究

位珊珊， 李 嬌, 商秀麗

連枷臂綜合征(flail arm syndrome,FAS)是一種緩慢進(jìn)行性加重的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病，主要臨床特點(diǎn)是患者肌肉萎縮無(wú)力,局限于上肢,主要存在于上臂近端和肩帶區(qū)，呈肩膀下垂，手臂、前臂雙手內(nèi)旋的特殊姿勢(shì)。1998年Hu等[1]發(fā)現(xiàn)并描述這一組臨床癥狀，其病因及發(fā)病機(jī)制目前尚不明確，生存期約5～10 y。肌萎縮性側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病(motor neuron disease，MND)最常見(jiàn)的一種亞型，以累及上、下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元為特征的一種病因不明的致命性的神經(jīng)退行性疾病[2,3]，診斷缺乏特異性的生物學(xué)標(biāo)志，臨床診斷依賴于臨床及電生理。ALS病情進(jìn)展迅速，多數(shù)患者通常在3 y內(nèi)進(jìn)展為呼吸衰竭并死亡[4]。

目前認(rèn)為FAS是ALS的一種良性變異型[5]，異質(zhì)性是FAS與ALS相比沒(méi)有明顯的上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受累征象[6,7]。目前FAS的診療原則遵循ALS，缺乏有效治療手段。綜合國(guó)內(nèi)外不同樣本大小的臨床研究表明FAS約占ALS的8%～10%[8,9]，與經(jīng)典ALS比較，F(xiàn)AS生存期較長(zhǎng)，呼吸功能受累較晚，早期診斷和早期干預(yù)治療對(duì)FAS患者至關(guān)重要。近年來(lái)，腦成像技術(shù)越來(lái)越多的被用于ALS研究中，揭示了ALS患者腦結(jié)構(gòu)、功能的異常。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)公開(kāi)發(fā)表的FAS患者的功能磁共振成像(fMRI)研究。因此本研究擬采用靜息態(tài)fMRI低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)[10]的分析方法從腦代謝活動(dòng)強(qiáng)度的角度來(lái)進(jìn)一步探討靜息狀態(tài)下FAS患者運(yùn)動(dòng)障礙與腦區(qū)之間的聯(lián)系，為探討靜息狀態(tài)下FAS患者腦活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 招募自2015年1月-2018年5月中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科門診或住院的FAS患者10名，F(xiàn)AS入組標(biāo)準(zhǔn)：(1)所有受試者均由同一名運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病專家進(jìn)行評(píng)估，符合2000年修訂版EI-Escorial標(biāo)準(zhǔn)臨床擬診或確診的診斷[11]要點(diǎn)：①臨床上顯著的上肢下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元體征，體征符合進(jìn)行性發(fā)展的趨勢(shì)，并且以上肢近端肌無(wú)力和肌肉萎縮為特征；②在病程中可以出現(xiàn)下肢的病理反射或深反射活躍，但不能有上肢的肌張力增高或者肌陣攣；③在上肢下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元體征出現(xiàn)12個(gè)月以內(nèi)不能出現(xiàn)臨床上明顯的下肢或者球部的下運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元體征；所有病例均有完整的臨床診斷資料和隨訪記錄。(2)所有患者均為右利手。(3)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室和電生理檢查結(jié)果排除其他疾病。(4)除外有ALS家族史、其它神經(jīng)精神疾病史、中毒、酒精及其它物質(zhì)依賴史、存在MRI檢查禁忌及頭部MRI發(fā)現(xiàn)占位性病變、腦積水等疾病的患者。同時(shí)招募10名年齡、性別和受教育水平與病例組匹配的社區(qū)中老年健康志愿者作為對(duì)照組。本研究經(jīng)中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。所有受試者入組前均被詳細(xì)告知并取得本人或家屬知情同意并簽署知情同意書(shū)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 采集基線數(shù)據(jù) 采集受試者的年齡、性別、教育程度、病程、首發(fā)癥狀部位、修訂版ALS功能分級(jí)量表(revised ALS Functional Rating Scale，ALSFRS-R)評(píng)分得分。

1.2.2 影像數(shù)據(jù)采集 采用GE Signa 3.0T超導(dǎo)磁共振掃描儀。掃描由同一名操作熟練的放射科技師進(jìn)行操作。解剖像采用三維快速擾相梯度翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(3D-SPGR)：重復(fù)時(shí)間(TR)=7.1 ms，回波時(shí)間(TE)=3.2 ms，層數(shù)=172，翻轉(zhuǎn)角(FA)=15°，視野(FOV)=240 mm×240 mm，矩陣=256×256，層厚=1.8 mm，層間隔=0，掃描時(shí)間約8 min。所有受試者在掃描過(guò)程中平躺在檢查床上，用海綿固定頭部將頭動(dòng)控制到最小，并被告知在掃描時(shí)閉眼放輕松但不要睡著，且要盡量保持頭部靜止。

1.3 MRI數(shù)據(jù)處理分析

1.3.1 圖像預(yù)處理 基于Matlab2017a軟件環(huán)境下使用DPABI_V3.0 (http://rfmri.Org/DPABI)中的靜息態(tài)數(shù)據(jù)處理助手(DPARSFA)[12]對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。首先將每名被試者的前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)去除，以排除最初磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的不穩(wěn)定及被試者適應(yīng)階段的干擾，時(shí)間校正、頭動(dòng)校正(將頭動(dòng)參數(shù)任意方向上大于3 mm或旋轉(zhuǎn)角度大于2的被試剔除)、利用EPI模板對(duì)所有受試fMRI圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(設(shè)置體素大小重采樣為3 mm×3 mm×3 mm)、高斯平滑(6 mm的半高全寬)、去線性漂移、濾波(0.01～0.08 Hz頻率范圍，以減少低頻線性漂移和生理噪音的影響)。計(jì)算頻率為0.01～0.08 Hz范圍內(nèi)的低頻振幅。去線性漂移及濾波后，采用默認(rèn)全腦mask(維度=61×73×61)的信號(hào)強(qiáng)度的時(shí)間序列進(jìn)行傅立葉變換，得到每個(gè)體素內(nèi)0.01～0.08 Hz之間的平均值即ALFF[10]，將每個(gè)體素的ALFF值除以全腦均值得到mALFF腦圖后進(jìn)入統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié) 果

2.1 兩組被試人口學(xué)資料分析 FAS患者組與對(duì)照組在年齡、受教育年限方面均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P﹥0.05)(見(jiàn)表1)。

2.2 ALFF結(jié)果 全腦組間t檢驗(yàn)顯示，與正常對(duì)照組相比，F(xiàn)AS組在雙側(cè)楔前葉、左側(cè)楔葉、后扣帶回、枕上回、顳中回、枕中回、角回、頂下緣角回腦區(qū)均出現(xiàn)ALFF值的低于正常對(duì)照組；結(jié)果中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)FAS組ALFF增高的腦區(qū)(P<0.05，AlphaSim校正，voxels>52)(見(jiàn)表2、圖1)。

2.3 FAS組ALFF與臨床癥狀嚴(yán)重程度的相關(guān)性分析結(jié)果 以有顯著性差異的ALFF腦區(qū)作為ROI，提取每個(gè)區(qū)域的ALFF值與ALSFRS-R分?jǐn)?shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果分析有顯著性差異的腦區(qū)的ALFF值與ALSFRS-R得分無(wú)顯著性相關(guān)(r=0.142，P=0.726)。

表1 FAS組與正常對(duì)照組人口學(xué)資料及病情資料

注：性別差異采用卡方檢驗(yàn)；年齡和教育程度采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；P﹤0.05差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。FAS患者組與對(duì)照組在年齡、受教育年限方面均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異

表2 FAS組較正常對(duì)照組ALFF值顯著改變的腦區(qū)信息

注：X、Y、Z為MNI坐標(biāo)軸(mm)，MNI為蒙特利爾神經(jīng)研究所人腦坐標(biāo)；t值為顯著性檢驗(yàn)值(P<0.05，AlphaSim校正，voxels>52)

圖1 FAS組較正常對(duì)照組ALFF值顯著改變的腦區(qū)。右側(cè)不同的顏色條帶對(duì)應(yīng)不同的t值，暖色系條帶代表低頻振蕩振幅(ALFF)值增加，冷色系條帶代表ALFF值減低。左側(cè)MNI模板上的藍(lán)色表示FAS組比對(duì)照組低頻振幅明顯減弱的腦區(qū)示意圖

3 討 論

靜息狀態(tài)下大腦各個(gè)腦區(qū)神經(jīng)元均存在自發(fā)性神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生低頻振蕩信號(hào)[12]，即BOLD信號(hào)。ALFF增加反映腦神經(jīng)自發(fā)活動(dòng)增加，減低代表腦神經(jīng)自發(fā)活動(dòng)減低，ALFF結(jié)果圖可以較好地對(duì)全腦各區(qū)域的活動(dòng)情況進(jìn)行觀察。FAS患者肢體活動(dòng)受限，不能配合完成相應(yīng)任務(wù)，故任務(wù)態(tài)fMRI不能很好地反映患者相應(yīng)腦功能改變。靜息態(tài)fMRI只需受試者平躺，保持閉眼或睜眼的清醒狀態(tài)即可，對(duì)FAS患者尤為適合。本研究中,與正常對(duì)照組相比較，F(xiàn)AS組在雙側(cè)楔前葉、左側(cè)楔葉、后扣帶回、枕上回、顳中回、枕中回、角回、頂下緣角回腦區(qū)均出現(xiàn)ALFF值的低于正常對(duì)照組；但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)FAS組ALFF增高的腦區(qū)。ALFF明顯減低的腦區(qū)的ALFF值與ALS功能分級(jí)量(ALSFRS-R)總分無(wú)相關(guān)性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者Luo等[13]在RS-fMRI中發(fā)現(xiàn)，和健康對(duì)照組相比,ALS患者存在運(yùn)動(dòng)外區(qū)域功能改變，如視覺(jué)皮質(zhì)、額葉、枕下葉及中央后回出現(xiàn)ALFF值升高。但在本研究發(fā)現(xiàn)FAS組在雙側(cè)楔前葉、楔葉、后扣帶回、枕上回、顳中回、枕中回、角回、頂下緣角回腦區(qū)出現(xiàn)ALFF值減低。結(jié)果顯示這些部位的腦神經(jīng)自發(fā)活動(dòng)降低，表明FAS患者出現(xiàn)多個(gè)腦區(qū)受損，屬于彌漫性腦疾病。本研究中FAS組多個(gè)腦區(qū)ALFF減低，推測(cè)可能與皮質(zhì)神經(jīng)元受損有關(guān)，可能處于失代償期。有研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)海馬旁回的ALFF值增加與ALS進(jìn)展率呈正相關(guān)，可將右側(cè)海馬旁回的ALFF值作為監(jiān)測(cè)肌萎縮側(cè)索硬化進(jìn)展的潛在標(biāo)志物[14]。但在本研究中發(fā)現(xiàn)右側(cè)海馬旁回ALFF與正常對(duì)照組相比無(wú)明顯差別，提示FAS與ALS在海馬旁回區(qū)域可能有不同的致病機(jī)制。在我們的研究中，F(xiàn)AS組ALFF減低的腦區(qū)集中出現(xiàn)在左側(cè)半球，這可能與患者多以右側(cè)肢體起病相關(guān)，具體原因尚需做進(jìn)一步研究。

已有研究表明大腦中存在多個(gè)低頻振蕩網(wǎng)絡(luò)，其中默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(Default Mode Network,DMN)是一個(gè)大腦系統(tǒng)，它包含的腦區(qū)有內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)、后扣帶回以及鄰近的楔前葉(PCC/Precuneus),雙側(cè)角回,雙側(cè)外側(cè)顳葉,雙側(cè)海馬[15]，其中后扣帶回是DMN中最關(guān)鍵的位置[16,17]。DMN腦區(qū)的活動(dòng)性與監(jiān)測(cè)人體內(nèi)外環(huán)境、多種高級(jí)認(rèn)知功能的維持有著密切關(guān)系[18]。本研究發(fā)現(xiàn)FAS患者在雙側(cè)楔前葉、角回、楔葉，ALFF值明顯低于正常對(duì)照組，提示這些部位的腦神經(jīng)自發(fā)活動(dòng)減低。研究結(jié)果中ALFF減低的腦區(qū)包括了DMN的重要腦區(qū)后扣帶回以及鄰近的楔前葉、角回及楔葉，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)ALFF減低可能與FAS患者的認(rèn)知功能可能受損有關(guān)，也可能與患者疾病過(guò)程中長(zhǎng)期的負(fù)性情緒偏向有關(guān)。

本研究尚具有一定的局限性，由于FAS發(fā)病率低，入組標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格樣本量少，可能對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性造成一定影響。在今后的研究中，擴(kuò)大樣本量有助于在臨床量表評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上為FAS的診斷提供新的影像學(xué)依據(jù)。

綜上所述，本研究采用基于ALFF分析的靜息態(tài)fMRI方法，對(duì)FAS引起的BOLD改變進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)ALFF異常變化的區(qū)域主要集中在雙側(cè)楔前葉、楔葉、后扣帶回、枕上回、顳中回、枕中回、角回、頂下緣角回腦區(qū)。與既往已有的ALS研究相比有很大不同，提示FAS可能是獨(dú)立的疾病實(shí)體。FAS患者ALFF值的異常變化可能源于異常的神經(jīng)元活動(dòng)，而這些神經(jīng)元活動(dòng)異?？赡苁荈AS患者神經(jīng)病理機(jī)制的基礎(chǔ)。