兒童自閉癥譜系障礙的大腦皮層復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)共變網(wǎng)絡(luò)的變化模式＊

1.深圳市兒童醫(yī)院放射科 (廣東 深圳 518000)

2.中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院(廣東 深圳 518000)

王宏偉1 徐錦萍2 胡慶茂2劉隆平1 干蕓根1

1943年美國人Kanner首次提出自閉癥(Autism Spectrum Disorder, ASD)并描述了它的核心癥狀：交流障礙、語言障礙以及重復(fù)刻板的行為和狹窄的興趣愛好[1]。Sun等[2]通過Meta分析報(bào)道中國大陸ASD發(fā)病率為11.8‰(95% CI 18.5～34.6)。ASD患者的結(jié)構(gòu)全腦網(wǎng)絡(luò)連接的改變尚不明確。1986年，Ritvo等人[3]的尸體解剖研究發(fā)現(xiàn)自閉癥譜系障礙(ASD)患者的皮層異常，例如小腦回較多。雖然有很多研究分析ASD患者的溝形態(tài)學(xué)[4]、溝深度[5]和腦回復(fù)雜度[6]，但到目前為止只有2個(gè)研究測量了ASD患者整個(gè)大腦皮層的腦回。結(jié)構(gòu)磁共振成像技術(shù)(structural Magnetic Resonance Imaging,sMRI)主要是通過分析腦區(qū)的灰質(zhì)密度、灰質(zhì)體積、皮層復(fù)雜度等的共變，來描述大腦不同區(qū)域之間的結(jié)構(gòu)連接，可能為ASD的研究提供新的方向。盡管ASD的結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)研究已經(jīng)有了大量的工作發(fā)表，但ASD的神經(jīng)機(jī)制仍然不清楚。本項(xiàng)目采用具有高精度和靈敏度的三維局部大腦皮層復(fù)雜度度量來研究ASD患者的大腦皮層折疊, 準(zhǔn)確定位其大腦皮層折疊異常的腦區(qū)，從而揭示導(dǎo)致這些折疊異常的神經(jīng)機(jī)理。然后，進(jìn)一步運(yùn)用皮層復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)共變模式構(gòu)建全腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，從結(jié)構(gòu)連接角度研究ASD，為ASD的早期診斷和臨床治療提供更加全面的信息，并可望發(fā)現(xiàn)輔助ASD早期診斷的影像學(xué)標(biāo)記。

1 材料與方法

1.1 一般資料 本研究引用加州大學(xué)洛杉磯分校的數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)站(http://preprocessed-connectomes-project.org/abide/download.html)獲得，該數(shù)據(jù)集共包含62個(gè)自閉癥和47個(gè)對(duì)照組。我們只選擇了圖像質(zhì)量檢測結(jié)果為好的，并且平均頭動(dòng)不超過1mm的數(shù)據(jù)，共32個(gè)自閉癥和20個(gè)正常人。表1描述了所有被試的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和臨床特征。

1.2 MRI數(shù)據(jù)獲取 應(yīng)用由西門子3.0T的核磁共振機(jī)器采集，T1結(jié)構(gòu)像參數(shù)如下：重復(fù)掃描時(shí)間=2300ms，回波時(shí)間=2.84ms，視野=256mm×256mm，平面內(nèi)體素分辨率=1mm×1mm，層厚1.2mm，和翻轉(zhuǎn)角度=9o。

1.3 構(gòu)建基于皮層復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)共變網(wǎng)絡(luò) 腦皮層表面的預(yù)處理都用FreeSurfer的標(biāo)準(zhǔn)預(yù)處理步驟。應(yīng)用FreeSurfer v5.1.0版本軟件，首先利用T1數(shù)據(jù)，重建出灰質(zhì)和白質(zhì)界面，灰質(zhì)和腦脊液邊界面表面。當(dāng)所有皮層的表面被重建后，在每個(gè)個(gè)體的原始空間中計(jì)算局部回指標(biāo)作為皮層復(fù)雜度度量，基于FreeSurfer v5.1.0下的Desikan-Killiany圖譜將整個(gè)大腦皮層分為68個(gè)腦區(qū)，每一個(gè)大腦半球34個(gè)，并計(jì)算每個(gè)腦區(qū)所有體素的平均局部回指標(biāo)作為對(duì)應(yīng)腦區(qū)的皮層復(fù)雜度。然后，計(jì)算每組腦區(qū)間的皮層復(fù)雜度的皮爾森相關(guān)系數(shù)，作為腦區(qū)間的結(jié)構(gòu)連接強(qiáng)度，即網(wǎng)絡(luò)的邊。這樣就得到了一個(gè)68×68的相關(guān)系數(shù)矩陣，即就是大腦的結(jié)構(gòu)共變網(wǎng)絡(luò)C=[cij](i,j=1,2,… N,這里N=68)。最后，每個(gè)組的相關(guān)矩陣設(shè)定閾值到一個(gè)固定的稀疏度23%(保證網(wǎng)絡(luò)全聯(lián)通的最小值)-49%轉(zhuǎn)為一個(gè)二值矩陣B=[bij]。

1.4 計(jì)算網(wǎng)絡(luò)屬性 基于圖論法分析網(wǎng)絡(luò)屬性值。在本研究中，我們考察以下的網(wǎng)絡(luò)屬性：全局效率(Eglobal)、局部效率(Elocal)、最短路徑長度(Lp)、聚類系數(shù)(Cp)和小世界屬性。

(1)全局效率：網(wǎng)絡(luò)的全局效率是測量大腦整體網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息傳遞速度的指標(biāo)，是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的效率的平均值。(2)局部效率：是測量局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息轉(zhuǎn)化能力的指標(biāo)，是對(duì)子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含的所有節(jié)點(diǎn)效率的平均。(3)最短路徑長度：最短路徑長度是測量大腦內(nèi)信息傳遞能力的指標(biāo)，可以評(píng)估大腦網(wǎng)絡(luò)的功能整合能力，最短路徑長度越短表明信息傳遞能力和功能整合能力越高。最短路徑長度指的是節(jié)點(diǎn)間信息傳輸所經(jīng)過的最短距離，即連接兩個(gè)節(jié)點(diǎn)需要的最少邊數(shù)。對(duì)于加權(quán)網(wǎng)絡(luò)，邊的長度由所定義的權(quán)值決定。網(wǎng)絡(luò)的平均最短路徑長度Lp等于所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑長度的平均。(4)聚類系數(shù)：網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)衡量了網(wǎng)絡(luò)局部化的程度，反映了其局部信息傳遞的效率。聚類系數(shù)是網(wǎng)絡(luò)中某一節(jié)點(diǎn)與鄰居節(jié)點(diǎn)實(shí)際存在的邊數(shù)與所有可能連接邊數(shù)之比。(5)小世界屬性：Watts與Strogatz在1998年首次提出小世界屬性的概念。它是與網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)Cp以及平均最短路徑長度Lp緊密相關(guān)的。如果一個(gè)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件，就認(rèn)為其具有小世界屬性，其衡量指標(biāo)定義為SWI：

為了得到一個(gè)整體和可以比較測量的矩陣，我們使用了網(wǎng)絡(luò)屬性的歸一化積分值，即：

這里a,b分別是稀疏度的下限值和上限值(a=23和b=49)。

1.5 網(wǎng)絡(luò)屬性的統(tǒng)計(jì)分析 為了比較網(wǎng)絡(luò)屬性，我們隨機(jī)重采樣了1000次，每一次計(jì)算一個(gè)皮層復(fù)雜度的相關(guān)矩陣。然后計(jì)算矩陣在稀疏度23%-49%下的Lp， Elocal，Eglobal，Cp還有它們的整合指標(biāo)。在檢查這1000次的屬性值的正態(tài)分布后，用雙樣本t檢驗(yàn)分析整合Lp，整合Elocal，整合Eglobal和整合Cp的組間差異。

1.6 網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)分析 ASD組和正常人組的腦網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)分析采用皮層復(fù)雜度網(wǎng)絡(luò)的中心度來衡量。節(jié)點(diǎn)i的中心度定義為任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過節(jié)點(diǎn)i的的最短路勁的條數(shù)，用bci表示，并且用來表示歸一化的中心度，其中是所有節(jié)點(diǎn)的平均中心度。接著，計(jì)算在稀疏度下的平均歸一化節(jié)點(diǎn)度，值超過(＞mean+SD)的節(jié)點(diǎn)定義為腦網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。

2 結(jié) 果

2.1 基于皮層復(fù)雜度的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 自閉癥組的皮層復(fù)雜度網(wǎng)絡(luò)與對(duì)照組明顯不同，自閉癥組全腦各腦區(qū)皮層復(fù)雜度的相關(guān)性強(qiáng)于正常對(duì)照組，見圖1-2。

自閉癥組和對(duì)照組的皮層復(fù)雜度網(wǎng)絡(luò)在23%-49%的稀疏度下都滿足顯著的小世界屬性(SWI)，見圖3。并且，我們發(fā)現(xiàn)自閉癥組的整合全局效率，局部效率，最短路徑和聚類系數(shù)都顯著變化，ASD患者的網(wǎng)絡(luò)的聚類性顯著增加，最短路徑長度縮短，同時(shí)全局效率升高，局部效率升高，見圖4-11。

2.2 中心節(jié)點(diǎn)的分布模式 與對(duì)照組相比，自閉癥組的中心節(jié)點(diǎn)分布模式顯著變化。對(duì)照組共發(fā)現(xiàn)10個(gè)腦區(qū)(左側(cè)額中回尾部，左側(cè)楔葉，左側(cè)頂下回，左側(cè)額下回三角部，左側(cè)額中回嘴部，右側(cè)外側(cè)眶額，右側(cè)中央前回，右側(cè)額中回嘴部，右側(cè)額下回和右側(cè)腦島)，而自閉癥組有11個(gè)腦區(qū)(左側(cè)梭狀回，左側(cè)顳下回，左側(cè)中央后回，左側(cè)后扣帶回，左側(cè)中央前回，左側(cè)額中回嘴部，左側(cè)顳上回，右側(cè)外側(cè)眶額，右側(cè)顳中回，右側(cè)中央后回和右側(cè)楔前葉。只有左側(cè)額中回嘴部和右外側(cè)眶額是兩組共有的中心節(jié)點(diǎn)，見圖12-13。

3 討 論

本研究采用圖論的方法來分析ASD的大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與正常人的差異。人類大腦介于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)和規(guī)則網(wǎng)絡(luò)之間，具有小世界的網(wǎng)絡(luò)屬性[7]，即經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)，具有較高的聚類性和較低的路徑長度。本研究發(fā)現(xiàn)ASD與正常對(duì)照組相比，雖然仍都屬于小世界網(wǎng)絡(luò)，但是發(fā)生了較大改變。如圖1-2所示，與正常對(duì)照組相比，ASD全腦網(wǎng)絡(luò)的功能相關(guān)性較對(duì)照組強(qiáng)增強(qiáng)。ASD患者的整體效率要高于正常對(duì)照組(如圖4-11)。整體效率是測量大腦內(nèi)信息傳遞速度的指標(biāo)，整體效率提高表明ASD患者在整體網(wǎng)絡(luò)水平的信息傳遞效率要高于正常對(duì)照組。整體效率可以測量大腦網(wǎng)絡(luò)的功能整合能力，因此，ASD患者全腦網(wǎng)絡(luò)的功能整合能力高于正常人。此外，本研究發(fā)現(xiàn)ASD患者的最短路徑長度低于正常對(duì)照組(圖4-11)。最短路徑長度是測量大腦內(nèi)信息傳遞能力的一個(gè)指標(biāo)，可以用來評(píng)估大腦網(wǎng)絡(luò)的功能整合能力，越短表明功能整合能力越高。ASD患者的最短路徑減低，說明ASD患者全腦網(wǎng)絡(luò)的功能整合能力比正常人高。

本研究發(fā)現(xiàn)，ASD的聚類系數(shù)高于正常人(如圖4-11)。聚類系數(shù)是反映大腦網(wǎng)絡(luò)的功能分離能力的指標(biāo)，與局部信息處理的能力有關(guān)。局部效率是測量局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息轉(zhuǎn)換能力的指標(biāo)。本文結(jié)果表明在局部網(wǎng)絡(luò)中兒童自閉癥譜系障礙患者大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息轉(zhuǎn)換效率要高于正常人，也就是說ASD患者全腦網(wǎng)絡(luò)中一些腦區(qū)與正常人相比更加活躍。大腦發(fā)育研究表明成人和兒童大腦網(wǎng)絡(luò)的功能分離能力在不斷增 加[8]，功能分離能力可以用來測量大腦是否成熟[9]。本研究結(jié)果表明，ASD患者的大腦功能發(fā)育成熟度并沒有落后，處理信息的能力比正常對(duì)照組高。ASD患者聚類性增加，最短路徑長度減低，說明ASD患者大腦功能網(wǎng)絡(luò)沒有偏離正常的小世界經(jīng)濟(jì)網(wǎng)絡(luò)模式。

表1 人口統(tǒng)計(jì)和臨床特征描述

并且，ASD患者腦網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)分布模式與對(duì)照組相比發(fā)生了明顯變化，對(duì)照組共發(fā)現(xiàn)10個(gè)腦區(qū)(左側(cè)額中回尾部，左側(cè)楔葉，左側(cè)頂下回，左側(cè)額下回三角部，左側(cè)額中回嘴部，右側(cè)外側(cè)眶額，右側(cè)中央前回，右側(cè)額中回嘴部，右側(cè)額下回和右側(cè)腦島)，而自閉癥組有11個(gè)腦區(qū)(左側(cè)梭狀回，左側(cè)顳下回，左側(cè)中央后回，左側(cè)后扣帶回，左側(cè)中央前回，左側(cè)額中回嘴部，左側(cè)顳上回，右側(cè)外側(cè)眶額，右側(cè)顳中回，右側(cè)中央后回和右側(cè)楔前葉。只有左側(cè)額中回嘴部和右外側(cè)眶額是兩組共有的中心節(jié)點(diǎn)。有研究表明，后扣帶回功能區(qū)可能具備以調(diào)整大腦網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的方式來對(duì)注意力集中產(chǎn)生影響的作用[10]。對(duì)ASD患者進(jìn)行靜息態(tài)功能磁共振研究表明，后扣帶回功能連接的減低可能與ASD患者比較狹隘的注意力障礙有關(guān)[11]。這些中心節(jié)點(diǎn)的改變表明ASD患者腦功能活動(dòng)模式發(fā)生改變，繼續(xù)深入研究有可能更進(jìn)一步解釋ASD的發(fā)病機(jī)制。

綜上所述，本研究結(jié)果提示，與正常人相比，ASD患者全腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，雖然仍具備小世界網(wǎng)絡(luò)屬性，但是ASD全腦功能網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)模式發(fā)生了改變，伴隨著全腦網(wǎng)絡(luò)功能整合能力以及功能分離能力的增強(qiáng)，這些不同于正常對(duì)照組的腦區(qū)中心節(jié)點(diǎn)的功能會(huì)被徹底執(zhí)行，從而出現(xiàn)固執(zhí)的刻板的相關(guān)臨床癥狀。因此，我們預(yù)測，ASD患者的發(fā)病機(jī)制中，ASD全腦功能網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的改變可能占主導(dǎo)作用，對(duì)ASD患者全腦網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)改變的后續(xù)深入研究，對(duì)進(jìn)一步揭示ASD的發(fā)病機(jī)制及臨床癥狀有巨大價(jià)值。