多發(fā)性硬化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)改變的基于體素度中心度的fMRI研究

劉常恩，杜小峰

（1.舟山市普陀區(qū)人民醫(yī)院 放射科，浙江 舟山 316100；2.中國科學(xué)院大學(xué)寧波華美醫(yī)院 放射科，浙江寧波 315010）

復(fù)發(fā)緩解型多發(fā)性硬化（relapsing-remitting multiple sclerosis，RRMS）是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)白質(zhì)炎性脫髓鞘病變?yōu)橹饕攸c(diǎn)的自身免疫疾病。研究發(fā)現(xiàn)，RRMS除了典型的炎性白質(zhì)病變外，灰質(zhì)脫髓鞘改變也非常常見[1-2]，在MRI成像中也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)異常[3-5]，且與臨床癥狀相關(guān)[6]。然而，對RRMS灰質(zhì)功能改變的研究較少。對人腦復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的圖論分析方法分為兩類，一類描述節(jié)點(diǎn)屬性，一類描述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的總體屬性。其中，節(jié)點(diǎn)描述主要通過節(jié)點(diǎn)中心度指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)，在眾多節(jié)點(diǎn)中心度描述方法中，相比子網(wǎng)數(shù)中心度、特征向量中心度、網(wǎng)頁排名中心度等方法，度中心度（degree centrality，DC）是直接描述節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中地位的最簡單方法[7]。DC的可重復(fù)測量度較高[8]，可對疾病導(dǎo)致的人腦連接組中節(jié)點(diǎn)屬性的改變提供有價(jià)值的信息[9]。目前，DC已被廣泛應(yīng)用于各種疾病腦網(wǎng)絡(luò)改變的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制探索研究中[10-12]，但關(guān)于RRMS的研究較少。因此，本研究旨在利用DC方法研究RRMS的腦功能變化，探討其潛在的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制。

1 資料和方法

1.1 資料

1.1.1 一般資料：選擇2016年1月至2018年10月在舟山市普陀區(qū)人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科就診并確診為RRMS的患者（RRMS組）共26例，其中男13例，女13例，年齡（35.4±11.3）歲，受教育年限為（10.1±2.8）年。選擇性別、年齡相匹配的健康正常人（對照組）共27例，其中男12例，女15例，年齡（35.4±11.7）歲，受教育年限為（10.4±3.9）年。本研究獲得醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)，所有受檢者知情同意并簽署知情同意書。

1.1.2 納入標(biāo)準(zhǔn)：RRMS組納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合2010年修訂版McDonald的診斷標(biāo)準(zhǔn)；②輕中度多發(fā)性硬化患者（排除其他因素干擾），擴(kuò)展殘疾狀態(tài)量表（expanded disability status scale，EDSS）得分≤5分；③MRI檢查前，未接受類固醇類藥物或其他藥物治療；④經(jīng)DSM-IV診斷標(biāo)準(zhǔn)，排除睡眠障礙及其他精神類疾??；⑤經(jīng)T1WI和T2WI等檢查，排除腦腫瘤或腦出血；⑥既往無腦外傷病史或昏迷史。對照組納入標(biāo)準(zhǔn)：①既往無腦外傷、腦出血、腫瘤或系統(tǒng)性疾病等既往病史；②既往無任何先天性或獲得性疾病史；③無任何精神或神經(jīng)類障礙，無睡眠障礙；④無任何藥物等成癮史；⑤體內(nèi)無異物。

1.1.3 排除標(biāo)準(zhǔn)：①數(shù)據(jù)不全或患者不配合；②近期藥物治療；③MRI檢查過程中頭動(dòng)平移＞1.5 mm或轉(zhuǎn)動(dòng)＞1.5°；④年齡＜18歲或＞65歲；⑤具有頭部創(chuàng)傷史或既往有無意識(shí)狀態(tài)大于30 min情況出現(xiàn)；⑥身體內(nèi)存在異物或者任何MRI禁忌證；⑦既往有任何精神類或神經(jīng)類疾病病史。

1.2 方法

1.2.1 影像學(xué)檢查：采用德國Siemens公司生產(chǎn)的3.0 T高場強(qiáng)超導(dǎo)MRI掃描儀。采用高分辨率三維擾相梯度回波序列采集176幅3D薄層軸位解剖圖像，重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）=1 900 ms，回波時(shí)間（echo time，TE）=2.26 ms，翻轉(zhuǎn)角（flip angle，F(xiàn)A）=9°，矩陣256×256，掃描視野（field of view，F(xiàn)OV）=250 mm×250 mm，層厚1.00 mm，層間距0.5 mm。采用單次激發(fā)自旋回波平面成像（spin echo-echo planar imaging，SE-EPI）序列采集靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，TR=2 000 ms，TE=30 ms，F(xiàn)A=90°，矩陣64×64，F(xiàn)OV=220 cm×220 cm，層厚4.0 mm，層間距1.2 mm。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析：采用DPABI 2.1（http://rfmri.org/DPABI）軟件將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和后處理，主要包括：①去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)；②時(shí)間校正；③頭動(dòng)校正，剔除在MRI掃描過程中頭動(dòng)過大（水平移動(dòng)＞1.5 mm或旋轉(zhuǎn)角度＞1.5°）的受檢者數(shù)據(jù)；④空間標(biāo)準(zhǔn)化：每個(gè)受檢的3D薄層T1WI圖像配準(zhǔn)至EPI模板，然后利用李代數(shù)微分同胚配準(zhǔn)算法將其分割為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液。標(biāo)記每個(gè)RRMS患者T1WI上顯示為低信號(hào)的病灶，將其勾勒為感興趣區(qū)（regions of interest，ROIs），同時(shí)將矢狀位轉(zhuǎn)換為軸位。將這些獨(dú)立的病灶ROIs轉(zhuǎn)換為圖像保存為mask，然后利用圖像計(jì)算模塊將這些mask進(jìn)行二值化處理。隨后，這些二值化后的mask與3D薄層T1WI圖像一起建立一個(gè)新的結(jié)構(gòu)模板圖像。將這些模板從個(gè)體空間自動(dòng)配準(zhǔn)至蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)空間模板，再重采樣成分辨率為3 mm×3 mm×3 mm；⑤去線性漂移；⑥去除協(xié)變量（弗理斯頓24位頭動(dòng)信息、腦白質(zhì)信號(hào)、腦脊液信號(hào)）；⑦低頻濾波（0.01～0.10 Hz）；⑧計(jì)算DC值；計(jì)算受檢者腦功能連接組內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（體素）與其有顯著功能連接（r＞0.25）的其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)的顯著相關(guān)性權(quán)重總和DC值，再與全腦DC值平均值相除得到標(biāo)準(zhǔn)化DC值，最后進(jìn)行Fisher Z值轉(zhuǎn)換，得到每位受檢者腦功能連接組的Z值化DC分布圖。本研究采用8個(gè)不同的r值（r=0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40和0.50）用以評估DC差異結(jié)果的穩(wěn)定性[13]；⑨最終采用半高全寬（full width half maximum，F(xiàn)WHM）均為6 mm各向同性的高斯核進(jìn)行平滑處理。

將DC得到的差異腦區(qū)保存為ROIs，并提取這些ROIs的平均信號(hào)值，進(jìn)行基于種子點(diǎn)的功能連接分析，以研究這些種子點(diǎn)與全腦其他體素之間的功能連接性。為了使數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，我們計(jì)算了這些ROIs區(qū)域與全腦其他體素之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，并對這些系數(shù)進(jìn)行Fisher's Z 變換。將每個(gè)體素的功能連接性除以每個(gè)受檢全腦體素的平均值，以減少參與者之間變異性的全局影響。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 采用SPSS21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。對DC腦區(qū)差異的分析，以年齡、教育程度、性別等變量作為協(xié)變量，利用SPM12 軟件（http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）對2組平滑后的Z 值化DC圖及功能連接圖進(jìn)行兩獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)。單樣本t檢驗(yàn)結(jié)果以P＜0.01（連續(xù)體素體積≥810 mm3，F(xiàn)DR校正）為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。雙樣本t檢驗(yàn)結(jié)果以P＜0.05（連續(xù)體素體積≥810 mm3，GRF校正）為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用Pearson相關(guān)分析評估DC值差異腦區(qū)和功能連接差異腦區(qū)與行為學(xué)之間的相關(guān)性，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2組行為學(xué)比較結(jié)果 RRMS組和對照組的性別（χ2=0.164，P=0.685）、年齡（t=0.005，P=0.996）和受教育程度（t=-0.352，P=0.726）比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有RRMS患者首次出現(xiàn)癥狀至就診的平均時(shí)間為（21.9±33.0）d，平均EDSS得分為3.6±1.8。

2.2 2組DC值差異結(jié)果 8個(gè)不同的r 值（r=0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40和0.50）對應(yīng)的DC差異結(jié)果高度相似（見圖1），且不隨r值的不同而變化。其中，r=0.30對結(jié)果顯示最敏感，因此，本研究取r=0.30。RRMS組和對照組單樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示2組差異腦區(qū)有較多重疊區(qū)域。見圖2。相對對照組，RRMS組DC值增加的腦區(qū)主要包括右側(cè)小腦后葉、左側(cè)枕中回（BA19）、左側(cè)背側(cè)前額葉（BA9）和雙側(cè)頂上小葉（BA7），減低腦區(qū)主要包括左側(cè)扣帶回（BA32）以及雙側(cè)顳極（BA38）突入部分凸顯網(wǎng)絡(luò)的島葉（BA13）區(qū)域。在RRMS組，病程與左側(cè)顳極呈負(fù)相關(guān)（r=-0.483，P=0.020），EDSS得分與右側(cè)頂上小葉呈正相關(guān)（r=0.485，P=0.019），與右側(cè)顳極呈負(fù)相關(guān)（r=-0.430，P=0.041），與左側(cè)頂上小葉呈近似正相關(guān)（r=0.374，P=0.079）。見圖3和表1。

圖1 RRMS組和對照組在選擇不同r 值對應(yīng)的DC差異腦圖

圖2 RRMS組和對照組單樣本t 檢驗(yàn)結(jié)果示2組差異腦區(qū)有較多重疊區(qū)域

2.3 ROC曲線 提取DC差異腦區(qū)平均信號(hào)值（見圖4）并進(jìn)行ROC曲線分析，觀察這些腦區(qū)對2組的鑒別能力。結(jié)果顯示有6個(gè)腦區(qū)單獨(dú)區(qū)分2組具有較高的AUC值，其余2個(gè)腦區(qū)AUC值較低，相應(yīng)敏感度和特異度分別為61.5%～92.3%和63%～100%。但右側(cè)小腦后葉、左側(cè)枕中回、雙側(cè)顳上回和左側(cè)扣帶回聯(lián)合用于鑒別2組時(shí)，AUC值增加至0.943，敏感度和特異度分別增至96.3%和88.5%。見表2。

2.4 種子點(diǎn)功能連接 將DC差異腦區(qū)作為種子點(diǎn)做功能連接分析（見表3），其中，DC值減低的腦區(qū)存在明顯的網(wǎng)絡(luò)間和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連接差異（P ＜0.05，GRF校正）。左側(cè)顳極與右側(cè)顳極突入凸顯網(wǎng)絡(luò)的島葉存在減低的功能連接（見圖5A）；右側(cè)顳極分別與雙側(cè)凸顯網(wǎng)絡(luò)內(nèi)團(tuán)塊（顳極、島葉、額下回）和右側(cè)團(tuán)塊（扣帶回、額葉）存在功能連接減低（見圖5B）；左側(cè)扣帶回分別與雙側(cè)凸顯網(wǎng)絡(luò)內(nèi)團(tuán)塊（顳極、島葉、額葉）和雙側(cè)團(tuán)塊（扣帶回、額葉）存在功能連接減低（見圖5C）。

圖3 RRMS組和對照組DC值差異及其與行為之間的相關(guān)性

表1 RRMS組和對照組DC值差異的比較

圖4 RRMS組和對照組差異腦區(qū)的平均DC信號(hào)值

表2 RRMS組和對照組DC值差異腦區(qū)的ROC曲線分析結(jié)果

3 討論

疾病相關(guān)的廣泛灰質(zhì)組織的功能損害可能延遲和擾亂皮質(zhì)-皮層和皮質(zhì)-皮層下通路信號(hào)的協(xié)同性，導(dǎo)致一系列臨床癥狀，如疲勞、感覺運(yùn)動(dòng)缺陷、認(rèn)知功能障礙等[2，14]?？紤]到RRMS的高患病率和已知的神經(jīng)毒性影響，進(jìn)一步闡明其復(fù)雜的腦網(wǎng)絡(luò)損傷至關(guān)重要。然而，其潛在的腦網(wǎng)絡(luò)改變的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制尚不清楚。傳統(tǒng)的功能連接研究主要集中在基于種子點(diǎn)的功能連接和獨(dú)立成分分析。但基于種子點(diǎn)的功能連接分析局限于某些選定的腦區(qū)或腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接模式，顯然不夠全面；獨(dú)立成分分析無法度量腦區(qū)間的功能連接強(qiáng)度。DC作為一種基于體素水平的圖論分析方法，可以刻畫節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的中心程度，無須選定ROI，能對功能連接的數(shù)量進(jìn)行定量分析，并可在一定程度上反映出復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)的信息流特征，彌補(bǔ)傳統(tǒng)功能連接研究的不足，目前已廣泛應(yīng)用于疾病對腦網(wǎng)絡(luò)屬性影響的研究中。本研究在國內(nèi)首次利用DC分析觀察RRMS患者的腦網(wǎng)絡(luò)屬性變化及其與行為學(xué)之間的關(guān)系。

本研究發(fā)現(xiàn)RRMS患者大腦功能網(wǎng)絡(luò)存在廣泛改變，其中右側(cè)小腦后葉、左側(cè)視覺聯(lián)合皮層、左側(cè)背側(cè)前額葉、雙側(cè)頂上小葉表現(xiàn)為DC值增加，雙側(cè)顳極和左側(cè)扣帶回表現(xiàn)為DC值減低。ROC曲線被廣泛應(yīng)用于區(qū)分對照組和疾病組，具有較高AUC值的指標(biāo)可能成為區(qū)分不同組別的潛在早期生物學(xué)指標(biāo)[15-17]。一般而言，AUC為0.9～1.0，提示具有極好的區(qū)分能力，0.8～0.9提示區(qū)分能力較好，0.7～0.8 提示區(qū)分能力一般，0.6～0.7 提示區(qū)分能力不好，而0.5～0.6 提示區(qū)分能力很差[18-19]。本研究發(fā)現(xiàn)DC差異腦區(qū)具有較好的區(qū)分能力用于鑒別RRMS組和對照組（AUC=0.943，敏感度為96.3%，特異度為88.5%）。此外，這些DC差異腦區(qū)與EDSS得分和病程顯著相關(guān)，這些結(jié)果可能提示這些功能腦區(qū)能被用于預(yù)測疾病的進(jìn)展及嚴(yán)重程度。另外，這些DC值減低的腦區(qū)間存在顯著的功能連接減低。可見，DC指標(biāo)可能是一個(gè)可靠的早期生物學(xué)指標(biāo)，能較好地描繪RRMS患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)改變。

相比對照組，非疲勞性RRMS患者雙側(cè)顳葉和枕葉的灰質(zhì)萎縮程度較高，雙側(cè)扣帶回、雙側(cè)顳葉和枕葉的白質(zhì)結(jié)構(gòu)也發(fā)生改變，疲勞性RRMS患者雙側(cè)枕葉和雙側(cè)扣帶回的灰質(zhì)萎縮，顳葉、枕葉、扣帶回、頂葉和小腦均存在白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變[20]。一些研究還發(fā)現(xiàn)，RRMS患者雙側(cè)小腦和扣帶回區(qū)域的局部腦活動(dòng)有異常，左側(cè)額-顳葉和雙側(cè)扣帶回皮層存在灰質(zhì)體積的減少[4-5，21]。這些研究發(fā)現(xiàn)與本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)差異腦區(qū)相符。其中，本研究發(fā)現(xiàn)，相比對照組，RRMS患者右側(cè)小腦后葉、左側(cè)視覺聯(lián)合皮層、左側(cè)背外側(cè)前額葉皮層和雙側(cè)頂上小葉的DC值增加。對這一發(fā)現(xiàn)的一種解釋可能是大腦的補(bǔ)償機(jī)制，用于對RRMS患者腦功能網(wǎng)絡(luò)損害超出自我（內(nèi)在）代償?shù)囊环N應(yīng)激反應(yīng)。對不同認(rèn)知表現(xiàn)水平的RRMS患者，需要確定在代償性功能連接能力喪失或超出代償能力后是否會(huì)導(dǎo)致認(rèn)知能力的下降。 因此，這些腦區(qū)DC值的增加可能是利用額外的外部資源來協(xié)助機(jī)體達(dá)到與以前相同的認(rèn)知水平。RRMS與灰質(zhì)和白質(zhì)中廣泛的腦結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。因此，對這些腦區(qū)DC值的增加的另一種解釋是這些區(qū)域神經(jīng)元的過度活躍用以抵消或減少腦結(jié)構(gòu)的損傷。

與對照組相比，RRMS患者在手動(dòng)任務(wù)期間雙側(cè)扣帶回和雙側(cè)顳極中顯示出更高的任務(wù)相關(guān)激活[22]。既往結(jié)構(gòu)研究也發(fā)現(xiàn)扣帶回和顳極（突入島葉）這兩個(gè)區(qū)域存在皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的萎縮[23-24]。本研究結(jié)果顯示雙側(cè)顳極（突入島葉）和左側(cè)扣帶回的DC值減低，且這些區(qū)域與EDSS得分和病程顯著相關(guān)，進(jìn)一步驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)。此外，與對照組相比，RRMS患者顳極-顳極、扣帶回-扣帶回以及顳極-扣帶回存在功能連接減低。功能腦區(qū)DC值減低可能提示這些腦區(qū)相關(guān)功能活動(dòng)的降低，以及這些功能腦區(qū)在促進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系方面的作用受到損害[25]。無論是處于某種任務(wù)狀態(tài)還是靜息狀態(tài)，RRMS對信息的處理加工效率降低可能是由某個(gè)或多個(gè)功能腦網(wǎng)絡(luò)受到破壞而引起的，從而導(dǎo)致從某個(gè)腦區(qū)至其他腦區(qū)的信息傳輸?shù)男蕼p低?；诖?，本研究扣帶回和突出網(wǎng)絡(luò)的DC值和功能連接模式的降低可能表示與RRMS相關(guān)的這些功能性腦網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞效率的降低。此外，這些腦區(qū)與EDSS得分和病程顯著相關(guān)，這進(jìn)一步證實(shí)了這些區(qū)域的功能異常以及在RRMS功能損害中的作用。

表3 RRMS組和對照組DC值差異腦區(qū)的種子點(diǎn)功能連差異

圖5 RRMS組和對照組DC值差異腦區(qū)的種子點(diǎn)功能連接差異

本研究利用圖論測量方法提供了對RRMS全腦網(wǎng)絡(luò)分析的新見解，本研究表明，扣帶回和突出網(wǎng)絡(luò)在RRMS患者中存在功能異常，這些關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以預(yù)測疾病進(jìn)展和殘疾狀態(tài)，在RRMS發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮了重要的作用，這些結(jié)果為進(jìn)一步了解RRMS的病理生理機(jī)制及療效監(jiān)測提供參考。