腦膜瘤與低級(jí)別膠質(zhì)瘤基于小波變換運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)連接的差異

牛 晨，任雨寒，劉 翔，溫 鑫，王茂德，郭建新，張 明*

(1.西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，2.神經(jīng)外科，陜西 西安 710061)

大腦可塑性是持續(xù)的重塑過程，目的在于優(yōu)化大腦功能網(wǎng)絡(luò)[1-3]。生長緩慢的腫瘤可能引起更顯著的功能重塑[4-5]。腦膜瘤及低級(jí)別膠質(zhì)瘤均屬于生長緩慢的顱內(nèi)腫瘤，目前對(duì)其所致大腦動(dòng)態(tài)可塑性改變是否受腫瘤組織病理類型影響尚不明確。傳統(tǒng)方法不能在給定時(shí)間周期內(nèi)反映功能連接(functional connectivity, FC)的動(dòng)態(tài)變化。小波變換(wavelet transform, WT)是提取非靜止時(shí)間序列特征的重要工具，可用于觀察時(shí)域和頻域時(shí)間序列之間的二元關(guān)系[6-7]。本研究采用小波變換一致性(wavelet transform coherence， WTC)分析方法檢測(cè)腦膜瘤與低級(jí)別膠質(zhì)瘤運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)連接，以探究動(dòng)態(tài)連接與大腦可塑性之間的潛在關(guān)聯(lián)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年12月—2019年3月于西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院接受手術(shù)治療的腦膜瘤(腦膜瘤組)及低級(jí)別膠質(zhì)瘤(膠質(zhì)瘤組)患者各14例，均經(jīng)常規(guī)CT或MR掃描確定顱內(nèi)單發(fā)腫瘤，鄰近大腦中央溝，位于或靠近主要運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)，且未跨越大腦中線結(jié)構(gòu)。腦膜瘤組男2例，女12例，年齡39～70歲，平均(53.0±11.0)歲；膠質(zhì)瘤組男11例，女3例，年齡27～65歲，平均(46.5±10.2)歲。同時(shí)招募14名性別、年齡相匹配的健康成人作為對(duì)照組，男8名，女6名，年齡25～65歲，平均(48.5±10.1)歲。本研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(2017倫審科字[169]號(hào))，所有受試者均知情同意。

1.2 儀器與方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR掃描儀，8通道標(biāo)準(zhǔn)正交頭線圈。掃描前對(duì)受檢者進(jìn)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)培訓(xùn)，以確保完全理解任務(wù)并認(rèn)真配合完成掃描。囑受檢者仰臥，佩戴耳塞，以軟墊固定其頭部，閉目放松但不要入睡；于常規(guī)MRI后行功能MRI(functional MRI, fMRI)檢查。常規(guī)MR序列及參數(shù)：軸位T1W，TR 2 360 ms，TE 21.9 ms，層厚5.0 mm，F(xiàn)OV 25.6×25.5，矩陣256×256，共28層；軸位T2W，TR 4 900 ms，TE 4 119.4 ms，矩陣256×256，F(xiàn)OV 25.6×25.6，層厚5 mm。血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)-fMRI采用T2*加權(quán)單次激發(fā)梯度回波序列，TR 2 500 ms，TE 40 ms，視野256 mm，矩陣64×64，層厚3 mm，像素3.75 mm×3.75 mm×3.00 mm，共47層，無間隔掃描。

1.3 運(yùn)動(dòng)任務(wù)設(shè)計(jì) fMRI包括靜息狀態(tài)及雙手運(yùn)動(dòng)的任務(wù)狀態(tài)掃描，先行靜息狀態(tài)掃描，再行運(yùn)動(dòng)任務(wù)掃描。運(yùn)動(dòng)任務(wù)采用組塊設(shè)計(jì)，即30 s靜止休息狀態(tài)及30 s雙手運(yùn)動(dòng)任務(wù)相交替，整個(gè)任務(wù)過程由6個(gè)靜息狀態(tài)、5個(gè)任務(wù)狀態(tài)組成；引導(dǎo)受檢者面對(duì)每個(gè)視覺刺激畫面時(shí)反復(fù)進(jìn)行打開手掌和關(guān)閉手掌的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析與處理 采用FSL軟件 (www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/)分析運(yùn)動(dòng)任務(wù)fMRI數(shù)據(jù)。分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)矯正、空間平滑及高通濾過器預(yù)處理。通過3D結(jié)構(gòu)像與MNI152標(biāo)準(zhǔn)大腦空間對(duì)功能圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。采用FSL中的FEAT做廣義線性相關(guān)模型分析，以P<0.05為設(shè)定閾值。提取大腦雙側(cè)主要運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)及大腦輔助運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)的最大激活區(qū)作為種子點(diǎn)，以確定運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)。采用AFNI及FSL軟件共同處理靜息態(tài)fMRI。首先行運(yùn)動(dòng)矯正，時(shí)間帶通濾波及空間標(biāo)準(zhǔn)化、空間平滑等。以Pearson相關(guān)分析計(jì)算運(yùn)動(dòng)功能激活腦區(qū)之間的相關(guān)性，采用Fisher-z變換提高相關(guān)系數(shù)的正態(tài)性。采用 WT MATLSB數(shù)據(jù)包分析運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)連接。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料以±s表示，2組間比較采用t檢驗(yàn)，多組間比較采用單因素方差分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

基于雙手運(yùn)動(dòng)任務(wù)刺激及廣義線性模型分析確定3組受檢者的運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，分別位于左側(cè)主要運(yùn)動(dòng)皮層(left primary motor cortex, LPMC)、右側(cè)主要運(yùn)動(dòng)皮層激活區(qū)(right primary motor cortex, RPMC)及輔助運(yùn)動(dòng)皮層區(qū)(supplementary motor area, SMA)，見圖1～3。

圖1 對(duì)照組，男，45歲 A.軸位T1WI； B.fMRI顯示運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)主要節(jié)點(diǎn)激活(箭) 圖2 腦膜瘤患者，女，42歲 A.軸位T1WI； B.fMRI顯示運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)主要節(jié)點(diǎn)激活(箭) 圖3 膠質(zhì)瘤患者，男，53歲 A.軸位T1WI； B.fMRI顯示運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)主要節(jié)點(diǎn)激活(箭)

2D彩色編碼WTC圖(圖4～6)中，紅色區(qū)域內(nèi)的箭頭代表LPMC-RPMC間功能連接在時(shí)間-頻率平面上特定的相位角，當(dāng)其同時(shí)指向一個(gè)方向時(shí)，代表LPMC-RPMC間功能連接存在較強(qiáng)的一致性。圖中錐形部分區(qū)域?yàn)椤坝绊戝F”(cone of influence, COI)，表示小波譜區(qū)域及相應(yīng)的邊緣效應(yīng)；COI內(nèi)小波譜值下降，圖像中以錐形輪廓外的褪色區(qū)域表示。本研究中，相比腦膜瘤及膠質(zhì)瘤組，對(duì)照組LPMC-RPMC之間存在很強(qiáng)的一致性；而膠質(zhì)瘤組低頻段WTC較腦膜瘤組明顯減弱。在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)LPMC、RPMC、SMA的ROI內(nèi)，腦膜瘤組、膠質(zhì)瘤組LPMC-SMA、RPMC-SMA及LPMC-RPMC的WTC均低于對(duì)照組(P均<0.05)，膠質(zhì)瘤組均低于腦膜瘤組(P均<0.05)，見表1。

圖4 對(duì)照組，女，45歲 A.LPMC及RPMC的時(shí)間序列曲線； B.彩色編碼WTC示LPMC-RPMC間功能連接時(shí)間-頻率相位角一致性高(紅色區(qū)域較多) 圖5 腦膜瘤患者，女，42歲 A.LPMC及RPMC的時(shí)間序列曲線； B.彩色編碼WTC示LPMC-RPMC間功能連接時(shí)間-頻率一致性下降(紅色區(qū)域減少) 圖6 膠質(zhì)瘤患者，男，49歲 A.LPMC及RPMC的時(shí)間序列曲線； B.彩色編碼WTC示LPMC-RPMC間功能連接時(shí)間-頻率一致性明顯下降(僅有散在紅色區(qū)域)

表1 3組LPMC-SMA、RPMC-SMA、LPMC-RPMC的WTC比較(±s，n=14)

表1 3組LPMC-SMA、RPMC-SMA、LPMC-RPMC的WTC比較(±s，n=14)

組別WTCLPMC-SMARPMC-SMALPMC-RPMC腦膜瘤組0.61±0.08*#0.62±0.02*#0.64±0.06*#膠質(zhì)瘤組0.37±0.08*0.37±0.050.40±0.06*對(duì)照組0.84±0.050.84±0.060.89±0.03F值143.42184.58320.22P值<0.05<0.05<0.05

注：*：與對(duì)照組P<0.05；#：與膠質(zhì)瘤組P<0.05

3 討論

腦膜瘤及低級(jí)別膠質(zhì)瘤均屬緩慢生長的顱內(nèi)占位性病變，其運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)連接并非靜止，而呈動(dòng)態(tài)改變。傳統(tǒng)FC分析方法利用相關(guān)系數(shù)整合整個(gè)時(shí)間點(diǎn)，雖能闡明2個(gè)腦區(qū)之間在完整的時(shí)間段內(nèi)的整體關(guān)系，但無法在既定時(shí)間范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)顯示大腦的時(shí)間-頻率變化。既往研究[8]發(fā)現(xiàn)，大腦網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)時(shí)間-頻率關(guān)系可能提供與疾病相關(guān)的重要臨床信息。CHANG等[8]利用WTC的時(shí)間-頻率分析方法對(duì)正常受試者進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)清醒狀態(tài)下其后扣帶回與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)其他區(qū)域的功能連接的一致性、相位及強(qiáng)度均隨時(shí)間推移而呈動(dòng)態(tài)改變。WT是用于分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)的時(shí)間-頻率方法，適用于分析非穩(wěn)態(tài)神經(jīng)振蕩的功能連接[8-10]，能夠檢測(cè)到相位移動(dòng)的時(shí)間動(dòng)態(tài)改變，已廣泛用于多種成像技術(shù)，如fMRI、EEG及腦磁圖等[11-14]。本研究利用WTC方法識(shí)別靜息狀態(tài)下腦膜瘤及低級(jí)別膠質(zhì)瘤的大腦運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能連接差異，以期為進(jìn)一步理解不同類型腫瘤造成的大腦運(yùn)動(dòng)功能可塑性改變提供參考。

不同病理?xiàng)l件下，大腦功能區(qū)會(huì)出現(xiàn)可塑性改變，包括腦腫瘤所致功能區(qū)重組[15-17]。既往研究[2]結(jié)果表明，腦腫瘤可造成大腦連通性破壞及大腦基本節(jié)律改變，進(jìn)而導(dǎo)致功能網(wǎng)絡(luò)連接的異常改變，可能與腫瘤誘導(dǎo)的血流動(dòng)力學(xué)變化或活躍的神經(jīng)元缺失有關(guān)[18]。HOU等[19]認(rèn)為腦腫瘤造成的生理變化如新生血管形成、占位效應(yīng)及水腫等可能誘發(fā)神經(jīng)血管解偶聯(lián)效應(yīng)，導(dǎo)致功能區(qū)內(nèi)血液動(dòng)力學(xué)改變。ULMER等[20]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)病變引起的神經(jīng)血管解耦聯(lián)可導(dǎo)致病灶周圍重要功能區(qū)內(nèi)的fMRI信號(hào)降低，而在同源的大腦區(qū)域則表現(xiàn)為活動(dòng)正?；蛟黾樱瑥亩碳げ≡钔礈y(cè)的皮層重組，導(dǎo)致大腦可塑性改變。腦膜瘤及低級(jí)別膠質(zhì)瘤之間運(yùn)動(dòng)功能的動(dòng)態(tài)一致性存在顯著差異，推測(cè)可能原因在于其組織細(xì)胞構(gòu)成不同，引起不同的血管非耦合效應(yīng)，致低頻振蕩的時(shí)間-頻率改變不同。腦膜瘤生長過程中可出現(xiàn)病灶內(nèi)小血管紊亂，導(dǎo)致靜脈回流受損、血液瘀滯，造成腦膜瘤內(nèi)血管過度形成而致局部血流動(dòng)力學(xué)改變；這種血管過度形成可能是導(dǎo)致腦膜瘤fMRI激活減弱的主要原因[21]。

本研究結(jié)果顯示，在運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)LPMC、RPMC、SMA的ROI內(nèi)，腦膜瘤組、膠質(zhì)瘤組LPMC-SMA、RPMC-SMA及LPMC-RPMC的WTC均低于對(duì)照組，膠質(zhì)瘤組均低于腦膜瘤組，由此可能造成腦膜瘤周圍血管耦合化改變，導(dǎo)致BOLD信號(hào)的自發(fā)振蕩發(fā)生改變。腦膜瘤對(duì)大腦的損傷常局限于大腦皮層；而低級(jí)別膠質(zhì)瘤不僅會(huì)累及皮層，還可侵犯大腦白質(zhì)區(qū)域，通過白質(zhì)纖維束的連接而引起遠(yuǎn)距離皮層功能區(qū)域受損，從而影響大腦功能網(wǎng)絡(luò)連接，使得低級(jí)別膠質(zhì)瘤的此種改變對(duì)大腦功能連接的影響比腦膜瘤更為明顯。膠質(zhì)瘤通常位于深部腦白質(zhì)區(qū)域，呈浸潤性生長，可能損傷周圍腦組織，引起鄰近功能區(qū)改變，從而降低相應(yīng)皮層區(qū)域的功能連接。此外，低級(jí)別膠質(zhì)瘤常會(huì)破壞血腦屏障，造成血流動(dòng)力學(xué)改變及局部神經(jīng)元損傷，所引發(fā)的水腫及占位效應(yīng)可改變大腦血流量，造成神經(jīng)血管失耦合化效應(yīng)[19]。

總之，利用WTC方法能夠敏感地觀察鄰近或位于運(yùn)動(dòng)功能區(qū)的不同類型腫瘤造成的動(dòng)態(tài)連接改變。腦膜瘤與低級(jí)別膠質(zhì)瘤的運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)連接均非靜止，而呈動(dòng)態(tài)變化。