顳葉癲癇認(rèn)知功能的血氧水平依賴功能MRI研究

郭莉莉，單文莉，張建東，孔丹，柏根基

癲癇是一種神經(jīng)元異常放電導(dǎo)致以痙攣發(fā)作為特點的神經(jīng)病學(xué)疾病[1]，顳葉癲癇(TLE)是所有癲癇中最常見的一種類型[2]，被廣泛接受的事實是TLE患者常伴有認(rèn)知障礙，如記憶、注意力、警戒力、語言及操作控制功能的損害，TLE患者的認(rèn)知障礙具有非常復(fù)雜的特征[3]。目前認(rèn)為，這些認(rèn)知障礙是由一系列復(fù)雜的原因造成的，包括疾病的反復(fù)發(fā)作、顳葉腦組織的器質(zhì)性損害等[4]，然而認(rèn)知障礙的根本原因尚未可知。

局部血流動力學(xué)改變與生理功能和新陳代謝有著十分緊密的聯(lián)系[5-6]，因此其在科研及臨床評估方面都有著十分廣泛的應(yīng)用。人體靜脈血中含有的脫氧血紅蛋白是順磁性的，這是MRI檢查的天然對比劑，可以依賴血氧水平對比來產(chǎn)生影像[7]，使得功能MRI(fMRI)被廣泛用來量化檢測在安靜及活動狀態(tài)下局部腦組織血流量[5]。據(jù)報道，血氧水平依賴(BOLD)為體內(nèi)腦組織提供實時的血氧[7]，神經(jīng)元活動可以導(dǎo)致血氧水平依賴在基礎(chǔ)水平上下浮動變化而產(chǎn)生正/負(fù)性偏離信號[8]，腦血流量增加可以產(chǎn)生正性BOLD信號，而消耗氧氣可以產(chǎn)生負(fù)性BOLD信號[9-10]。以往一系列fMRI研究已經(jīng)為TLE提供了解剖學(xué)依據(jù)，本研究旨在使用BOLD-fMRI分析闡明TLE患者與正常人之間不同腦組織部位的功能連接存在明顯差異，這些BOLD信號為特定皮質(zhì)區(qū)的激活/失活提供依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 對象 連續(xù)收集25例來我院神經(jīng)內(nèi)科門診和住院部就診的TLE患者為試驗組，25名沒有TLE疾病的正常人為對照組。TLE組入組標(biāo)準(zhǔn)：(1)符合1981年出版的國際抗癲癇聯(lián)盟的分類標(biāo)準(zhǔn)；(2)小學(xué)及以上教育水平；(3)患者右利手；(4)達到兩種及以上如下條件：①證實病灶位于顳葉；②影像學(xué)表明患者存在海馬硬化或萎縮；③EEG顯示發(fā)作或發(fā)作間期癲癇灶位于顳葉。TLE組排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)腦組織結(jié)構(gòu)異常(除外海馬硬化)；(2)酒精或毒品濫用史；(3)長期服藥史(抗癲癇藥除外)；(4)患有嚴(yán)重的認(rèn)知障礙或精神失常不能合作者。對照組入組標(biāo)準(zhǔn)：(1)沒有系統(tǒng)疾病或神經(jīng)系統(tǒng)癥狀；(2)沒有神經(jīng)系統(tǒng)疾病家族史；(3)MRI檢查結(jié)果正常；(4)小學(xué)及以上教育水平；(5)右利手。本試驗獲得入組者及家屬的知情同意及獲得南京醫(yī)科大學(xué)附屬淮安一院倫理委員會的批準(zhǔn)。

1.2 方法

1.2.1 神經(jīng)心理學(xué)測試方法 根據(jù)韋氏智力量表操作手冊進行神經(jīng)心理學(xué)測試，測量每位受試者的言語智商(VIQ)、操作智商(PIQ)和總智商(FIQ)。

記憶功能根據(jù)中國科學(xué)院心理研究機構(gòu)第2次修定的臨床記憶量表進行評估，每位受試者均進行記憶智商(MQ)測試，包括漢語/非漢語測試、記憶/辨認(rèn)測試，整套測試項目有直接記憶、聯(lián)想性學(xué)習(xí)、圖像自由回憶、無意義圖形再認(rèn)和人像特點聯(lián)系記憶。

刺激試驗設(shè)計：采用分組試驗設(shè)計方法，刺激(任務(wù))和基線均為每30 s/次，共5次(數(shù)據(jù)1)，利用DMDX軟件生成不同的刺激(任務(wù))。

語言任務(wù)：語言材料由40個雙音節(jié)漢字組成，頻率和熟悉度均在控制范圍內(nèi)，漢字由為專業(yè)播音員朗讀。每個語言刺激持續(xù)30 s，刺激呈現(xiàn)間隔時間持續(xù)30 s，基線采用純音“du”。每項研究及各研究項目間嚴(yán)格執(zhí)行材料匹配、建立隨機化及平衡管理。

執(zhí)行任務(wù)根據(jù)刺激信號分為：一致性和非一致性任務(wù)，受試者需要辨認(rèn)屏幕上箭頭的方向，一致性任務(wù)操作2次，非一致性任務(wù)操作3次。

2-back記憶任務(wù)是從屏幕上隨機出現(xiàn)的1、2、3、4中的一個數(shù)字開始，要求受試者記住數(shù)字，屏幕上持續(xù)出現(xiàn)數(shù)字，受試者需要確定出現(xiàn)的數(shù)字是否與前兩個數(shù)字之前的數(shù)字相同，當(dāng)相同時要求受試者立即按下回答按鈕，并記錄回答的反應(yīng)時間。2-back記憶任務(wù)每個數(shù)字持續(xù)2 s，間隔1 s，每組10個數(shù)字，共5組，時長5 min。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理 BOLD-fMRI數(shù)據(jù)獲得：所有的受試者均平躺于檢查床上，保持平靜呼吸，佩戴泡沫護具和耳塞最大限度的減少頭部運動和噪音干擾，并要求受試者按照要求測試。fMRI圖像的采集使用德國西門子Verio型3.0 T MRI。梯度回波-回波平面成像序列(掃描參數(shù)TR/TE =2 000/35 ms，翻轉(zhuǎn)角為85°，層厚為5 mm，共掃描35層，間隔為0 mm，F(xiàn)OV=240 mm×240 mm，矩陣64×64)。解剖定位像采用三維擾相梯度回波序列：TR/TE=24/6 ms，翻轉(zhuǎn)角為35°，層厚0.9 mm，F(xiàn)OV=220 mm×220 mm，矩陣=256×256。

利用fMRI(DPARSF)軟件對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式、刪除前10個時間點、時間點校正、頭動校正(刪除轉(zhuǎn)動>2.5 mm或旋轉(zhuǎn)角度>2.5°的數(shù)據(jù))、空間配準(zhǔn)和空間平滑(FWHM=4)、刪除線性漂移和過濾(頻帶：0.01～0.08 Hz)。選取37(左側(cè)海馬)和38(右側(cè)海馬)定位點作為感興趣區(qū)，利用REST圖像重建進行重新采樣，獲取3 cm×3 cm×3 cm影像。收集選取的感興趣區(qū)及所有大腦體素得到腦功能連接圖解。

1.2.3 統(tǒng)計學(xué)方法 利用REST軟件采用t檢驗(AlphaSim校正法)比較試驗組和對照組的左、右側(cè)海馬的功能連接。圖像均用費希爾r到z公式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)參數(shù)疊加在標(biāo)準(zhǔn)腦組織圖像上，最大T值代表功能連接的強度。

2 結(jié) 果

2.1 研究對象一般特征 受試者均為右利手。試驗組35例，男15例，女10例；平均年齡(26.4±6.5)歲；教育水平(9.7±2.6)年；發(fā)作年齡(14.4±8.6)年；病程(11.9±8.1)年；發(fā)作頻率(10±2)次/年。對照組25人，男18人，女7人；平均年齡(27.5±5.1)歲；教育水平(10.4±2.7)年。兩組在年齡、性別、教育程度方面均無明顯差異(均P>0.05)。試驗組MMSE評分(25.82±1.03)分，對照組(28.86±1.23)分，對照組明顯高于試驗組(P<0.001)。

2.2 神經(jīng)心理學(xué)行為和記憶功能評估 受試者的VIQ、PIQ、FIQ根據(jù)中國韋氏成人智力量表指南測試得出，MQ根據(jù)中國科學(xué)院心理研究機構(gòu)制定的臨床記憶量表得出，各項神經(jīng)心理學(xué)行為及記憶功能測試結(jié)果對照組均明顯高于TLE組(均P<0.01)。

2.3 fMRI圖像分析 Brodmann分區(qū)是靈長目動物大腦皮質(zhì)的一個區(qū)域，第一次是由德國解剖學(xué)家Korbinian Brodmann在大腦皮質(zhì)神經(jīng)元的細(xì)胞結(jié)構(gòu)的組織基礎(chǔ)上提出的。Brodmann分區(qū)與不同皮質(zhì)區(qū)功能有關(guān)，例如17區(qū)是初級視覺中樞，4區(qū)是初級運動中樞，44區(qū)與口語及語言功能相關(guān)。

首先，選擇左側(cè)海馬作為整個腦功能連接的感興趣區(qū)，試驗組患者表現(xiàn)出與右側(cè)額上回(BA 9)、右側(cè)額中回(BA 9)、右側(cè)顳上回(BA 10)、右側(cè)顳下回(BA 21)及右側(cè)楔前葉(BA 7)的正性腦功能連接，與右側(cè)嗅皮質(zhì)(BA 47)、右側(cè)額中回(BA 11)、左側(cè)丘腦、左側(cè)中央前回(BA 4)、左側(cè)運動前區(qū)皮質(zhì)(BA 6)及雙側(cè)顳上回(BA 21/41)的負(fù)性腦功能連接。

再選擇右側(cè)海馬作為整個腦功能連接的感興趣區(qū)，試驗組患者表現(xiàn)出與右側(cè)額中回(BA 47)、右側(cè)運動前區(qū)皮質(zhì)(BA 6)、左側(cè)頂下小葉(BA 40)、左側(cè)額中回(BA 6)及雙側(cè)腦干的正性腦功能連接，與右側(cè)楔前葉(BA 7)、左側(cè)皮質(zhì)(BA 17/18)、左側(cè)硬腦膜及兩側(cè)小腦的負(fù)性腦功能連接。

靜息態(tài)低頻振蕩振幅(ALFF)分析顯示，試驗組與對照組相比，患者雙側(cè)額葉神經(jīng)活動ALFF范圍及強度顯著減弱。

2.4 進行語言測試時腦組織的激活/失活范圍 見表1。試驗組高度激活的腦區(qū)為右前額葉、左側(cè)顳中回、右側(cè)顳中回、左側(cè)小腦、左側(cè)角回邊緣側(cè)、左側(cè)楔前葉及左側(cè)中央后回，而幾乎不被激活的區(qū)域為左前額葉、右側(cè)小腦、右側(cè)角回邊緣側(cè)及右側(cè)扣帶前回。

表1 進行語言任務(wù)時感興趣腦區(qū)的激活與失活腦區(qū)MNI協(xié)調(diào)XYZBAVoxelMaximum T右前額葉36-53-4210584.65左側(cè)顳中回-76-4028213010.32右側(cè)顳中回-32-29-3921543.94左側(cè)小腦-31-28-80/534.50左側(cè)角回邊緣側(cè)19-50723910210.00左側(cè)楔前葉-2330287296.12左側(cè)中央后回-34-41-432/3427.12左前額葉-25-36-341098-5.03右側(cè)小腦-4040-43/90-5.53右側(cè)角回邊緣側(cè)-26-38-403935-5.35右側(cè)扣帶前回29-295632/3040-5.32

2.5 進行操作測試時腦組織的激活/失活范圍 見表2。正性激活的腦區(qū)為右前額葉、右額葉、右側(cè)腦干、左側(cè)顳上回及右側(cè)小腦前葉，而沒有發(fā)現(xiàn)明顯的負(fù)性激活腦區(qū)。

表2 進行操作任務(wù)時感興趣腦區(qū)的激活與失活腦區(qū)MNI協(xié)調(diào)XYZBAVoxelMaximum T右前額葉18381210532.93右側(cè)額葉16-30539342.81右側(cè)腦干12-32-38/192.80左側(cè)顳上回-3614-3210232.79右側(cè)小腦前葉12-46-38/262.74

2.6 進行記憶測試時腦組織的激活/失活范圍 見表3。在記憶任務(wù)測試中，試驗組正性激活的腦區(qū)為雙側(cè)扣帶前回和雙側(cè)楔前葉，負(fù)性激活的腦區(qū)為左側(cè)額下回和左側(cè)中央回后側(cè)。

表3 進行記憶任務(wù)時感興趣腦區(qū)的激活與失活腦區(qū)MNI協(xié)調(diào)XYZBAVoxelMaximum T左側(cè)扣帶前回-6421891224.16右側(cè)扣帶前回-6421891224.16左側(cè)楔前葉3-631523933.31右側(cè)楔前葉3-631523933.31左側(cè)額下回-39921/116-3.28左側(cè)中央回后側(cè)-45-30422100-4.16

3 討 論

BOLD具有易獲取、無侵襲性、更高的信噪比以及特殊的激活功能等優(yōu)勢，所以它被廣泛用于局部腦組織的MRI成像[6]。fMRI被用于研究癲癇的語言組織及改編，如Swanson等[11]描述了fMRI在癲癇患者的語言映射方面的作用。據(jù)研究[12-14]報道，正性BOLD反應(yīng)和持續(xù)的負(fù)性BOLD反應(yīng)都是腦組織成像中重要的功能定位信號。持續(xù)的負(fù)性BOLD反應(yīng)可由血氧代謝造成，它會成為早期視覺皮質(zhì)神經(jīng)元失活的信號燈[15]；Stefanovic等[16]的研究表明，血氧水平及新陳代謝水平的下調(diào)伴有神經(jīng)元的抑制，因此得出持續(xù)的負(fù)性BOLD反應(yīng)是神經(jīng)元失活的一個標(biāo)志這一結(jié)論。另一項Sefanovic等[17]的研究表明，血氧水平與新陳代謝水平是相關(guān)的，從而引起癲癇患者的BOLD上調(diào)(神經(jīng)元激活)和下調(diào)(神經(jīng)元失活)，試驗組和對照組的MMSE評分有明顯差異(P<0.001)，而兩組在性別、年齡及教育水平上沒有明顯差異。這一結(jié)果與之前的有些研究[18]相一致。

癲癇可以引起一些情商、FIQ等方面的認(rèn)知功能損害[19]，神經(jīng)心理學(xué)測試結(jié)果表明TLE組的記憶力和智力均明顯低于對照組，也就是說，試驗組的MQ、VIQ、PIQ和FIQ均比對照組低。所有的BOLD-fMRI結(jié)果表明，當(dāng)給予任務(wù)刺激時，兩組受試者在皮質(zhì)區(qū)的激活腦區(qū)有明顯不同，如選擇左側(cè)海馬為感興趣區(qū)時，fMRI結(jié)果顯示右側(cè)額中回的(BA 9∶30,9,39)、(BA 11∶36,39,-12)和右側(cè)顳上回的(BA 10∶21,60,30)、(BA 21∶60,0,9)表現(xiàn)出不同的激活狀態(tài)，這表明海馬與大腦的功能連接是由MNI協(xié)調(diào)而不是由腦區(qū)決定。值得注意的是，在本研究中試驗組患者靜息狀態(tài)下左側(cè)丘腦與大腦的功能連接減弱，而丘腦被認(rèn)為在癲癇發(fā)生中至關(guān)重要[20]。在本研究中當(dāng)進行操作任務(wù)測試時，試驗組在右側(cè)前額葉、右側(cè)額葉、右側(cè)腦干、左側(cè)顳上回及右側(cè)小腦前葉5個腦區(qū)出現(xiàn)正性激活差異，而在靜息態(tài)下，左側(cè)丘腦失活，沒有在任何腦區(qū)發(fā)現(xiàn)負(fù)性激活差異?？紤]到左側(cè)丘腦的BOLD信號缺失，推斷TLE患者的左側(cè)丘腦失活在癲癇發(fā)生中具有十分重要的作用，但TLE患者的操作功能并未發(fā)生改變，原因未知。

當(dāng)進行不同的記憶任務(wù)時激活的腦區(qū)不同。如Banks等[21]研究表明，TLE患者進行特定材料的記憶測試時顳中回被激活。Richardson等[22]的語言記憶功能研究表明，正常人激活的腦區(qū)為左側(cè)海馬，而TLE患者則為右側(cè)海馬。據(jù)報道，當(dāng)進行不連貫的語言記憶任務(wù)時，病灶在左側(cè)的TLE患者相比病灶在右側(cè)的TLE患者而言，激活的腦區(qū)較少位于左側(cè)，并且病灶在左側(cè)的TLE患者的顳中回和顳上回邊緣側(cè)的激活存在明顯差異[23]。Lv等[1]的靜息態(tài)下在視空間工作記憶相關(guān)的腦組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連接的fMRI研究中，當(dāng)進行靜息態(tài)下視空間記憶任務(wù)時，右前額葉(BA8)功能連接減弱，而右前額葉(BA11)連接增強。在本研究中，在進行記憶任務(wù)時發(fā)現(xiàn)，激活的腦區(qū)為雙側(cè)扣帶前回和雙側(cè)楔前葉，而失活的腦區(qū)為左側(cè)顳下回和左側(cè)中央回后側(cè)。本研究患者更多的表現(xiàn)為左側(cè)單側(cè)性，表明他們可能為病灶在左側(cè)的TLE患者，左側(cè)額下回表現(xiàn)為明顯的失活腦區(qū)，與上述提到的研究結(jié)果一致，表明額葉與TLE患者的記憶功能有關(guān)。相反，研究并未發(fā)現(xiàn)顳葉激活，表示顳葉可能參與TLE患者的癲癇發(fā)生而不是記憶功能。

本研究在進行語言(聽力)任務(wù)測試時，由6個腦區(qū)(BA 2/3,7,10,21,39)被激活，4個腦區(qū)(BA 10,30/32,39)失活。據(jù)Mankinen等[20]報道當(dāng)進行聽故事任務(wù)時可以發(fā)現(xiàn)兩組受試者的BOLD反應(yīng)，且主要的激活區(qū)位于顳葉，然而，當(dāng)進行閱讀和記憶任務(wù)時，兩組沒有明顯差異。最近一項有專業(yè)音樂家參與的研究[24]發(fā)現(xiàn)，聆聽Raga曲調(diào)音樂任務(wù)時顳上回激活，本研究同樣發(fā)現(xiàn)了聽力任務(wù)時的顳區(qū)激活。

本研究有助于語言、操作和記憶功能在皮質(zhì)區(qū)的定位，為TLE的外科治療提供了較為有用的信息，但當(dāng)進行語言及操作任務(wù)時對腦功能連接的研究還很缺乏。本研究還存在一定的局限性，主要是顳中回的偽影干擾了敏感性，梯度回波MRI檢測這些腦區(qū)的激活情況，最大限度的減少了技術(shù)問題帶來的影響。