基于DTI的帕金森病腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性改變及臨床特征的相關性研究

劉飛飛，杜靜，楊光，張駿，嚴孫宏，王龍勝，王訓

(安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院 1.神經(jīng)內科； 2.放射科，安徽 合肥 230601)

帕金森病(Parkinson's disease,PD)的病理基礎不僅是黑質致密部多巴胺神經(jīng)元的丟失，腦白質的完整性同樣受到損傷[1]。2018年國際帕金森病與運動障礙學會會議突出闡明在帕金森病的早期至中晚期腦白質均有改變，但相關研究仍需進一步完善[2]。彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)作為研究白質微結構改變的有效和非侵入性工具，在神經(jīng)退行性疾病研究中的應用近年來不斷增加，并且有學者提出DTI可作為PD診斷的重要影像標志物[3]。迄今為止大多數(shù)與PD相關的DTI研究集中監(jiān)測由分數(shù)各向異性(fractional anisotropy,FA)和平均擴散率(Mean Diffusivity,MD)表示的某些特定區(qū)域的變化。而關于PD患者腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性研究較少，本研究目的在于通過DTI成像技術結合復雜網(wǎng)絡理論探索PD患者與健康者相比腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性的差異性改變，為疾病的早期診斷提供有價值的信息。

1 對象和方法

1.1 研究對象

招募2018年10月至2020年4月安徽醫(yī)科大學第二附屬醫(yī)院神經(jīng)內科收治的原發(fā)性帕金森病患者22例(PD組)及22例年齡、性別匹配的健康志愿者(對照組)。所有受試者均無影響MRI圖像質量的頭部金屬異物且配合MRI檢查。該研究通過醫(yī)院倫理委員會批準后實施，并且所有受試者均簽署知情同意書。

PD患者入組標準：①符合1992年英國PD協(xié)會腦庫臨床診斷標準[4]，且由2名主治醫(yī)師或以上職稱的神經(jīng)內科醫(yī)師獨立診斷；②右利手；③能夠獨立或在家屬協(xié)助下完成量表測試；④未服用過影響血脂、血糖、尿酸等水平的藥物。

排除標準：①多系統(tǒng)萎縮、進行性核上性麻痹等其他神經(jīng)系統(tǒng)變性?。虎诤喜乐氐男?、肝、腎等重要器官功能障礙；③有顱內占位、腦梗死、腦出血、腦部外傷、精神疾病病史。

對照組入選標準：①無中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病及頭部外傷史；②右利手，年齡50～80周歲；排除標準：①有嚴重軀體障礙性疾?。虎谟袊乐亟箲]、抑郁等精神病史。

1.2 方法

1.2.1 臨床資料收集 研究對象入院后2 h內由專業(yè)神經(jīng)內科醫(yī)師對其進行病史和人口學資料采集，行全面神經(jīng)系統(tǒng)體格檢查。內容包括年齡、性別、吸煙飲酒史、慢性病史。采用統(tǒng)一PD評分量表第三部分(UPDRS-Ⅲ)[5]對患者進行運動功能評分，根據(jù)改良Hoehn-Yahr(H&Y)[6]分級評估患者疾病嚴重程度。

1.2.2 顱腦MRI檢查 使用Siemens Verio 3.0 T 超導MR掃描儀，8通道頭線圈，囑患者取仰臥位，頭部適當固定，以棉球塞耳減少噪音，獲取常規(guī)頭顱MRI平掃橫軸位，由2名主治以上職稱放射科醫(yī)師共同分析平掃圖像，排除相關病變后繼續(xù)完成掃描。T1WI 結構像采用矢狀位三維磁化準備快速梯度回波序列掃描，TR 1 800 ms，TE 2.98 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1.0 mm，層間距0 mm,共采集192層全腦圖像。DTI采用單次自旋回波-回波平面成像序列，TR 6700 ms，TE 95.0 ms，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，層厚3.0 mm，層間距0 mm，共采集45幅圖像，采集時間627 s。所有數(shù)據(jù)均在MATLAB R2016a平臺上使用PANDA軟件進行預處理，包括數(shù)據(jù)格式轉換、渦流校正和頭像校正。

1.2.3 腦白質網(wǎng)絡構建及拓撲屬性研究

①腦結構網(wǎng)絡節(jié)點的定義：利用解剖學自動標記模板(AAL)將整個大腦劃分為90個區(qū)域，通過空間變換和圖像配準方法，把標準空間下的AAL模板上各個腦區(qū)映射到個體空間。具體配準過程為：DTI圖像按照1×1×1的比例重新體素采樣，得出個體各向異性分數(shù)(FA)圖像，再把FA圖像線性配準到個體MRI TI結構像上，接著把個體MRI T1結構像非線性配準到標準空間下的MNI152 T1模板上。利用其逆變換，再把AAL模板的各個腦區(qū)隱射到個體空間上，以各個腦區(qū)作為網(wǎng)絡的節(jié)點。

②腦結構網(wǎng)絡邊定義：使用Diffusion Toolkit工具，采用確定性纖維追蹤技術進行全腦的纖維追蹤。追蹤終止的條件參數(shù)中角度設置為60°，F(xiàn)A值閾值為0.2。若上述定義的2個節(jié)點間存在白色纖維，則認為該兩點間存在連接。設定纖維束(fiber number)矩陣閾值為3，當2個腦區(qū)間的FN≥3時，F(xiàn)N矩陣設為1，認為2個腦區(qū)間存在纖維連接；當FN<3是時，F(xiàn)N矩陣設為0，認為2個腦區(qū)之間不存在纖維連接。最后將連接矩陣的加權系數(shù)設為FN×FA。該處理工作同樣在MATLAB平臺上完成。

③腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性分析：基于工具包GRETNA[7]完成腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性的分析，圖像處理流程示意圖見圖1。拓撲屬性主要包括全局屬性及局部屬性：聚類系數(shù)(clustering coefficient,Cp)、最短路徑長度(shortest path length,Lp)、全局效率(global efficiency,Eglob)、局部效率(local efficiency,Eloc)以及小世界屬性。小世界屬性包含γ、λ、σ 3個重要參數(shù)，γ定義為真實網(wǎng)絡的聚類系數(shù)與隨機網(wǎng)絡的聚類系數(shù)比值，λ定義為真實網(wǎng)絡的最短路徑長度與隨機網(wǎng)絡最短路徑長度比值，σ=γ/λ。當γ>1，λ≈1且σ>1時，該網(wǎng)絡具有小世界屬性。

1.3 統(tǒng)計學處理

應用SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)分析：符合正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標準差表示；兩組間性別采用卡方檢驗，年齡、腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性參數(shù)比較均采用兩獨立樣本t檢驗；PD組全腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性參數(shù)與病程、H-Y 分級、UPDRS-Ⅲ評分、多巴胺日劑量之間的相關性采用Pearson 分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

A.PD患者DTI圖像； B.重新采集體素； C.提取FA值； D.FA圖像匹配到T1結構像上； E.采用確定性纖維追蹤技術得到全腦纖維束圖； F.T1結構像匹配到MNI標準空間模板上； G.由E、F得到FN×FA矩陣圖； 最后利用GRETNA軟件計算出拓撲屬性參考值。

2 結果

2.1 一般臨床資料比較

PD組與對照組間年齡、性別比較差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表1。

表1 PD組與健康對照組一般資料比較

2.2 兩組腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性參數(shù)分析

小世界屬性參考值γ、λ、σ兩組間比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，兩組腦白質網(wǎng)絡均保留小世界屬性；PD組與對照組比較聚類系數(shù)、全局效率和最短路徑長度差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；PD組聚類系數(shù)和全局效率均明顯低于對照組，但最短路徑長度高于對照組。局部效率兩組間比較差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。見表2。

表2 PD組與對照組拓撲屬性參數(shù)比較

兩組比較*P<0.05。

2.3 PD腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性參數(shù)與臨床指標的相關性分析

PD組中，最短路徑長度與病程呈正相關(P<0.05)，與H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分無相關性；聚類系數(shù)、全局效率、局部效率以及γ、λ、σ值與PD病程、H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分均無相關性(P>0.05)；聚類系數(shù)、全局效率、局部效率、最短路徑長度以及γ、λ、σ值與多巴胺日劑量均無相關性(P>0.05)。見表3。

表3 PD組拓撲屬性參數(shù)與病程、H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分、多巴胺日劑量相關性分析

3 討論

PD的白質改變表現(xiàn)為軸突變性和髓鞘損傷，并且越來越受到重視[8-9]。利用DTI技術測量水分子在神經(jīng)纖維束上的擴散特征，通過計算FA值、MD值等方法發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質微結構完整性受損，并且這種損傷貫穿于疾病發(fā)展的不同階段[10]。該種方法側重于研究局部腦白質的改變，近年來隨著對大腦網(wǎng)絡及功能的深入研究認為在神經(jīng)網(wǎng)絡中，病理基礎是各腦區(qū)之間的異常連接及相互作用，而非是單一局部病變的結果[11]。采用基于圖論的神經(jīng)網(wǎng)絡研究方法發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質網(wǎng)絡全局特性及局部特性均發(fā)生變化；而且這種腦網(wǎng)絡拓撲屬性的改變與神經(jīng)功能自然老化無相關性，是PD患者神經(jīng)退行性病變所特有的病理結果[12-13]。本研究發(fā)現(xiàn)PD組與健康對照組相比小世界屬性參考值γ、λ、σ無明顯差異，二者腦白質網(wǎng)絡均保留小世界屬性；聚類系數(shù)、全局效率和最短路徑長度差異均有統(tǒng)計學意義，并且最短路徑長度與病程呈正相關。小世界屬性被認為反映了腦白質網(wǎng)絡功能整合與分離的最佳平衡，維持整體信息的高效率傳遞，本研究表明這種平衡在PD中尚未被打破，這與Skidmore[14]及Nigro等[15]研究結果保持一致。但Kamagata等[16]運用多殼多組織約束球面反褶積法(MSMT-CSD )一種更為準確測量神經(jīng)纖維束的方法表明與健康對照組相比，PD患者腦白質網(wǎng)絡小世界屬性顯著降低；對于這種不同的研究結果，需通過更精確的測量方法進行深入的研究。

本研究發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，PD患者腦白質網(wǎng)絡全局特性發(fā)生變化，具體體現(xiàn)在聚類系數(shù)和全局效率降低，而最短路徑長度增加，這與Chiang[8]和Kamagata等[16]學者對PD患者腦網(wǎng)絡拓撲屬性的研究結果一致。聚類系數(shù)代表腦白質網(wǎng)絡各節(jié)點之間連接的緊密性，全局效率意味著腦白質網(wǎng)絡整體整合及傳輸信息的能力，最短路徑長度則反映腦白質網(wǎng)絡中不同腦區(qū)之間傳遞信息所需最短距離[17]。最短路徑長度增加，聚類系數(shù)和全局效率的降低反映PD患者腦白質神經(jīng)纖維束聚合度減低，各腦區(qū)之間的連接性破壞，進而導致全腦白質網(wǎng)絡對信息的整合能力及各個腦區(qū)之間的信息傳遞效率下降，各個腦區(qū)間無法及時有效地進行信息傳遞與交流。同時，研究發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質網(wǎng)絡拓撲屬性參數(shù)聚類系數(shù)、全局效率、λ、γ、σ值與患者病程、H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分、多巴胺日劑量均無相關性，與Wen等[18]的研究結果一致；而最短路徑長度與患者病程呈正相關，這可能說明在早期PD患者已經(jīng)出現(xiàn)腦白質網(wǎng)絡的拓撲屬性的改變，并且隨著病程的延長逐漸變化，這與邱軼慧等[19]研究表明PD患者在疾病早期即存在腦白質網(wǎng)路拓撲屬性改變并貫穿于疾病始終這一結果一致。

近年來，隨著對PD患者腦網(wǎng)絡拓撲屬性越來越多的研究，發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質網(wǎng)絡功能并不總是呈現(xiàn)下降的趨勢；在疾病發(fā)展不同階段，不同的臨床表征存在時，出現(xiàn)或減弱、或增強的腦白質網(wǎng)絡功能變化。既往對前驅期PD患者基于DTI運用圖論分析及網(wǎng)絡統(tǒng)計研究方法顯示前驅期PD患者的腦白質網(wǎng)絡連通性增加，早期PD患者的局部連通性降低[18]。Olde 等[20]學者利用腦磁圖學圖論的研究發(fā)現(xiàn)局部效率受損和腦白質網(wǎng)絡神經(jīng)纖維束聚集性下降是PD的早期特征，隨著時間的推移繼續(xù)發(fā)展，同時全局效率隨之降低。此外Skidmore等[14]發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質網(wǎng)絡的整體聚集系數(shù)和整體效率在早期同樣表現(xiàn)出降低的趨勢，局部水平聚集系數(shù)的降低主要發(fā)生在特定腦區(qū)(如殼核、蒼白球、杏仁核和嗅球)。同時Hacker[21]及Helmch等[22]發(fā)現(xiàn)在帕金森病的早期和晚期，基底節(jié)和皮質運動區(qū)之間的連接性下降，以及皮質-紋狀體環(huán)路功能存在障礙。然而Hu[23]和 Ajilore等[24]學者發(fā)現(xiàn)PD患者全局效率下降且腦白質網(wǎng)絡整體性受損，而伴有抑郁的PD患者與不伴抑郁的PD患者比較，局部效率顯著增加，主要表現(xiàn)在額葉、邊緣系統(tǒng)連通性增強，腦白質網(wǎng)絡效率增高。Wang等[25]對帕金森病伴有左旋多巴誘發(fā)運動障礙(levodopa-induced dyskinesias,LIDs)患者的腦結構拓撲屬性研究發(fā)現(xiàn)，伴LIDs患者的整體效率、局部效率、聚集系數(shù)顯著增加，最短路徑長度減少；顯示LIDs患者腦網(wǎng)絡拓撲屬性過度優(yōu)化，過度強化的基底節(jié)-丘腦-皮質環(huán)路在左旋多巴誘發(fā)運動障礙起著重要作用。因此推測PD患者的運動障礙、情緒障礙等臨床表現(xiàn)與腦白質網(wǎng)絡整體或局部拓撲屬性改變具有很大相關性。

目前大多數(shù)學者及本研究表明PD患者腦白質完整性及拓撲屬性的改變可能在疾病早期就已經(jīng)發(fā)生，PD患者腦白質網(wǎng)絡仍保留小世界屬性，但整體對信息的整合能力及各個腦區(qū)之間的信息傳遞效率下降。因本研究納入的例數(shù)較少，不能很好地進行分組比較，對于早期PD的腦網(wǎng)絡拓撲屬性的研究仍需進一步深化，更加全面地了解DTI影像與帕金森病疾病進展的關系，是進一步研究的目標。