孤獨(dú)癥譜系障礙兒童腦磁圖靜息態(tài)伽馬頻帶腦功能網(wǎng)絡(luò)探析

王晨光,周正榮,2,鐘麗娟,林楓

孤獨(dú)癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)，是根據(jù)行為表現(xiàn)定義的發(fā)展性神經(jīng)發(fā)育障礙，患者主要表現(xiàn)為社會功能和溝通缺陷，以及行為重復(fù)和興趣狹窄[1-2]。ASD亞洲患病率約0.36%，有逐年增長的趨勢[3]。盡管ASD已經(jīng)成為影響兒童及成人身心健康不可忽視的危險因素，但發(fā)病的機(jī)制尚不明確。多數(shù)靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)研究都提示患兒存在異常，尤其是伽馬頻帶[4]。樊越波等[5]研究認(rèn)為大腦伽馬活動的減弱可能預(yù)示ASD患者對面孔情緒的認(rèn)知能力較弱。大腦在伽馬頻帶的活動與認(rèn)知功能相關(guān)，尤其在工作記憶、注意力和復(fù)雜信息處理中起到重要作用[6-7]。激活水平方面，Van等[8]發(fā)現(xiàn)患兒的靜息態(tài)伽馬頻帶功率顯著增高，Wang等[9]進(jìn)一步提出ASD患者從低頻到高頻的“U”型曲線。相反，Sheikhani[10]和Maxwell[11]分別報道患者額葉和右側(cè)大腦半球的伽馬頻帶激活程度的降低。因此，ASD伽馬頻帶的腦功能活動仍未形成統(tǒng)一認(rèn)識。

腦功能網(wǎng)絡(luò)建模與圖論分析的結(jié)合近年來發(fā)展了腦網(wǎng)絡(luò)研究[12-13]，同時在自閉癥研究中被廣泛使用[14]。它把腦區(qū)視為節(jié)點(diǎn)，腦區(qū)的激活程度視為節(jié)點(diǎn)的屬性，把腦區(qū)之間的同步活動或信息收發(fā)等關(guān)系視為節(jié)點(diǎn)間連線。由此可從局部關(guān)系和整體結(jié)構(gòu)等多個角度量化分析腦功能活動的生理和病理機(jī)制。目前ASD發(fā)病機(jī)制的解釋主要基于腦內(nèi)信號處理的興奮-抑制失衡理論[15]。本研究假設(shè)這種興奮-抑制失衡體現(xiàn)為腦功能網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)激活水平失衡和連線分布失衡。因此，本研究基于腦磁圖-檢測采集自閉癥兒童的靜息態(tài)數(shù)據(jù)，在信號源水平對腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的伽馬頻帶激活程度進(jìn)行比較，并以相位轉(zhuǎn)移熵(phase transfer entropy，PTE)為網(wǎng)絡(luò)連線，建立腦網(wǎng)絡(luò)模型，探索網(wǎng)絡(luò)集散點(diǎn)-的分布模式差異，從而論證上述假設(shè)。

1 資料與方法

1.1 一般資料 納入2018～2019年于鹽城市阜寧仁愛康復(fù)醫(yī)院就診的ASD兒童樣本。標(biāo)準(zhǔn)參照既往tDCS和TMS干預(yù)ASD的報道[16-17]，且遵循小樣本研究的最大差異采樣策略[18]。①入組標(biāo)準(zhǔn)：確診ASD(符合《精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊》第5版(DSM-5)標(biāo)準(zhǔn))，入組前12個月內(nèi)至少有兩次孤獨(dú)癥兒童心理教育評核修訂(第三版)(Psychoeducational Profile-Third Edition, PEP-3)評估記錄[19]；7～12歲；孤獨(dú)癥行為量表(Autism Behavior Checklist, ABC)>68分或兒童孤獨(dú)癥評估量表(Childhood Autism Rating Scale, CARS)>30分[20-22]；PEP-3合成分?jǐn)?shù)中的溝通項和行為項的發(fā)展/適應(yīng)程度為中度或嚴(yán)重；利手分型問卷為右利手[23]。②排除標(biāo)準(zhǔn)：注意缺陷多動障礙、言語發(fā)育遲緩或失用；②視覺和視空間障礙；聽覺障礙；精神障礙(包括但不限于抑郁、精神發(fā)育遲緩、精神類藥物使用史等)、癲癇和腦損傷等；體內(nèi)有金屬等影響檢測的植入物。注意缺陷多動障礙、言語發(fā)育遲緩和失用可能與ASD存在共患[24]，因此患兒的納入要求無相關(guān)既往病史，由臨床心理、兒童發(fā)育和康復(fù)專業(yè)人員組成的小組討論決定。對照組為本地典型發(fā)育兒童，7～12歲，右利手，無神經(jīng)和精神疾病史，無磁共振和腦電/MEG檢查禁忌。本研究共招募患兒和健康對照各10人。因MRI不耐受排除4名患兒，MEG信號偽影過多排除1名對照。最終納入6名患兒和9名對照。2組在性別和年齡比較均差異無統(tǒng)計學(xué)意義。所有受試者參與研究前均獲得法定監(jiān)護(hù)人書面知情同意。見表1。

1.2 方法 ①數(shù)據(jù)采集：采用南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京腦科醫(yī)院的CTF-275導(dǎo)全頭型MEG系統(tǒng)(加拿大VSN醫(yī)療技術(shù)公司)。受試者盡可能保持靜止，睜眼注視前方屏幕上的白底黑色十字符號，記錄受試者連續(xù)300s的MEG信號。采樣率1200Hz，帶通濾波0.03～100Hz。采集前后記錄受試者頭部位置，只采用頭動范圍不超過1cm的數(shù)據(jù)。MEG采集后，使用1.5T的磁共振成像系統(tǒng)(美國GE公司)采集受試者頭顱MRI數(shù)據(jù)。在鼻根和左右耳屏前放置定標(biāo)用于信號溯源。②數(shù)據(jù)處理：首先用Brainsuite18a對MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行皮層提取、腦區(qū)標(biāo)注和三維建模。然后用Brainstorm對MEG信號進(jìn)行50Hz陷波濾波、0.3Hz高通濾波。使用信號空間投射(signal-space projection，SSP)和獨(dú)立成分分析(independent component analysis，ICA)消除掃視、眨眼和心跳等偽跡。再選取每個受試者連續(xù)100s無偽跡MEG信號，進(jìn)行最終分析。信號溯源采用動態(tài)統(tǒng)計參數(shù)成像(dynamical statistical parametric mapping，dSPM)。將溯源數(shù)據(jù)投射到USCBrain_BrainSuite_2017的大腦標(biāo)準(zhǔn)化模板上。伽馬頻帶大腦的激活分析采用基于Welch方法的功率譜密度(power spectral density，PSD)，窗口長度4s，時間重疊50%。伽馬頻帶選擇30～59Hz。根據(jù)USCBrain圖譜將皮層分為130個腦區(qū)，作為感興趣區(qū)(regions of interest，ROIs)，得到每個受試者伽馬頻帶的130個ROIs的功率譜密度圖。將溯源后的信號進(jìn)行組內(nèi)平均，得到ASD組和對照組在伽馬頻帶的130個ROIs的平均信號。計算每個ROI與其他129個ROIs的normalized PTE(phase transf erentropy，相位轉(zhuǎn)移熵)作為連線值。normalized PTE是Engels[25]使用的dPTE的改良，將dPTE減去常數(shù)0.5即為normalized PTE。如果A到B的normalized PTE值大于0，信息從A指向B。如果A到B的normalized PTE值小于0，則信息從B指向A。根據(jù)連線值計算腦網(wǎng)絡(luò)的入度(進(jìn)入該頂點(diǎn)的邊的數(shù)目)和出度(從該頂點(diǎn)發(fā)出的邊的數(shù)目)[26]。本研究采用加權(quán)算法，即頂點(diǎn)有向邊的加權(quán)總和。將130個ROIs劃分到3個功能系統(tǒng)[27]，包括：高級認(rèn)知系統(tǒng)；內(nèi)側(cè)默認(rèn)模式系統(tǒng)；感覺等其他系統(tǒng)。以上腦網(wǎng)絡(luò)通過Pajek5.08及其插件分析和可視化。

2 結(jié)果

2.1 激活程度描述 ASD患兒大腦激活程度較對照組偏低，見圖1。圖中顯示了溯源之后的對照組(上)和ASD兒童(下)在伽馬頻帶的大腦激活狀態(tài)。(從左到右依次為左視圖、俯視圖、右視圖)

2.2 激活程度比較 與對照組比較，ASD患兒在伽馬頻帶中，只有顯著抑制的ROIs。這些腦區(qū)主要集中在雙側(cè)額葉、雙側(cè)顳葉和雙側(cè)島葉，少量分布在右側(cè)邊緣葉及右側(cè)頂葉。右側(cè)半球包括額上回前部(z=-2.266，P=0.023)，額上回后部(z=-3.014，P=0.003)，中眶額回(z=-2.773，P=0.006)，額橫回中央部(z=-3.270，P=0.001)，中央旁小葉(z=-2.667，P=0.008)，三角部前部(z=-2.562，P=0.010)，顳中回背部(z=-2.312，P=0.021)，顳極(z=-2.318，P=0.020)，腦島后部(z=-3.190，P=0.001)，扣帶回中部(z=-2.754，P=0.006)和頂上回后部(z=-3.476，P=0.001)，左側(cè)半球包括額上回前部(z=-2.803，P=0.005)，前眶額回(z=-2.567，P=0.010)，島蓋部下部(z=-2.865，P=0.004)，顳上回后部(z=-2.315，P=0.021)，腦島后部(z=-2.761，P=0.006)和腦島前部(z=-2.418，P=0.016)。見圖2，表2。

圖2 ASD兒童伽馬頻帶顯著抑制腦區(qū)(從左向右為左視圖、俯視圖、右視圖)

表2 顯著性抑制的ROIs

2.3 信息收發(fā)比較 入度較大的高度信息接收點(diǎn)稱為匯集點(diǎn)，出度較大的高度信息發(fā)放點(diǎn)稱為發(fā)散點(diǎn)?；純航M的匯集點(diǎn)為高級認(rèn)知系統(tǒng)中的左側(cè)角回中部，對照組的匯集點(diǎn)為感覺等其他系統(tǒng)的右側(cè)枕中回腹部和左側(cè)舌回后部；患兒組的發(fā)散點(diǎn)為高級認(rèn)知系統(tǒng)的右側(cè)前眶額回、右側(cè)島蓋部上部和感覺等其他系統(tǒng)的左側(cè)梭狀回前部，對照組沒有發(fā)散點(diǎn)。見圖3。ROIs影響大小順序見表3。

表3 伽馬頻帶腦網(wǎng)絡(luò)入度和出度的重要腦區(qū)

表中顯示了每種類別下加權(quán)點(diǎn)度值前五的核心腦區(qū)。紅色代表高級認(rèn)知系統(tǒng)，藍(lán)色代表感覺等其他系統(tǒng)，綠色代表內(nèi)側(cè)默認(rèn)模式系統(tǒng)。*代表既是對照組核心腦區(qū)，又是患兒組能量顯著抑制腦區(qū)。

3 討論

心理理論(theory of mind，TOM)、中樞性統(tǒng)合不足理論和執(zhí)行功能缺陷理論等理論在解釋ASD患者的臨床癥狀方面各有優(yōu)勢[30]。興奮-抑制平衡理論(E-I balance)則從整體角度對ASD的機(jī)制和癥狀進(jìn)行統(tǒng)一解釋[31]。該理論認(rèn)為，興奮性神經(jīng)元和抑制性神經(jīng)元的活動，在大腦中存在空間和時間的平衡。兩種神經(jīng)元能否處于平衡狀態(tài)，決定了腦功能活動是否正常?；純旱囊种菩陨窠?jīng)元，即γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)能中間神經(jīng)元，存在功能缺陷。這導(dǎo)致抑制功能減弱，興奮-抑制失衡，表現(xiàn)為信息處理效率降低[15]。當(dāng)患兒面臨信息負(fù)荷過載和處理能力不足時，就會出現(xiàn)一系列臨床癥狀。GABA能神經(jīng)元的活動特征性地體現(xiàn)在伽馬頻帶，即伽馬頻帶激活降低表示GABA能神經(jīng)元活動受抑制[32]。本研究從興奮-抑制失衡理論出發(fā)，對腦區(qū)的激活程度和腦區(qū)間的信息連接進(jìn)行分析，以論證研究假設(shè)，即與正常發(fā)育兒童相比，患兒靜息態(tài)伽馬頻帶的激活水平降低和信息連接分布失衡。

本研究結(jié)果顯示患兒的大腦激活水平顯著低于對照組。Sheikhani等[10,33]分析ASD兒童靜息態(tài)腦電信號，也發(fā)現(xiàn)雙側(cè)前額葉和右側(cè)顳葉過度抑制的現(xiàn)象。本研究此外還發(fā)現(xiàn)雙側(cè)腦島、右側(cè)頂上回，右側(cè)扣帶回和左側(cè)顳上回存在顯著抑制。腦島作為協(xié)調(diào)大腦網(wǎng)絡(luò)的中樞，涉及一系列社會及非社會認(rèn)知過程[34]。Nomi提出右側(cè)島葉前部的激活減弱可能與患者社會認(rèn)知能力的受損相關(guān)[35]。Ogawa[36]發(fā)現(xiàn)ASD兒童在默讀任務(wù)中左側(cè)島葉激活的減弱，同時右側(cè)島葉前部的激活與社交困難程度顯著相關(guān)。額-頂工作記憶網(wǎng)絡(luò)包括前額葉皮層、運(yùn)動皮質(zhì)區(qū)、扣帶回、頂葉皮層等大腦皮質(zhì)區(qū)，是高級認(rèn)知信息記憶加工的神經(jīng)基礎(chǔ)[37]。Barendse[38]發(fā)現(xiàn)ASD患兒工作記憶網(wǎng)絡(luò)存在信息傳輸能力降低的現(xiàn)象。同時，ASD兒童隨著時間的推移和認(rèn)知負(fù)荷的增加，工作記憶網(wǎng)絡(luò)受到持續(xù)的損害[39]。本研究也發(fā)現(xiàn)額-頂工作記憶網(wǎng)絡(luò)中的右側(cè)頂上回和右側(cè)扣帶回受到顯著抑制，推測患兒的額-頂工作記憶網(wǎng)絡(luò)在靜息態(tài)也存在失衡。這些發(fā)現(xiàn)提示，患兒與社交行為相關(guān)的腦區(qū)(例如前額葉和腦島)的抑制系統(tǒng)活性減弱，可能導(dǎo)致興奮系統(tǒng)相對增強(qiáng)，造成大腦信號加工能力受損。信號加工是全腦協(xié)作的結(jié)果，因而進(jìn)一步分析腦區(qū)間的信息傳遞是否也存在興奮-抑制失衡。

ASD兒童在伽馬頻帶的腦區(qū)信息流向模式與對照組不同，提示抑制性信息傳遞不均，存在局部信息過載。Alaerts等[40]發(fā)現(xiàn)ASD患者腦網(wǎng)絡(luò)的工作效率降低、完整性減少及局部負(fù)荷增加。Müller等[41]也發(fā)現(xiàn)ASD患者大腦社交相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的整合降低及連通性減弱，而社交無關(guān)網(wǎng)絡(luò)存在過度連接。這種異常模式造成腦網(wǎng)絡(luò)專業(yè)化程度及信息處理能力降低，這可能因為過多的信息消耗了大腦資源。面對同樣的環(huán)境，患兒因不能排除無效信息而處理更多的信息。當(dāng)外界信息增加或者認(rèn)知任務(wù)更高級時，就會表現(xiàn)出社交信息處理障礙。Vogan等[42]發(fā)現(xiàn)在完成認(rèn)知負(fù)荷較高的任務(wù)時，ASD兒童準(zhǔn)確性顯著低于對照組，對照組隨著任務(wù)難度增加而額葉和頂葉得到更多調(diào)用，患兒則未有改變。這表明ASD兒童無法有效整合復(fù)雜信息，即認(rèn)知負(fù)荷上限較低。本研究在靜息態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)患兒存在抑制性信息的腦內(nèi)傳遞不均，結(jié)合患兒腦區(qū)激活程度顯著偏低，可以推測患兒在較低激活水平的基礎(chǔ)上，由部分腦區(qū)對全腦維持較高的抑制性信息發(fā)放。同時，患兒和對照組都存在顯著接收抑制信息的局部腦區(qū)。但患兒的高級認(rèn)知系統(tǒng)在靜息態(tài)接收較多抑制性信息，而感覺系統(tǒng)相對較少。因此，我們推測患兒感覺信息系統(tǒng)相對增強(qiáng)，而高級認(rèn)知系統(tǒng)相對減弱。這種興奮-抑制失衡可能導(dǎo)致任務(wù)態(tài)的信息負(fù)荷過載和信息加工障礙，從而出現(xiàn)認(rèn)知能力減弱和社交障礙。

連線代表兩個腦區(qū)之間的信息交流，點(diǎn)的大小代表與該點(diǎn)相連的所有線的權(quán)重和。紅色代表高級認(rèn)知系統(tǒng)，綠色代表內(nèi)側(cè)默認(rèn)模式系統(tǒng)，藍(lán)色代表感覺等其他系統(tǒng)

能量水平和信息連接的發(fā)現(xiàn)為今后研究提出新方向。能量水平和信息連接的相關(guān)性和因果性也值得進(jìn)一步研究。本研究有如下不足：受試者例數(shù)較少，今后還需擴(kuò)大人數(shù)，同時對年齡進(jìn)行分層；對照組未采用智商匹配，主要是由于缺少同年齡段兒童伽馬頻帶大腦皮層激活水平與腦網(wǎng)絡(luò)預(yù)期模型，本研究將后續(xù)增加對照分組因素，進(jìn)一步細(xì)化研究結(jié)果；結(jié)果局限于能配合完成MEG檢測的兒童，可能發(fā)生偏倚；年齡和體格發(fā)育等因素未進(jìn)行匹配。小樣本研究的最大變異策略不要求準(zhǔn)確匹配所有因素，而且Toscano等[43]報道 ASD兒童體重和BMI低于典型發(fā)育的同齡兒童。此外，受試者的狀態(tài)(睜眼或閉眼)、信號采集方法(EEG或MEG)、分析方法(傳感器水平或信號源水平)等因素對結(jié)果的影響有待進(jìn)一步探討。

綜上所述，本實(shí)驗通過對腦磁圖信號溯源分析觀察到了ASD兒童大腦伽馬頻帶過度抑制的現(xiàn)象，還發(fā)現(xiàn)患兒伽馬頻帶腦網(wǎng)絡(luò)的信息接收和發(fā)放與對照組存在差異。因此，ASD患兒在靜息態(tài)下，存在激活水平和信息連接兩方面的興奮-抑制失衡。