皮層下缺血性血管病患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的長(zhǎng)程和短程功能連接強(qiáng)度研究

黃晶，程潤(rùn)田，劉筱霜，羅天友

皮層下缺血性血管病(subcortical ischemic vascular disease，SIVD)是血管性認(rèn)知功能障礙的常見(jiàn)原因，通常會(huì)導(dǎo)致患者整體認(rèn)知功能和早期執(zhí)行功能損害，嚴(yán)重降低生活質(zhì)量[1-2]。研究表明，SIVD是一種失連接綜合征[3]。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)可以通過(guò)檢測(cè)腦區(qū)間自發(fā)低頻波動(dòng)的同步性來(lái)反映腦的內(nèi)在連接[4-5]。既往功能連接研究大多使用種子點(diǎn)法和獨(dú)立成分分析法，不能從全腦的角度去分析功能連接特征。近年來(lái)出現(xiàn)的功能連接強(qiáng)度(functional connectivity strength，F(xiàn)CS)分析法是一種基于全腦體素水平的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法[6]，可以克服上述方法的不足。筆者對(duì)SIVD患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的FCS特征進(jìn)行研究，并與臨床認(rèn)知評(píng)分進(jìn)行偏相關(guān)分析，以期為探討SIVD發(fā)病機(jī)制提供幫助。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究為回顧性研究，收集本院2018年3月至2020年3月SIVD患者30例，均為右利手，男15例，女15例，年齡67.7～73.0(69.60±6.96)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡≥55歲。(2)有急性缺血性腦血管病病史且病程＞3個(gè)月。(3)MRI表現(xiàn)為白質(zhì)為主損害類(lèi)型或腔隙性梗死突出類(lèi)型。前者主要表現(xiàn)為廣泛的深部和腦室周?chē)踪|(zhì)病變；帽狀擴(kuò)展＞10 mm或者不規(guī)則暈寬度＞10 mm，或彌漫性融合高信號(hào)寬度超過(guò)25 mm或廣泛白質(zhì)病變；皮層下腔隙性梗死。腔隙性梗死突出類(lèi)型主要表現(xiàn)為皮層下存在多個(gè)腔隙性梗死灶，且有中等程度的白質(zhì)病變。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)皮層和皮層-皮層下的非腔隙性梗死、分水嶺梗死、腦出血以及放射性腦病和多發(fā)性硬化等其他原因所致白質(zhì)病變；(2)維生素B12缺乏、甲減等其他原因所致認(rèn)知損害；(3)24項(xiàng)Hamilton抑郁量表評(píng)分≥8分、Hachinski缺血量表評(píng)分≤6分、臨床癡呆分級(jí)量表評(píng)分＞2分；(4)無(wú)法完成認(rèn)知量表評(píng)估；(5)有其他重大疾病，如顱內(nèi)腫瘤、先天性腦發(fā)育障礙以及中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染性疾病等；(6)進(jìn)行過(guò)特殊藥物治療。同期納入22名健康志愿者作為正常對(duì)照組(normal controls，NC)，均為右利手，其中男11例，女11例，年齡65.0～71.2(69.18±4.76)歲。所有受試者均接受一系列神經(jīng)心理量表測(cè)試，主要對(duì)整體認(rèn)知功能、記憶功能、語(yǔ)言功能、注意和執(zhí)行功能進(jìn)行評(píng)估，包括簡(jiǎn)易精神狀態(tài)量表、聽(tīng)覺(jué)言語(yǔ)學(xué)習(xí)測(cè)試量表、畫(huà)鐘測(cè)試量表、Stroop色詞測(cè)試量表、連線測(cè)試量表和波士頓命名測(cè)試量表。本研究經(jīng)過(guò)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：2019-001)，受試者均已簽署知情同意書(shū)。

1.2 MRI設(shè)備與檢查方法

采用GE Signa 3.0 T HDX超導(dǎo)型MRI掃描儀和8通道頭部線圈。用泡沫固定受試者頭部，耳塞減少噪聲干擾，并要求受試者掃描期間閉眼、保持頭腦清醒、避免思考。掃描序列為3D T1、T2 FLAIR和單次激發(fā)回波平面成像(single-shot echo planar imaging，SS-EPI)序列。rs-fMRI掃描參數(shù)為：重復(fù)時(shí)間 (repetition time，TR)2000 ms，回波 時(shí)間(echo time，TE)40 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，視野240 mm×240 mm，矩陣 64×64，層厚 3 mm，間隔 1 mm，1次采集，共33層，240個(gè)時(shí)間點(diǎn)，掃描8 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用DPARSFA(www.restfmri.net/forum/DPARSF)軟件預(yù)處理rs-fMRI數(shù)據(jù)：(1)去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)；(2)時(shí)間層校正和頭動(dòng)校正，排除頭動(dòng)平移＞2 mm或轉(zhuǎn)動(dòng)大于2°的受試者，并對(duì)平均頭動(dòng)進(jìn)行組間比較，結(jié)果表明無(wú)組間差異(P=0.92，Mann-WhitneyU檢驗(yàn))；(3)配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)回聲平面成像(echo planer imaging，EPI)模板上，重新采樣為3 mm×3 mm×3 mm大?。?4)回歸Friston-24頭動(dòng)參數(shù)、腦脊液和白質(zhì)平均信號(hào)，全腦平均信號(hào)回歸尚存在爭(zhēng)議，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[7-8]，本研究保留全腦平均信號(hào)；(5)去線性漂移和濾波(0.01～0.1 Hz)。

基于Tomasi等[6]的方法，利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)計(jì)算獲得全腦、長(zhǎng)程和短程FCS圖。使用Matlab 2013b(https://matlab.en.softonic.com/)軟件計(jì)算每個(gè)體素與全腦其他體素間的Pearson相關(guān)系數(shù)來(lái)構(gòu)建功能連接矩陣，相關(guān)系數(shù)閾值設(shè)置為0.6[6]，接著將每個(gè)體素大于閾值的Pearson相關(guān)系數(shù)相加得到全腦FCS圖，并轉(zhuǎn)換成z值。其中利用解剖距離＞75 mm和≤75 mm來(lái)定義長(zhǎng)程FCS和短程FCS[9]。最后使用半高全寬為8 mm高斯平滑核對(duì)FCS圖進(jìn)行平滑處理。

所有數(shù)據(jù)處理中的圖像質(zhì)量評(píng)估均由2名已熟練掌握MRI數(shù)據(jù)處理方法且具有3年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像診斷醫(yī)師以盲法獨(dú)立進(jìn)行，若有分歧經(jīng)協(xié)商后一致決定。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料和神經(jīng)心理量表評(píng)分采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行組間比較。不符合正態(tài)分布的定量資料使用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，用中位數(shù)(四分位數(shù))表示；符合正態(tài)分布的定量資料使用雙樣本t檢驗(yàn)，用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示；定性資料使用卡方(χ2)檢驗(yàn)。FCS值統(tǒng)計(jì)分析采用置換檢驗(yàn)工具，對(duì)全腦FCS進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)獲得兩組的腦網(wǎng)絡(luò)樞紐圖，基于腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的長(zhǎng)程和短程FCS組間比較使用雙樣本t檢驗(yàn)，置換5000次，多重比較校正采用基于無(wú)閾值簇增強(qiáng)(threshold-free cluster enhancement，TFCE)的錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate，F(xiàn)DR)校正，團(tuán)塊大?。?00體素。對(duì)SIVD組采用偏相關(guān)分析法評(píng)估組間差異顯著腦區(qū)FCS值與認(rèn)知評(píng)分間的關(guān)系。上述比較分析均將性別、年齡、受教育年限作為協(xié)變量，且雙側(cè)P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

SIVD組和NC組在年齡、性別、教育等人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料上差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但所有認(rèn)知量表評(píng)分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1)。

表1 SIVD和NC組之間人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料以及神經(jīng)心理量表評(píng)分比較Tab.1 Comparison of demographic data and neuropsychological scores between SIVD group and NC group

2.2 腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的空間分布

SIVD組腦網(wǎng)絡(luò)樞紐主要分布在楔葉、楔前葉、舌回、中扣帶回、后扣帶回、梭狀回、距狀裂周?chē)拥饶X區(qū)，NC組腦網(wǎng)絡(luò)樞紐主要分布在顳上回、顳中回、楔葉、楔前葉、舌回、角回、腦島、中扣帶回、后扣帶回、梭狀回、距狀裂周?chē)拥饶X區(qū)(圖1)。

圖1 皮層下缺血性血管病患者組和正常對(duì)照組腦網(wǎng)絡(luò)樞紐圖。圖中的色條代表統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)t值，L和R分別代表左側(cè)和右側(cè)Fig.1 Brain network hub maps of subcortical ischemic vascular disease group and normal controls group.The color bar in the figure represents t value of statistical test,L and R represent left side and right side respectively.

2.3 長(zhǎng)程FCS差異腦區(qū)

SIVD組在右側(cè)顳上回(t=-5.77，P＜0.05)、左側(cè)顳上回(t=-5.25，P＜0.05)和右側(cè)距狀裂周?chē)?t=-3.84，P＜0.05)的長(zhǎng)程FCS較NC組明顯降低，但右側(cè)楔前葉(t=4.02，P＜0.05)和右內(nèi)側(cè)額上回(t=4.21，P＜0.05)長(zhǎng)程FCS明顯升高(P＜0.05)(表2)。

2.4 短程FCS差異腦區(qū)

SIVD組在右側(cè)顳上回(t=-5.10，P＜0.05)、左側(cè)顳上回(t=-5.17，P＜0.05)、右側(cè)距狀裂周?chē)?t=-4.38P＜0.05)和右側(cè)腦島(t=-4.39，P＜0.05)的短程FCS較NC組明顯降低，但在右內(nèi)側(cè)額上回(t=4.22，P＜0.05)的短程FCS明顯升高(P＜0.05)(表 2)。

表2 SIVD組和NC組之間的FCS顯著差異腦區(qū)Tab.2 Brain regions with significant differences in FCS between SIVD group and NC group

2.5 偏相關(guān)分析

SIVD組右側(cè)腦島短程FCS值與StroopⅡ測(cè)試評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.390，P=0.044)，右側(cè)顳上回長(zhǎng)程FCS值與畫(huà)鐘測(cè)試評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.438，P=0.022)(圖2)。

圖2 皮層下缺血性血管病患者組右側(cè)腦島和右側(cè)顳上回功能連接強(qiáng)度(FCS)值與認(rèn)知評(píng)分的關(guān)系。r為相關(guān)系數(shù)Fig.2 Correlation between functional connectivity strength(FCS)values in right insula and superior temporal gyrus and cognitive score in subcortical ischemic vascular disease group.The r is the correlation coefficient.

3 討論

本研究采用FCS分析法對(duì)SIVD患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的長(zhǎng)程和短程FCS改變特征進(jìn)行探究。結(jié)果顯示，與NC組相比，SIVD組雙側(cè)顳上回、右側(cè)距狀裂周?chē)拥拈L(zhǎng)程、短程FCS值以及右側(cè)腦島短程FCS值降低，但右側(cè)額上回長(zhǎng)程、短程FCS值和右側(cè)楔前葉長(zhǎng)程FCS值升高，且與認(rèn)知功能評(píng)分有關(guān)。這可能為理解SIVD發(fā)病機(jī)制提供了新的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也體現(xiàn)出FCS分析在神經(jīng)精神疾病的診斷以及神經(jīng)機(jī)制方面的研究中具有重要價(jià)值。

人腦是一個(gè)由不同腦區(qū)連接而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中腦網(wǎng)絡(luò)樞紐指的是連接數(shù)量較多的腦區(qū)[10]。腦網(wǎng)絡(luò)樞紐具有高血流、高代謝的特點(diǎn)，在維持高級(jí)認(rèn)知功能和適應(yīng)性行為中起著十分重要的作用，但也因此更容易受到疾病的影響[10-11]。所以研究腦網(wǎng)絡(luò)樞紐對(duì)于理解神經(jīng)精神疾病的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。FCS分析法是一種能夠反映大腦功能連接特征的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，可以用來(lái)確定腦網(wǎng)絡(luò)樞紐腦區(qū)的分布。一個(gè)腦區(qū)FCS值越大，說(shuō)明該腦區(qū)在腦網(wǎng)絡(luò)中越重要，即承擔(dān)著腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的作用[6]。FCS主要包括長(zhǎng)程FCS和短程FCS，二者分別反映腦區(qū)與遠(yuǎn)距離范圍和局部范圍腦區(qū)間的功能連接特征[12]。目前，F(xiàn)CS分析法已廣泛應(yīng)用于腦功能的研究[7,13]，這為探索SIVD發(fā)病機(jī)制提供了新的角度。

本研究結(jié)果顯示SIVD組和NC組患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐分布大體一致，主要分布在楔葉、楔前葉、舌回、中扣帶回、后扣帶回、梭狀回、距狀裂周?chē)拥葏^(qū)域。這與文獻(xiàn)報(bào)道相似[7,13-14]。說(shuō)明即使在疾病的影響下，SIVD患者大部分樞紐腦區(qū)仍然在腦網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著核心作用。但本研究結(jié)果顯示SIVD患者右側(cè)腦島的短程FCS值以及雙側(cè)顳上回和右側(cè)距狀裂周?chē)拥拈L(zhǎng)程、短程FCS值較NC組明顯降低，提示SIVD可能導(dǎo)致患者樞紐腦區(qū)與遠(yuǎn)距離范圍和局部范圍腦區(qū)間的功能連接減弱。更重要的是，筆者還觀察到患者右側(cè)腦島的短程FCS值和右側(cè)顳上回的長(zhǎng)程FCS值與認(rèn)知評(píng)分密切相關(guān)。這可能說(shuō)明腦島和顳上回FCS的異常改變?cè)赟IVD的發(fā)生發(fā)展中具有重要作用。

腦島是突顯網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，可以調(diào)控執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)在認(rèn)知任務(wù)信息加工過(guò)程的作用，因而在維持正常認(rèn)知功能中具有重要意義，特別是在執(zhí)行功能方面[15-16]。研究報(bào)道顯示，伴有認(rèn)知功能障礙的SIVD患者存在腦島灰質(zhì)的萎縮[17]。Chen等[18]研究發(fā)現(xiàn)，與正常人比較，認(rèn)知功能正常和認(rèn)知功能障礙的SIVD患者均出現(xiàn)了雙側(cè)腦島皮層厚度的明顯變薄，且與認(rèn)知功能評(píng)分相關(guān)。另一項(xiàng)基于擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)的研究發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知功能正常和認(rèn)知功能障礙的患者左側(cè)腦島的纖維連接密度也明顯降低[19]。Liu等[20]關(guān)于SIVD癡呆患者的研究發(fā)現(xiàn)，患者左側(cè)腦島的低頻波動(dòng)幅度顯著降低?？梢?jiàn)，SIVD可導(dǎo)致患者腦島結(jié)構(gòu)和局部活動(dòng)的異常改變，這從不同角度支持了本研究結(jié)果。相關(guān)功能連接研究表明，皮層下血管性認(rèn)知功能障礙患者表現(xiàn)出腦島的功能連接紊亂[17,21]。Kim等[22]對(duì)皮層下血管性癡呆患者的研究也發(fā)現(xiàn)腦島的功能連接下降。這些發(fā)現(xiàn)與本研究結(jié)果相似。此外，本研究結(jié)果顯示腦島短程FCS值與Stroop色詞測(cè)試評(píng)分呈正相關(guān)。Stroop色詞測(cè)試主要用于評(píng)估執(zhí)行功能，通常與健康人群的額葉、頂下小葉和島葉的激活有關(guān)[23]。在本研究中，SIVD患者Stroop色詞測(cè)試用時(shí)明顯長(zhǎng)于NC組，提示患者執(zhí)行功能已受損害，并且可能是由腦島的異常短程FCS改變所致。因此筆者認(rèn)為，腦島短程FCS的降低可能在SIVD患者發(fā)病中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

顳上回被認(rèn)為參與了人腦的認(rèn)知任務(wù)信息處理加工的過(guò)程，因而與認(rèn)知功能有關(guān)[24]。既往研究[25]發(fā)現(xiàn)，SIVD認(rèn)知功障礙患者的大腦顳葉皮質(zhì)明顯變薄。最近一項(xiàng)關(guān)于認(rèn)知功能正常和認(rèn)知功能障礙的SIVD患者的研究也得到了同樣的結(jié)果，并且還發(fā)現(xiàn)顳葉皮層厚度值與認(rèn)知功能評(píng)分有著密切聯(lián)系[18]。Sang等[26]基于圖論的腦網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果顯示，伴有認(rèn)知功能障礙和癡呆的SIVD患者顳葉功能連接和網(wǎng)絡(luò)效率顯著降低，并與認(rèn)知功能障礙的程度呈負(fù)相關(guān)。本研究得到類(lèi)似的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)SIVD患者雙側(cè)顳上回長(zhǎng)程和短程FCS均存在異常改變，且與畫(huà)鐘測(cè)試評(píng)分顯著相關(guān)。雖然顳上回并非調(diào)節(jié)認(rèn)知功能的關(guān)鍵腦區(qū)，但以上研究結(jié)果表明SIVD患者顳上回的結(jié)構(gòu)破壞以及長(zhǎng)程和短程功能連接紊亂可能是SIVD患者發(fā)病的原因之一。

此外，本研究結(jié)果還顯示SIVD患者右側(cè)楔前葉和額上回的FCS明顯升高。楔前葉是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，額葉是SIVD患者的主要病變部位，二者與認(rèn)知功能密切相關(guān)[27-28]。但Yi等[29]研究發(fā)現(xiàn)，SIVD患者額上回的FCS顯著下降。最近的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究也發(fā)現(xiàn)SIVD患者額葉的結(jié)構(gòu)連接降低[14,30]。這些結(jié)果與本研究發(fā)現(xiàn)不相符，可能是因?yàn)閿?shù)據(jù)處理方法不同，或者是本研究納入的病例可能處于疾病的早期階段，這種FCS升高是患者對(duì)腦損傷出現(xiàn)代償所致[31]，但還需要進(jìn)一步研究明確。

本研究存在以下不足：為橫斷面研究，樣本量較少，未來(lái)需要更大樣本量、縱向的研究來(lái)驗(yàn)證結(jié)果；由于病例數(shù)的限制，本研究?jī)H探究了SIVD對(duì)患者腦FCS的影響，沒(méi)有將患者分為認(rèn)知功能正常組、輕度認(rèn)知功能障礙組以及癡呆組，未來(lái)有必要增加病例數(shù)進(jìn)行分組研究，以全面了解疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中患者的FCS改變情況以及與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系；本研究著重探討的是患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐FCS的特征，沒(méi)有考慮到腦網(wǎng)絡(luò)樞紐結(jié)構(gòu)損傷的影響，未來(lái)應(yīng)該進(jìn)行多模態(tài)MRI研究以全面探索SIVD對(duì)患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的影響。

綜上，本研究結(jié)果顯示SIVD患者腦網(wǎng)絡(luò)樞紐的長(zhǎng)程和短程FCS均存在異常，特別是在腦島與顳上回區(qū)域。這可能有助于揭示SIVD發(fā)病的神經(jīng)機(jī)制。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。