病理性近視患者空間頻率相關(guān)的大腦視皮層功能活動(dòng)變化△

曹寧 張穎 畢愛玲 潘雪梅 路致遠(yuǎn) 吳建峰 盧秀珍 畢宏生

病理性近視(PM)是唯一導(dǎo)致最佳矯正視力發(fā)生不可逆性損失的近視，現(xiàn)已成為亞洲地區(qū)視覺損害和致盲的最常見的原因之一，患病率高達(dá) 0.99%～3.10%[1]。PM不僅伴有眼底病變及視功能缺損，而且長(zhǎng)期異常的視覺輸入還可能造成其腦功能及結(jié)構(gòu)的改變?；诠δ苄源殴舱癯上?fMRI)的多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，眼科視路相關(guān)疾病的患者枕葉視皮層出現(xiàn)相應(yīng)萎縮[2-5]。Huang等[6]和Cheng等[7]研究發(fā)現(xiàn)，高度近視患者可導(dǎo)致視皮層V2區(qū)等腦結(jié)構(gòu)的功能障礙。而目前對(duì)于PM的研究普遍以眼底及眼球形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)為主，對(duì)其大腦結(jié)構(gòu)及功能變化的研究報(bào)道甚少[8-9]。

在人類大腦皮層中，血氧與血容量變化可以反映該腦區(qū)活動(dòng)強(qiáng)度，而作為一種可床邊實(shí)施應(yīng)用的無創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，功能性近紅外光譜成像技術(shù)(fNIRS)可利用700～900 nm波段的近紅外光進(jìn)行人腦部血流動(dòng)力學(xué)的檢測(cè)[10]，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧合血紅蛋白(Oxy-Hb)、脫氧血紅蛋白(Deoxy-Hb)及總血紅蛋白(Total-Hb)濃度的變化，以推知該腦區(qū)血氧與血容量變化，進(jìn)而反映出該局部腦皮層的功能激活狀態(tài)[11-12]。X細(xì)胞主要分布在黃斑中心凹附近，對(duì)高空間頻率(HSF)敏感，Y細(xì)胞多分布在視網(wǎng)膜周邊區(qū)域, 對(duì)低空間頻率(LSF)敏感[13]。因此，本研究以LSF(1°視角)、HSF(15′視角)兩種空間頻率棋盤格翻轉(zhuǎn)作為視覺刺激，首次采用fNIRS觀察視網(wǎng)膜黃斑區(qū)受損(4級(jí)近視性黃斑病變)及視網(wǎng)膜黃斑外圍區(qū)受損(2級(jí)、3級(jí)近視性黃斑病變)的PM患者大腦視皮層相應(yīng)功能激活區(qū)的血氧水平變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取2019年10月至2020年5月在山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬眼科醫(yī)院眼底病科診斷為PM的患者納入研究。病理性近視薈萃分析(META-analysis for pathologic myopia,META-PM)研究小組將近視性黃斑病變分為5個(gè)等級(jí)、3個(gè)附加病變及1個(gè)特征性改變[14]，其中，5個(gè)等級(jí)分別為：(1)0級(jí)：無近視性視網(wǎng)膜病變；(2)1級(jí)：豹紋狀眼底(眼底后極部可見脈絡(luò)膜血管輪廓)；(3)2級(jí)：彌漫性脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜萎縮(后極部可見淡黃色萎縮灶)；(4)3級(jí)：斑片狀脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜萎縮(呈邊界清楚的灰白色病灶)；(5)4級(jí)：黃斑區(qū)萎縮。3個(gè)附加病變分別為漆裂紋、脈絡(luò)膜新生血管、Fuchs斑。1個(gè)特征性改變?yōu)楹箪柲て咸涯[。META-PM中PM定義為近視性黃斑病變2級(jí)或以上，或存在附加病變或后鞏膜葡萄腫。本研究中PM患者納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)眼軸長(zhǎng)度>26.5 mm，等效球鏡度<-6.00 D；(2)按META-PM分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，均為2級(jí)或以上近視性黃斑病變的PM患者；(3)最佳矯正視力≥20/200 (換算為logMAR視力即為1.0)。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)由圓錐角膜、鞏膜先天性異常、粘連性角膜白斑及晶狀體異常等引起的高度近視；(2)伴有糖尿病視網(wǎng)膜病變、視網(wǎng)膜靜脈阻塞或年齡相關(guān)性黃斑變性等其他引起視網(wǎng)膜病變的疾??；(3)伴有糖尿病、心血管疾病等慢性疾??；(4)有腦出血、腦梗死等腦部疾病或顱腦外傷史。本研究共納入PM患者15例28眼，其中2級(jí)、3級(jí)近視性黃斑病變分別有11眼和6眼，該17眼為PM-A組，4級(jí)近視性黃斑病變11眼為PM-B組。正常對(duì)照組(NC組)16人16眼，為視力正常(屈光度為-1.00～+1.00 D)或老花眼的健康志愿者。所有參與者的年齡均為24歲及以上，全身無器質(zhì)性病變及精神方面疾病，均需在最佳矯正視力下接受fNIRS檢測(cè)，且本研究剔除了測(cè)試過程中出現(xiàn)咳嗽、說話、大幅度動(dòng)作等狀況的參與者數(shù)據(jù)。本研究遵循《赫爾辛基宣言》原則，并經(jīng)山東中醫(yī)藥大學(xué)附屬眼科醫(yī)院臨床試驗(yàn)機(jī)構(gòu)倫理委員會(huì)批準(zhǔn), 所有受試者均簽署了知情同意書, 符合醫(yī)學(xué)倫理學(xué)原則。

1.2 主要儀器采用ETG-4000系統(tǒng)(日本東京，日立醫(yī)療公司；696 nm和830 nm兩個(gè)波長(zhǎng))測(cè)量Oxy-Hb和Deoxy-Hb濃度的變化，本試驗(yàn)選用3×5光電探針組(由7個(gè)接收探頭和8個(gè)光源發(fā)射探頭組成)，共有22個(gè)通道，采樣率設(shè)置為10 Hz，光源發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離為3 cm(圖1A)。采用上海心果光電科技有限公司針對(duì) Polhemus 公司的三維定位儀研發(fā)的可視化頭部三維定位信息實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)(VPen 1.0)對(duì)受試者各通道測(cè)量點(diǎn)位置進(jìn)行定位記錄。

1.3 視覺刺激設(shè)計(jì)與呈現(xiàn)人腦對(duì)棋盤格圖形翻轉(zhuǎn)刺激反應(yīng)的穩(wěn)定性現(xiàn)已被普遍認(rèn)可，且不論是在同一個(gè)體內(nèi)或不同個(gè)體間其變異均很小，該視覺刺激在臨床視覺誘發(fā)電位、fMRI以及fNIRS等檢測(cè)中均得到廣泛應(yīng)用。因此，本研究參照2016年最新國際臨床視覺電生理學(xué)會(huì)(ISCEV)推薦的視覺誘發(fā)電位標(biāo)準(zhǔn)刺激參數(shù)[15]，采用Photoshop制圖軟件繪制HSF(15′視角)及LSF(1°視角)的標(biāo)準(zhǔn)模式反轉(zhuǎn)棋盤格。棋盤格圖中央繪有紅色叉作為注視點(diǎn)，并以2.0 Hz的時(shí)間頻率于分辨率為1600×1200像素的19英寸顯示器上進(jìn)行翻轉(zhuǎn)刺激(圖1B)。

圖1 近紅外測(cè)試探頭及棋盤格示意圖 A: 近紅外測(cè)試探頭示意圖，D、S分別為接收探頭(白色)、光源發(fā)射探頭(黑色)，共22個(gè)通道，光源發(fā)射探頭與接收探頭之間的距離為3 cm；B: LSF及HSF黑白棋盤格尺寸設(shè)計(jì)示意圖(注：1英寸=2.54 cm)。

E-Prime (Experimenter’s Prime) 作為實(shí)現(xiàn)行為研究計(jì)算機(jī)化的跨平臺(tái)系統(tǒng)，時(shí)間精度高，并涵蓋了從試驗(yàn)生成到數(shù)據(jù)收集等功能，能較好地實(shí)現(xiàn)刺激事件與腦電設(shè)備的同步，因此，本研究采用E-Prime 2.0軟件進(jìn)行視覺刺激任務(wù)的呈現(xiàn)控制及數(shù)據(jù)記錄。

1.4 檢測(cè)方法參與者均被要求于安靜、昏暗的房間中，舒適地坐于距電腦顯示屏正前方1 m處，調(diào)整座椅高度使雙眼與顯示屏平齊，將測(cè)試探頭固定在受試者的頭部并覆蓋其全部枕葉皮層區(qū)域，其中央(14號(hào))接收探頭對(duì)準(zhǔn)受試者枕骨粗隆處(圖2A)。所有參與者均進(jìn)行單眼測(cè)試，非測(cè)試眼進(jìn)行遮蓋。正常受試者遮蓋其非主導(dǎo)眼，接受主導(dǎo)眼測(cè)試。PM受試者若雙眼均符合納入標(biāo)準(zhǔn)，則依次進(jìn)行左、右眼單眼測(cè)試；若一眼符合納入標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行患側(cè)眼測(cè)試。測(cè)試開始前告知參與者測(cè)試內(nèi)容及注意事項(xiàng)，測(cè)試全程禁止說話及做任何肢體動(dòng)作，確保各探頭與頭皮接觸良好后啟動(dòng)E-Prime程序，20 s閉眼準(zhǔn)備后，語音提示參與者睜眼觀看30 s黑屏以確保血紅蛋白濃度水平達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的基線，然后觀看30 s棋盤格翻轉(zhuǎn)刺激任務(wù)，并在整個(gè)過程中固視屏幕中央紅色叉(避免眼和頭部的大動(dòng)作)，參與者可自然眨眼，刺激任務(wù)結(jié)束后，參與者繼續(xù)觀看50 s黑屏以恢復(fù)血紅蛋白濃度水平(圖2B)。fNIRS測(cè)試后，采用定位系統(tǒng)(VPen)對(duì)參與者頭頂中央百會(huì)穴(CZ)、鼻根(Nz)、枕骨隆突(Iz)、左耳前點(diǎn)(A1)和右耳前點(diǎn)(A2)進(jìn)行主參考點(diǎn)定位，然后對(duì)發(fā)射探頭位置、接收探頭位置及各通道測(cè)量點(diǎn)位置進(jìn)行記錄。利用MNI坐標(biāo)及Brodmann 分區(qū)對(duì)近紅外各通道的位置進(jìn)行概率配準(zhǔn)(圖2C)。定位結(jié)果顯示10-22通道位于枕葉視皮層及其鄰近區(qū)域，故本試驗(yàn)將10-22通道設(shè)置為感興趣區(qū)域(ROI)(表1)。

圖2 試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)、試驗(yàn)環(huán)境及VPen定位示意圖 A: 試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)，整個(gè)測(cè)試在20 s的閉眼準(zhǔn)備期后，開始初始基線期(30 s)，棋盤格刺激期(30 s，翻轉(zhuǎn)頻率:2.0 Hz)及恢復(fù)期(50 s)；B:試驗(yàn)環(huán)境，受試者頭戴fNIRS測(cè)試帽，坐在高度可調(diào)節(jié)的椅子上，在光線昏暗的房間里觀看正前方1 m處的視覺刺激任務(wù)；C: 近紅外22個(gè)通道的VPen系統(tǒng)定位結(jié)果示意圖。

表1 MNI 坐標(biāo)及各通道相應(yīng)Brodmann分區(qū)位置

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析使用基于MATLAB的 NIRS_SPM8軟件對(duì)原始光強(qiáng)數(shù)據(jù)(取棋盤格任務(wù)前16 s睜眼視黑屏段作為基線期，30 s棋盤格任務(wù)作為刺激期)進(jìn)行降噪及基線校正處理，并根據(jù)廣義線性模型(GLM)與標(biāo)準(zhǔn)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)函數(shù)(HRF)進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，計(jì)算得到22個(gè)通道的Oxy-Hb、Deoxy-Hb、Total-Hb濃度基線期與刺激期的β值，β值為假設(shè)模型與實(shí)際數(shù)據(jù)之間擬合度系數(shù)，其正負(fù)代表著激活程度的正負(fù)相關(guān)。無效通道即接觸不良通道所得β值剔除，不納入分析。

Hoshi[16]認(rèn)為，在fNIRS測(cè)試中，Oxy-Hb是局部腦血流變化最敏感的指標(biāo)，最能反映腦激活程度，因此，本研究?jī)H分析Oxy-Hb的變化。Oxy-Hb的Δβ值計(jì)算公式為：Δβ=β刺激期-β基線期。使用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件分別對(duì)NC組、PM-A組及PM-B組受試者的LSF與HSF刺激任務(wù)下的Δβ值進(jìn)行組內(nèi)配對(duì)t檢驗(yàn)。分別對(duì)三組受試者的LSF刺激任務(wù)下的Δβ值及HSF刺激任務(wù)下的Δβ值進(jìn)行組間獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。檢驗(yàn)水準(zhǔn)：α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 三組受試者基線資料三組受試者基線資料見表2。由表2知，三組受試者的年齡、性別構(gòu)成、眼壓等基線資料相比差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均為P>0.05)。

表2 三組受試者基線資料的比較

2.2 在LSF、HSF刺激任務(wù)下三組受試者ROI通道Δβ值對(duì)比分析在LSF、HSF刺激任務(wù)下，NC組、PM-A組和PM-B組受試者ROI 通道的Δβ值對(duì)比分析結(jié)果見表3。兩兩比較結(jié)果顯示，在LSF刺激任務(wù)下，NC組與PM-A組、PM-B組的Δβ值相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=2.462、2.091，P= 0.020、0.047)，PM-A組與PM-B組的Δβ值相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-0.633，P=0.532)；在HSF刺激任務(wù)下，NC組與PM-A組、PM-B組的Δβ值相比差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(t=2.651、3.051，P=0.013、0.005)，PM-A組與PM-B組的Δβ值相比差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.524，P=0.605)。可見，PM-A組和PM-B組的Oxy-Hb的激活量在LSF及HSF刺激任務(wù)下均顯著低于NC組。

表3 LSF、HSF刺激任務(wù)下三組受試者ROI 通道Δβ值的對(duì)比

2.3 三組受試者分別對(duì)LSF、HSF兩種空間頻率視覺刺激的腦功能活動(dòng)差異分析分別對(duì)LSF及HSF刺激任務(wù)下的NC組、PM-A組及PM-B組受試者ROI 通道的Δβ值進(jìn)行組內(nèi)配對(duì)t檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，在NC組、PM-A組、PM-B組各組組內(nèi)，LSF與HSF兩種不同空間頻率任務(wù)刺激下受試者大腦Oxy-Hb激活程度差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=0.692、-0.285、1.226，P=0.499、0.779、0.248)。

3 討論

視覺信息的傳輸是一套涉及整個(gè)視覺系統(tǒng)的高度有組織的過程。視網(wǎng)膜接收視覺刺激后發(fā)出的神經(jīng)沖動(dòng)信號(hào)經(jīng)過視覺通路傳輸，最終投射至大腦并激活相應(yīng)視皮層區(qū)域，此時(shí)大腦需通過增加局部腦血流量和耗氧量來為該區(qū)域的神經(jīng)元提供所需要的能量，這種血液循環(huán)和腦功能通過神經(jīng)-血管耦合聯(lián)系在一起[17-18]，也被稱為血液動(dòng)力學(xué)反應(yīng)。在此期間任何階段的損傷都可能干擾其他階段的功能。在PM中，脈絡(luò)膜視網(wǎng)膜萎縮等眼底病變導(dǎo)致視覺信息在接收起始階段便部分丟失，因此在經(jīng)過視覺通路的傳遞后，最終到達(dá)視皮層的信號(hào)減弱，這可能會(huì)引起視皮層的神經(jīng)活動(dòng)和血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的改變。大腦的疾病可以影響視覺，反之亦然，眼睛的疾病也可以影響與視覺相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)[19]。多篇基于fMRI檢查的研究報(bào)道結(jié)果顯示，起源于視網(wǎng)膜的缺陷會(huì)使其大腦皮層視覺信號(hào)的輸入持續(xù)減少，最終可導(dǎo)致枕葉皮層結(jié)構(gòu)的損害[2-5]。本項(xiàng)探索性研究的目的是通過fNIRS從血流動(dòng)力學(xué)層面來檢測(cè)在視力矯正情況下不同級(jí)別近視性黃斑病變的PM患者對(duì)LSF和HSF的敏感性是否存在差異。據(jù)我們所知，本試驗(yàn)是首次應(yīng)用fNIRS觀察PM患者大腦皮層血氧活動(dòng)變化的研究。本研究結(jié)果也顯示，在相同視覺刺激任務(wù)條件下，PM患者的腦功能活動(dòng)顯著弱于正常人。

黃斑中心凹附近主要分布有X細(xì)胞，故該區(qū)域?qū)SF信號(hào)敏感，而視網(wǎng)膜周邊部分主要分布有Y細(xì)胞, 故該區(qū)域?qū)SF信號(hào)敏感。Ramano?l等[13]研究發(fā)現(xiàn)，作為一種視網(wǎng)膜疾病，年齡相關(guān)性黃斑變性可導(dǎo)致黃斑中心凹中X細(xì)胞丟失，患者表現(xiàn)為基于HSF的精細(xì)細(xì)節(jié)的處理受到損害，而基于LSF信息的處理則相對(duì)保留,可見當(dāng)視網(wǎng)膜黃斑區(qū)發(fā)生病變受損時(shí)，人眼對(duì)HSF信號(hào)的處理能力會(huì)降低；當(dāng)視網(wǎng)膜周邊區(qū)域發(fā)生病變受損時(shí)，人眼則對(duì)LSF信號(hào)的處理能力降低。在PM患者中，2級(jí)近視性黃斑病變的眼底改變?yōu)閺浡悦}絡(luò)膜視網(wǎng)膜萎縮，3級(jí)近視性黃斑病變的眼底改變?yōu)榘咂瑺蠲}絡(luò)膜視網(wǎng)膜萎縮，4級(jí)近視性黃斑病變的眼底改變?yōu)辄S斑區(qū)萎縮，其中2級(jí)、3級(jí)為視網(wǎng)膜周邊受損，4級(jí)為視網(wǎng)膜黃斑區(qū)受損。本研究結(jié)果顯示，PM-A組患者不僅LSF的敏感性降低，其HSF的敏感性同樣降低，前者降低主要為PM-A組患者的Y細(xì)胞存在受損，后者降低可能為最佳矯正視力低下所致。視敏度即視力與處理HSF信息的能力之間存在密切的聯(lián)系[20]。視敏度可用空間頻率表示，檢測(cè)到的空間頻率越高，眼睛的分辨率就越高，因此當(dāng)最佳矯正視力低下時(shí)，人眼對(duì)HSF信息的敏感性便降低。本研究對(duì)PM-B組患者的測(cè)試結(jié)果顯示，其不僅HSF的敏感性降低，LSF的敏感性也同樣存在降低，前者降低主要為PM-B組患者的X細(xì)胞存在受損及最佳矯正視力低下所致，后者降低的原因是由于PM-B組患者眼底病變較為嚴(yán)重復(fù)雜，常伴有部分周圍視網(wǎng)膜受損，從而Y細(xì)胞也存在相應(yīng)受損，故LSF的敏感性也較差。本研究結(jié)果顯示，無論是LSF還是HSF刺激任務(wù)，在ROI內(nèi)，PM-A組及PM-B組患者的Δβ值均顯著低于NC組，即作為一種晚發(fā)性眼病，PM長(zhǎng)期異常的視覺經(jīng)驗(yàn)及眼底病變可引起大腦視皮層功能活動(dòng)的減弱。但鑒于本試驗(yàn)中納入的PM受試者樣本量較少，尚有待在后期研究中進(jìn)一步補(bǔ)充樣本量，以期獲得更加完善和全面的PM受試者fNIRS數(shù)據(jù)庫體系，并對(duì)本試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證與補(bǔ)充。

fNIRS由J?bsis[21]于1977年率先報(bào)道，其不但具有便攜、操作簡(jiǎn)單、成本低及時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，還可對(duì)受試者進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)測(cè)量和短時(shí)間內(nèi)反復(fù)多次測(cè)量，且適用于新生兒及行動(dòng)受限的各樣人群。目前該技術(shù)在癲癇[22]、抑郁[23]、阿爾茨海默病[24]等神經(jīng)精神疾病中已得到了有效的臨床診斷及療效評(píng)價(jià)應(yīng)用，而尚未實(shí)際應(yīng)用于眼科臨床領(lǐng)域，依舊處于眼病研究階段。例如在弱視治療方案效果的研究中，Iwata等[25]利用fNIRS證明從腦功能激活的角度來看，不遮蓋健康眼的弱視治療可能提供最大的治療效益。在糖尿病患者的視皮層研究中，Aitchison等[26]的研究結(jié)果表明，糖尿病患者比非糖尿病患者對(duì)視覺刺激的血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)值更大，且Oxy-Hb的增加和Deoxy-Hb的降低與糖化血紅蛋白水平有關(guān)。在對(duì)原發(fā)性開角型青光眼的研究中，Gagrani等[27]利用fNIRS發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，冥想干預(yù)組受試者前額葉皮層的Oxy-Hb變化顯著改善。Miki等[28]通過fNIRS的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)視神經(jīng)炎患者患眼接受視覺刺激時(shí)，其枕葉血紅蛋白濃度相對(duì)于正常眼顯著降低，即使視力提高到20/20，患眼刺激后引起的反應(yīng)也同樣較低。由此可見，不可否認(rèn)的是fNIRS為人類大腦視皮層功能的研究提供了前所未有的新方法。相信隨著時(shí)間的推移，該技術(shù)將逐漸在眼科領(lǐng)域受到更多的關(guān)注，我們推測(cè)fNIRS未來有望成為眼科臨床可行的選擇，還可與fMRI等多種成像技術(shù)結(jié)合，開展各種特殊人群眼病患者大腦認(rèn)知的神經(jīng)機(jī)制研究，以評(píng)估疾病的進(jìn)展及療效分析。