度中心性的靜息態(tài)功能磁共振成像探討原發(fā)性痛經(jīng)患者月經(jīng)期痛經(jīng)的中樞機制

劉妮，張亞男，吳俊辰，郝瑛，李文迅，夏晶，劉志丹，李瑩秋，黃怡然*，霍健偉*

作者單位：1.首都醫(yī)科大學附屬北京中醫(yī)醫(yī)院放射科，北京 100010；2.北京國際數(shù)學研究中心，北京 100871；3.北京中醫(yī)藥大學針灸推拿學院，北京 100029

原發(fā)性痛經(jīng)(primary dysmenorrhea，PDM)是指在月經(jīng)期以下腹部痙攣性絞痛為特點的排除盆腔病變所致繼發(fā)性痛經(jīng)的疾病，疼痛可放射至腰背部及大腿內(nèi)側(cè)，嚴重時候可引起虛弱并伴隨腹瀉、惡心、疲倦、頭痛、頭暈等癥狀[1-3]。30%～80%的女性經(jīng)歷過痛經(jīng)，超過50%的女性會在月經(jīng)期因為痛經(jīng)而從工作或?qū)W習中請假，引起社會經(jīng)濟上的損失[4-5]。原發(fā)性痛經(jīng)的外周病理生理學機制被廣泛認為與性激素、抗利尿激素、前列腺素、子宮血流和子宮收縮有關，激素的改變介導痛覺過敏，并引起血管收縮和子宮收縮以及子宮缺血[6-8]。但隨著神經(jīng)影像學發(fā)展，越來越多的研究表明原發(fā)性痛經(jīng)患者存在腦部結(jié)構(gòu)與功能的改變[9-11]。而且，原發(fā)性痛經(jīng)患者的痛覺過敏是廣泛的，可以跨越不同的脊柱節(jié)段和組織系統(tǒng)，如皮膚和肌肉；且慢性疼痛的反復刺激，使得對疼痛越來越不適應且與焦慮高度共生，這些也都說明無論是原因還是結(jié)果，又或者是互為因果，痛經(jīng)存在中樞機制。對痛經(jīng)中樞機制的研究或許能從另一個角度去理解痛經(jīng)的發(fā)病機理并指導中樞水平的治療。

靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)利用血氧水平依賴從而反映靜息狀態(tài)下腦部神經(jīng)元活動，因其無創(chuàng)、時間及空間分辨率高、可操作性好、可重復性強，目前在腦功能研究中最為廣泛，也比較成熟。度中心性(degree centrality，DC)是基于體素水平的分析方法，通過分析某個體素與大腦其他體素間的即時功能連接數(shù)量，反映該體素在腦網(wǎng)絡中的功能重要性，而且，有很多研究顯示相對于其他指標，DC 具有更高的可靠性和可重復性[12]。本研究首次應用DC 的分析方法研究PDM 患者與正常對照組的腦網(wǎng)絡連接差異，去探索PDM患者月經(jīng)期痛經(jīng)的中樞機制。

1 材料與方法

1.1 一般材料

本研究為前瞻性研究，選取自2016 年12 月至2018 年1 月招募的PDM 患者35 例，以及與PDM 組年齡及受教育程度匹配的健康志愿者41 例，受試者均為北京各大高校在校生。PDM 組入組標準：(1)年齡在16～30 歲的未育女性，右利手，接受本課題方案，簽署知情同意書；(2)符合加拿大婦產(chǎn)學會2005 年發(fā)布的原發(fā)性痛經(jīng)西醫(yī)學診斷標準[13]；(3)月經(jīng)周期規(guī)律(28±7) d；(4)病程6 個月以上；(5)近1 個月未服用任何治療痛經(jīng)的藥物或使用其他治療方法；(6)近3 個月經(jīng)周期的視覺模擬疼痛評分(Visual Analogue Scale for Pain，VAS-P) ≥40 mm。排除標準：(1)盆腔超聲或月經(jīng)問卷中提示有子宮內(nèi)膜異位癥、腺肌癥、盆腔炎癥等所致繼發(fā)性痛經(jīng)；(2)內(nèi)臟痛及其他疼痛相關性疾病；(3)精神科疾病；(4)近6 個月內(nèi)口服過避孕藥、鎮(zhèn)痛藥或者抗抑郁藥；(5)備孕或妊娠試驗陽性；(6)任何MRI 檢查禁忌證及顱內(nèi)器質(zhì)性病變者。健康組除了不存在痛經(jīng)病史外，其余標準同PDM入組標準中的第(1)、(3)條和排除標準。本研究已經(jīng)通過北京中醫(yī)藥大學醫(yī)學與實驗動物倫理委員會的審查批準，倫理編號為2015BZHYLL0112，研究中涉及人類的醫(yī)學研究符合《赫爾辛基宣言》。

1.2 方法

1.2.1 臨床癥狀評估

PDM 入組患者在月經(jīng)期均有下腹部疼痛的癥狀，伴隨癥狀可有惡心、頭痛、頭暈、背痛、腿痛、乏力等。癥狀評估時間為月經(jīng)期的第1～3 天磁共振掃描前。對PDM患者采用VAS-P方法進行近3個月的疼痛程度評分，采用焦慮視覺模擬評分法(VAS for anxiety，VAS-A)進行焦慮程度評分，運用回顧性癥狀量表(持續(xù)時間量表COX1 和嚴重程度量表COX2)對伴隨癥狀進行評分。

1.2.2 rs-fMRI掃描方法

受試者均在首都醫(yī)科大學附屬北京中醫(yī)醫(yī)院放射科完成MRI 檢查，機器為西門子3.0 T 磁共振成像儀(skyra)，線圈為頭/頸20 通道線圈。數(shù)據(jù)采集在受試者月經(jīng)期的第1～3 天完成。受試者平躺，使用入耳式彈性耳塞減少噪音干擾，應用海綿塞固定頭部減少頭動，囑受試者閉眼，保持清醒、平靜狀態(tài)，避免系統(tǒng)性思考問題。掃描結(jié)束后，詢問患者是否睡著，未睡著者納入研究。

1.2.3 數(shù)據(jù)采集

(1)首先采集T2 加權像排除顱內(nèi)器質(zhì)性病變(層數(shù)20，層厚5.0 mm，回波時間99 ms，重復時間4000.0 ms)；(2)對無器質(zhì)性病變者進行高分辨三維T1結(jié)構(gòu)像掃描；(3)接下來勻場，勻場后進行功能像掃描。具體參數(shù)見表1。

表1 功能像與T1結(jié)構(gòu)像磁共振掃描參數(shù)Tab.1 The parameters of magnetic resonance scanning

1.2.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用DPABI3.0 和SPM8 軟件在Matlab R2013b 平臺上進行數(shù)據(jù)預處理及計算。預處理包括：(1)去除前10 個時間點的數(shù)據(jù)；(2)對剩余240 個時間點的數(shù)據(jù)進行時間層校正和頭動校正(標準為3°、3 mm)；(3)對功能像使用DARTEL 配準法進行空間標準化，對其中分割后的腦白質(zhì)、腦脊液以及Friston 24 頭動參數(shù)、全腦信號進行回歸分析去除協(xié)變量；(4)去線性漂移及低頻濾波(0.01～0.1 Hz)。

用DPABI 3.0 軟件對上述預處理后的數(shù)據(jù)計算DC 值。提取每個體素的時間序列，計算其與大腦內(nèi)其他所有體素的相關系數(shù)，即DC值，并將每個體素的DC 值進行Fisher-Z變換，得到每個被試大腦灰質(zhì)的DC 值的Z值圖，最后以4 mm 半高寬的高斯核函數(shù)進行平滑，平滑后的圖像用于統(tǒng)計學分析。

1.3 統(tǒng)計分析

使用SPSS 24.0軟件對臨床資料進行分析，包括年齡、行經(jīng)天數(shù)、月經(jīng)周期、病程、首次痛經(jīng)發(fā)病年齡、VAS-P、VAS-A、COX1 及COX2。除行經(jīng)天數(shù)用最小值和最大值描述外，余采用均數(shù)±標準差表示(符合正態(tài)分布)，組間比較采用兩獨立樣本t檢驗，以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學意義。

采用DPABI 3.0 工具包及SPSS 24.0 軟件分析PDM組與健康對照組間DC值的差異，兩組間比較使用兩獨立樣本t檢驗(P＜0.001，團塊水平GRF 校正)。最后提取兩組間差異腦區(qū)的DC 值，與PDM 患者的臨床資料進行Pearson 相關性分析，以P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料

PDM 患者組和健康對照組的臨床資料見表2，兩組受試者的年齡、月經(jīng)周期、行經(jīng)天數(shù)差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。

表2 受試者的人口統(tǒng)計學及臨床特征Tab.2 The demographic and clinical characteristics of subjects

2.2 DC結(jié)果

與正常對照組比較，PDM 患者在雙側(cè)額中回、左側(cè)眶部額上回和左側(cè)楔前葉DC值增加，在左側(cè)腦干、顳上回及顳中回DC 值減低，差異有明顯統(tǒng)計學意義(P＜0.001，GRF校正)，差異腦區(qū)見表3、圖1。

圖1 原發(fā)性痛經(jīng)組與健康對照組度中心性(degree centrality，DC)值差異腦區(qū)橫軸位(A)及3D 示意圖(B)。紅黃色偽彩顯示為PDM 組在雙側(cè)額中回、左側(cè)眶部額上回和左側(cè)楔前葉DC 值增加，藍綠色偽彩顯示為PDM 組DC值在左側(cè)腦干、顳上回及顳中回減低(GRF校正，體素水平P＜0.001，團塊水平P＜0.05，雙側(cè))Fig.1 The axis (A) and 3D (B) schematic diagram of brain regions of DC value difference between PDM group and the healthy controls.The red-yellow pseudocolor showed increased DC values in the bilateral middle frontal gyrus,left orbital superior frontal gyrus and precuneus, and decreased values in the left brainstem, superior and middle temporal gyrus (Gaussian random field corrected, voxel P＜0.001, cluster P＜0.05, two tailed) of PDM group compared with the healthy controls.

表3 原發(fā)性痛經(jīng)組與健康對照組差異腦區(qū)信息Tab.3 The information of different brain regions between PDM group and healthy control group

2.3 DC組間差異腦區(qū)與臨床相關性分析

兩組間差異腦區(qū)的DC值與患者發(fā)病年齡、病程、VAS-P、VAS-A、COX1 及COX2 的皮爾遜相關性分析發(fā)現(xiàn)，右側(cè)額中回的DC 值與病程呈負相關(r＝0.383，P＝0.023；圖2)。

圖2 原發(fā)性痛經(jīng)組右側(cè)額中回度中心性值與病程呈負相關(r＝0.383，P＝0.023)Fig. 2 The DC value of the right middle frontal gyrus in PDM group was negatively correlated with the course of disease(r＝0.383，P＝0.023).

3 討論

DC 值反映了體素與全腦其余體素的功能連接。DC 值越高，說明該體素與全腦的功能連接越多。本研究首次應用DC 的分析方法發(fā)現(xiàn)PDM 患者月經(jīng)期大腦功能連接的改變。與健康對照組相比，PDM 患者在雙側(cè)額中回、左側(cè)眶部額上回和左側(cè)楔前葉DC 值增加，而在左側(cè)腦干、左側(cè)顳上回及顳中回DC值減低。

3.1 PDM 患者在雙側(cè)額中回及左側(cè)眶部額上回DC 值增加

額中回和眶部額上回都位于前額葉，前額葉區(qū)域結(jié)構(gòu)和功能異常在多項PDM 研究中被發(fā)現(xiàn)[14-16]，無論是月經(jīng)期還是排卵期。一項關于皮層厚度的研究發(fā)現(xiàn)，PDM 患者眶額皮層厚度增加，且與痛經(jīng)持續(xù)時間正相關[17]，最新的一項關于PDM 患者排卵期腦部結(jié)構(gòu)的機器學習研究中發(fā)現(xiàn)，在非痛經(jīng)期中觀察到的額中回區(qū)域的灰質(zhì)結(jié)構(gòu)特征能夠很好地鑒別PDM 患者和健康人群(準確度為82.46%)[18]，但也有研究表示PDM 患者排卵期腦內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)并未有改變[19]。除此之外，關于PDM患者月經(jīng)期腦部功能性研究則發(fā)現(xiàn)月經(jīng)期PDM 患者左側(cè)背外側(cè)前額葉和內(nèi)側(cè)前額葉皮層的局部一致性(regional homogeneity，ReHo)減低，而非月經(jīng)期PDM患者眶額皮層的ReHo減低[20]。而另一項關于PDM 的默認網(wǎng)絡的研究發(fā)現(xiàn)PDM 患者在位于前額葉區(qū)域的背內(nèi)側(cè)前額葉皮層的低頻振幅(the amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)減低，且與病程相關[21]。前額葉區(qū)域的異常不僅在PDM中，在多種其他疼痛相關疾病研究中也被廣泛報道或證實，比如纖維肌痛、青少年腸易激綜合征、偏頭痛、叢集性頭痛、藥物過度使用性頭痛以及創(chuàng)傷后頭痛等[22-25]。這些證據(jù)說明，前額葉區(qū)域在疼痛，而不僅僅是痛經(jīng)中樞機制中具有至關重要的作用。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)前額葉區(qū)域的DC 值增加，即在月經(jīng)期這些區(qū)域與全腦的連接強度增加，一方面原因可能是月經(jīng)期疼痛的刺激，使得大腦這些區(qū)域活動代償性增加，從而實現(xiàn)對疼痛的認知及調(diào)節(jié)，另一方面也可能是由于對痛覺敏感度增加而導致這些區(qū)域活動異常增加。本研究在與臨床相關性研究中發(fā)現(xiàn)右側(cè)額中回的DC 值與PDM 患者的病程呈負相關，可能表明右側(cè)額中回DC值增加是由于月經(jīng)期對疼痛認知調(diào)節(jié)活動代償性增加導致的，然而隨著周期性疼痛刺激的反復，這一代償性機制便會逐漸失代償。

3.2 楔前葉可能是參與PDM 患者中樞痛覺敏化的重要區(qū)域

楔前葉在高級認知功能具有重要作用，參與多種高度整合的任務，其中就包括疼痛感知和內(nèi)源性疼痛調(diào)節(jié)[26]，且楔前葉是默認網(wǎng)絡的核心區(qū)域，而默認網(wǎng)絡可能會被慢性疼痛破壞[21]。諸多關于PDM 的研究都發(fā)現(xiàn)楔前葉的異常，一項關于PDM患者體素形態(tài)學測量研究中楔前葉皮層厚度增加，且楔前葉皮層厚度與疼痛問卷分數(shù)正相關[17]，還有研究發(fā)現(xiàn)PDM患者雙側(cè)楔前葉腦血流增加，且與中央扣帶皮層的功能連接增加[27]。值得一提的是國內(nèi)有研究發(fā)現(xiàn)在針灸治療疼痛有效時對應的同側(cè)楔前葉代謝減低[28]，而本研究發(fā)現(xiàn)PDM 患者左側(cè)楔前葉DC 值增加，推測PDM 患者中楔前葉可能參與了中樞痛覺敏化的機制，疼痛反復、過度刺激導致了楔前葉神經(jīng)元活動的過度激活，增加了對疼痛的敏感度。

3.3 PDM患者腦干及左側(cè)顳葉DC值減低

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腦干和小腦在疼痛相關疾病中的異常改變。比如在腸易激綜合征的內(nèi)臟性疼痛相關的恐懼條件反射中就發(fā)現(xiàn)了小腦活動的改變[29]；而腦干是參與小腦疼痛信息傳輸[30]和中樞痛覺敏化的腦區(qū)，功能類似于扣帶回-額葉皮層[31]，而且腦干中的導水管周圍灰質(zhì)與疼痛的關系在很多研究中被發(fā)現(xiàn)[32]，我們之前的研究也發(fā)現(xiàn)右側(cè)腦干的腦血流下降[33]。這些積累的證據(jù)，都表明了小腦、腦干參與了疼痛相關處理過程，考慮到疼痛是一種多維性的體驗，未來仍舊需要長期的縱向研究來探索二者參與疼痛相關處理的模式。本研究還發(fā)現(xiàn)左側(cè)顳上回及顳中回DC值減低，這一區(qū)域的報道相對少，但之前也有研究報道PDM 月經(jīng)期顳中回局部一致性顯著增加[20]，而在非月經(jīng)期，腦磁圖顯示PDM 患者顳中回和顳下回的θ 波振蕩增加[34]，我們猜想顳上回與顳中回均位于顳葉，顳葉主要參與聽覺和情緒，而PDM 患者經(jīng)常伴隨心理困擾和消極情緒，比如焦慮、抑郁等[35]，而在磁共振掃描時也存在噪聲以及掃描引起的焦慮，抑或是由于月經(jīng)期的不適對PDM患者造成情緒上的影響引起的，又或者表明顳葉除了視覺和聽覺處理之外，還存在額外功能，仍需大量的研究去證實。

綜上所述，PDM 患者月經(jīng)期多個與疼痛相關的腦區(qū)存在功能連接的加強或減弱，額葉功能連接的增加，可能反映了大腦對月經(jīng)期疼痛刺激感知和處理活動的代償性增加，其中右側(cè)額中回這一代償性增加的活動，會隨著病程的持續(xù)增加而逐漸失代償；而楔前葉的過度激活，可能導致了月經(jīng)期對疼痛感知的增加。本研究首次應用DC 的分析方法探索了PDM存在的中樞機制，但本研究僅關注了月經(jīng)期PDM患者的大腦活動，缺乏非月經(jīng)期的研究，以及并未對患者進行前列腺素等能引起痛經(jīng)的激素的相關性研究，筆者會在以后的研究中加入這些方面的探索，從而更好地理解PDM的中樞機制。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。