下腰痛患者腦灰質(zhì)體積及結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的fMRI研究

姜健，杜偉，崔羽楠，蔣玉涵，劉愛連，苗延巍

作者單位：大連醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科，大連 116011

腰間盤突出作為一種引起慢性疼痛的臨床常見病，嚴重影響患者的生活質(zhì)量。既往研究顯示[1-3]，慢性疼痛會影響大腦的網(wǎng)絡活動，而不同類型的慢性疼痛可能會改變不同的大腦區(qū)域及活動。既往研究表明因腰間盤突出所致的下腰痛(lower back pain，LBP)對中樞神經(jīng)活動有諸多影響[3]。近幾年，有研究通過功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)討了LBP對中樞神經(jīng)活動的影響[4]，然而鮮有研究探討過LBP引起的腦灰質(zhì)體積及大腦網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的共同改變。MRI基于體素的形態(tài)學分析(voxel-based morphometry，VBM)可定量顯示腦灰質(zhì)體積，精確顯示腦組織的形態(tài)學改變；而小世界網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以顯示所有大腦區(qū)域之間的功能連接性，并在拓撲上映射功能大腦網(wǎng)絡[5-7]。因此，本研究將探討LBP患者的腦灰質(zhì)體積變化及使用大腦功能網(wǎng)絡的小世界網(wǎng)絡分析來揭示LBP疼痛調(diào)節(jié)的神經(jīng)機制。

1 材料與方法

1.1 一般材料

本研究前瞻性收集40名右利手受試者，其中20例有LBP的患者及20名年齡及性別與LBP組相匹配的健康對照(healthy controls，HC)。本研究經(jīng)過本院醫(yī)學倫理委員會批準(倫理號：PJ-KS-KY-2018-56)，受試者均簽署知情同意書。LBP病例納入標準：根據(jù)查體、臨床表現(xiàn)及腰椎CT或MRI證實為腰間盤突出所致的LBP患者；為了確診LBP患者的疼痛因素，均需要在接受頭顱MRI掃描的前后3個月內(nèi)進行過腰椎MRI掃描；病程不小于3個月；行頭顱MRI檢查前1周未使用鎮(zhèn)痛類、精神類或激素類藥物。HC組為需經(jīng)臨床查體及腰椎CT或MRI檢查證實無腰間盤突出的健康志愿者。所有受試者的排除標準：有除LBP以外的其他類型及部位疼痛的患者；有精神疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史以及負面情緒，包括憤怒、焦慮或抑郁等。所有LBP組受試者均進行了視覺模擬評分(visual analog score，VAS)收集患者的疼痛程度，其范圍為0(無疼痛)至10(極度疼痛)。

1.2 磁共振掃描參數(shù)

本研究所有磁共振掃描在Philips 3.0 T Ingenia CX磁共振機器(Philips Healthcare，Best，荷蘭)，所使用的線圈為帶有32通道相控陣頭線圈。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state function magnetic resonance imaging，rs-fMRI)的采集參數(shù)如下：重復時間(TR)2000 ms；回波時間(TE)30 ms；翻轉(zhuǎn)角90°；重建矩陣大小80×80；視野(FOV)240 mm×240 mm；圖像層厚為4 mm，間隔為1 mm，層數(shù)33層。在MRI數(shù)據(jù)采集過程中，所有受試者均被要求閉眼，放松思想(但不要入睡)并保持不動。

另外所有受試者均接受了高分辨率的T1加權(quán)結(jié)構(gòu)成像：三維快速梯度回波(three-dimensional magnetization-prepared rapid gradient-echo，3D-MP-RAGE)，其參數(shù)如下：TR 8.11 ms；TE 3.73 ms；翻轉(zhuǎn)角度80°；層厚1 mm，無間隔；FOV 24 cm×24 cm；矩陣256×256，層數(shù)160層。

1.3 數(shù)據(jù)分析

首先是預處理，使用DPARSFA(用于高級靜息態(tài)fMRI的數(shù)據(jù)處理助手，http://rfmri.org/DPARSF)，NBS(基于網(wǎng)絡的統(tǒng)計工具)和Gretna軟件進行數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡參數(shù)計算。預處理主要包括頭動校正、大腦標準化及配準、數(shù)據(jù)平滑、去線性漂移及帶通濾波。頭動校正之后，用相對應的解剖圖像進行配準，轉(zhuǎn)換成MNI(Montreal Neurological Institute)標準空間，然后進行重采樣到2 mm×2 mm×2 mm的像素大小。利用半高寬(full width at half maxima，F(xiàn)WHM)為8 mm的高斯核對功能數(shù)據(jù)進行空間平滑。最后再進行去線性漂移以及帶通濾波(血液氧水平依賴性信號頻率：0.01～0.08 Hz)以此減少低頻漂移及高頻噪音。

接著，將預處理之后的數(shù)據(jù)根據(jù)自動解剖標記(anatomical automatic labeling，AAL)模塊圖分為90個感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，每個大腦半球含45個。將每個ROI中所有像素的時間信號曲線取平均，以此得到每個ROI的平均時間信號曲線。通過多元線性回歸技術(shù)將假性變異影響因素進一步去除，包括頭動參數(shù)、腦脊液信號、白質(zhì)信號等。所有ROI的時間信號曲線兩兩進行Pearson相關(guān)分析和計算，每個受試者得到一個90×90的相關(guān)矩陣。最后，每個相關(guān)矩陣做二元次圖為網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)做進一步分析。

在本項目中，利用VBM工具包計算顱內(nèi)體積。后利用了小世界網(wǎng)絡的拓撲特征，主要為局部節(jié)點效能[regional nodal efficiency，Enodal(i)]的分析，定義為節(jié)點i到其他所有節(jié)點的最短路徑的倒數(shù)，反映了它與其他節(jié)點的連接效能，其公式如下。

公式中，N表示節(jié)點集合，Li,j表示自節(jié)點i至節(jié)點j之間所需經(jīng)過的最短路徑長度，G代表全局網(wǎng)絡。

本研究中所計算的小世界網(wǎng)絡拓撲的參數(shù)主要包括路徑長度(Lp)，集聚系數(shù)(Cp)，全局效率(Eg)和局部效率(Eloc)。

1.4 統(tǒng)計學分析

統(tǒng)計分析使用MATLAB統(tǒng)計工具包(the MathWorks，Natick，MA)進行獨立樣本t檢驗。使用獨立樣本t檢驗評估網(wǎng)絡度量(Cp、Lp、Eg和Eloc)的小世界拓撲的差異。VBM數(shù)據(jù)使用一般線性模型統(tǒng)計分析差異腦區(qū)，提取體積≥50體素。采用P＜0.05的錯誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate，F(xiàn)DR)進行校正。最后，分析LBP患者與HC組相比大腦網(wǎng)絡的潛在差異的評估，使用兩個獨立樣本t檢驗進行統(tǒng)計學分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 LBP患者大腦網(wǎng)絡改變

本研究共招募了20例LBP患者，其疼痛(VAS)的嚴重程度為5～8分(平均分=6.6分)。兩組在年齡、性別上匹配良好。

2.2 VBM腦灰質(zhì)體積比較

LBP患者灰質(zhì)體積變化腦區(qū)(表1；圖1)，與HC組相比，LBP患者灰質(zhì)體積顯著減少(P＜0.05，F(xiàn)DR校正)，主要包括如下腦區(qū)：左側(cè)小腦后葉，左側(cè)小扁桃體，左側(cè)中腦，右側(cè)島葉，右側(cè)豆狀核，右側(cè)殼核，右側(cè)蒼白球，左側(cè)額下回。左側(cè)額中回為LBP患者灰質(zhì)體積較HC組顯著增加的區(qū)域(P＜0.05，F(xiàn)DR校正)。

圖1 下腰痛(lower back pain，LBP)組與健康對照(healthy controls，HC)組腦灰質(zhì)體積比較偽彩圖(校正后)。圖中的不同顏色對應不同的峰值強度(橘紅色區(qū)域代表LBP組較HC組腦灰質(zhì)體積縮小的腦區(qū)；藍白色區(qū)域代表LBP組較HC組腦灰質(zhì)體積增加的腦區(qū))圖2 LBP患者大腦功能性連接偽彩圖。LBP功能性連接表現(xiàn)較HC組明顯下降(腦區(qū)包括扣帶回前部、扣帶回中部、扣帶回后部、額下回、顳中回、枕葉回、中央后回、中央前回、運動輔助區(qū)、丘腦、梭狀回、尾狀核)Fig.1 Pcolor diagram of the comparison of the brain gray matter between lower back pain(LBP)and healthy controls(HC).Different colors in this diagram correspond to different peak intensities(the orange area represents a decrease in gray matter volume in LBP compared with HC.The blue and white areas represent areas of the brain with increased gray matter volume in LBP compared with HC).Fig.2 Pcolor diagram of LBP brain functional connectivity.Decreased brain functional connectivity in individuals LBP compared to HC(the brain areas including anterior cingulate cortex,postcentral gyrus,inferior frontal gyrus,middle temporal gyrus,occipital gyrus,postcentral gyrus,precentral gyrus,supplementary motor area,fusiform and caudate).

表1 LBP患者與HC組VBM腦灰質(zhì)體積比較Tab.1 Comparison of brain gray matter with VBM between LBP and HC

2.3 使用拓撲圖論法探討LBP患者大腦功能連接的拓撲屬性

與HC組相比，LBP組的大腦網(wǎng)絡表現(xiàn)出明顯更長的Lp以及更低的Cp，Eg和Eloc(P＜0.05)。LBP受試者在大腦功能性連接方面表現(xiàn)出明顯下降(t＞3.92，P＜0.05)。這些改變主要發(fā)生在扣帶回前部、扣帶回中部、扣帶回后部、額下回、顳中回、枕葉回、中央后回、中央前回、運動輔助區(qū)、丘腦、梭狀回、尾狀核(圖2)。在本研究中，與HC組相比，LBP組中未觀察到腦功能連接性增加的區(qū)域，結(jié)果表明，大腦功能網(wǎng)絡深受LBP的影響。

3 討論

本研究探討了因腰椎間盤突出引起的LBP的腦灰質(zhì)體積改變及功能性大腦網(wǎng)絡的小世界特性。與正常人群相比，LBP患者的多個腦區(qū)的灰質(zhì)體積減小，LBP患者的集聚系數(shù)、全局效率和局部效率均較低。此外，本研究數(shù)據(jù)顯示LBP疾病還顯著影響了幾個大腦區(qū)域的功能連接。

3.1 LBP患者基于VBM的腦灰質(zhì)改變

針對LBP患者的灰質(zhì)體積的變化，既往研究顯示相關(guān)的腦區(qū)主要集中在額前葉、顳葉、島葉、基底節(jié)區(qū)、杏仁核、小腦和腦干等區(qū)域[8]。這也與本研究結(jié)果相符，較正常人群，本研究提示LBP組患者在左側(cè)額下回、左側(cè)小腦及中腦、右側(cè)島葉，右側(cè)基底節(jié)區(qū)這些腦區(qū)的灰質(zhì)體積顯著減少(P＜0.05)。既往疼痛相關(guān)的腦功能研究顯示實驗性疼痛的腦功能研究中最常見的激活腦區(qū)是額葉及島葉皮層[9-10]。其中額葉皮層灰質(zhì)體積的減少是LBP患者常見的灰質(zhì)異常腦區(qū)[11-15]，這是由于在疼痛發(fā)展中，額葉皮層與下行疼痛調(diào)節(jié)系統(tǒng)一部分的中腦導水管周圍的灰質(zhì)有大量的連接[16]，進而導致了額葉皮層部分區(qū)域參與到了疼痛信號的傳導。再者LBP患者長期伴隨著慢性疼痛，這將使患者產(chǎn)生不愉快的情緒，而眾所周知，額葉參與了情緒功能及認知功能管理，所以，也不能除外LBP患者的額葉灰質(zhì)體積的減少是因為額葉參與了疼痛中不愉快信號的傳導所致。

筆者還觀察到右側(cè)島葉皮層及右側(cè)基底節(jié)區(qū)的灰質(zhì)體積在LBP組出現(xiàn)明顯的減少，而島葉皮層及基底節(jié)區(qū)參與疼痛感知、記憶及調(diào)節(jié)等高級腦功能活動。本研究結(jié)果進一步證實島葉皮層灰質(zhì)體積的減少一定程度參與了疼痛的識別，證實了島葉皮層灰質(zhì)在LBP的痛覺感知及進展中發(fā)揮一定的作用。LBP患者的運動量較正常人群不可避免地減低，小腦及中腦作為運動及疼痛調(diào)節(jié)系統(tǒng)，疼痛及運動量減低的共同作用會導致LBP患者的小腦及中腦灰質(zhì)萎縮。筆者發(fā)現(xiàn)LBP患者的左側(cè)額中回的灰質(zhì)體積較正常人群增加，雖然其峰值強度較低，部分研究同樣證實在LBP患者較正常對照人群的部分腦區(qū)灰質(zhì)體積會出現(xiàn)增加[17]。本研究結(jié)果顯示LBP可以引起患者廣泛的腦灰質(zhì)體積的減小，而其改變范圍主要與感知、情緒等區(qū)域有關(guān)，一定程度上揭露了LBP的腦神經(jīng)病生理機制。

3.2 LBP患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡全局拓撲屬性

人的大腦具有一個小世界的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，具有許多密集的本地連接和很少的長途連接，相當于一個大型的動態(tài)功能網(wǎng)絡[18]。人腦的兩個主要組織屬性是功能連接和全局整合。在正常的大腦中，這種復雜的網(wǎng)絡具有高效地管理和傳遞信息的能力。為了使大腦進行最佳信息處理，需要在局部專業(yè)化和全局整合之間取得適當?shù)钠胶?。本研究結(jié)果提示LBP患者和健康對照的靜息態(tài)的功能性大腦網(wǎng)絡經(jīng)濟的小世界特性，與以前的報道是一致的[19]。本研究顯示LBP患者的全局效率值和局部效率值的降低，提示LBP患者大腦中信息的傳遞效率較低。全局效率與遠程連接相關(guān)聯(lián)，可確保有效的交互作用以及在遙遠皮質(zhì)區(qū)域的快速信息傳遞。局部效率主要與相鄰區(qū)域之間的短距離連接有關(guān)，這些區(qū)域之間的中介作用是信息處理和網(wǎng)絡的容錯能力[20]。值得注意的是部分類型的神經(jīng)痛僅表現(xiàn)在長距離連接或短程連接的單方面的損害，如帶狀皰疹后遺神經(jīng)痛患者僅在短距離連接受到損害，其遠距離連接無明顯變化[21]，本研究結(jié)果表明，LBP與長距離連接和短距離連接均受損有關(guān)，而這可能與入組的LBP患者出現(xiàn)長時間疼痛有關(guān)。

大腦功能連接定義為連接圖中所有節(jié)點的每對之間的相關(guān)系數(shù)。大腦功能連接性代表了網(wǎng)絡中節(jié)點之間信息處理的效率[22]。在LBP的患者中，筆者觀察到了多個區(qū)域的功能性大腦連接異常，包括扣帶回前部、扣帶回中部、扣帶回后部，額下回，顳中回，枕葉回，中央后回，中央前回，運動輔助區(qū)，丘腦，梭狀回，尾狀核和小腦(圖2)。其中扣帶回前部，中央后回和丘腦與感覺相關(guān)，即與疼痛的發(fā)生有關(guān)[23]。它們也屬于與疼痛處理有關(guān)的感覺運動網(wǎng)絡[24]。雖然尾狀核和輔助運動區(qū)通常不組成疼痛路徑，但有研究表明這些腦區(qū)都參與了周圍神經(jīng)性痛的調(diào)節(jié)，而尾狀核位于紋狀體中，作為周圍神經(jīng)痛相關(guān)的關(guān)鍵區(qū)域[25]。LBP作為周圍神經(jīng)痛的一類，本研究同樣證實LBP患者在這些區(qū)域的功能性大腦連接均出現(xiàn)異常。這些相關(guān)性表明，大腦網(wǎng)絡的小世界特性的改變極有可能與LBP的發(fā)生有關(guān)。

3.3 本研究的局限性

本研究尚有一些局限性。首先，入組患者的疼痛程度相對較低。為了證實本次研究的發(fā)現(xiàn)，應該在更高疼痛強度患者中進行進一步的研究，并且最好是做自身前后的對照。其次，本研究并未區(qū)分間盤源性的LBP類型(如間盤突出程度或突出位置等)，這將導致研究結(jié)果間存在較大的差異，接下來需要嚴格控制納入標準；再者，本研究病例數(shù)偏少，缺乏疼痛評估量表及生活質(zhì)量評價量表，并且沒有通過量表的方式詳細記錄任何受試者的情緒狀態(tài)。因為一些不良情緒狀態(tài)，例如抑郁和恐懼或者失眠，可能會影響靜息態(tài)下的大腦網(wǎng)絡。在今后的研究中，有待增加患者數(shù)量后進一步完善相關(guān)內(nèi)容。

綜上所述，LBP可引起廣泛的腦功能區(qū)灰質(zhì)體積及多個腦區(qū)功能性網(wǎng)絡的改變，這些腦的區(qū)域與感覺、認知、記憶和情感過程有關(guān)。本次研究的結(jié)果將為LBP疼痛調(diào)節(jié)的神經(jīng)機制提供了進一步的理論基礎(chǔ)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。