OSAHS患者腦功能異常及發(fā)生機(jī)制：基于rs-fMRI度中心度法

王琴，陳光斌，敖鋒，張自力，李勝，熊妍希

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system，CNS)損害主要表現(xiàn)為認(rèn)知障礙及神經(jīng)精神異常。OSAHS可引起不同程度的認(rèn)知功能障礙，主要表現(xiàn)為注意力、記憶力、警覺(jué)性、語(yǔ)言能力、執(zhí)行能力、視覺(jué)空間構(gòu)建能力和信息處理能力等功能受到不同程度的損害[1]。由于白日嗜睡、注意力不集中和警惕性下降等，OASHS患者工業(yè)事故及交通事故的發(fā)生率較高[2-3]。另有研究表明，OSAHS可伴有焦慮、煩躁、抑郁和創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙等多種神經(jīng)精神癥狀，且能夠促進(jìn)癲癇、阿爾茨海默癥和帕金森病的進(jìn)展[4-6]。因此，OSAHS的CNS損害對(duì)患者的生存質(zhì)量及生命安全造成了極大威脅，但目前其神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制尚未闡明。因此，尋找客觀有效的早期診斷OSAHS患者CNS損害的方法并探索其潛在的神經(jīng)病理機(jī)制對(duì)指導(dǎo)臨床治療具有重要意義。

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)主要通過(guò)腦組織新陳代謝的改變引起腦局部皮層磁共振信號(hào)的改變來(lái)反映腦功能狀態(tài)?！办o息態(tài)”是指在清醒、安靜、放松且沒(méi)有特定任務(wù)刺激時(shí)大腦神經(jīng)元的自發(fā)性活動(dòng)。由于靜息態(tài)fMRI(resting state fMRI,rs-fMRI)具有任務(wù)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、檢查者配合度高、能夠無(wú)創(chuàng)性地將腦功能活動(dòng)影像化等優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)探討OSAHS的腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)一步探索OSAHS腦功能損害的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制。在OSAHS的rs-fMRI研究中常用的數(shù)據(jù)處理方法有局部方法、功能連接以及圖論方法等[7]。基于體素水平的度中心度(degree centrality，DC)方法是從圖論方法衍生而來(lái)的一種反映全腦網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)據(jù)分析方法[8]。DC法不需要先驗(yàn)假設(shè)，能夠直接評(píng)估全腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接模式。但目前有關(guān)DC法應(yīng)用于OSAHS腦功能研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少，故筆者設(shè)計(jì)了此項(xiàng)研究。目前廣泛認(rèn)為，OSAHS的腦功能異常具有明顯的性別差異[9]。為了避免性別差異的影響，我們僅納入了男性O(shè)SAHS患者及健康志愿者；且為了避免左、右利手者腦功能本身的差異造成的偏倚，我們僅納入了右利手患者。

材料與方法

1.研究對(duì)象

實(shí)驗(yàn)組為2019年9月-2020年12月在本院就診、經(jīng)多導(dǎo)睡眠監(jiān)測(cè)(polysomnography，PSG)初次確診且未經(jīng)治療的OSAHS患者，共30例。所有患者符合美國(guó)睡眠醫(yī)學(xué)會(huì)2012年頒布的OSAHS患者診斷標(biāo)準(zhǔn)[10]。選取同時(shí)間段經(jīng)PSG監(jiān)測(cè)為睡眠正常、且年齡和受教育年限與患者組相匹配的30例男性志愿者作為正常對(duì)照(normal control，NC)組。

OSAHS患者納入標(biāo)準(zhǔn)：①右利手；②男性；③年齡30～60歲；④AHI≥5次/小時(shí)。 NC組納入標(biāo)準(zhǔn)：①右利手；②男性；③年齡30～60歲；④AHI<5次/小時(shí)；⑤經(jīng)家屬或室友證實(shí)無(wú)打鼾癥狀。

OSAHS患者和GN組的排除標(biāo)準(zhǔn)：①非OSAHS的其它類(lèi)型的睡眠呼吸疾??；②左利手；③有糖尿病、嚴(yán)重的心腦血管及呼吸系統(tǒng)疾病等病史；④有神經(jīng)或精神系統(tǒng)疾?。虎萦行锞剖?；⑥服用精神類(lèi)藥物；⑦常規(guī)MRI掃描顯示有腦實(shí)質(zhì)病變(如腫瘤、腦梗死和囊腫等)；⑧有MRI掃描禁忌證。

本研究經(jīng)十堰市人民醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者自愿參與并簽署了知情同意書(shū)。

2.PSG監(jiān)測(cè)

所有受試者在行磁共振掃描前一天接受PSG，檢測(cè)時(shí)間不少于7 h，且檢測(cè)當(dāng)天不喝酒、不吃安眠藥、不喝咖啡類(lèi)飲料等。采用Alice 5 LE睡眠系統(tǒng)檢測(cè)儀，記錄睡眠相關(guān)指標(biāo)：呼吸紊亂指數(shù)(apnea hypopnea index，AHI)、微覺(jué)醒指數(shù)(arousal index，AI)、最低血氧飽和度(minimal arterial oxygen saturation,Mini-SaO2)。

3.認(rèn)知量表評(píng)估

所有受試者在進(jìn)行PSG前均需完成蒙特利爾量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)評(píng)分，以評(píng)估認(rèn)知功能改變情況。

4.MRI數(shù)據(jù)采集

使用Siemens Skyra 3.0T磁共振儀，對(duì)受試者進(jìn)行腦MRI數(shù)據(jù)采集。受試者平躺于檢查床上，佩戴眼罩和耳塞，固定頭部，安靜閉目、保持清醒但盡量不去思考特定的事情。首先行常規(guī)序列(T2WI、T1WI和T2-FLAIR)橫軸面平掃，所獲得的圖像用以排除有腦實(shí)質(zhì)性病變(腫瘤、炎癥和梗死等)的受試者；然后，采集靜息態(tài)全腦血氧水平依賴(lài)(blood oxygen level dependent，BOLD)數(shù)據(jù)，翻轉(zhuǎn)角90°，層間距1.2 mm，共采集240個(gè)時(shí)間點(diǎn)，總掃描時(shí)間8 min 6 s；最后，采集矢狀面T1WI，翻轉(zhuǎn)角設(shè)置為9°，間距設(shè)置為0 mm，總層數(shù)176層，掃描時(shí)間為5 min 12 s。各序列掃描參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 掃描序列及參數(shù)

5.BOLD數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用MRIcro軟件包(www.MRIcro.com)查看原始數(shù)據(jù)，去除不合格的數(shù)據(jù)；然后，基于Matlab2014a平臺(tái)的SPM12(https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)和DPARSFA(http://rfmri.org/DPARSF)軟件包對(duì)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。具體步驟見(jiàn)圖1。

圖1 BOLD數(shù)據(jù)預(yù)處理流程圖。

6.基于體素水平的DC值計(jì)算

DC分析采用杭州師范大學(xué)開(kāi)發(fā)的RestPlus(http://restfmri.net/forum/restplus)軟件來(lái)完成。每個(gè)體素作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，任意兩個(gè)體素間的功能連接作為邊。對(duì)于每一個(gè)被試者，計(jì)算默認(rèn)灰質(zhì)模板內(nèi)任意兩個(gè)體素間的Pearson相關(guān)系數(shù)，從而構(gòu)建整個(gè)大腦功能連接矩陣，為了符合正態(tài)高斯分布，將每個(gè)受試者的體素型DC值轉(zhuǎn)換為Z分?jǐn)?shù)，最后進(jìn)行空間平滑，得到標(biāo)準(zhǔn)化的DC圖，用于統(tǒng)計(jì)分析。

7.統(tǒng)計(jì)分析

使用IBM SPSS 25.0軟件對(duì)OSAHS組與NC組人口學(xué)及PSG睡眠監(jiān)測(cè)指標(biāo)進(jìn)行比較。符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)采用秩和檢驗(yàn)，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

利用SPM12軟件對(duì)OSAHS組與NC組的標(biāo)準(zhǔn)化DC圖進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，記錄組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義腦區(qū)的大小及其MNI坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)閾值設(shè)定為經(jīng)FDR校正后簇水平P<0.001、體素水平P<0.001、簇大小≥40個(gè)體素，并使用Rest軟件進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)。

將有差異的腦區(qū)作為感興趣區(qū)域，使用RestPlus軟件包分別提取這些ROI的DC值，并將其與MoCA評(píng)分、PSG睡眠監(jiān)測(cè)指標(biāo)采用IBM SPSS 25.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.臨床資料

OSAHS組和NC組臨床資料的比較見(jiàn)表1。兩組被試者的年齡和受教育年限的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，而體質(zhì)指數(shù)(body mass index,BMI)、AHI、AI、Mini-SaO2和MoCA評(píng)分的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

2.DC分析結(jié)果

OSAHS組與NC組之間DC值有顯著差異腦區(qū)的分布情況見(jiàn)表2。與NC組相比，OSAHS組DC值增加的腦區(qū)有左側(cè)腦橋、右側(cè)邊緣葉、左側(cè)顳上回、右側(cè)額下回、左側(cè)額上回和右側(cè)額上回；DC值減低的腦區(qū)有右側(cè)小腦后葉和左側(cè)楔葉(圖2)。

表2 兩組被試者臨床資料的比較

圖2 OSAHS組與NC組比較DC值有顯著差異腦區(qū)的分布情況。紅色為OSAHS組DC值增高的腦區(qū)，藍(lán)色為OSAHS組DC值減低的腦區(qū)。a)橫軸面腦區(qū)激活差異圖；b)矢狀面腦區(qū)激活差異圖；c)大腦3D重建模型圖。

3.相關(guān)性分析結(jié)果

相關(guān)性分析結(jié)果見(jiàn)圖3。右側(cè)小腦后葉DC值與MoCA評(píng)分呈顯著正相關(guān)(r=0.656，P<0.001)；左側(cè)楔葉DC值與Mini-SaO2呈顯著正相關(guān)(r=0.519，P=0.003)。

圖3 OSAHS組臨床資料與DC相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。a)右側(cè)小腦后葉DC值與MoCA評(píng)分呈顯著正相關(guān)；b)左側(cè)楔葉DC值與Mini-SaO2呈顯著正相關(guān)。

表3 OSAHS組與NC組比較DC值有顯著差異腦區(qū)的分布情況

討 論

在患者的臨床資料分析中，OSAHS組的BMI值明顯高于NC組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，表明肥胖可能是OSAHS的誘因之一，這與既往的研究結(jié)果一致[11]。此外，OSAHS組與CN組之間AHI、AI、Mini-SaO2和MoCA評(píng)分的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。有學(xué)者認(rèn)為[12]，間歇性的缺氧與再?gòu)?fù)氧，低碳酸血癥和高碳酸血癥反復(fù)交替，伴有腦血灌注改變和睡眠破碎是OSAHS患者睡眠時(shí)常見(jiàn)的病理生理變化，亦可能是OSAHS患者腦功能損害的基礎(chǔ)。但OSAHS的腦功能損傷通常隨時(shí)間累積。這些病理生理變化對(duì)認(rèn)知和情緒的影響取決于腦功能是處在代償或失代償?shù)膭?dòng)態(tài)階段。近些年來(lái)，rs-fMRI的興起為識(shí)別OSAHS患者腦功能異常提供了新方法，為探究OSAHS患者CNS損傷的機(jī)制開(kāi)拓了新道路。

基于體素水平的DC法是從圖論方法衍生而來(lái)的一種全腦網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)據(jù)分析方法[8]。DC法不需要先驗(yàn)假設(shè)，能夠直接評(píng)估全腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接模式，從而探索大腦內(nèi)在功能框架的生理基礎(chǔ)[13]。DC值是描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重要性的度量指標(biāo)，DC值越大，表明該節(jié)點(diǎn)在全腦網(wǎng)絡(luò)中的地位越重要。DC法能夠基于體素水平找出大腦網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點(diǎn)并評(píng)估其是否異常。

人腦是一個(gè)極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是提供各種信息處理和心理表征的生理基礎(chǔ)。基于圖論的研究表明，OSAHS患者的中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default-mode network，DMN)、凸顯網(wǎng)絡(luò)以及等多個(gè)腦功能網(wǎng)絡(luò)均出現(xiàn)了異常[14-15]。腦的功能(hubs)區(qū)域是大腦網(wǎng)絡(luò)中處理信息的核心部位，其受損會(huì)導(dǎo)致信息傳遞效率下降，從而引起相關(guān)腦功能網(wǎng)絡(luò)的異常。Li等[16]研究表明，在不同閾值下，OSAHS患者跟正常人具有高度相似的腦功能hubs區(qū)域，且這些腦功能hubs區(qū)域與DMN存在高度的吻合，是靜息態(tài)下腦神經(jīng)元激活部位[13,17]。DMN由前DMN和后DMN兩個(gè)獨(dú)立空間的子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，前DMN主要負(fù)責(zé)情緒管理和自我參照，后DMN主要負(fù)責(zé)認(rèn)知加工和記憶提取[18]。由此可以推測(cè)OSAHS患者的DMN功能異?？赡苁瞧湔J(rèn)知功能障礙的基礎(chǔ)。而我們的研究發(fā)現(xiàn)OSAHS患者部分DMN腦區(qū)出現(xiàn)代償，未見(jiàn)明顯損害，推測(cè)可能是Li等[16]研究的是重度OSAHS患者，而本組病例中大多數(shù)為輕～中度患者，DMN核心腦區(qū)的腦功能尚處于代償狀態(tài)。

小腦參與廣泛的任務(wù)，包括感覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制、語(yǔ)言、空間和執(zhí)行功能[19]。小腦前葉主要從事運(yùn)動(dòng)控制，小腦蚓部參與情感加工，小腦后部參與復(fù)雜的認(rèn)知功能。Park等[20]研究表明，小腦內(nèi)部(蚓部Ⅲ和Ⅵ之間)及小腦與大腦之間的功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)明顯減少，推測(cè)OSAHS患者小腦內(nèi)以及小腦與大腦之間FC受損可能會(huì)破壞更高級(jí)別的認(rèn)知過(guò)程。在我們的研究中，OSAHS組右側(cè)小腦后葉DC值減低，且右側(cè)小腦后葉的DC值與MoCA評(píng)分呈顯著正相關(guān)。推測(cè)可能是右側(cè)小腦內(nèi)部FC減少而引起的網(wǎng)絡(luò)異常，與患者認(rèn)知功能障礙有關(guān)，這與Park等[20]提出的小腦可能是OSAHS患者最容易損害部位的觀點(diǎn)不謀而合。

枕葉是視覺(jué)皮質(zhì)中樞，主要是參與視覺(jué)信號(hào)處理，但也有研究表明，枕葉參與了語(yǔ)言信息加工、工作記憶以及運(yùn)動(dòng)知覺(jué)等活動(dòng)，額葉可能參與處理概念性記憶，枕葉可能參與知覺(jué)性?xún)?nèi)隱記憶[21]。我們的研究發(fā)現(xiàn)，OSAHS患者左側(cè)枕葉(BA18/19)的DC值顯著減低，BA18屬于次級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)，可以將初級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)接收到的視覺(jué)信息轉(zhuǎn)化為知覺(jué)信息，而B(niǎo)A19屬于高級(jí)視覺(jué)皮質(zhì)，負(fù)責(zé)全面整合聽(tīng)覺(jué)信息、其他感覺(jué)信息、語(yǔ)言等，構(gòu)成對(duì)事物綜合信息的認(rèn)知[22]。研究表明，OSAHS患者的視覺(jué)感知、視覺(jué)空間構(gòu)建以及視覺(jué)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)等方面均有不同程度的損害[23]，中重度OSHAS患者的視野損害高于健康人群，OSHAS患者的有效視野受限[24]。還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)OSAHS可能是青光眼以及某些視網(wǎng)膜病變的危險(xiǎn)因素[25-28]，推測(cè)這可能與本研究中發(fā)現(xiàn)的OSAHS患者枕葉DC值減低有關(guān)，需進(jìn)一步探究其相關(guān)性及可能存在的機(jī)制。此外，Li等[16]亦發(fā)現(xiàn)OSAHS患者左側(cè)枕中回的DC值減低，且減低的DC值與AI及AHI呈顯著負(fù)相關(guān)。Qin等[29]研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)枕中回的低頻振幅值與Mini-SaO2水平呈負(fù)相關(guān)。本研究結(jié)果顯是左側(cè)楔葉的DC值與Mini-SaO2呈顯著正相關(guān)。上述這些研究結(jié)果均提示，反復(fù)慢性缺氧和睡眠中頻繁覺(jué)醒可能是導(dǎo)致OSAHS患者枕葉腦功能損傷的原因。

除了發(fā)現(xiàn)多個(gè)腦區(qū)的DC值顯著減低外，我們還發(fā)現(xiàn)OSAHS患者的左側(cè)腦橋、右側(cè)邊緣葉鉤回、左側(cè)顳上回、右側(cè)額下回和雙側(cè)額上回DC值顯著增加。

額葉皮層在大腦功能中扮演著至關(guān)重要的角色，參與情緒、決策、獎(jiǎng)賞及懲罰、社會(huì)認(rèn)知和精神病理等多方面作用[30-31]。研究發(fā)現(xiàn)前額葉皮層的激活與情感刺激的主觀情緒體驗(yàn)相關(guān)，前額葉皮層的損傷會(huì)損害與情緒相關(guān)的學(xué)習(xí)、行為和主觀情緒狀態(tài)，在調(diào)節(jié)情緒、意識(shí)、記憶和內(nèi)省方面起著重要作用[32]。Li等[16]對(duì)重度OSAHS患者的腦功能進(jìn)行研究，結(jié)果顯示左側(cè)額上回減低的DC值與MoCA評(píng)分呈正相關(guān)，表明前額葉皮層紊亂的功能連接可能與OSAHS患者執(zhí)行功能障礙有關(guān)。而在本研究中，OSAHS組雙側(cè)額上回和右側(cè)額下回DC值顯著增高，可能是OSAHS患者執(zhí)行功能障礙、記憶力低下、抑郁和焦慮發(fā)生率相對(duì)較高的潛在機(jī)制。

腦干是生命中樞，對(duì)調(diào)節(jié)OSAHS患者的呼吸頻率及模式起重要作用[33]。我們的研究首次發(fā)現(xiàn)OSAHS患者的腦橋存在異常，與NC組相比，左側(cè)腦橋的DC值顯著增高，推測(cè)可能是OSAHS頻繁多次的呼吸暫停引起了腦橋的功能代償。有研究表明，OSHAS患者的腦干可因周期性缺氧而引起神經(jīng)元變性[34]。因此，腦橋DC值的升高也可能是其內(nèi)神經(jīng)元變性的早期表現(xiàn)。

邊緣系統(tǒng)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和大腦皮質(zhì)有廣泛聯(lián)系，不僅能參與內(nèi)臟活動(dòng)的調(diào)節(jié)，還參與高級(jí)神經(jīng)、情緒反應(yīng)以及記憶活動(dòng)[35-36]。邊緣葉和邊緣旁回路功能障礙，會(huì)導(dǎo)致嗜睡、過(guò)度思考、內(nèi)部引導(dǎo)或自我產(chǎn)生的想法、以及白天對(duì)外部刺激或任務(wù)的喚醒或注意力減少，邊緣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)異常可能是某些精神類(lèi)疾病的神經(jīng)病理學(xué)基礎(chǔ)[37]。既往有MRS研究結(jié)果顯示，與健康人群比較，OSAHS患者的海馬、丘腦和殼核等大邊緣系統(tǒng)內(nèi)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)水平存在差異，表現(xiàn)為抑制性神經(jīng)遞質(zhì)中N-乙酰天冬氨酸(NAA)降低，興奮性神經(jīng)遞質(zhì)中谷氨酸(Glu)水平升高，表明邊緣系統(tǒng)腦神經(jīng)元興奮性增加[33]。Song等[38]研究發(fā)現(xiàn)，OSAHS患者的邊緣-紋狀體-皮質(zhì)功能連接的改變與其行為和神經(jīng)心理變量有關(guān)，DC值有潛力作為預(yù)測(cè)OSAHS認(rèn)知功能障礙的無(wú)創(chuàng)性指標(biāo)之一。在本研究中，OSAHS患者邊緣葉的DC值增高可能是該腦區(qū)神經(jīng)元活動(dòng)增強(qiáng)的結(jié)果，是其內(nèi)在功能連接改變的體現(xiàn)。

本文采用DC法對(duì)OSAHS患者靜息態(tài)腦功能改變進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示與健康人群比較，OSAHS患者的度中心度發(fā)生了顯著改變，并推測(cè)這些改變可能是OSAHS患者CNS損害的神經(jīng)病理學(xué)基礎(chǔ)，DC值有潛力成為早期識(shí)別OSAHS患者CNS損害的無(wú)創(chuàng)性指標(biāo)，為探究OSAHS患者腦功能損害機(jī)制提供了新視角、新思路與新方法。然而，本研究的樣本量相對(duì)較少，僅局限于比較患者與健康對(duì)照者之間腦功能的差異，未以病情分度為亞組進(jìn)行深入分析，尚需在將來(lái)聯(lián)合應(yīng)用多種方法對(duì)大樣本量、處于不同病程的OSAHS患者的腦功能進(jìn)行綜合分析，以闡明其潛在的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制。

綜上所述，本研究的主要研究結(jié)果為OSAHS患者的多個(gè)腦區(qū)度中心度改變，右側(cè)小腦后葉度中心度減低可能與認(rèn)知功能的減低有關(guān)，左側(cè)楔葉的度中心度減低可能與缺氧密切相關(guān)。