帕金森病患者輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)動(dòng)態(tài)功能連接的靜息態(tài)功能MRI

楊文蕊，李琰，楊黎，張洪英

帕金森病(Parkinson’s disease，PD)是最常見(jiàn)的慢性神經(jīng)退行性疾病之一，對(duì)患者的健康和生活有嚴(yán)重的負(fù)面影響，其發(fā)病機(jī)制不明，目前認(rèn)為基底節(jié)-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路損害是帕金森病患者典型的運(yùn)動(dòng)癥狀和體征的病理基礎(chǔ)[1]。以往有研究者利用PET和功能MRI觀(guān)察PD患者自主運(yùn)動(dòng)過(guò)程中大腦的功能活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area，SMA)存在功能障礙[2-3]。

SMA位于額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)，在自我運(yùn)動(dòng)的啟動(dòng)和控制中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用[4]。在功能上SMA分為兩個(gè)亞區(qū)：前部(premotor area of SMA，pre-SMA)又稱(chēng)為吻部，主要參與行為變化時(shí)的認(rèn)知活動(dòng)，如動(dòng)作切換和運(yùn)動(dòng)停止；本部(SMA proper，SMA-pro)主要與運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的預(yù)測(cè)有關(guān)[5-8]。SMA作為運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在人體清醒狀態(tài)下處于動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程之中，揭示帕金森病患者的SMA功能網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)變化可能對(duì)了解帕金森病的發(fā)病機(jī)制具有重要意義。因此，本研究中利用靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)，分析PD患者和健康對(duì)照組的pre-SMA和SMA-pro與全腦其余體素功能連接動(dòng)態(tài)變化的差異，以及每個(gè)種子點(diǎn)腦網(wǎng)絡(luò)的差異腦區(qū)與臨床各量表評(píng)分的相關(guān)性，旨在探討帕金森病患者SMA功能障礙的機(jī)制。

材料與方法

1.病例資料

將本院收治的62例符合條件的帕金森病患者納入本研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：①符合英國(guó)腦庫(kù)PD診斷標(biāo)準(zhǔn)；②右利手；③年齡>50歲；④臨床資料完整且并能完成MRI檢查。排除標(biāo)準(zhǔn)：①神經(jīng)系統(tǒng)病史(包括腦血管病、癲癇發(fā)作、腦外科手術(shù)、腦腫瘤、中度至重度頭部外傷和腦積水等)；②精神病病史；③正在使用或近期內(nèi)使用過(guò)可能影響病人臨床評(píng)估的相關(guān)藥物及其它治療方法者；④有長(zhǎng)期酗酒史或其它藥物濫用史；⑤有MRI檢查禁忌證(如幽閉恐懼癥、有起搏器和金屬部件植入)。

所有的PD患者在停用抗PD藥物至少12 h后方可進(jìn)行一系列的臨床評(píng)估和MRI數(shù)據(jù)采集。由兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的神經(jīng)科醫(yī)師準(zhǔn)確搜集所有受試者的年齡、性別、病史、病程和臨床量表等相關(guān)資料。PD患者均完成帕金森病統(tǒng)一評(píng)定量表-Ⅲ(Unified Parkinson’s Disease Rating Scale part Ⅲ，UPDRS-Ⅲ)、蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(Montreal Cognitive Assessment,MoCA)、簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查(Mini-mental State Examination，MMSE)、Hoehn-Yahr(H-Y)殘疾評(píng)定量表等相關(guān)量表的分析評(píng)估。同時(shí)，將52例年齡、性別相匹配的健康志愿者(正常對(duì)照組)納入本研究。本研究得到了蘇北人民醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)(J-2014066)。

2.檢查方法

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和8通道頭線(xiàn)圈。受試者佩戴耳塞，取仰臥位，閉眼且保持清醒，在MRI掃描過(guò)程中盡量避免思考任何事情。首先行常規(guī)頭顱MRI檢查，以排除重要腦區(qū)有梗死灶、腦白質(zhì)變性以及其它器質(zhì)性病變。然后采用EPI梯度回波序列進(jìn)行fMRI數(shù)據(jù)采集，掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚4.0 mm，層間隔0.0 mm，矩陣64×64，視野240 mm×240 mm。掃描時(shí)間8 min，共獲得240個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。最后采集全腦結(jié)構(gòu)像，采用3D-T1WI序列，掃描參數(shù)：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，層厚1.0 mm，層間隔0 mm，矩陣256×256。對(duì)所有受試者的圖像進(jìn)行逐層觀(guān)察，確保圖像質(zhì)量良好，再進(jìn)行后續(xù)分析。

3.功能像數(shù)據(jù)處理和分析

使用基于MATLAB 2013a平臺(tái)的腦功能數(shù)據(jù)處理軟件包RESTplus V1.24 (http://www.restfmri.net/forum/RESTplusV1.24)進(jìn)行預(yù)處理，主要步驟：首先去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)；接著進(jìn)行時(shí)間層校正、頭動(dòng)校正、分割、空間標(biāo)準(zhǔn)化、空間平滑、線(xiàn)性漂移、回歸協(xié)變量(腦白質(zhì)、腦脊液、24個(gè)頭動(dòng)參數(shù))及濾波。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，去除在任何維度上頭部運(yùn)動(dòng)超過(guò)2.5 mm或靜息狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)超過(guò)2.5°的受試者，剔除了10例PD患者和6例志愿者，同時(shí)排除圖像配準(zhǔn)不佳的4例PD患者和3例志愿者，最終共48例PD患者和43例志愿者被納入本研究。

根據(jù)以往的研究結(jié)果[10]，本研究中感興趣區(qū)(regions of interest,ROI)的位置是以pre-SMA(2、13、55)和SMA-pro的(3、-6、54)的MNI坐標(biāo)(x、y、z)為中心的6mm3的球體體素。FC動(dòng)態(tài)分析最常用的方法是滑動(dòng)窗口技術(shù)，使用基于MATLAB平臺(tái)的時(shí)間動(dòng)態(tài)分析(Temporal Dynamic Analysis,TDA)工具包進(jìn)行分析。通過(guò)計(jì)算ROI與全腦其余體素的Pearson相關(guān)系數(shù)來(lái)評(píng)估功能連接程度。并且根據(jù)以往的研究結(jié)果，以56 s(28×TR)為窗口長(zhǎng)度和10 s(5×TR)為步長(zhǎng)，將每例患者的整個(gè)采集數(shù)據(jù)劃分為41個(gè)滑動(dòng)窗口，計(jì)算每個(gè)功能連接的標(biāo)準(zhǔn)差，并對(duì)每個(gè)連接的平均值進(jìn)行歸一化，從而得到每個(gè)連接的變異系數(shù)值[11-12]。最后得到pre-SMA及SMA-pro與全腦其余體素之間的功能連接動(dòng)態(tài)變化。變異系數(shù)描述了靜息態(tài)時(shí)所有窗口連通性上下波動(dòng)的變化程度，即FC的動(dòng)態(tài)變化被表示為在多個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)功能連接的變異系數(shù)(functional connectivity variable coefficient，F(xiàn)CVC)，變異系數(shù)/波動(dòng)性越大代表FC的動(dòng)態(tài)變化程度越大。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。兩組之間受檢者年齡的比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；性別構(gòu)成的比較采用Pearson卡方檢驗(yàn)；以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。將年齡、性別及平均頭動(dòng)參數(shù)作為協(xié)變量加入分析，組間分析采用雙樣本t檢驗(yàn)，使用高斯隨機(jī)場(chǎng)方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行多重比較校正(體素水平：P<0.005；簇水平，P<0.050；連續(xù)體素大小≥30個(gè)體素)，得到FCVC值在兩組之間差異有顯著性的腦區(qū)。

結(jié) 果

1.兩組被試臨床資料的比較

PD組共48例患者，男21例，女27例，平均年齡(62.25±6.28)歲；對(duì)照組共43例被試，男24例，女19例，平均年齡(60.42±4.66)歲；兩組之間性別和年齡的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2= 1.321，P=0.250；t=1.566，P=0.121)。

PD組患者病程為(3.42±2.69)年，UPDRS-Ⅲ評(píng)分為24.92±16.94，H-Y殘疾評(píng)定量表評(píng)分為1.93±1.03，MoCA評(píng)分為18.02±8.59，MMSE評(píng)分為23.75±6.42。

2.兩組間FCVC差異腦區(qū)分析

PD組和對(duì)照組之間pre-SMA和SMA-pro功能連接動(dòng)態(tài)變化有差異的腦區(qū)特征見(jiàn)表1～2。相對(duì)于正常對(duì)照組，帕金森病患者的pre-SMA腦功能網(wǎng)絡(luò)與右側(cè)顳葉、雙側(cè)基底節(jié)的FCVC減低，與左側(cè)顳下回的FCVC增高(圖1a)。對(duì)于SMA-pro的功能腦網(wǎng)絡(luò)，帕金森病患者表現(xiàn)出與雙側(cè)顳中回、右側(cè)枕中回及雙側(cè)基底節(jié)之間的FCVC減低(圖1b)，未見(jiàn)明顯FCVC增高腦區(qū)。

圖1 功能連接動(dòng)態(tài)變化組間差異顯著腦區(qū)圖，以彩色顯示輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)FCVC與對(duì)照組比較有顯著差異的腦區(qū)，藍(lán)色區(qū)域表示PD組較對(duì)照組功能連接動(dòng)態(tài)變化減弱的腦區(qū)，紅色區(qū)域表示PD組較對(duì)照組功能連接動(dòng)態(tài)變化增強(qiáng)的腦區(qū)。a) 以pre-SMA為種子點(diǎn)； b) 以pro-SMA為種子點(diǎn)。

表1 PD組與對(duì)照組之間pre-SMA的FCVC差異腦區(qū)

表2 PD組與對(duì)照組之間pro-SMA的FCVC差異腦區(qū)

3.FCVC與臨床量表評(píng)分的相關(guān)性分析

將PD組中與對(duì)照組之間功能連接動(dòng)態(tài)變化有組間差異腦區(qū)的FCVC值與PD患者的各項(xiàng)臨床量表評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示PD組中pre-SMA與左側(cè)顳下回的FCVC值與UPDRS-Ⅲ評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.389，P=0.006；圖2)，而其余差異腦區(qū)的FCVC值與患者各項(xiàng)臨床量表評(píng)分之間無(wú)顯著相關(guān)性(P>0.05)。

圖2 相關(guān)性分析散點(diǎn)圖，顯示PD患者pre-SMA與左側(cè)顳下回的FCVC值與UPDRS-Ⅲ評(píng)分呈正相關(guān)。

討 論

SMA是能夠有效發(fā)起自主運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵組成部分，特別是對(duì)于內(nèi)源性運(yùn)動(dòng)，與其連接的腦網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)時(shí)空變化的過(guò)程之中[13]。SMA動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的變化在PD的發(fā)病機(jī)制中的作用尚不清楚。本研究中我們分析了PD組和HC組靜息狀態(tài)下SMA各亞區(qū)FCVC值的組間差異。本研究結(jié)果顯示：相對(duì)于正常對(duì)照組，PD組的pre-SMA腦功能網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出與右側(cè)顳葉、雙側(cè)豆?fàn)詈酥g的FCVC值減低，而與左側(cè)顳下回的FCVC值增高；而SMA-pro腦功能網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出與雙側(cè)顳中回、右側(cè)枕中回及雙側(cè)基底節(jié)區(qū)的FCVC值減低。此外，pre-SMA和左側(cè)顳下回的FCVC值與其UPDRS-Ⅲ得分呈顯著正相關(guān)。這些結(jié)果表明PD患者SMA存在腦功能網(wǎng)絡(luò)連接異常，尤其是與皮層下錐體外系腦區(qū)之間的連接發(fā)生了異常改變，提示SMA的功能調(diào)節(jié)異常，可能反映了其自主運(yùn)動(dòng)功能調(diào)控障礙，并且pre-SMA功能連接的動(dòng)態(tài)變異性與運(yùn)動(dòng)損傷評(píng)分存在相關(guān)性。我們的研究結(jié)果為理解帕金森病的發(fā)病機(jī)制提供了新的見(jiàn)解，同時(shí)為探索SMA作為治療PD的潛在靶點(diǎn)提供了依據(jù)。

SMA的兩個(gè)前后亞區(qū)的功能連接動(dòng)態(tài)變化異常具有共同特征，表現(xiàn)為與雙側(cè)基底節(jié)區(qū)的FCVC值均減低，主要集中在蒼白球、殼核及尾狀核頭部。這與以往關(guān)于PD功能網(wǎng)絡(luò)異常的研究結(jié)果基本一致。既往的眾多研究中發(fā)現(xiàn)蒼白球、殼核及尾狀核頭部與SMA之間FC值減低[14-15]。皮層-紋狀體通路在帕金森病的病理生理模型中起著至關(guān)重要的作用[16]。殼核中的多巴胺能的耗竭源于黑質(zhì)致密部多巴胺能神經(jīng)元的退化[17]，這反過(guò)來(lái)影響固有的基底節(jié)加工，最重要的是影響其與皮質(zhì)區(qū)域的相互作用[18]。已有研究表明，PD患者的殼核功能障礙可能導(dǎo)致動(dòng)作執(zhí)行困難[19]。此前，在一項(xiàng)神經(jīng)影像研究中，發(fā)現(xiàn)紋狀體中多巴胺投射的耗盡對(duì)殼核的影響最為嚴(yán)重[20]。我們的研究通過(guò)無(wú)創(chuàng)性方法驗(yàn)證了帕金森病患者此環(huán)路的損害。

本研究中還發(fā)現(xiàn)雙側(cè)顳葉皮質(zhì)、頂下小葉以及內(nèi)側(cè)前額葉皮層與SMA-pro之間的FCVC值減低。這幾個(gè)腦區(qū)是默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default-mode networks,DMN)的組成部分，DMN是腦內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接體中的核心結(jié)構(gòu)，神經(jīng)和精神疾病中DMN特別容易受到疾病的影響，其中包括PD[21]，DMN的功能改變與認(rèn)知功能受損、沉思和情緒失調(diào)有關(guān)[22]。DMN的動(dòng)態(tài)變化似乎與內(nèi)向型認(rèn)知障礙有關(guān)。此外，DMN的中樞區(qū)域后扣帶回皮質(zhì)的動(dòng)態(tài)FC較低,并且與癲癇患者較差的記憶力存在相關(guān)性，這表明較高的動(dòng)態(tài)FC在記憶領(lǐng)域是有利的[23]。健康對(duì)照組在認(rèn)知靈活性、持續(xù)注意力以及工作記憶領(lǐng)域的良好表現(xiàn)與整個(gè)大腦較高的動(dòng)態(tài)FC有關(guān)[24]。綜上所述，這些結(jié)果支持這樣的觀(guān)點(diǎn)，即腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的一個(gè)基本特征——興奮和抑制的平衡可能在帕金森病中受到干擾，從而導(dǎo)致FC發(fā)生動(dòng)態(tài)變化。我們的分析補(bǔ)充了最近帕金森病動(dòng)態(tài)功能連接的研究結(jié)果，從動(dòng)態(tài)的角度初步反映了帕金森病患者腦網(wǎng)絡(luò)功能連接的異常。

本研究存在一些局限性：首先，沒(méi)有考慮藥物的長(zhǎng)期效果等因素。雖然本研究中 PD 患者均在停藥12h以后進(jìn)行 fMRI 掃描及臨床各項(xiàng)量表評(píng)估，但慢性多巴胺能藥物對(duì)功能連接改變的潛在影響仍無(wú)法完全排除。其次，動(dòng)態(tài)連接生物相關(guān)性尚未牢固確立。滑動(dòng)窗口相關(guān)的波動(dòng)可能與FC的變化有關(guān)，也可能受隨機(jī)噪聲影響。第三，本研究中未對(duì)帕金森病患者進(jìn)行具體的分型，忽略了PD患者的異質(zhì)性。所以，未來(lái)的研究中我們將搜集更大的樣本量，對(duì)PD患者進(jìn)行分型和分組研究，如可將PD患者分為不同的運(yùn)動(dòng)亞型(震顫、動(dòng)作遲緩、僵硬或失去平衡)。

總之，本研究結(jié)果顯示帕金森患者SMA功能連接動(dòng)態(tài)變化發(fā)生異常，并且pre-SMA與左側(cè)顳下回之間功能連接的變異性與患者的運(yùn)動(dòng)功能損害之間具有相關(guān)性。輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的動(dòng)態(tài)功能調(diào)節(jié)障礙為深入了解帕金森病的病理生理機(jī)制提供了幫助。