應(yīng)用功能性近紅外光譜成像技術(shù)探討前額葉皮質(zhì)在帕金森病凍結(jié)步態(tài)中的作用

楊晶晶，遲明，周璐，金鳳，孫路，王蝶，梁戰(zhàn)華

帕金森病(PD)是一種常見的慢性、進(jìn)展性神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，以運動遲緩、肌強(qiáng)直、靜止性震顫和姿勢步態(tài)異常等運動癥狀為主要表現(xiàn)。步態(tài)異常是其特征性表現(xiàn)之一，除了典型的“慌張步態(tài)”，目前普遍認(rèn)為凍結(jié)步態(tài)(FOG)是PD的一個獨立的核心癥狀，多發(fā)生于疾病中晚期?；颊弑憩F(xiàn)為在起步或行走過程中突發(fā)的、短暫的運動不能，F(xiàn)OG發(fā)生時患者常感覺雙腳粘在地板上，邁步困難，可持續(xù)數(shù)秒甚至數(shù)分鐘[1]。起步、轉(zhuǎn)彎、通過狹窄空間、經(jīng)過障礙物、到達(dá)終點、執(zhí)行雙重任務(wù)以及焦慮、抑郁時易觸發(fā)FOG，而集中注意力、提供視覺或聽覺線索、心情愉快有助于FOG的克服[2-6]。FOG是PD的重要致殘癥狀，研究[7-8]表明超過50%的PD患者會出現(xiàn)FOG，而在PD晚期，F(xiàn)OG的發(fā)生率甚至?xí)哌_(dá)80%，約26%的跌倒與FOG相關(guān)，嚴(yán)重影響患者生活質(zhì)量。

FOG的發(fā)病機(jī)制尚不明確，目前提出“閾值模型”、“干擾模型”、“認(rèn)知模型”、“解耦模型”4種理論模型，其中認(rèn)知模型認(rèn)為，高級皮質(zhì)功能，尤其是認(rèn)知功能損害在FOG發(fā)生過程中起重要作用[9-12]。有研究[13]發(fā)現(xiàn)PD伴FOG患者左側(cè)額下回、中央前回和頂下回灰質(zhì)萎縮明顯，且灰質(zhì)體積與FOG的嚴(yán)重程度具有相關(guān)性，任務(wù)態(tài)功能MRI(T-fMRI)研究發(fā)現(xiàn)在認(rèn)知加工過程中,PD伴FOG與不伴FOG相比存在不同的腦區(qū)激活模式。同時有研究[14]采用靜息態(tài)功能MRI(RS-fMRI)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)“執(zhí)行-注意”網(wǎng)絡(luò)(右側(cè)額中回、角回)以及視覺網(wǎng)絡(luò)(右側(cè)枕-顳回)腦功能連接減少，且與FOG的臨床嚴(yán)重程度顯著相關(guān)。這些結(jié)果均表明雙側(cè)額葉、頂葉皮質(zhì)中特定模式的腦網(wǎng)絡(luò)損害與PD-FOG的發(fā)生密切相關(guān)，認(rèn)知功能損害,尤其是執(zhí)行功能損害在FOG的發(fā)生過程中起重要作用，但FOG與認(rèn)知功能障礙復(fù)雜相互作用關(guān)系尚未明確，有關(guān)結(jié)論仍需更多研究支持。

近年來，隨著腦功能成像技術(shù)的快速發(fā)展，PET和功能MRI(fMRI)在FOG神經(jīng)機(jī)制的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，上述兩種腦功能成像技術(shù)都存在一定的局限性。PET需在受檢者體內(nèi)注射放射性生物示蹤藥物，而藥物的放射性會給受檢者造成一定影響，fMRI需要強(qiáng)大的外加磁場、對受檢者要求高，EEG、事件相關(guān)電位(ERP)空間分辨率不高，同時PET和fMRI設(shè)備體積大、成本昂貴、使用不便，以上因素均制約了其在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。

功能性近紅外光譜成像技術(shù)(fNIRS)是一種以神經(jīng)-血管偶聯(lián)機(jī)制為基礎(chǔ)的比較全新的無創(chuàng)腦功能成像技術(shù)[15]，以其高時間分辨率、低成本、便攜、操作簡單、對實驗環(huán)境及受檢者行動無嚴(yán)格限制等優(yōu)點，為PD-FOG認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制的研究提供了一條嶄新的途徑。其利用700～900 nm波長的近紅外波段在人體組織中具有低吸收、高散射的特性，到達(dá)深度可滿足大腦皮質(zhì)功能檢測的需求。fNIRS以氧合血紅蛋白(oxy-Hb)、還原血紅蛋白(deoxy-Hb)、細(xì)胞色素氧化酶等生物組織中的一些生色基團(tuán)具有不同吸收光譜為基礎(chǔ)，通過測量出射光所攜帶的組織生化信息得到組織中血氧含量變化情況，進(jìn)而提供相關(guān)的腦功能信息[16-17]。本研究采用ETG-4000腦功能定量成像裝置儀，言語流暢性測驗(VFT)作為認(rèn)知激活任務(wù)，對PD伴FOG患者與不伴FOG患者在執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)過程中額葉的激活情況進(jìn)行比較，探索PD伴FOG患者在認(rèn)知加工過程中前額葉腦區(qū)是否存在不同的激活模式，深入探討PD伴FOG認(rèn)知相關(guān)的病理生理學(xué)機(jī)制，為我國PD-FOG的診斷、治療提供理論依據(jù)，提高PD患者的生活質(zhì)量。

1 對象與方法

1.1 對象 入選從2016年9月到2020年2月在大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科定期隨診診斷為原發(fā)性PD并行fNIRS檢查的患者24例，其中男性16例，女性8例。入選標(biāo)準(zhǔn)：(1)符合英國腦庫PD的臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)；(2)年齡≥45歲，男女均可；(3)右利手；(4)Hoehn-Yahr(H-Y)分期2～3期；(5)藥物控制PD癥狀穩(wěn)定8周以上；(6)MMSE≥24分；(7)藥物關(guān)期狀態(tài)下能獨立行走10米以上。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)存在嚴(yán)重影響行走的疾病，如下肢關(guān)節(jié)病變、脊柱病變、嚴(yán)重心肺疾病等；(2)有明確病因的帕金森綜合征患者，如反復(fù)腦血管病史、毒物藥物接觸史等；(3)其他神經(jīng)或精神疾病史(腦炎、癲癇、癡呆、精神分裂癥、重癥抑郁癥等)；(4)病情危重或伴有腫瘤、肝腎功能嚴(yán)重異常等嚴(yán)重影響健康的其他系統(tǒng)疾病的患者；(5)研究者認(rèn)為不適宜參加本次臨床試驗者。

1.2 方法

1.2.1 分組方法 同時滿足以下2個條件即為PD伴FOG患者,入PD-FOG+組：(1)FOG評定量表(FOGQ)第3項(您在行走、轉(zhuǎn)彎或啟動過程中有無雙腳粘在地面上的感覺？)得分>1分；(2)2名以上高年資PD專科醫(yī)生臨床觀察到患者FOG發(fā)作。最終共收集了PD-FOG+12例，其中男性6例，女性6例。不符合上述條件的入PD-FOG-組，共收集PD-FOG-患者12例，其中男性10例，女性2例。

1.2.2 量表評估 (1)由專人對患者于藥物關(guān)期(即停服抗PD藥物12 h后)行統(tǒng)一PD評定量表(UPDRS)第Ⅲ部分評估，同時使用H-Y量表對PD患者疾病嚴(yán)重程度進(jìn)行分級。(2)由專人對患者進(jìn)行MMSE、蒙特利爾認(rèn)知評估量表(MoCA)、額葉功能評定量表(FAB)、漢密爾頓抑郁量表(HAMD)評估。(3)由專人對患者行FOGQ評估，以對患者進(jìn)行分組并了解FOG臨床嚴(yán)重程度。

1.2.3 實驗裝置與原理 fNIRS利用700～900 nm波長的近紅外波段在人體組織中具有低吸收、高散射的特性，經(jīng)過頭皮、顱骨CSF可探測大腦皮質(zhì)的組織信息，故將700～900 nm波長范圍稱為光學(xué)窗口。水、oxy-Hb、deoxy-Hb在這個光譜范圍內(nèi)的吸收譜系不同。因此經(jīng)過組織對光線吸收、散射，通過探頭測定透過大腦皮質(zhì)的出射光強(qiáng)度，根據(jù)修訂的Beer-Lambert定律可以推算出實時的區(qū)域血氧變化情況。為了確定血氧濃度的具體數(shù)值，則至少需要2條不同波長的光線綜合計算，不同NIRS儀器選取波長數(shù)量等方面不同。本研究采用日立公司的ETG-4000腦功能定量成像裝置儀進(jìn)行信號采集。ETG-4000共有52個測量通道，利用2種波長分別為695 nm和830 nm的近紅外光源檢測大腦皮質(zhì)oxy-Hb、deoxy-Hb以及總血紅蛋白(total-Hb)。

1.2.4 實驗范式 本研究應(yīng)用VFT作為認(rèn)知激活任務(wù)，VFT是簡易的執(zhí)行功能檢查方法反映了復(fù)雜的認(rèn)知活動，作為一種激活額葉的實驗范式已廣泛應(yīng)用于fNIRS檢測中[18]。本研究VFT測試流程由3部分組成，第1部分為等待時間，時間設(shè)定30 s，要求被試從1～5重復(fù)數(shù)數(shù)。第2部分為刺激呈現(xiàn)，期間受試者會依次聽到“江”“日”“家”三個字，要求以聽到字為首無限制組詞或成語，直到聽到下一個字，每個字組詞或成語的時間為20 s。第3部分為放松時間，時間設(shè)定為70 s,同樣從1～5重復(fù)數(shù)數(shù)直到檢查結(jié)束。

1.2.5 實驗操作步驟 兩組患者均于藥物關(guān)期(停用抗PD 12 h后)進(jìn)行實驗，要求環(huán)境安靜，受試者以舒適坐姿坐在椅子上，利用可供調(diào)節(jié)長度的彈力繩將帶有33個近紅外探頭的塑料片固定于受試者前額部，注意避免頭發(fā)遮擋。對應(yīng)EEG檢測的10/20系統(tǒng)，最下面一排中間探頭(記錄探頭26)放置于Fpz點，確保檢測位置準(zhǔn)確。實驗開始前由對受檢者病情及分組情況未知的主試人員用統(tǒng)一的指導(dǎo)語講解VFT任務(wù)要求及注意事項，在確保受試者能夠正確完成VFT任務(wù)后，進(jìn)入正式實驗。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 根據(jù)以往的研究結(jié)果，本次研究選取32個額葉通道進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。由于oxy-Hb與deoxy-Hb相比能更直接的反應(yīng)大腦的認(rèn)知活動，故本研究針對oxy-Hb數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[19]。將fNIRS所得數(shù)據(jù)以“整合模式”進(jìn)行分析，首先對采集到的信號進(jìn)行低通濾波處理(0.5 Hz)以去除高頻噪聲所造成的信號干擾，設(shè)置移動窗寬度為5 s以消除短期運動偽影?！叭蝿?wù)基線期”設(shè)置為任務(wù)前10 s。

2 結(jié) 果

2.1 兩組臨床資料的比較 見表1。與PD-FOG-組相比，PD-FOG+組FOGQ評分明顯增高，F(xiàn)AB評分、VFT詞組或成語個數(shù)明顯降低(均P<0.05)。

2.2 兩組fNIRS數(shù)據(jù)的比較

2.2.1 兩組前額葉激活情況的比較 PD-FOG+組與PD-FOG-組32個通道平均oxy-Hb濃度變化平均波形的比較見圖1。PD-FOG+組在VFT任務(wù)期32個額葉通道中共有18個通道被激活(CH6、CH7、CH24、CH25、CH27～29、CH35～39、CH45～50),PD-FOG-組除了CH5、CH15外絕大部分前額葉腦區(qū)均有非常顯著的激活，PD-FOG+組前額葉的激活區(qū)域較PD-FOG-組少且平均oxy-Hb濃度變化曲線較低平。

表1 兩組臨床資料的比較( x±s)一般資料PD-FOG+組PD-FOG-組P值性別(男/女)6/610/20.19年齡(歲)65.83±9.6863.83±8.160.59病程(年)7.50±2.887.00±1.800.62文化程度(年)9.66±3.4210.50±3.650.57UPDRS-Ⅲ(分,關(guān)期)30.75±5.0527.50±7.330.22H-Y分級(級,關(guān)期)2.50±0.302.37±0.380.38左旋多巴等效劑量(mg)486.56±139.69384.45±133.300.11MMSE(分)25.83±1.8025.17±1.110.28MoCA(分)24.25±1.4224.67±2.250.47HAMD(分)10.16±3.717.75±4.630.17FAB(分)12.75±1.4214.41±1.880.02FOGQ(分)13.08±3.372.75±1.600.00VFT詞組或成語個數(shù)7.08±2.359.33±2.570.04 注:關(guān)期,停服抗PD藥時間>12h

圖1 PD-FOG+組與PD-FOG-組額葉32個通道oxy-Hb濃度值的平均波形圖。紅色線條為PD-FOG-組，紫色線條為PD-FOG+組

2.2.2 兩組各通道激活情況的比較 見表2。PD-FOG+組患者在進(jìn)行VFT任務(wù)期有2個通道(CH40、CH50)的平均oxy-Hb濃度變化值顯著低于PD-FOG-組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(均P<0.05)，CH40、CH50主要分布在左側(cè)腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)。

2.3 相關(guān)性分析 應(yīng)用Spearman相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，PD-FOG+組FOGQ評分與VFT詞組或成語個數(shù)呈負(fù)相關(guān)(r=-0.046，P<0.05),FAB評分與VFT詞組或成語個數(shù)無相關(guān)性。PD-FOG+組各通道在VFT任務(wù)下平均oxy-Hb濃度變化值與FOGQ評分在5個通道(CH27：r=-0.695，CH36：r=-0.709，CH38：r=-0.618，CH46：r=-0.782，CH47：r=-0.646；均P<0.05)呈負(fù)相關(guān)(圖2)。

表2 兩組VFT任務(wù)期平均oxy-Hb濃度變化值的比較( x±s,n=12)通道PD-FOG+組PD-FOG-組t值P值CH30.040±0.0640.080±0.100-1.170.25CH40.010±0.0480.051±0.056-1.960.06CH50.006±0.0480.041±0.074-1.370.18CH60.037±0.0560.055±0.054-0.770.45CH70.031±0.0440.054±0.044-1.270.22CH80.035±0.0550.061±0.092-0.860.40CH130.037±0.0590.054±0.065-0.700.49CH140.024±0.0590.086±0.102-1.830.08CH150.009±0.0540.025±0.062-0.690.49CH160.021±0.0450.038±0.050-0.850.41CH170.039±0.0410.049±0.057-0.540.59CH180.029±0.0540.076±0.071-1.860.08CH190.043±0.0810.105±0.064-2.080.05CH240.043±0.0490.108±0.108-1.890.07CH250.036±0.0560.069±0.081-1.170.25CH260.025±0.0430.049±0.036-1.510.14CH270.039±0.0480.037±0.0420.110.92CH280.052±0.0580.052±0.065-0.030.99CH290.053±0.0780.109±0.072-1.870.07CH340.052±0.0870.113±0.110-1.520.14CH350.051±0.0690.099±0.069-1.710.10CH360.052±0.0610.069±0.053-0.760.46CH370.055±0.0620.067±0.068-0.460.65CH380.065±0.0610.058±0.0630.270.79CH390.073±0.0760.110±0.079-1.180.25CH400.057±0.1320.197±0.114-2.760.01CH450.103±0.1130.142±0.101-0.900.38CH460.062±0.0600.089±0.064-1.090.29CH470.056±0.0470.079±0.107-0.670.51CH480.069±0.0670.091±0.114-1.100.28CH490.072±0.0640.124±0.096-1.550.14CH500.062±0.0830.207±0.109-3.670.01

圖2 PD-FOG+組各通道在VFT任務(wù)下平均oxy-Hb濃度變化值與FOGQ評分的相關(guān)性

3 討 論

本研究將VFT作為認(rèn)知激活任務(wù)，比較PD-FOG+與PD-FOG-在認(rèn)知加工過程中兩組患者完成任務(wù)情況，同時采用fNIRS技術(shù)檢測前額葉大腦皮質(zhì)局部腦血流變化情況，比較兩組前額葉腦區(qū)是否存在不同的激活模式，進(jìn)而探討PD-FOG可能的病理生理學(xué)機(jī)制。首先行為學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在執(zhí)行VFT任務(wù)時，PD-FOG+組在60 s內(nèi)組出的詞或成語數(shù)明顯少于PD-FOG-組，且PD-FOG+組FOGQ評分與VFT詞組或成語個數(shù)呈負(fù)相關(guān)，直接反映了PD-FOG+組語言運用能力、記憶、認(rèn)知靈活性較PD-FOG-組相比明顯下降。同時發(fā)現(xiàn)PD-FOG+組患者前額葉大腦皮質(zhì)的激活區(qū)域較少且oxy-Hb變化曲線較低平，其中以左側(cè)腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)的CH40、CH50區(qū)最為明顯，其oxy-Hb平均變化量與FOGQ得分呈負(fù)相關(guān)。說明FOG患者左側(cè)腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)區(qū)存在結(jié)構(gòu)性及功能性損害。這也就可以解釋為什么FOG患者在復(fù)雜環(huán)境下行走時，會誘發(fā)FOG的發(fā)生。據(jù)此推測，F(xiàn)OG患者在行走過程中，遇到需要進(jìn)行選擇、記憶、反應(yīng)抑制等較為復(fù)雜的認(rèn)知活動時，不能有效的募集左側(cè)腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)相關(guān)區(qū)域參與，導(dǎo)致協(xié)調(diào)認(rèn)知和運動神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能障礙，從而誘發(fā)FOG。這一推測與Vandenbossche等[20]提出的“認(rèn)知模型”相符。

PD-FOG+多見于PD進(jìn)展期及臨床“關(guān)”期，其發(fā)生與PD病程及病情嚴(yán)重程度顯著相關(guān)，在疾病早期“關(guān)”期FOG對左旋多巴治療反應(yīng)較好，可通過延長“開”期減少FOG的發(fā)生，提示紋狀體多巴胺耗竭在FOG的病理生理機(jī)制中起重要作用[21-22]。然而在PD早期及臨床“開”期也可出現(xiàn)FOG，且對左旋多巴治療反應(yīng)欠佳，甚至可加重FOG[23-24]。另外FOG不僅見于PD患者，也見于多系統(tǒng)萎縮、正常顱壓腦積水、進(jìn)行性核上性麻痹以及血管性帕金森綜合征等其他疾病[25]，說明FOG不僅是紋狀體多巴胺能耗竭所致，還存在其他導(dǎo)致相同結(jié)局的不同病理生理機(jī)制[26]。FOG作為一種短暫、陣發(fā)性的步態(tài)障礙，可由很多環(huán)境、情感、認(rèn)知等外部因素觸發(fā)或克服。如患者在起步、轉(zhuǎn)彎、通過狹窄空間、經(jīng)過障礙物、到達(dá)終點、執(zhí)行雙重任務(wù)以及焦慮、抑郁時易觸發(fā)FOG，而集中注意力、提供視覺或聽覺線索、心情愉快有助克服凍結(jié)[3-6,27]。這些外部因素大多為認(rèn)知來源，提示FOG的發(fā)生與脊髓及腦干運動中心損害相關(guān)，高級皮質(zhì)功能尤其是認(rèn)知功能損害在FOG發(fā)生過程中起重要作用。

近期大量影像學(xué)的研究也提出，前額葉特定模式的腦網(wǎng)絡(luò)損害與FOG的發(fā)生密切相關(guān)。Imamura等[28]應(yīng)用司來吉蘭對PD伴FOG患者進(jìn)行治療，經(jīng)SPECT研究發(fā)現(xiàn)凍結(jié)者雙側(cè)額極皮質(zhì)、雙側(cè)額眶葉皮質(zhì)、以及前扣帶回背側(cè)區(qū)腦血流量顯著減少，藥物治療改善了FOG患者眶額葉皮質(zhì)的腦血流量，F(xiàn)OG的發(fā)生頻率也隨之減低，證明了眶額葉皮質(zhì)在FOG發(fā)生中的重要作用，F(xiàn)OG可能存在額葉功能障礙或額葉-基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路斷聯(lián)。Kostic等[13]選取17例PD-FOG+患者、20例PD-FOG-和34名正常人進(jìn)行全面的神經(jīng)心理學(xué)評估，并應(yīng)用基于體素的形態(tài)學(xué)分析技術(shù)(VBM)檢測其腦內(nèi)灰質(zhì)萎縮情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PD伴FOG患者額葉執(zhí)行功能明顯受損，左側(cè)額下回、中央前回和頂下回灰質(zhì)萎縮明顯，且FOG的嚴(yán)重程度與額葉執(zhí)行功能及雙側(cè)額葉、頂葉皮質(zhì)灰質(zhì)體積具有相關(guān)性。Shine等[29]應(yīng)用任務(wù)態(tài)功能MRI(T-fMRI)在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中探索PD患者在不同認(rèn)知負(fù)荷條件下左右腳交替踏板時的腦內(nèi)活動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高認(rèn)知負(fù)荷條件下PD伴FOG患者雙側(cè)前腦島、腹側(cè)紋狀體、前輔助運動區(qū)血氧水平依賴性反應(yīng)(BOLD)相對減低，前腦島和腹側(cè)紋狀體區(qū)域參與任務(wù)的評估、決策、執(zhí)行以及反饋的加工處理，是認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)(CCN)的重要節(jié)點，這些區(qū)域BOLD信號減低可能反映了FOG患者在運動的同時執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時不能有效的募集認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)中特定的皮質(zhì)及皮質(zhì)下區(qū)域，導(dǎo)致凍結(jié)發(fā)生。以上研究均支持了FOG的發(fā)生可能是由于“執(zhí)行-注意”網(wǎng)絡(luò)缺陷，增加額外的認(rèn)知任務(wù)，會導(dǎo)致輔助運動區(qū)與額葉-基底節(jié)環(huán)路相互競爭，從而引起基底節(jié)輸出核的過度活動，觸發(fā)FOG。

本研究尚存在一些不足之處：(1)本研究fNIRS探頭僅放置在患者前額葉，未來可擴(kuò)大檢測范圍，甚至進(jìn)行全大腦皮質(zhì)的靜息態(tài)、任務(wù)態(tài)實時檢測以得到更多有價值的信息。(2)未來進(jìn)一步應(yīng)用fNIRS實時監(jiān)測FOG患者起步、轉(zhuǎn)彎、到達(dá)目的地及執(zhí)行雙任務(wù)時大腦血氧變化情況。