基于動態(tài)低頻振幅的急性基底節(jié)區(qū)腦梗死后神經(jīng)功能重塑性研究*

陳小玲，李文美△，梁志堅

（廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院 1.放射科；2.神經(jīng)內(nèi)科,南寧 530021）

急性腦梗死是由于血栓或栓子的阻塞引起的供血突然中斷而導致的大腦缺血性損傷[1]?；坠?jié)區(qū)腦梗死是腦梗死中常見的一種類型，通常認為與運動功能障礙、感覺障礙、情緒遲鈍、卒中后抑郁和失語等有關(guān)[2-5]。靜息態(tài)功能磁共振（resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）是指被試者在清醒、靜止不動、平靜呼吸、避免任何思維活動的情況下進行的磁共振成像，該技術(shù)作為一種研究大腦生理活動的無創(chuàng)方法廣泛應用于腦卒中的研究[6]。目前已有研究利用低頻振幅（ALFF）分析基底節(jié)區(qū)腦梗死的大腦功能，發(fā)現(xiàn)基底節(jié)區(qū)腦梗死患者存在固有腦活動改變[7]。有證據(jù)表明，大腦的活動是高度快速動態(tài)變化的，而急性基底節(jié)區(qū)腦梗死大腦自發(fā)腦活動的時間變異性目前尚不清楚。本研究應用動態(tài)ALFF（dALFF）分析方法，比較健康志愿者與急性基底節(jié)區(qū)腦梗死患者腦局部功能區(qū)域活動的時間變異性，并進一步研究其對神經(jīng)功能重塑的意義。

1 對象與方法

1.1 研究對象 收集2019年8月至2020年12月在廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科接受住院治療的34例急性基底節(jié)區(qū)梗死患者（梗死組），其中男25例，女9例，年齡34～84歲，平均（56.5±11.0）歲，受教育年限（11.50±3.59）年，其中受教育程度小學學歷4 例（12%），初中學歷11 例（32%），高中學歷6 例（18%），大學學歷13 例（38%）。34 例中，左側(cè)基底節(jié)區(qū)20 例，右側(cè)基底節(jié)區(qū)14 例。病例納入標準：（1）頭顱CT或磁共振確診為急性腦梗死7 d內(nèi)的患者；（2）首發(fā)梗死，患者有神經(jīng)功能缺損的表現(xiàn)；（3）單發(fā)基底節(jié)區(qū)病灶：（4）無任何其他神經(jīng)或精神類疾病。排除標準：（1）復發(fā)性梗死或繼發(fā)性出血；（2）合并其他顱內(nèi)疾??；（3）合并神經(jīng)精神類疾病。采用美國國立衛(wèi)生研究員卒中評分（national institutes of health stroke scale，NIHSS）評估急性基底節(jié)區(qū)腦梗死患者梗死嚴重程度及神經(jīng)功能缺損，F(xiàn)ugl-Meyer 運動功能評分量表（Fugl-Meyer motor function assessment,FMA）評估患者上肢、下肢運動功能并計算總得分，NIHSS 評分為3.25（1.75,5.75）分，F(xiàn)MA 上下肢運動功能總分為82.5（64,87.67）分，F(xiàn)MA 上肢得分54（40,58.89）分，F(xiàn)MA 下肢得分27.1（24.2,29.5）分。

同期招募年齡及受教育程度相匹配的44 例志愿者為健康對照組。其中男19 例，女25 例，年齡28～77 歲，平均（55.34±11.49）歲，受教育年限（12.23±3.06）年,其中受教育程度小學學歷1 例（3%）,初中學歷13例（29%），高中學歷18例（41%），大學學歷12例（27%）。健康對照組無顱腦外傷史，無顱內(nèi)疾病及精神疾病病史，神經(jīng)功能、神經(jīng)心理評估、語言、認知功能等均正常。梗死組和健康對照組在年齡、受教育程度上比較，差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）；兩組性別比較，差異有統(tǒng)計學意義（χ2=7.184，P＜0.05）。

1.2 磁共振數(shù)據(jù)采集 采用Siemens Prisma 3.0T超導型磁共振儀和64通道頭頸聯(lián)合線圈，掃描開始前囑咐所有被試者閉眼、保持清醒、掃描過程中盡量不要思考。仰臥位頭先進，在頭部周圍塞入海綿泡沫以減少頭部運動。用耳塞填塞雙側(cè)外耳道以減少掃描產(chǎn)生的噪聲對腦功能數(shù)據(jù)的影響。靜息態(tài)功能磁共振成像利用血氧水平依賴（BOLD）序列，掃描參數(shù)：TR 2 000 ms，TE 35 ms，體素大小2.6mm×2.6 mm×3.0 mm，層厚3 mm，層數(shù)40 層，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，時間點186，翻轉(zhuǎn)角90°；結(jié)構(gòu)像采用3D BRAVO 序列采集全腦高分辨率三維矢狀位T1 加權(quán)成像，掃描參數(shù)：TR 2 300 ms，TE 2.98 ms，體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，層厚1 mm，層數(shù)176層，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm。

1.3 rs-fMRI數(shù)據(jù)預處理 Matlab（2017b）平臺上使用RESTplus v1.24 軟件進行預處理，步驟為：（1）將DICOM 格式轉(zhuǎn)換為NIFTI格式；（2）去除前10 個時間點；（3）時間層校正；（4）頭動校正；（5）應用DARTEL（Diffeomorphic anatomical registration thr-ough exponentiated lie algebra）模板標準化，將個體腦影像配準到蒙特利爾神經(jīng)研究所（montreal neurological institute,MNI）標準人腦模板的空間坐標上，并進行3 mm×3 mm×3 mm 體素大小的重采樣；（6）使用Friston24 調(diào)整頭動參數(shù)，對全局信號、腦脊液信號、腦灰白質(zhì)信號進行線性回歸；（7）采用6 mm 高斯半高寬的核函數(shù)進行平滑；（8）去線性漂移。

1.4 dALFF 分析 采用滑動窗方法進行動態(tài)分析，定義時間序列的最小頻率fmin，選取50 TRs（100 s）的最佳窗寬、步長1 TR 的窗口對fMRI時間信號進行動態(tài)截取。首先利用快速傅立葉變換（FFT）對時間序列進行頻率轉(zhuǎn)換后，在頻帶（0.01～0.08 Hz）計算每個頻率下的功率譜求平方根，在0.01～0.08 Hz內(nèi)計算平均值，得到平均ALFF 值。計算所有體素在時間窗中的ALFF后，每個參與者將得到基于窗口的ALFF圖。然后計算每個受試者在所有基于窗口的ALFF圖上的每個體素的均值和標準差，最后用標準差除以均值得到相應的變異系數(shù)（CV）。為了更好地測量不同個體之間局部腦活動的動態(tài)變化，本研究使用CV 作為dALFF，它代表了低頻局部腦活動中絕對能量消耗的時間變異性。動態(tài)ALFF 在RESTplus v1.24 的temporal dynamic analysis（TDA）模塊計算。在SPM12 工具包對梗死組及健康對照組的dALFF 值進行兩樣本t檢驗，使用高斯隨機場（GRF）理論進行多重比較校正（體素水平P＜0.05，團塊水平P＜0.05，雙尾），以年齡、性別、受教育程度作為協(xié)變量。在Xjview10 工具包對兩組顯著差異腦區(qū)的dALFF值進行提取。

1.5 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)。服從正態(tài)分布的計量資料以均數(shù)±標準差（）表示，組間比較采用t檢驗；不服從正態(tài)分布的計量資料以中位數(shù)（四分位數(shù)）[M（P25～P75）]表示，組間比較采用非參數(shù)檢驗。計數(shù)資料以百分率（%）表示，組間比較采用χ2檢驗。對梗死組顯著差異腦區(qū)的dALFF值與NIHSS評分、Fugl-Meyer運動功能評分進行Spearman相關(guān)分析。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組dALFF結(jié)果比較 與健康對照組比較，梗死組在左側(cè)顳極、海馬旁回、枕中回、背側(cè)額上回、內(nèi)側(cè)和旁扣帶回及右側(cè)直回、楔前葉dALFF 值增高（均P＜0.05），見表1、圖1。

表1 急性基底節(jié)區(qū)梗死組與健康對照組dALFF值差異腦區(qū)統(tǒng)計結(jié)果

圖1 急性基底節(jié)區(qū)腦梗死患者dALFF 時間變異性顯著的腦區(qū)

2.2 急性基底節(jié)區(qū)腦梗死患者腦區(qū)dALFF值與NI-HSS、FMA評分的Spearman相關(guān)分析結(jié)果

右側(cè)直回區(qū)域的dALFF 值與急性基底節(jié)區(qū)梗死患者NIHSS 評分呈負相關(guān)關(guān)系（r=-0.458，P=0.007），與FMA 下肢得分呈正相關(guān)關(guān)系（r=0.499，P=0.003），見圖2、圖3。

圖2 急性基底節(jié)區(qū)梗死患者右側(cè)直回的dALFF 值與NI-HSS得分相關(guān)分析散點圖

圖3 急性基底節(jié)區(qū)梗死患者右側(cè)直回的dALFF值與FMA下肢得分相關(guān)分析散點圖

3 討論

ALFF是檢測靜息狀態(tài)下與疾病相關(guān)的腦灰質(zhì)局部自發(fā)神經(jīng)活動的有效方法，能直接提示神經(jīng)元自發(fā)活動，進而反映大腦各區(qū)域神經(jīng)代謝活動的強弱。大腦動態(tài)圖反映了大腦活動的時間變異性[8]，因此只計算整個BOLD 信號時間序列的平均腦活動可能會損失許多大腦波動的細微信息[9]。在精神活動不受限制的靜息狀態(tài)下，檢測腦活動動態(tài)特征尤其重要。因此，本研究采用滑動窗口技術(shù)獲取短時間內(nèi)ALFF的時間變化信息并探討其對神經(jīng)功能重塑的意義。本研究結(jié)果顯示，梗死組多個腦功能區(qū)域dALFF 值增加，主要分布在左側(cè)顳上回、海馬旁回、枕中回、背側(cè)額上回、扣帶回中部及右側(cè)直回、楔前葉，提示這些區(qū)域腦部神經(jīng)元自發(fā)活動變異性增加、活躍。

背側(cè)額上回是輔助運動區(qū)（supplementary moter area,SMA）的組成部分。SMA是運動序列管理的主要大腦區(qū)域[10]?？v向研究發(fā)現(xiàn)，梗死早期此區(qū)域的激活與運動功能恢復有關(guān)，在梗死后亞急性期和慢性期激活減少[11]?？蹘Щ貐⑴c軀體運動功能[12]。枕中回是進行視覺信息的感覺處理中心，肢體運動嚴重依賴視覺指導[13]。本研究中急性基底節(jié)區(qū)梗死患者FMA評分低于健康對照組，表明患者運動功能受損。在背側(cè)額上回、扣帶回中部與枕中回區(qū)域的dALFF值增加，提示急性基底節(jié)區(qū)梗死患者在神經(jīng)功能恢復期間具有運動功能重組的潛力。楔前葉是默認模式網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)域。既往研究發(fā)現(xiàn)，基底節(jié)區(qū)腦梗死度中心度（DC）[14]和ALFF[15]的研究均發(fā)現(xiàn)楔前葉區(qū)域的功能異常。本研究也發(fā)現(xiàn)急性基底節(jié)區(qū)梗死患者右側(cè)楔前葉區(qū)域dALFF值增高，這表明楔前葉腦區(qū)在基底節(jié)區(qū)腦梗死后腦功能重構(gòu)發(fā)揮著重要作用。直回、顳極和海馬旁回是邊緣系統(tǒng)的組成部分，是一組涉及情緒、動機、學習和記憶的大腦結(jié)構(gòu)。這些腦區(qū)的dALFF值增高提示，急性基底節(jié)區(qū)梗死患者在神經(jīng)功能恢復過程中涉及多個腦區(qū)代償性激活。

本研究結(jié)果顯示，右側(cè)直回區(qū)域的自發(fā)性神經(jīng)元活動的變異性增加與NIHSS評分呈負相關(guān)關(guān)系，與FMA下肢運動功能評分呈正相關(guān)關(guān)系。FMA 評分越高，運動能力越強，NIHSS評分越高，梗死神經(jīng)功能損害越嚴重，提示右側(cè)直回區(qū)域dALFF 值增高，可能是與急性基底節(jié)區(qū)梗死患者神經(jīng)功能恢復相關(guān)的一個指標。既往研究發(fā)現(xiàn)，較高認知和學習能力可能介導梗死患者更好的運動功能恢復[16]，本研究結(jié)果與上述研究一致。右側(cè)直回與人類認知功能相關(guān)，該區(qū)域dALFF值增高，且與FMA下肢運動功能評分呈正相關(guān)關(guān)系，提示右側(cè)直回自發(fā)活動波動增加在急性基底節(jié)區(qū)梗死患者的運動功能重塑機制發(fā)揮著重要作用。

綜上所述，本研究應用dALFF方法分析基底節(jié)區(qū)急性腦梗死患者區(qū)域神經(jīng)活動的時域動態(tài)特征發(fā)現(xiàn)，腦區(qū)自發(fā)性神經(jīng)活動的動態(tài)性顯著增高主要集中在情緒、認知和運動相關(guān)的功能區(qū)域，提示dALFF 能捕捉到基底節(jié)區(qū)梗死后腦功能重塑的存在。右側(cè)直回區(qū)域的自發(fā)性神經(jīng)元活動的動態(tài)變化與急性基底節(jié)區(qū)腦梗死患者神經(jīng)功能恢復存在相關(guān)性。

本研究也存在以下局限：（1）進一步的縱向研究可能會豐富和提高對梗死恢復期大腦結(jié)構(gòu)皮層自發(fā)神經(jīng)元活動的動態(tài)特征的理解。（2）研究樣本相對較小，后續(xù)研究需要增加樣本量以得到更加可靠及有效的統(tǒng)計結(jié)果。