額顳葉和小腦及感覺運動區(qū)局部的度中心度值異常與帕金森患者凍結(jié)步態(tài)有關(guān)

湯偉，徐倩，高婷婷，董遼，楊光，杜小霞，陳偉*

帕金森?。≒arkinson's disease, PD）是一種中老年人常見的神經(jīng)退行性疾病，中晚期患者常常合并有凍結(jié)步態(tài)（freezing of gait, FOG）[1]，作為一種發(fā)作性步態(tài)障礙[2]，F(xiàn)OG 主要表現(xiàn)為行走時雙足有粘地感，常在起步、轉(zhuǎn)身、經(jīng)過狹窄空間時誘發(fā)，患者的跌倒風(fēng)險明顯增加[3]，患者生活質(zhì)量顯著下降[4]。伴有FOG 的PD 患者運動功能受損更明顯，往往合并有認(rèn)知及情感障礙。然而，有關(guān)PD 患者中FOG 發(fā)生的病理生理學(xué)機制至今尚不明了[5]，需要進(jìn)一步探究。

靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）測量靜息狀態(tài)下大腦局部的功能活動以及腦區(qū)之間的功能相互作用，能夠非侵入性評估大腦的功能連接[6]，其常用于腦疾病和腦認(rèn)知的研究。前人rs-fMRI 研究揭示PD 伴有FOG（PD with FOG, FOG+）的患者額葉區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生了變化[7-8]。也有研究發(fā)現(xiàn)FOG+的PD 患者小腦結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能變化[9-11]。此外，負(fù)責(zé)視覺空間功能的額頂網(wǎng)絡(luò)在FOG的研究中也備受關(guān)注[12]。綜述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)FOG+的研究發(fā)現(xiàn)廣泛的皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域存在功能性連接障礙，然而詳細(xì)的PD 伴FOG 亞型還需要進(jìn)一步闡明當(dāng)前的發(fā)現(xiàn)[13]。近年來，越來越多的研究應(yīng)用圖論的方法對神經(jīng)精神疾病進(jìn)行腦功能網(wǎng)絡(luò)的分析[14]。在這些圖論方法中，基于體素的度中心度（degree centrality, DC）是一種常用的一種方法，它能夠觀測每一個體素（節(jié)點）在網(wǎng)絡(luò)中的重要性和中心性[15]。DC 通過計算單個節(jié)點與全腦功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他節(jié)點的連邊總數(shù)來衡量這個節(jié)點的重要性，可以較高敏感性、特異性和再現(xiàn)性繪制大腦中樞。與其他方法相比，它的優(yōu)點是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，不需要先驗經(jīng)驗定義感興趣區(qū)域，其結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性較好[16]。

目前關(guān)于FOG+病理機制尚不明確，相關(guān)的靜息態(tài)DC研究仍然較少。Guo等[17]通過DC觀測，發(fā)現(xiàn)與PD不伴有FOG（PD without FOG, FOG-）組相比，F(xiàn)OG+組右側(cè)額中回的DC值顯著增加。Jin等[18]分別觀測FOG+，F(xiàn)OG-和健康對照（healthy controls, HC）三組被試，采用雙樣本t檢驗比較各組間的DC，發(fā)現(xiàn)各組間DC值差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。目前關(guān)于FOG亞型的研究還十分有限，前人的研究結(jié)果不一致且沒有從主效應(yīng)的角度分析FOG+，F(xiàn)OG-和HC 差異[17-18]，此外DC 值變化與臨床評分的相關(guān)性需要進(jìn)一步探究。

本研究采用了rs-fMRI 的DC 值指標(biāo)探究FOG+的局部腦功能變化，同時應(yīng)用凍結(jié)步態(tài)問卷[19]評估FOG情況，F(xiàn)OG 問卷第三項得分大于等于1 分，認(rèn)為患者存在FOG；分別采用簡易精神狀態(tài)評估量表（Mini Mental State Examination, MMSE）及17 項漢密爾頓抑郁量表（17-item Hamilton Rating Scale for Depression, HAMD-17）評估患者的認(rèn)知及抑郁狀態(tài)，探索DC 值顯著變化的腦區(qū)與FOG 嚴(yán)重程度以及認(rèn)知功能的相關(guān)性。首先通過主效應(yīng)分析，探測三組被試主要差異，然后進(jìn)一步進(jìn)行雙樣本分析差異的來源和亞型特征。本文旨在進(jìn)一步探究FOG 產(chǎn)生的病理機制，提供有價值的影像學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

招募2017 年1 月至2019 年11 月期間在上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科門診診斷為原發(fā)性PD 的患者53 例，其中17 例為FOG+，36 例FOG-，44例HC作為對照組，三組被試性別和年齡經(jīng)過統(tǒng)計檢驗差異無統(tǒng)計學(xué)意義，并均為右利手，具體信息見表1。HC組納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）右利手且母語為漢語；（2）認(rèn)知功能正常，無焦慮抑郁；（3）無三高，無服藥史；（4）無金屬植入，無手術(shù)史；（5）無偏頭痛、中風(fēng)等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。PD 組納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）PD 的診斷符合2015 年國際運動障礙病協(xié)會提出的PD 臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[20]；（2）年齡40～75 歲；（3）右利手且母語為漢語；PD 組排除標(biāo)準(zhǔn)如下：（1）服用非用于PD 治療的藥物；（2）有其他神經(jīng)系統(tǒng)疾??；（3）有金屬植入物。除了基本人口學(xué)資料外，對PD患者進(jìn)行額外的神經(jīng)心理學(xué)評估，采用Hoehn-Yahr分期評估運動功能；應(yīng)用FOG問卷評估FOG情況，F(xiàn)OG問卷第三項得分大于等于1分，認(rèn)為患者存在FOG，以此將PD組分為FOG+和FOG-組；分別采用MMSE及HAMD-17評估患者的認(rèn)知及抑郁狀態(tài)。該研究屬于前瞻性研究，已通過上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院（2016-44-T1）和華東師范大學(xué)倫理委員會的倫理審批（批準(zhǔn)文號：HR 062-2018）。所有被試均按照流程簽署了知情同意書。

表1 帕金森病伴有凍結(jié)步態(tài)、不伴有凍結(jié)步態(tài)和對照組的人口學(xué)和主要臨床資料Tab.1 Demographic and key clinical data among PD with FOG,PD without FOG,and control group

1.2 磁共振掃描

所有磁共振數(shù)據(jù)在德國西門子公司生產(chǎn)的3.0 T Prisma 磁共振成像系統(tǒng)上完成，掃描使用西門子64通道頭頸線圈。為減少被試頭動，掃描前使用海綿固定被試頭部。本項目所有被試均接受了rs-fMRI和高分辨T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像的掃描。高分辨T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像的掃描使用的是磁化強度預(yù)備梯度回波（magnetization prepared rapid acquisition gradient echo,MPRAGE）序列，掃描參數(shù)如下：TR 2530 ms，TE 2.34 ms，反轉(zhuǎn)時間（inversion time, TI）1100 ms，反轉(zhuǎn)角（flip anglem, FA）7°，層數(shù)192，層厚1 mm，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矢狀位采集，層間距為50%，采集矩陣256×256。rs-fMRI 的掃描使用的是血氧水平依賴（blood oxygen level dependent, BOLD）對比平面回波脈沖序列，掃描參數(shù)如下：TR 2000 ms，TE 30 ms，F(xiàn)A 90°，橫斷位掃描共33 層，層厚3.5 mm，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，采集矩陣64×64，240 幀。靜息態(tài)數(shù)據(jù)采集時要求被試閉眼且保持放松狀態(tài)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用基于Matlab平臺的SPM 12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12）及DPABI 5.3 軟件（http://www.rfmri.org/dpabi）對rs-fMRI 圖像和高分辨T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。流程如下：去除rs-fMRI 圖像的前10 個時間點；進(jìn)行時間層校正和頭部運動校正，如果被試數(shù)據(jù)的任意方向平動大于等于2 mm或者轉(zhuǎn)動大于等于2°則排除于后續(xù)分析；將T1 加權(quán)像與rs-fMRI 圖像進(jìn)行線性對齊，6 個頭動參數(shù)以及白質(zhì)腦脊液信號作為協(xié)變量進(jìn)行回歸；再將對齊后的rs-fMRI 圖像標(biāo)準(zhǔn)化到蒙特利爾神經(jīng)研究所（Montreal Neurological Institute,MNI）的標(biāo)準(zhǔn)腦空間，以3 mm×3 mm×3 mm 的分辨率進(jìn)行重采樣；經(jīng)時域濾波（0.01 Hz＜f＜0.1 Hz）來減少低頻和高頻的呼吸影響帶來的噪聲。完成數(shù)據(jù)預(yù)處理之后計算全腦DC指標(biāo)。

參照前人研究采用的DC 值計算方法[15]，本研究DC 的計算采用二值化的度中心度方法，即納入計算的mask 內(nèi)所有體素時間序列構(gòu)成的連接組矩陣，在特定閾值（默認(rèn)r=0.25）下體素水平的正連接連邊數(shù)。因為負(fù)的功能連接可重復(fù)性不高，因此未計入DC值[21]。DC值計算完成后除以全腦的平均DC值得到的便是標(biāo)準(zhǔn)化DC 值，進(jìn)行Z 變換再用6 mm 半高全寬（fullwidth at half-maximum, FWHM）的高斯平滑核對其進(jìn)行空間平滑處理，全腦信號作為協(xié)變量去除。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPM 12軟件對三組被試者的DC圖進(jìn)行F檢驗，年齡和性別作為回歸協(xié)變量，得到三組之間的主效應(yīng)腦區(qū)。統(tǒng)計閾值在體素水平上為P＜0.001，團(tuán)塊水平再經(jīng)過整體誤差（familywise error rate,FWE）多重比較校正（P＜0.05，體素數(shù)＞20）即結(jié)果有統(tǒng)計學(xué)意義，最終統(tǒng)計F值大于等于7.44。然后進(jìn)行事后雙樣本t檢驗。DC 圖的雙樣本t檢驗中年齡和性別作為回歸協(xié)變量，分別得到兩組之間的DC 值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)。其中對DC 圖雙樣本t檢驗閾值為：體素水平上P＜0.001，團(tuán)塊水平FWE 多重比較校正P＜0.05，體素數(shù)＞20。

使用SPSS 23.0 軟件將被試者的臨床相關(guān)量表評分分值與差異有統(tǒng)計學(xué)意義改變腦區(qū)的DC值進(jìn)行相關(guān)性分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 三組F檢驗結(jié)果

F檢驗結(jié)果表明，三組間的主效應(yīng)在右側(cè)中央前回，右側(cè)中央后回，右側(cè)島葉，右側(cè)額內(nèi)側(cè)回，右側(cè)頂上小葉，右側(cè)額葉Sub-Gyral（表2，圖1）。

圖1 帕金森病不伴有凍結(jié)步態(tài)（FOG-)組、帕金森病伴有凍結(jié)步態(tài)（FOG+）組和健康對照（HC)組度中心度值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)圖。R：右側(cè)。Fig. 1 Brain area map with statistically significant difference in DC values among the three groups,R:right.

表2 FOG-組、FOG+組和HC組DC值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)Tab.2 Brain regions with statistically significant difference in DC values among PD without FOG,PD with FOG and HC group

2.2 FOG+與HC相比

雙樣本t檢驗表明，F(xiàn)OG+組在右側(cè)額內(nèi)側(cè)回，左側(cè)中央前回，右側(cè)顳上回的DC值顯著低于HC組，在左側(cè)額上回、右側(cè)額上回的DC 值顯著高于HC 組（圖2）。DC值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)詳見表3。

圖2 帕金森病患者伴凍結(jié)步態(tài)與健康對照組度中心度值差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)圖，黃色表示升高，藍(lán)色表示降低，R：右側(cè)。Fig. 2 Brain area map with statistically significant difference in DC value between Parkinson's disease patients with freezing of gait and healthy controls groups,yellow indicates increase,and blue indicates decrease,R:right.

2.3 FOG-與HC相比

雙樣本t檢驗表明，F(xiàn)OG-組在左側(cè)額上回，右側(cè)小腦Ⅸ小葉區(qū)的DC 值顯著高于HC 組，在右側(cè)中央后回、左側(cè)中央后回、右側(cè)額上回、左側(cè)中央前回、左側(cè)外核的DC值顯著低于HC組（圖3）。DC值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)詳見表3。

表3 FOG+、FOG-和HC組的DC組間差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)Tab.3 Significant within-group of DC value in PD without FOG,PD with FOG group and HC

圖3 帕金森病患者不伴有凍結(jié)步態(tài)與健康對照組度中心度值差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)圖，黃色表示升高，藍(lán)色表示降低，R：右側(cè)。Fig. 3 Brain area map with statistically significant difference in DC value between Parkinson's disease patients without freezing of gait and healthy controls groups,yellow indicates increase,and blue indicates decrease,R:right.

2.4 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析顯示FOG+組的FOG 問卷得分與左側(cè)中央前回、右側(cè)顳上回DC 值呈正相關(guān)（r=0.574，P=0.020；r=0.506，P=0.046）；右側(cè)額內(nèi)側(cè)回與HAMD-17得分呈正相關(guān)（r=0.547，P=0.028），見表4。

表4 FOG+組DC分析差異腦區(qū)個體DC平均值與臨床評分相關(guān)性Tab.4 Correlation between individual DC mean value and clinical score in different brain regions of FOG+group

3 討論

本文對比分析FOG+、FOG-和HC 三組DC 值，探測PD患者腦功能活動的特征及FOG特異性腦區(qū)，試圖探索FOG 發(fā)生的病理生理學(xué)機制。在本研究中采用嚴(yán)格的統(tǒng)計閾值，首先觀測三組主效應(yīng)差異然后進(jìn)一步分析雙樣本之間的差異。在前人的研究中未見主效應(yīng)的報道。在本研究中沒有觀察到FOG-和FOG+兩組之間差異有統(tǒng)計學(xué)意義。而Jin 等[18]研究發(fā)現(xiàn)與FOG-相比，F(xiàn)OG+在額葉中回和顳下回中的DC 降低。Guo 等[17]研究發(fā)現(xiàn)與FOG-組相比，PD-FOG+組右側(cè)額葉中回的DC 值顯著增加，而其他灰質(zhì)區(qū)域差異無統(tǒng)計學(xué)意義。與前人報道中研究結(jié)果不一致。

3.1 三組主效應(yīng)

主效應(yīng)F檢驗發(fā)現(xiàn)FOG+、FOG-和HC 三組間的主效應(yīng)腦區(qū)主要在右側(cè)半球，包括右側(cè)中央前回，右側(cè)中央后回，右側(cè)島葉，右側(cè)額內(nèi)側(cè)回，右側(cè)頂上小葉，右側(cè)額葉Sub-Gyral。有研究提示PD 的主要左側(cè)癥狀（右半球）與較慢的步態(tài)和較差的狹窄門路判斷有關(guān)[22]；左半球優(yōu)先參與言語處理和運動控制，而右半球在空間認(rèn)知、身體模式和行動抑制方面起著更大的作用[23]。本研究的結(jié)果也提示PD 患者主要受損的部位在右半球，和前人的研究結(jié)果一致[22]。

3.2 FOG+局部腦功能改變

進(jìn)一步雙樣本分析發(fā)現(xiàn)，相比HC組，F(xiàn)OG+組在右側(cè)額內(nèi)側(cè)回，左側(cè)中央前回，右側(cè)顳上回的DC值顯著降低；而在左側(cè)額上回、右側(cè)額上回的DC 值顯著升高。Jin等[18]研究發(fā)現(xiàn)與HC相比，F(xiàn)OG+患者的額葉中回、顳上回、海馬旁回、顳下回和顳中回DC降低，與本研究結(jié)果部分一致。有研究提示額葉區(qū)域的結(jié)構(gòu)和功能變化是FOG 產(chǎn)生的關(guān)鍵病理生理機制[24]。右側(cè)額內(nèi)側(cè)回、左側(cè)中央前回、左側(cè)額上回和右側(cè)額上回位于額葉，額葉與運動中認(rèn)知功能有關(guān)，當(dāng)步態(tài)需要注意資源時需要更多的額葉參與，例如在陌生環(huán)境中行走[25]。FOG+額葉局部的DC 值的改變提示額葉執(zhí)行注意力功能的異常，這可能和FOG的發(fā)生有密切關(guān)系。右側(cè)顳上回位于顳葉的外側(cè)，如果該腦區(qū)出現(xiàn)損傷，那么記憶、情感和感覺中樞的功能將會受到影響，此外患者的平衡能力可能也會發(fā)生障礙[26]。有研究提示PD 中的FOG 與皮質(zhì)-小腦通路以及參與視覺加工的視覺顳區(qū)異常有關(guān)[27]。因此本文觀察到FOG+顳上回的DC 值的降低可能和FOG+平衡能力障礙有關(guān)。

3.3 FOG-局部腦功能改變

雙樣本比較發(fā)現(xiàn)，與HC組相比，F(xiàn)OG-組在左側(cè)額上回，右側(cè)小腦Ⅸ小葉區(qū)的DC值顯著升高；而在右側(cè)中央后回、左側(cè)中央后回、右側(cè)額上回、左側(cè)中央前回、左側(cè)外核的DC 值顯著降低。有研究提示小腦參與了多種運動功能，包括內(nèi)部姿勢模型、身體運動的感知、運動計劃和對環(huán)境變化的運動適應(yīng)[28]。小腦與額葉網(wǎng)絡(luò)存在協(xié)同作用[29]。FOG+右半球額葉和頂葉區(qū)域的新陳代謝低下[30-31]。前額葉皮層可能在控制步態(tài)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[32]。本研究觀測到額葉和小腦局部DC 值升高，可能提示在FOG-患者在步態(tài)能力下降時（步態(tài)凍結(jié)即將發(fā)生初期）額葉和小腦發(fā)揮了代償作用以維持FOG-正常的步態(tài)。而FOG-組在右側(cè)中央后回、左側(cè)中央后回、右側(cè)額上回、左側(cè)中央前回、左側(cè)外核的DC值顯著降低提示其功能受損，這些腦區(qū)主要和體感及運動功能相關(guān)，可能和PD 其他運動障礙，如感覺運動障礙有關(guān)[33]。

3.4 局部腦功能變化與臨床評分相關(guān)

FOG 問卷得分表明了步態(tài)凍結(jié)嚴(yán)重程度[19]，進(jìn)一步相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)FOG 問卷得分與FOG+組左側(cè)中央前回、右側(cè)顳上回DC值呈正相關(guān)（r=0.574，P=0.020；r=0.506，P=0.046）；HAMD-17 得分與FOG+組右側(cè)額內(nèi)側(cè)回呈正相關(guān)（r=0.547，P=0.028）。本研究表明FOG+的臨床癥狀與左側(cè)中央前回、右側(cè)顳上回的腦區(qū)活動有比較強的相關(guān)性。前人的研究也發(fā)現(xiàn)中央前回和顳上回的功能與FOG 有關(guān)[24-26]，本研究進(jìn)一步證實PD患者FOG癥狀可能與中央前回、顳上回的腦功能障礙有關(guān)。本研究還提示FOG+組右側(cè)額內(nèi)側(cè)回的功能的異常可能與抑郁癥狀密切相關(guān)[34-36]。有研究提示，焦慮和抑郁是FOG+中常見的非運動特征，與FOG的發(fā)生有關(guān)[37-39]。這種焦慮和抑郁的發(fā)生可能會減少FOG+的注意力資源，從而導(dǎo)致步態(tài)功能的障礙[40]。本研究進(jìn)一步證實右側(cè)額內(nèi)側(cè)回的功能異?？赡芘c抑郁癥相關(guān)，而且可能和步態(tài)凍結(jié)的發(fā)生也有關(guān)。

3.5 本研究的局限性

本研究為橫斷面研究，在單個時間點觀測到FOG不同亞型的腦功能活動特征，然而FOG隨著病情的發(fā)展而動態(tài)變化，因此縱向的跟蹤研究將能更好地觀測捕捉FOG 發(fā)生前后的影像學(xué)特征。其次雖然本文研究結(jié)果有統(tǒng)計學(xué)意義，但是FOG+組患者樣本量相對有限，可能降低了統(tǒng)計能力，使結(jié)果產(chǎn)生一定的偏倚。未來我們將納入更多的FOG+患者，以便更好地了解PD 患者中FOG 的神經(jīng)影像學(xué)特征，前瞻性隊列跟蹤研究將有助于探討PD 患者FOG 產(chǎn)生的病理機制。

綜上所述，本研究通過rs-fMRI 的DC 研究結(jié)果提示PD 患者額葉、中央前回、中央后回、顳葉和小腦的局部自發(fā)性腦活動異常可能與PD 患者FOG 的發(fā)生密切相關(guān)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。