帕金森病患者區(qū)域腦活動及動態(tài)功能連接的研究

陸瑤,李琰,伍雅婷,蘇卉,張洪英,吳晶濤

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一種老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,除了表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強直和步態(tài)障礙[1]等,還伴有一些其他的非運動癥狀,如便秘、睡眠障礙及精神認知功能減退[2]等。近年來,隨著靜息態(tài)功能磁共振發(fā)展,腦功能成像為帕金森病的病理生理機制研究提供了科學的理論依據(jù),尤其在功能連接及腦網(wǎng)絡(luò)分析等相關(guān)方面。局部一致性(regional homogeneity,ReHo)對于探究大腦局部活動變化具有一定價值,而不同腦區(qū)或組織之間的相互關(guān)系則需要通過功能連接(functional connectivity,FC)進一步分析。以往研究表明PD患者在“關(guān)期”狀態(tài)下ReHo值降低的區(qū)域主要集中在殼核及雙側(cè)小腦半球,而增加的腦區(qū)主要集中在輔助運動區(qū)(supplementary motor area,SMA)與感覺運動環(huán)路相關(guān)結(jié)構(gòu)腦區(qū)[3]。此外,PD患者輔助運動區(qū)也存在動態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)功能連接異常[4]。傳統(tǒng)的靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)的研究忽略了大腦自發(fā)活動的時間特性,而動態(tài)分析捕捉了短時間尺度上的時變特征,可以更準確地反映腦內(nèi)各種復雜功能結(jié)構(gòu)組織之間的關(guān)系,從而為研究神經(jīng)退行性疾病提供新的見解[5,6]。既往對于PD患者大腦局部活動異常導致的功能連接狀態(tài)研究涉及較少,所以本研究將局部區(qū)域腦活動與功能連接相結(jié)合,以局部一致性差異腦區(qū)作為種子點,并對其進行動態(tài)分析來觀察PD患者局部活動異常的腦區(qū)對全腦區(qū)域及所涉及相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)的影響。

材料與方法

1.研究對象

納入2018年8月-2021年8月經(jīng)本院確診的PD患者32例,均為右利手。納入標準:①所有患者均符合國際運動障礙協(xié)會(Movement Disorder Society,MDS)2015年制定的PD的診斷標準[7];②同意參與研究,并簽署書面知情同意書;③臨床資料完整且能配合完成相關(guān)MRI檢查。排除標準:①嚴重腦梗塞或腦萎縮所致腦空間結(jié)構(gòu)無法完成標準化配準要求的患者;②近期使用影響臨床評估相關(guān)藥物或其他治療方法者;③存在精神分裂癥等其他精神心理疾病影響結(jié)果的患者;④假牙或其他異物產(chǎn)生偽影干擾圖像的患者。所有PD患者在停止服用相關(guān)治療藥物12 h后才可進行相關(guān)臨床資料的評估及MRI檢查,以避免其對大腦神經(jīng)活動及腦網(wǎng)絡(luò)的干預。掃描前所有PD患者均采用統(tǒng)一帕金森病評分量表(Unified Parkinson's disease Rating Scale,UPDRS)[8]的第Ⅲ部分和蒙特利爾認知評估量表(MoCA)對患者的運動及認知功能進行評估。同時,納入同意參與本研究且年齡、性別相匹配的正常志愿者33例作為正常對照組(NC組)。本研究經(jīng)蘇北人民醫(yī)院倫理委員會審核批準(批準文號:J-2014066)。

2.圖像掃描及數(shù)據(jù)分析

采用GE Discovery MR750 3.0T(Milwaukee,USA)磁共振掃描儀進行MRI檢查,首先行常規(guī)頭顱平掃排除重要腦區(qū)梗死及其他器質(zhì)性病變,然后采用采用梯度回波序列行靜息態(tài)腦功能掃描,掃描參數(shù):TR 2000 ms,TE 30 ms,翻轉(zhuǎn)角90°,矩陣 64×64,層厚3.5 mm,層數(shù)33,掃描視野240 mm×240 mm,掃描時間8 min,共獲得240個時間點的數(shù)據(jù);3D T1WI序列,掃描參數(shù):TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,翻轉(zhuǎn)角12°,矩陣256×256,層厚1 mm,層數(shù)176。所有數(shù)據(jù)使用基于MATLAB 2018a平臺的SPM12.0及Restplus工具包進行預處理,首先去除前10個不穩(wěn)定時間點的圖像數(shù)據(jù),將剩下的時間點數(shù)據(jù)進行時間層校正和頭動校正,對頭動位移大于2 mm或者旋轉(zhuǎn)大于2°的受試者排除,接著將個體T1WI圖像配準到平均功能圖像上進行分割以及空間標準化,然后利用回歸方法去除噪聲,包括線性漂移、Friston24參數(shù)模型頭動效應(yīng)、白質(zhì)及腦脊液信號,最后使用0.01～0.08 Hz的頻段進行低頻濾波從而減少對圖像的干擾。所有受試者在掃描全過程中需保持平靜、清醒狀態(tài)。

3.影像指標的計算

滑動時間窗是動態(tài)分析最常用的算法,使用MATLAB平臺的時域動態(tài)分析(temporal dynamic analysis,TDA)工具包對動態(tài)指標進行計算。以窗長32個TR,步長1個TR[9]來構(gòu)建窗口,共得到199個ReHo腦圖。然后,計算這些ReHo腦圖的標準差(standard deviation,SD)和每個體素在所有時間窗口中的平均值,接著將兩者相比得到的變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)值作為區(qū)域腦活動時間變異性的度量,最后對CV圖進行標準化和高斯空間平滑處理(FWHM=6 mm)提高信噪比,得到動態(tài)ReHo(dReHo)。同理,使用基于滑動窗口的方法進行功能連接動態(tài)分析,根據(jù)以往研究采用窗長為22個TR,步長為1個TR[10],在整個掃描中獲得了209個連續(xù)窗口。在每一個滑動時間窗內(nèi),計算種子點與全腦灰質(zhì)體素時間序列的Pearson相關(guān)系數(shù)r值,通過Fisher r to z 轉(zhuǎn)換得到Z值,通過計算zFC的的標準差從而得到變異系數(shù)值,來代表FC的動態(tài)變化,即多個時間窗口內(nèi)功能連接的變異系數(shù)(functional connectivity variable coefficient,FCVC)。FCVC揭示了靜息態(tài)時所有窗口連通性上下波動的變化程度,從而評估腦區(qū)之間的動態(tài)相互作用,變異系數(shù)值大代表FC的總體波動水平越大。

4.統(tǒng)計學分析

首先對兩組間臨床資料進行統(tǒng)計學分析,性別比較采用卡方檢驗;年齡比較采用兩獨立樣本非參數(shù)檢驗。以年齡和性別作為協(xié)變量,對兩組dReHo圖像采用雙樣本t檢驗進行組間比較,并進行錯誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate,FDR)多重檢驗校正(體素水平:P<0.05,FDR校正)。接著以dReHo差異腦區(qū)作為種子點,分別對種子點與全腦其余體素功能連接的動態(tài)變化進行分析,將年齡、性別及平均頭動參數(shù)作為協(xié)變量加入分析,所得圖像數(shù)據(jù)使用雙樣本t檢驗進行組間比較,采用FDR方法進行多重檢驗校正(體素水平:P<0.05,FDR校正),得到兩組間FCVC差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)。提取差異腦區(qū)與種子點間的FCVC值,并與臨床評分進行Pearson相關(guān)分析,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1.兩組臨床資料分析

PD組共32例患者,其中男10例,女22例,年齡55.8～72.8歲,平均64.7歲,對照組共33例健康受試者,其中男17例,女16例,年齡59.0～67.0歲,平均62.8歲,兩組在性別、年齡上差異均無統(tǒng)計學意義(χ2=2.747,P=0.097;t=1.035,P=0.306)。所有PD患者平均病程2.0(1.0～5.0)年;MoCA評分為20.0(8.8～25.0);UPDRS-Ⅲ評分25.8±16.2。

2.兩組間dReHo和FCVC差異腦區(qū)分析

與NC組相比,PD組dReHo值減低的區(qū)域主要集中在左側(cè)尾狀核、右側(cè)殼核及雙側(cè)舌回(表1,圖1)。以左側(cè)尾狀核、右側(cè)殼核、右側(cè)舌回為種子點均未出現(xiàn)FCVC異常變化區(qū)域,而將左側(cè)舌回作為種子點,結(jié)果顯示與NC組相比,PD組左側(cè)舌回與右側(cè)舌回、雙側(cè)中央后回、右側(cè)中央前回、右側(cè)楔前葉之間的FCVC降低(表2,圖2),未見明顯FCVC增高腦區(qū)。

表1 PD組與NC組相比dReHo異常腦區(qū)

表2 2組相比左側(cè)舌回種子點與全腦灰質(zhì)存在FCVC差異腦區(qū)

圖1 動態(tài)局部一致性組間差異顯著腦區(qū)圖,藍色區(qū)域代表PD組較NC組功動態(tài)局部一致性減弱的腦區(qū)。圖2 功能連接動態(tài)變化組間差異顯著腦區(qū)圖,藍色區(qū)域代表PD組較NC組功能連接動態(tài)變化減弱的腦區(qū)。以左側(cè)舌回為種子點。

3.FCVC與臨床量表評分相關(guān)性分析

結(jié)果顯示左側(cè)中央后回與左側(cè)舌回的FCVC值與UPDRS-Ⅲ評分呈負相關(guān)(r=-0.438,P=0.01,圖3a);右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回的FCVC值與MoCA評分呈正相關(guān)(r=0.415,P=0.02,圖3b)。其余差異腦區(qū)與左側(cè)舌回的FCVC值與臨床評分均無相關(guān)性。

圖3 相關(guān)性分析散點圖。a)PD組左側(cè)中央后回與左側(cè)舌回FCVC值與UPDRS-Ⅲ評分呈負相關(guān)(r=-0.438,P=0.01);b)PD組右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回FCVC值與MoCA評分呈正相關(guān)(r=0.415,P=0.02)。

討 論

BOLD-fMRI作為一種迅速便捷、無侵入性,以脫氧血紅蛋白作為內(nèi)源性對比劑來反映大腦神經(jīng)元活動的磁共振成像技術(shù)[11],具有較好的時間和空間分辨力,在臨床研究中廣受歡迎?；谝酝奈墨I回顧,筆者發(fā)現(xiàn)只有少部分研究采用了基于BOLD信號的動態(tài)分析方法來探究帕金森病患者的腦神經(jīng)活動的時變性[12,13]。因此,本研究通過分析PD患者大腦局部一致性(ReHo)和功能連接(FC)的動態(tài)變化進一步探討帕金森病的發(fā)病機制及相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果顯示:相對于正常對照組,PD組左側(cè)尾狀核、右側(cè)殼核及雙側(cè)舌回dReHo減低。以左側(cè)舌回為種子點,PD組左側(cè)舌回與右側(cè)舌回、雙側(cè)中央后回、右側(cè)中央前回、右側(cè)楔前葉之間的FCVC降低。此外,左側(cè)中央后回與左側(cè)舌回之間的FCVC值與UPDRS-Ⅲ評分呈負相關(guān);右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回的FCVC值與MoCA評分呈正相關(guān)。綜合以上的兩種分析方法發(fā)現(xiàn)PD患者運動障礙的產(chǎn)生機制不僅僅局限在單一的感覺運動功能區(qū)域,而是多個腦功能網(wǎng)絡(luò)相互作用、相互影響,為進一步探索PD的腦功能網(wǎng)絡(luò)研究提供了新的理論依據(jù)。

ReHo作為傳統(tǒng)的基于體素的分析方法,被廣泛應(yīng)用于局部腦活動的研究。然而,這種靜態(tài)測量不能完美地捕捉到不同時間局部大腦活動的動態(tài)特征?；诨瑒哟翱赱14]的動態(tài)算法通過總結(jié)空間模式隨時間的變化來探究大腦自發(fā)神經(jīng)元活動,在神經(jīng)退行性疾病的研究中具有重大意義。本研究通過dReHo分析發(fā)現(xiàn)PD患者殼核、尾狀核以及舌回相關(guān)腦區(qū)出現(xiàn)異常。舌回屬于初級視覺皮層[15],與外周的枕葉皮質(zhì)共同參與視覺信息的整合和處理[16]。PD患者出現(xiàn)視覺網(wǎng)絡(luò)的異常,進而影響大腦對步態(tài)的調(diào)控,導致其出現(xiàn)不同程度的運動障礙或步態(tài)不穩(wěn)。此外,筆者還發(fā)現(xiàn)尾狀核、殼核等基底節(jié)神經(jīng)核團也出現(xiàn)dReHo的改變。PD的基本病理特征是中腦黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元異常變性、凋亡,導致整個基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路功能改變[17],從而引起患者運動及認知等功能發(fā)生障礙[18]。殼核屬于背側(cè)紋狀體的一部分,不僅參與了運動相關(guān)功能環(huán)路,同時也是基底節(jié)區(qū)多巴胺減少最為嚴重的核團[19,20]。尾狀核存在與邊緣葉、前額葉、頂枕顳葉大量的纖維投射,參與情緒、認知的調(diào)節(jié)[21]。所以前期以運動障礙為主要表現(xiàn)的PD患者,隨著病程的發(fā)展也許會出現(xiàn)其他的非運動癥狀。

既往文獻回顧,PD患者靜息狀態(tài)下異常FC多存在于默認模式網(wǎng)絡(luò)[22]、認知控制網(wǎng)絡(luò)以及其他皮層或皮層下系統(tǒng),如視覺皮層、小腦、尾狀核等[23]。而研究發(fā)現(xiàn)不同腦區(qū)間的FC隨著時間的推移而不斷動態(tài)變化?；八惴ㄊ莿討B(tài)FC最常用的分析方法,跨不同窗口導出的時變模式反映了FC的動態(tài)特征,成為我們理解神經(jīng)退行性疾病潛在神經(jīng)生理機制的有效途徑之一。Kim等[24]首次探究PD患者腦網(wǎng)絡(luò)動態(tài)FC變化的研究發(fā)現(xiàn),PD患者主要存在兩種FC狀態(tài)即頻率較高且分隔程度較高的“狀態(tài)Ⅰ”以及頻率較低但整合程度較高的“狀態(tài)Ⅱ”,且運動障礙程度與狀態(tài)Ⅰ停留時間呈負相關(guān),與狀態(tài)Ⅰ與狀態(tài)Ⅱ之間的轉(zhuǎn)換率呈正相關(guān)。因此,腦網(wǎng)絡(luò)動態(tài)FC變化和整合異?；蛟S可以成為PD的一個診斷標記。所以在進一步的FC動態(tài)分析中,本研究選擇dReHo異常腦區(qū)作為種子點探究其與全腦灰質(zhì)的動態(tài)功能連接。結(jié)果顯示與NC組相比,以左側(cè)舌回為種子點分析發(fā)現(xiàn)左側(cè)舌回與雙側(cè)中央后回、右側(cè)中央前回、右側(cè)舌回、右側(cè)楔前葉之間的FCVC降低。傳統(tǒng)意義上來講PD是一種運動障礙,以往已有研究證明PD患者感覺運動網(wǎng)絡(luò)(sensorimotor Network,SMN)存在FC異常[25],提示PD患者的感覺-運動整合功能受損。除此以外,視覺網(wǎng)絡(luò)也深其受影響,PD患者在患病后期往往會出現(xiàn)視幻覺[26]。Hacker等[27]發(fā)現(xiàn)PD患者感覺-運動和視覺區(qū)域以及邊緣上回的功能連接性較對照組降低。中央前、后回既是構(gòu)成感覺運動網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)域,也是反饋調(diào)節(jié)軀體運動的主要大腦皮層。本研究發(fā)現(xiàn)帕金森病患者中央前、后回與舌回之間的FCVC顯著降低,由此推測視覺網(wǎng)絡(luò)與感覺運動網(wǎng)絡(luò)的交互作用減少,從而導致PD患者出現(xiàn)步態(tài)障礙、運動遲緩等一系列癥狀[28]。楔前葉位于頂葉后側(cè),既與運動中視覺信息的處理相關(guān),也能通過綜合感覺信息并傳輸?shù)捷o助運動區(qū)和運動前區(qū)來參與運動與姿勢的控制[29]。此外,近期研究發(fā)現(xiàn)楔前葉屬于默認網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)的一個重要組成部分,它涉及到許多高水平的認知功能,例如情景記憶、自我相關(guān)的信息功能處理等[23,30]。本研究發(fā)現(xiàn)舌回與楔前葉的FCVC降低,表明楔前葉可能作用于涉及視覺空間信息的抽象認知過程。PD組右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回間的FCVC值與MoCA評分呈正相關(guān),提示目前以運動障礙為主的PD患者隨著病程的發(fā)展也可能伴有不同程度的認知障礙。

本研究具有一定局限性:①由于樣本量偏小,會影響統(tǒng)計結(jié)果的可信度,今后將進一步加大樣本量的搜集,并對其進行分型、分組研究。②未將教育程度相匹配作為兩組受試者的納入標準,對于相關(guān)腦功能的研究分析存在一定影響。③由于dReHo和dFC是基于一系列時間點的滑動窗口方法進行分析,因此動態(tài)分析對生理噪聲特別敏感。盡管筆者在預處理步驟中去除了生理噪聲,并且還選擇了相對合適的窗口大小,仍然不能完全消除生理噪聲帶來的不利影響。④受試者在檢查前雖然停止服用相關(guān)治療藥物12h以上,但不能絕對消除其對神經(jīng)元的潛在影響。希望在未來的研究中能夠盡力克服這些局限性。

總之,本研究先從腦區(qū)局部分離功能角度、再從腦區(qū)之間連接整合功能角度對PD患者腦功能進行分析,發(fā)現(xiàn)PD患者殼核、尾狀核、舌回相關(guān)腦區(qū)dReHo異常;另外以左側(cè)舌回為種子點進行分析發(fā)現(xiàn)其與中央前回、中央后回以及楔前葉之間的動態(tài)功能連接改變。綜合以上分析研究提示PD發(fā)病機制與多個腦功能網(wǎng)絡(luò)有關(guān),并且還存在運動與認知功能交互影響的可能,這將為進一步研究PD的發(fā)病機制提供影像學依據(jù),也為該病的臨床診斷、觀察提供了新的視角。