基于不同運動亞型的帕金森腦灰質(zhì)體積及自發(fā)活動功能的臨床研究

熊思寧,郭瑞,陳寧,鄧得峰,吳英,宋秋霞,馬靜

帕金森病(Parkinson′s Disease,PD)是第二大流行的神經(jīng)退行性疾病,通常以運動癥狀為特征,如靜息性震顫、僵硬、運動遲緩和姿勢不穩(wěn)等,根據(jù)運動障礙可分為震顫型(tremor dominant,TD)和姿勢不穩(wěn)/步態(tài)障礙型(postural instability/gait difficulty,PIGD)[1]。PD具有非常強的異質(zhì)性,不同亞型具有不同的臨床過程和預后[2]。探索PIGD和TD亞型之間的差異可能有助于指導個體化治療和預測預后。但是目前依賴于臨床癥狀、統(tǒng)一帕金森病等級量表評分(unified Parkinson′s Disease Rating Scale,UPDRS) 、簡易狀態(tài)評分量表(Mini-Mental State Examination,MMSE) 評分乃至化學生物標記物及影像學的PD亞型分型方法仍存在很多缺陷和爭議。基于體素的形態(tài)學測量(voxel based morphometry,VBM)可以定量分析腦灰質(zhì)體積(gray matter volume,GMV)[3],在PD運動亞型中的結(jié)果并不一致[4],且部分研究結(jié)果并未通過校正[5],因此有必要進一步在PIGD和TD之間進行神經(jīng)解剖學比較。低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF) 、低頻振蕩振幅百分比(percent amplitude of fluctuation,PerAF)可以檢測血氧水平依賴(blood oxygen levels are dependent,BOLD)信號,從而反映大腦自發(fā)活動強度。ALFF在PD等中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中被廣泛應用,之前的研究表明PIGD與TD之間存在差異,但結(jié)果存在矛盾之處[6,7],且近期一項研究使用ALFF并沒有發(fā)現(xiàn)PIGD與TD之間的差異性[8]。PerAF在研究靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state fMRI,rs-fMRI)異常BOLD信號方面具有良好的可靠性,比其他MRI分析方法更準確[9]。因此,本研究擬采用VBM、ALFF、PerAF探索PD患者不同運動亞型灰質(zhì)體積及靜息狀態(tài)下腦功能自發(fā)活動的改變,并進一步分析這些差異與臨床評分的相關(guān)性,旨在提供更多PD亞型相關(guān)的神經(jīng)解剖學和局部神經(jīng)活動的影像學證據(jù)。

材料與方法

1.病例資料

根據(jù)《中國帕金森病的診斷標準(2016版)》診斷標準[10]和PD運動分型標準[1,11],納入2021年9月至2022年9月期間新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科收治的56例PD患者,其中男33例,女23例,PIGD型35例,TD型21例。同時,納入40例性別、年齡、文化程度相匹配的受試者為健康對照組(healthy control,HC)。病例組與對照組的共同排除標準:①腦實質(zhì)病變;②存在腦部手術(shù)史、明顯頭部外傷史;③其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神疾病對腦結(jié)構(gòu)、功能結(jié)果干擾者;④MRI檢查禁忌癥;⑤圖像質(zhì)量差或頭部存在可能影響圖像質(zhì)量的金屬異物;⑥非右利手。本研究通過新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團醫(yī)院倫理委員會批準(202200701),全體受試者均知情同意。

PD運動亞型主要由UPDRS評分的第二部分和第三部分確定,8項震顫相關(guān)評分的平均分與5項運動障礙相關(guān)評分的平均分比值≥1.5時為TD型,比值≤1時為PIGD型[1,11]。

2.檢查方法

采用Discovery MR 750 3.0T MRI掃描儀采集數(shù)據(jù)。使用8通道相控陣頭頸部聯(lián)合線圈,用泡沫固定所有受試者的頭部,要求保持靜止,閉上眼睛,但不要入睡,盡量不要系統(tǒng)地思考。采用高分辨率3D-T1BRAVO采集結(jié)構(gòu)像,掃描參數(shù):TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,翻轉(zhuǎn)角12°,矩陣256×256,視野240 mm×240 mm,層厚1.0 mm,層數(shù)172,層間隔0 mm,掃描時間為4 min 22 s。使用BOLD序列采集功能像,掃描參數(shù):TR 2000 ms,TE 35 ms,翻轉(zhuǎn)角90°,矩陣64×64,視野240 mm×240 mm,層厚4.0 mm,層數(shù)39,層間隔0 mm,共256個時間點,掃描時間為8 min 32 s。

3.數(shù)據(jù)處理

所有DICOM圖像都被轉(zhuǎn)換為Nifti格式,使用MRIcron軟件對運動或其他偽影進行視覺檢查。然后基于Matlab R2017a平臺使用SPM12的計算解剖學工具箱CAT12進行圖像預處理,圖像經(jīng)過偏場校正,組織分割獲得GM、白質(zhì)和腦脊液體積,使用DARTEL算法進行歸一化,通過查看質(zhì)量報告,排除平均分數(shù)在B+以下的參與者,最后在SPM12中使用8 mm半峰全寬(FWHM)高斯核對GM圖像進行平滑處理。

基于Matlab R2017a平臺使用Restplus V1.24工具包進行腦功能數(shù)據(jù)預處理,包括以下步驟:格式轉(zhuǎn)換,刪掉前10個時間點;層面時間校正;頭部運動校正;排除運動超過2.5 mm或2.5°的參與者;結(jié)構(gòu)和功能空間配準采用DARTEL配準法,實現(xiàn)標準蒙特利爾神經(jīng)病學研究所(montreal neurological institute,MNI)空間的轉(zhuǎn)換,采用3 mm體素大小重采樣;6 mm FWHM平滑;去線性漂移;回歸Friston24頭部運動參數(shù)、白質(zhì)和腦脊液信號。然后計算ALFF,帶通濾波處理(頻段0.01～0.08 Hz)將由于低頻漂移或高頻生理噪聲造成的影響降至最低,計算PerAF。最后所有結(jié)果均進行標準化,用于統(tǒng)計學分析。

4.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計學分析。采用K-S檢驗計量資料正態(tài)性,符合正態(tài)分布者以均值±標準差表示,不符合者以中位數(shù)(四分位數(shù))表示。計量資料中,兩組變量的組間比較符合正態(tài)分布者采用雙樣本t檢驗,不符合者采用MannWhitneyU檢驗;三組變量的組間比較符合正態(tài)分布且方差齊者采用單因素方差分析,不符合者采用K-W檢驗。計數(shù)資料的組間比較采用卡方檢驗。以P<0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

使用DPABI對PIGD、TD和HC三組的GMV進行協(xié)方差分析(ANCOVA),將年齡、性別、受教育年限、全腦體積(total intracranial volume,TIV)作為協(xié)變量進行控制;三組標準化后的ALFF、PerAF值進行ANCOVA分析,控制年齡、性別、受教育年限,組間兩兩比較采用兩樣本Post-Hoct檢驗;所有結(jié)果采用GFR校正,設(shè)置體素P<0.001和集群水平P<0.05。將Post-Hoct檢驗有差異的腦區(qū)與UPDRS-Ⅱ、UPDRS-Ⅲ、MMSE評分、PIGD評分、TD評分進行相關(guān)性分析,兩者都為正態(tài)使用pearson相關(guān)性分析,其中一個為非正態(tài)使用spearman相關(guān)性分析,采用Bonferroni校正,以P校正<0.0014(0.05/35≈0.0014)為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

1.臨床資料

PIGD組、TD組、HC組三組患者的年齡、性別、受教育程度差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05),PIGD組與TD組在病程、UPDRS-Ⅱ、UPDRS-Ⅲ上差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05),PIGD組的H-Y分期大于TD組(P<0.05),PIGD組的MMSE評分小于TD組(P<0.05,表1)。

表1 三組間人口學和臨床資料比較

2.三組間GMV差異

與HC組相比,PIGD組右側(cè)海馬、右側(cè)顳極(顳上回)、右側(cè)顳中回及左側(cè)海馬旁回的灰質(zhì)體積明顯縮小(表2,圖1),差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05,GFR校正);TD組與HC組,TD組與PIGD組的灰質(zhì)體積差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05,GFR校正)。

表2 PIGD組與HC組灰質(zhì)體積的差異腦區(qū)

圖1 PIGD組與HC組GMV差異。藍色區(qū)域為PIGD組較HC組灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)。

3.三組間ALFF、PerAF差異

與HC組相比,PIGD組的PerAF值在右側(cè)直回顯著降低,在左側(cè)島蓋部額下回顯著增加(表3、圖2a);與HC組相比,TD組的PerAF值在右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回顯著降低(表4,圖2b)(P<0.05,GFR校正);TD組與PIGD組間PerAF差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05,GFR校正)。

表3 PIGD組與HC組PerAF的差異腦區(qū)

表4 TD組與HC組PerAF的差異腦區(qū)

圖2 PerAF組間差異。 a) 藍色區(qū)域為PIGD組較HC組PerAF降低的腦區(qū),紅黃區(qū)域為PIGD組較HC組PerAF升高的腦區(qū);b) 藍色區(qū)域為TD組較HC組PerAF降低的腦區(qū)。

在ALFF圖像中,PIGD組、TD組、HC組三組間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05,GFR校正)。

4.相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示,PIGD患者右側(cè)海馬的灰質(zhì)體積與MMSE評分呈正相關(guān)(r=0.541,P=0.001)(圖3)。

圖3 PIGD組右側(cè)海馬灰質(zhì)體積與MMSE評分的相關(guān)性散點圖。

討 論

PD是一種進行性神經(jīng)退行性運動障礙疾病,由存在于基底神經(jīng)節(jié)的黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元變性引起。PD患者的臨床癥狀、基因構(gòu)成、發(fā)病年齡、疾病進展速度和對治療的反應各不相同[12]。PD患者表現(xiàn)出高度異質(zhì)性的臨床特征及多樣性的進展,均表明其具有復雜的微結(jié)構(gòu)改變,涉及黑質(zhì)紋狀體通路以外的多個腦區(qū)結(jié)構(gòu)、功能和網(wǎng)絡(luò)的變化[13]。本研究采用VBM、PerAF方法發(fā)現(xiàn)PD患者不同運動亞型存在GMV和腦功能活動的改變,然而,ALFF方法沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異。本研究結(jié)果提示了一些神經(jīng)解剖學和功能活動差異,這些差異可能有助于解釋PD病PIGD和TD亞型在臨床表現(xiàn)上的異質(zhì)性。

1.PD不同運動亞型GMV差異

本研究結(jié)果顯示,與HC組相比,PIGD組患者右側(cè)海馬、右側(cè)顳極(顳上回)、右側(cè)顳中回及左側(cè)海馬旁回的GMV明顯縮小,這與之前的研究結(jié)果一致。PIGD患者存在與運動、認知、邊緣和聯(lián)想功能相關(guān)的區(qū)域廣泛的灰質(zhì)萎縮,包括額葉、頂葉、枕葉和顳葉[14],這可能與PIGD患者的皮質(zhì)中具有更多的路易體形成、淀粉樣蛋白沉積有關(guān)[15]。海馬、海馬旁回均屬于顳葉,也是邊緣系統(tǒng)的重要區(qū)域。顳葉在認知功能中起著重要作用,顳區(qū)的灰質(zhì)異常與執(zhí)行功能、注意力和記憶力受損有關(guān)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)與HC組和不伴輕度認知障礙的PD患者相比,伴有輕度認知障礙的PD患者在顳上回存在GMV萎縮[16]以及顳葉皮層厚度減少[17]。任基剛等[18]發(fā)現(xiàn)PD伴認知障礙患者海馬及海馬旁回的GMV均明顯萎縮。

PIGD患者GMV萎縮可能有助于解釋PIGD亞型比TD亞型更嚴重的臨床特征。多項研究顯示,PIGD亞型進展更快,對神經(jīng)系統(tǒng)功能的損害更大,更嚴重的運動、非運動癥狀,更差的生活質(zhì)量;在治療方面,PIGD亞型對腦深部刺激和左旋多巴反應也更差,預后更差[19,20]。本研究隨機納入的受試者的臨床數(shù)據(jù)也顯示出PIGD患者的H-Y分期高于TD患者,PIGD患者非運動癥狀中的認知評分低于TD患者。并且本研究在相關(guān)性分析中發(fā)現(xiàn)右側(cè)海馬的GMV與MMSE評分呈正相關(guān),進一步肯定了PIGD患者更容易出現(xiàn)認知功能損傷。

2.PD不同運動亞型腦功能自發(fā)活動差異

本研究沒有發(fā)現(xiàn)PIGD組與TD組間ALFF、PerAF的統(tǒng)計學差異,這與候亞男等[7]的研究結(jié)果相同,該團隊觀察了87例PIGD和51例TD患者,沒有發(fā)現(xiàn)兩組間ALFF的統(tǒng)計學差異。他們分析的原因可能是PD患者處于服藥階段進行了臨床評估和MRI,此時癥狀可能較輕,PIGD和TD兩種亞型之間的自發(fā)大腦活動沒有顯著差異。本研究中PD患者絕大部分也是在服藥后12小時內(nèi)進行MRI掃描。但該研究并沒有探究PD病不同運動亞型與HC之間是否存在異常腦功能活動。本研究使用ALFF沒有發(fā)現(xiàn)PIGD與HC、TD與HC之間的腦功能差異。然而,通過計算PerAF,發(fā)現(xiàn)與HC組相比,PIGD組患者、TD組患者均存在腦功能異常。PerAF 是一種新的fMRI分析方法,已被廣泛應用于研究具有潛在腦部功能改變的疾病,包括2型糖尿病[21]、晚年抑郁癥[22]、牙痛[23]等。PerAF不是在體素水平檢測BOLD信號,而是測量每個時間點BOLD波動相對于平均BOLD信號強度的百分比,并在整個時間序列中對這些進行平均,直接表明BOLD信號波動的靜息狀態(tài),在掃描儀內(nèi)和掃描儀間均具有更好的重測可靠性[24]。PerAF在度中心性、ALFF和局部一致性方面表現(xiàn)出性能最佳[25]。因此,PerAF方法可能可以提高在發(fā)現(xiàn)PD病不同亞型腦功能變化時的靈敏度。本研究結(jié)果顯示,與HC組相比,PIGD組患者右側(cè)直回的PerAF值顯著降低,左側(cè)島蓋部額下回的PerAF值顯著增加,TD組患者右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回的PerAF值降低。

本研究發(fā)現(xiàn)PIGD與TD均存在額葉功能減低,這與王建偉等[26]的研究結(jié)果一致。既往研究顯示,TD亞型的異常主要在紋狀體/小腦-丘腦-皮層環(huán)路的相關(guān)腦區(qū),PIGD亞型的異常主要在紋狀體-丘腦-皮層環(huán)路和視覺網(wǎng)絡(luò)皮層相關(guān)腦區(qū)[27]。額葉主要為紋狀體-丘腦-皮層環(huán)路中前額環(huán)路的投射皮層,額葉被認為與許多高級、復雜的認知功能有關(guān)[28,29],包括執(zhí)行功能、注意力、記憶力、語言能力、決策能力、調(diào)節(jié)社會行為能力等。因此PD不同運動亞型出現(xiàn)前額葉功能損傷與此相符。PIGD患者還顯示島蓋部額下回興奮性的增高,這可能是由于PIGD較TD更容易出現(xiàn)認知功能損害,PIGD患者出現(xiàn)認知功能下降的早期代償表現(xiàn)途徑,通過代償性興奮,控制PIGD患者潛在的認知損傷。先前的一項研究也表明,額葉功能活動的增強是PD病的一種代償或拮抗機制,即隨著運動癥狀的增加,額葉通過增加PD個體的活動來抑制運動癥狀[30]。

本研究存在以下局限性:首先,樣本量較小,尤其是TD亞型,可能導致TD異常不顯著;其次,為了獲得最佳的圖像質(zhì)量,沒有控制患者于檢查前12 h停止服用治療PD相關(guān)藥物,可能對結(jié)果產(chǎn)生一定影響,如未能發(fā)現(xiàn)異常改變與PIGD評分、TD評分之間存在相關(guān)性,但是即使在“關(guān)期”進行掃描,也無法排除長期的左旋多巴藥物使用對數(shù)據(jù)的干擾。因此,未來需要進一步擴大樣本量,并且在縱向水平上關(guān)注藥物對PD不同運動亞型腦結(jié)構(gòu)和功能的影響。

綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)PIGD與TD患者均存在額葉功能的異常,PIGD患者存在顳葉灰質(zhì)體積的萎縮,這種異常與認知功能有關(guān),有助于區(qū)分PD不同運動亞型。這些差異可以為臨床提供PD異質(zhì)性的神經(jīng)解剖學和功能學的影像學依據(jù),為個體化治療和預后觀察提供參考。