腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩愿淖冎С窒蛄繖C(jī)模型預(yù)測海馬硬化型顳葉癲癇患者術(shù)后轉(zhuǎn)歸

劉付金龍,劉高平,白義鈞,李 鳳,陳 錢,陳 玖,王正閣,張 冰,,*

(1.南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,江蘇 南京 210008;2.安徽省六安市人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,安徽 六安 237000;3.南京醫(yī)科大學(xué)鼓樓臨床醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像科,江蘇 南京 210008)

海馬硬化(hippocampal sclerosis, HS)型顳葉癲癇(temporal lobe epilepsy, TLE)是成人常見藥物難治性癲癇,以廣泛海馬神經(jīng)元丟失和膠質(zhì)增生為特征[1]。前顳葉切除術(shù)(anterior temporal lobectomy, ATL)是治療HS-TLE的首選外科手段,但33%～50%患者術(shù)后仍可出現(xiàn)癲癇發(fā)作[2]。靜息態(tài)功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)可通過檢測血氧水平依賴信號變化而評估大腦活動、觀察腦區(qū)之間的功能連接和網(wǎng)絡(luò)特性[3]。圖論分析為一種數(shù)學(xué)方法,可用于量化復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩訹4];基于rs-fMRI圖論分析能揭示大腦區(qū)域之間的功能整合或分離程度及信息傳遞方式[5]。本研究基于rs-fMRI圖論分析所獲HS-TLE患者腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩愿淖兘⒅С窒蛄繖C(jī)(support vector machine, SVM)模型,觀察其預(yù)測HS-TLE患者ATL術(shù)后轉(zhuǎn)歸的價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 回顧性分析2009年7月—2021年3月南京大學(xué)附屬金陵醫(yī)院收治的34例接受ATL的單側(cè)HS-TLE患者(HS-TLE組),男15例、女19例,年齡15～49歲、平均(26.9±9.1)歲;均為ATL術(shù)后2年;均為右利手并符合國際抗癲癇聯(lián)盟HS-TLE診斷標(biāo)準(zhǔn)[6];其中15例致癇灶位于左側(cè)海馬、19例位于右側(cè)海馬。排除標(biāo)準(zhǔn):①左利手或雙利手;②其他顳葉內(nèi)側(cè)病灶所致顳葉內(nèi)側(cè)癲癇,如局灶性皮層發(fā)育不良及皮層良性占位;③頭顱外傷或手術(shù)史;④MR禁忌證。根據(jù)癲癇Engel分級將HS-TLE組患者分為無癲癇發(fā)作(seizure-free, SF)亞組(Engel Ⅰa級,n=20)和癲癇發(fā)作(non-seizure-free, NSF)亞組(Engel Ⅰb～Ⅳ級,n=14)。另招募同期50名性別、年齡相匹配的健康對照者(healthy control, HC)為HC組,男27名、女23名,年齡19～46歲,平均(29.1±8.6)歲。本研究獲院倫理委員會批準(zhǔn)(2021-432-02)。檢查前受試者或家屬均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens TIM Trio 3.0T或Philips Ingenia 3.0T MR掃描儀及8通道頭部線圈掃描頭部。參數(shù):高分辨率3D-T1WI,采用三維梯度回波序列,TR 2 300 ms,TE 2.98 ms,FA 9°,FOV 256 mm×256 mm,矩陣256×256,層厚1 mm;rs-fMRI,采用平面回波成像序列,TR 2 000 ms,TE 30 ms,FA 90°,層厚4.0 mm,層間距0,FOV 240 mm×240 mm,矩陣64×64,層數(shù)35,共采集250個時間點(diǎn)。

1.3 圖像處理

1.3.1 預(yù)處理 采用Matlab R2022b平臺DPARSF 6.0工具包(http://rfmri.org/DPARSF)對rs-fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理:①轉(zhuǎn)換圖像格式;②對右側(cè)HS-TLE患者的圖像進(jìn)行左右翻轉(zhuǎn),使所有患者致癇灶均位于左側(cè)[7];③去除前10個時間點(diǎn)的信號;④校正時間層及頭動;⑤重定向圖像方向;⑥配準(zhǔn)與空間標(biāo)準(zhǔn)化,將數(shù)據(jù)配準(zhǔn)至蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)空間,并重采樣為體素3 mm×3 mm×3 mm;⑦濾波,選用0.01～0.1 Hz頻率消除混雜信號;⑧回歸協(xié)變量,去除頭動、腦白質(zhì)及腦脊液信號的干擾。所有受試者rs-fMRI頭動均<2 mm,旋轉(zhuǎn)角度<2°。

1.3.2 圖論分析 以Matlab平臺的GRETNA工具包(https://www.nitrc.org/projects/gretna)構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)及基于圖論分析的網(wǎng)絡(luò)屬性。采用自動解剖標(biāo)記90圖譜將大腦分成90個腦區(qū)并構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置網(wǎng)絡(luò)稀疏度閾值為0.05～0.50、間隔為0.05,計(jì)算所有受試者在該10個閾值點(diǎn)的大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性,包括介數(shù)中心性、度中心性及節(jié)點(diǎn)效率。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)評估組間及亞組間節(jié)點(diǎn)屬性的差異,以錯誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate, FDR)進(jìn)行校正。

1.3.3 分類分析 以亞組間差異具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的圖論指標(biāo)組成特征向量,采用Matlab 2022b內(nèi)置線性SVM進(jìn)行訓(xùn)練,以5折交叉驗(yàn)證法評價模型預(yù)測HS-TLE患者ATL術(shù)后轉(zhuǎn)歸的分類效能。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以χ2檢驗(yàn)比較定性資料。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料,以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示不符合正態(tài)分布者,行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)或Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 組間及 HS-TLE組內(nèi)亞組間一般資料差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05,表1)。

表1 34例HS-TLE與50名HC一般資料

2.2 圖論分析 相較HC組,HS-TLE組患側(cè)海馬介數(shù)中心性降低,對側(cè)額中回和額中回眶部及左側(cè)額下回島蓋部、額下回三角部、額下回眶部和尾狀核度中心性升高,而雙側(cè)海馬及左側(cè)海馬旁回、杏仁核、枕上回度中心性降低;HS-TLE組對側(cè)額中回及左側(cè)額下回三角部節(jié)點(diǎn)效率升高,而患側(cè)海馬、海馬旁回及杏仁核節(jié)點(diǎn)效率降低,見表2及圖1。

圖1 HS-TLE組與HC組存在顯著差異屬性的大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FDR校正) 色帶代表t值

HS-TLE組內(nèi),相比NSF亞組,SF亞組患側(cè)杏仁核及對側(cè)直回、角回、顳中回介數(shù)中心性降低,而對側(cè)枕上回、梭狀回介數(shù)中心性升高,且對側(cè)枕上回和枕中回度中心性及節(jié)點(diǎn)效率均升高。見圖2及表3。

表3 SF亞組相比NSF亞組存在顯著差異屬性的大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

2.3 SVM模型的分類效能 SVM模型預(yù)測34例HS-TLE患者ATL術(shù)后轉(zhuǎn)歸的準(zhǔn)確率為76.47%(26/34),見圖3。

圖3 SVM模型預(yù)測34例HS-TLE患者ATL術(shù)后轉(zhuǎn)歸

3 討論

海馬是TLE活動的中心;杏仁核及海馬旁回是TLE重要活動區(qū)域,包括癲癇起源、擴(kuò)散和傳播,均可致TLE發(fā)作[7]。既往研究[8]表明,HS-TLE患者顳葉內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)和功能受損可致腦區(qū)之間連接模式改變,使其結(jié)構(gòu)及功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)生重組。本研究發(fā)現(xiàn)HS-TLE患者大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋵傩园l(fā)生改變,主要表現(xiàn)為以海馬、杏仁核及海馬旁回等為主的患側(cè)顳葉介數(shù)中心性、度中心性及節(jié)點(diǎn)效率降低,提示在HS-TLE患者腦功能網(wǎng)絡(luò)中,顳葉信息傳遞能力及網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量均下降,使其在網(wǎng)絡(luò)中的重要性降低;而以雙側(cè)額葉等為主的患側(cè)顳外區(qū)域度中心性及節(jié)點(diǎn)效率升高則代表上述區(qū)域在HS-TLE患者腦功能網(wǎng)絡(luò)中的重要性上升,即承擔(dān)更多信息傳遞或處理任務(wù),可能源于對顳葉內(nèi)側(cè)功能損傷的代償。

杏仁核是HS-TLE活動的重要區(qū)域[9]。本研究結(jié)果顯示,相比NSF亞組,SF亞組患側(cè)杏仁核介數(shù)中心性降低,表明患側(cè)杏仁核中介效應(yīng)更低、功能連接更少,即在癲癇活動的擴(kuò)散及傳播中起限制作用,可縮小癲癇累及范圍。多項(xiàng)研究[10-11]表明,TLE患者ATL術(shù)后癲癇復(fù)發(fā)與對側(cè)大腦半球異常有關(guān)。DESALVO等[12]發(fā)現(xiàn),TLE患者對側(cè)顳島葉皮層全局網(wǎng)絡(luò)整合程度較低與術(shù)后持續(xù)性癲癇發(fā)作相關(guān)。一側(cè)TLE亦可累及對側(cè)顳葉內(nèi)側(cè)[13];而HS-TLE患者ALT術(shù)后癲癇發(fā)作與致癇灶切除不完整、致癇網(wǎng)絡(luò)斷開不完全有關(guān)[14]。本研究HS-TLE組中,相比NSF亞組,SF亞組對側(cè)顳中回等介數(shù)中心性降低,表明其對側(cè)顳中回功能連接減少、在腦功能網(wǎng)絡(luò)中的重要性降低;而NSF亞組對側(cè)顳中回在腦功能網(wǎng)絡(luò)中的重要性上升的可能原因則在于一側(cè)HS-TLE累及對側(cè)顳葉或可促進(jìn)癲癇發(fā)生、發(fā)展及擴(kuò)散;對側(cè)枕上、中回度中心性及節(jié)點(diǎn)效率升高表明對側(cè)枕葉功能受損。以上結(jié)果表明,HS-TLE患者ATL術(shù)后腦功能網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了重組,而對側(cè)大腦半球網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩援惓？赡苁穷A(yù)測HS-TLE患者ALT術(shù)后轉(zhuǎn)歸的重要指標(biāo)之一。

本研究對基于rs-fMRI圖論分析所獲HS-TLE亞組間存在差異大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋵傩赃M(jìn)行訓(xùn)練,構(gòu)建SVM模型用預(yù)測HS-TLE患者ALT術(shù)后轉(zhuǎn)歸,其準(zhǔn)確率為76.47%(26/34),提示其可用于預(yù)測HS-TLE患者ALT術(shù)后轉(zhuǎn)歸。

綜上,腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩宰兓疭VM模型可用于預(yù)測HS-TLE患者ATL術(shù)后轉(zhuǎn)歸。但本研究樣本量有限,且均已接受抗癲癇藥物治療,可能影響大腦網(wǎng)絡(luò),且未涉及致癇灶側(cè)別,有待積累更多病例進(jìn)一步觀察。