基于表面形態(tài)學(xué)測(cè)量評(píng)估原發(fā)性痛經(jīng)患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

張 聰,馬蕭童,祝年文,樊麗華,鄭運(yùn)松,*

(1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712046;2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科,陜西 咸陽(yáng) 712000)

原發(fā)性痛經(jīng)(primary dysmenorrhea, PDM)是指在盆腔無(wú)器質(zhì)性病變情況下發(fā)生的痛經(jīng),是育齡期女性最常見(jiàn)婦科疾病之一[1],約15%患者疼痛嚴(yán)重[2]。目前對(duì)于PDM病理生理機(jī)制尚未完全明了,但可能與性激素、前列腺素、抗利尿激素水平、子宮血流量改變及子宮異常收縮有關(guān)[3-4]。既往研究[5-6]發(fā)現(xiàn),PDM患者存在腦結(jié)構(gòu)和功能異常?；隗w素的形態(tài)學(xué)測(cè)量(voxel-based morphometry, VBM)是分析大腦結(jié)構(gòu)的常用方法之一,但可能因存在配準(zhǔn)偽影而無(wú)法觀察疾病引起的真實(shí)腦體積變化。相比之下,基于表面的形態(tài)學(xué)測(cè)量(source-based morphometry, SBM)通過(guò)將腦回和腦溝幾何形狀配準(zhǔn)至膨脹的球形圖譜而極大地減少?gòu)?fù)雜的折疊模式和整體體積改變帶來(lái)的潛在誤差,能更多維、靈敏和準(zhǔn)確地反映腦皮質(zhì)形態(tài)變化[7];采用獨(dú)立成分分析(independent component analysis, ICA)評(píng)估腦灰質(zhì)(gray matter, GM)圖像,可將混合信號(hào)分解為最大獨(dú)立成分而在網(wǎng)絡(luò)層面獲得個(gè)體GM的共同形態(tài)特征[8]。本研究采用SBM評(píng)估PDM患者GM腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(structural brain network, SBN)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 2022年1月—12月于陜西中醫(yī)藥大學(xué)招募41例PDM患者(PDM組),均為女性在校學(xué)生,年齡18～27歲,平均(21.9±2.4)歲。納入標(biāo)準(zhǔn):①年齡18～30歲,未育,右利手;②月經(jīng)規(guī)律,平均周期(28±7)天;③盆腔超聲及MR所見(jiàn)符合PDM改變;④近6個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)3次以上痛經(jīng);⑤于月經(jīng)來(lái)潮的第1～3天接受顱腦MR掃描;⑥接受McGill疼痛問(wèn)卷(McGill pain questionnaire, MPQ)評(píng)估,且MR檢查前視覺(jué)模擬量表痛經(jīng)評(píng)分>4分。排除標(biāo)準(zhǔn):①近6個(gè)月內(nèi)使用避孕藥、激素制劑、中藥或任何作用于中樞系統(tǒng)的藥物(如阿片類藥物、抗癲癇藥物);②合并心、腦、腎等嚴(yán)重疾病或精神疾病;③孕婦或計(jì)劃近期妊娠;④MR檢查禁忌證;⑤顱腦結(jié)構(gòu)明顯不對(duì)稱或存在腦部病變。同期納入35名健康女性學(xué)生作為健康對(duì)照(healthy control, HC)組,年齡18～26歲,平均(22.3±1.5)歲。本研究通過(guò)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(編號(hào):SZFYIEC-YJ-KYBC-2022年第[07]號(hào))。所有受試者均接受焦慮自評(píng)量表(self-rating anxiety scale, SAS)及抑郁自評(píng)量表(self-rating depression scale, SDS)。檢查前受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Skyra 3.0T MR掃描儀、20通道頭顱線圈行頭部及盆腔掃描。囑受試者仰臥、佩戴耳塞,以泡沫墊固定其頭部。采集顱腦T2-液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列及盆腔脂肪抑制T2WI排除器質(zhì)性病變后,采集顱腦高分辨率T1結(jié)構(gòu)像;參數(shù):TR 2 530 ms,TE 3.4 ms,FA 7°,FOV 250 mm×250 mm,矩陣256×256,體素1 mm×1 mm×1 mm,層數(shù)192。

1.3 圖像處理 基于Matlab平臺(tái)以CAT12計(jì)算解剖工具箱與SPM12統(tǒng)計(jì)參數(shù)映射軟件。分割顱腦T1WI中的腦灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液,以線性和非線性變換的DARTEL算法將原生空間結(jié)構(gòu)MRI轉(zhuǎn)換至蒙特利爾神經(jīng)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)標(biāo)準(zhǔn)空間,并分割提取1.5 mm3體素灰質(zhì)。采用非線性變換對(duì)分割的灰質(zhì)圖像進(jìn)行調(diào)制,分析區(qū)域灰質(zhì)體積(gray matter volume, GMV)差異并對(duì)個(gè)體大腦體積進(jìn)行校正;以半高全寬9 mm高斯核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化和調(diào)制后的灰質(zhì)圖像進(jìn)行空間平滑處理。使用GIFT功能MR工具箱進(jìn)行SBM分析,對(duì)經(jīng)VBM預(yù)處理的灰質(zhì)圖像行ICA,將輸出設(shè)定為30個(gè)成分,并以聚類及可視化可靠性評(píng)估ICA算法將ICA重復(fù)20次。最后每個(gè)源網(wǎng)絡(luò)被重塑為1幅三維圖像以顯示GMV,其閾值Z>4。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料,行兩樣本t檢驗(yàn)。使用CAT12軟件包行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),評(píng)估組間SBN差異(FWE校正),SBN負(fù)荷系數(shù)增高代表GMV增加。采用多元經(jīng)典交互線性模型比較組間SBN協(xié)方差模式差異,評(píng)價(jià)異常SBN負(fù)荷系數(shù)與全腦SBN負(fù)荷系數(shù)(當(dāng)前SBN除外)的相關(guān)性。以Pearson相關(guān)性分析評(píng)價(jià)PDM患者SBN負(fù)荷系數(shù)與病程和MPQ評(píng)分的相關(guān)性(Bonferroni校正)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基本資料 組間受試者年齡、初潮年齡、月經(jīng)周期、經(jīng)期、SAS及SDS評(píng)分差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05),見(jiàn)表1。PDM組病程(77.6±31.2)個(gè)月,MPQ評(píng)分為(23.2±9.6)分。

表1 PDM患者與HC基本資料比較

2.2 SBN PDM組SBN1、SBN2和SBN3 的負(fù)荷系數(shù)顯著高于HC組(P均<0.05),見(jiàn)圖1。將SBN1命名為“顳葉網(wǎng)絡(luò)”,內(nèi)含左側(cè)杏仁核、雙側(cè)顳極、顳中回和顳下回(圖2A);SBN2命名為“默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)”,包括網(wǎng)絡(luò)雙側(cè)中間扣帶皮質(zhì)、后扣帶回、楔前葉、海馬和海馬旁回(圖2B);SBN3命名為“丘腦網(wǎng)絡(luò)”,主要位于雙側(cè)丘腦并包括額下回(圖2C)。協(xié)方差分析顯示,PDM組全腦SBN中的顳葉網(wǎng)絡(luò)與丘腦網(wǎng)絡(luò)的正相關(guān)性低于HC組(P=0.003),提示其顳葉網(wǎng)絡(luò)與丘腦網(wǎng)絡(luò)之間存在異常GMV耦合(圖3);PDM患者DMN與顳葉網(wǎng)絡(luò)及丘腦網(wǎng)絡(luò)均無(wú)顯著相關(guān)性(P均>0.05)。

圖1 PDM組與HC組SBN負(fù)荷系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

圖2 PDM組與HC組SBN存在差異腦區(qū) A.顳葉網(wǎng)絡(luò); B.DMN; C.丘腦網(wǎng)絡(luò) (暖色區(qū)域代表PDM組SBN負(fù)荷系數(shù)增高腦區(qū))

圖3 顳葉網(wǎng)絡(luò)與丘腦網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性分析圖 PDM組顳葉網(wǎng)絡(luò)與丘腦網(wǎng)絡(luò)的正相關(guān)性低于HC組

2.3 相關(guān)性分析 PDM患者SBN負(fù)荷系數(shù)與病程及MPQ評(píng)分無(wú)明顯相關(guān)性(P均>0.05)。

3 討論

3.1 顳葉網(wǎng)絡(luò) 本研究發(fā)現(xiàn),PDM患者包含左側(cè)杏仁核、雙側(cè)顳極、顳中回和顳下回在內(nèi)的顳葉網(wǎng)絡(luò)的SBN負(fù)荷系數(shù)增高,即相應(yīng)腦區(qū)GMV增加。作為邊緣系統(tǒng)的一部分,杏仁核結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)于調(diào)節(jié)內(nèi)臟疼痛和疼痛感知具有重要作用,可接收初級(jí)感覺(jué)信息并進(jìn)行編碼和傳遞環(huán)境刺激,以促進(jìn)適應(yīng)性行為;并通過(guò)直接接收來(lái)自丘腦和皮質(zhì)區(qū)域的感覺(jué)輸入而在處理負(fù)面情緒和厭惡性刺激方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[9]。經(jīng)期疼痛所致反復(fù)厭惡性情緒可誘發(fā)杏仁核皮質(zhì)厚度改變[10]。此外,杏仁核為疼痛矩陣中的關(guān)鍵區(qū)域之一,參與激活有害刺激的上行通路和疼痛信號(hào)傳遞的下行通路[11]。COPPOLA等[12]發(fā)現(xiàn),慢性偏頭痛患者存在包括顳極在內(nèi)的多個(gè)參與傷害性刺激感受、多感覺(jué)整合及鎮(zhèn)痛依賴腦區(qū)GMV異常;DAI等[13]認(rèn)為顳極遠(yuǎn)端功能連接異?？赡芘c不典型多感覺(jué)整合有關(guān)。位于顳極外側(cè)的顳中回參與多種認(rèn)知功能,如處理情緒相關(guān)信息[14]。由此推測(cè),PDM患者顳葉網(wǎng)絡(luò)GMV增加可能與其情緒調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能障礙和疼痛感覺(jué)信息整合紊亂有關(guān)。

3.2 DMN 健康成人中,DMN區(qū)域?yàn)槟X連接樞紐,參與多種認(rèn)知過(guò)程及疼痛感知和處理。后扣帶回、楔前葉是DMN功能最明確區(qū)域,與自我參照認(rèn)知和情緒處理等自省過(guò)程有關(guān)[15]。LIU等[10]報(bào)道,PDM患者楔前葉低頻振幅增加,后扣帶回、楔前葉皮質(zhì)厚度增加,表明疼痛干擾了DMN結(jié)構(gòu),特別是后扣帶回、楔前葉,本研究所見(jiàn)與之相符。情緒壓力可致PDM癥狀加重。海馬及海馬旁回參與情緒處理和多種認(rèn)知過(guò)程,包括情景記憶、上下文聯(lián)想和壓力相關(guān)問(wèn)題等[16],與痛經(jīng)感受有明顯關(guān)系[17]。本研究結(jié)果顯示,PDM患者海馬及海馬旁回GMV增加。DMN功能障礙與慢性疼痛狀態(tài)密切相關(guān),如偏頭痛[18]和復(fù)雜區(qū)域疼痛綜合征患者[19]DMN靜息態(tài)連接異常;DMN異常改變可能與PDM患者壓力相關(guān)疼痛感知和注意力處理缺陷有關(guān)。本研究所見(jiàn)上述腦區(qū)GMV改變可能反映了DMN功能改變和疼痛感知的生理機(jī)制紊亂。

3.3 丘腦網(wǎng)絡(luò) 作為最重要的感覺(jué)傳導(dǎo)中轉(zhuǎn)站之一,丘腦與大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域廣泛連接,對(duì)于傳遞痛覺(jué)刺激具有關(guān)鍵作用,如調(diào)節(jié)疼痛信號(hào)輸入[20]。既往相關(guān)研究[21-22]發(fā)現(xiàn),丘腦GMV增加可能反映中樞因輸入更多疼痛信號(hào)而敏感化;PDM患者丘腦GMV增加可能與其感覺(jué)通路功能障礙有關(guān)[10,23]。本研究結(jié)果支持上述觀點(diǎn)。

在全腦SBN方面,本研究發(fā)現(xiàn)PDM患者顳葉網(wǎng)絡(luò)和丘腦網(wǎng)絡(luò)之間GMV耦合存在明顯改變,其丘腦亞區(qū)連接出現(xiàn)異常,主要涉及顳葉皮質(zhì)及感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì),與HAN等[24]所見(jiàn)相符,或可為未來(lái)研究顳葉網(wǎng)絡(luò)功能及其與丘腦網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)提供方向。

本研究存在的局限性:①樣本量有限,所涉及年齡范圍較小;②盡管PDM患者顳葉網(wǎng)絡(luò)與丘腦網(wǎng)絡(luò)之間GMV耦合存在異常,但未能結(jié)合多模態(tài)神經(jīng)影像數(shù)據(jù)集整合互補(bǔ)信息,有待后續(xù)加以完善。

綜上所述,PDM患者腦結(jié)構(gòu)異常可能與相關(guān)疼痛感知和調(diào)節(jié)障礙有關(guān),且其顳葉網(wǎng)絡(luò)與丘腦網(wǎng)絡(luò)之間存在相互作用。