基于靜息態(tài)功能磁共振成像的無先兆偏頭痛局部一致性和低頻振幅的研究?

尚云雪 夏建國 王玉璽徐天野 張 繼 尹 明

1.大連醫(yī)科大學(xué)研究生院 (遼寧 大連 116044)

2.南京醫(yī)科大學(xué)附屬泰州人民醫(yī)院(江蘇 泰州 225300)

偏頭痛是一種以發(fā)作性、中重度、搏動樣頭痛為特征的慢性神經(jīng)血管性疾病，可有惡心、嘔吐、畏光及畏聲等伴隨癥狀。全球疾病負(fù)擔(dān)研究報告稱偏頭痛是全球第二大最常見的可致殘疾的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，僅次于中風(fēng)[1]，嚴(yán)重影響著患者的生活質(zhì)量。無先兆偏頭痛(migraine without aura，MwoA)是偏頭痛最常見的亞型，約占80%[2]。研究表明，偏頭痛在很大程度上是一種腦結(jié)構(gòu)和功能的障礙，其中以持續(xù)性的腦功能損害最為顯著[3]。目前偏頭痛的病理生理學(xué)仍在探索階段，缺乏有效的生物學(xué)標(biāo)記物對MwoA患者的腦功能進行客觀的評估。

靜息狀態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)技術(shù)作為一種非侵入性腦功能監(jiān)測方法[4]，是研究偏頭痛潛在機制的合適工具。局部一致性(regional homogeneity，ReHo)主要通過肯德爾一致性系數(shù)(Kendall's consistency coefficient，KCC)來反映局部腦區(qū)內(nèi)相鄰體素之間的血氧水平依賴(blood oxygen level-dependent，BOLD)信號隨時間變化的相似性，腦組織ReHo值的增加和降低都有可能與大腦活動的異常有關(guān)，ReHo在檢測腦功能復(fù)雜的自發(fā)血流動力學(xué)變化方面有較高的敏感度和可重復(fù)性[5]。低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)是測量腦區(qū)域自發(fā)神經(jīng)元活動的另一方法，異常的ALFF可能反映了自發(fā)神經(jīng)活動的改變，有助于定位靜息狀態(tài)下功能活動異常的大腦區(qū)域[6]。功能連接(functional connectivity,FC)常用來分析不同腦區(qū)之間的功能連接強度變化[7]。本文采用ReHo、ALFF和FC的方法來探討MwoA患者腦功能的變化特點及其與病程長短、發(fā)作頻率、發(fā)病持續(xù)時間以及偏頭痛相關(guān)量表的關(guān)系。

1 資料與方法

1.1 一般資料患者組(MwoA組)：收集2021年9月至2022年9月就診于門診的MwoA患者26例。

納入標(biāo)準(zhǔn)：符合2013年IHS國際頭痛分類第三版[8]MwoA的診斷標(biāo)準(zhǔn)；18-60歲；右利手；偏頭痛發(fā)作間期：檢查前72小時內(nèi)無頭痛發(fā)作；能配合磁共振檢查和相關(guān)量表評估，且漢密爾頓焦慮量表(Hamilton anxiety scale，HAMA)和漢密爾頓抑郁量表(Hamilton depression scale，HAMD)評分在正常范圍。排除標(biāo)準(zhǔn)：明顯的神經(jīng)精神癥狀、癲癇和持續(xù)性頭痛；神經(jīng)/精神疾病史；顱內(nèi)異常病變，如腫瘤、腦血管疾病、腦外傷以及明顯的腦萎縮；腦外科手術(shù)史；酗酒、藥物濫用史及MRI掃描前1周服用偏頭痛治療藥物；磁共振檢查禁忌癥。

對照組：選取與患者組性別、年齡及教育程度相匹配的26名無頭痛疾病史的健康人作為對照組，納入標(biāo)準(zhǔn)：18-60歲；右利手；能配合磁共振檢查和相關(guān)量表評估，且HAMA及HAMD評分在正常范圍。排除標(biāo)準(zhǔn)：同患者組。

對所有受試者的姓名、年齡、受教育年限等一般資料進行收集。由同一名神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生在磁共振掃描之前，對所有受試者行HAMA及HAMD評分并記錄，評估其焦慮及抑郁癥狀嚴(yán)重程度。對所有MWoA患者行偏頭痛相關(guān)量表測試，包括數(shù)字疼痛評分量表(NRS)、頭痛影響測定-6(HIT-6)評分、偏頭痛殘疾程度評估量表(MIDAS)評分，評定偏頭痛患者疾病嚴(yán)重程度。

本研究得到醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)，所有受試者自愿參加本研究，并簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集所有掃描操作均由同一名影像科醫(yī)師進行，采用Siemens 3.0T磁共振掃描儀。受試者仰臥于檢查床上，使用泡沫墊減少受試者頭部活動，囑患者檢查時閉眼，保持清醒，盡量不做任何思考。首先，獲取所有受試者常規(guī)T1WI、T2WI、FLAIR腦結(jié)構(gòu)圖像，由兩名影像科醫(yī)師檢查圖像并排除有器質(zhì)性病變的受試者。然后采集梯度回波平面成像(EPI)序列，獲得功能磁共振成像數(shù)據(jù)(參數(shù)：重復(fù)時間(TR)2160ms，回波時間(TE)30.0ms，翻轉(zhuǎn)角(FA)90°，層數(shù)40，層厚3mm，視野(FOV)256mm×256mm，體素大小 4mm×4mm×3mm)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理：基于Matlab R2013b平臺，使用Restplus-V1.2 軟件對圖像進行預(yù)處理。處理過程包括：(1)格式轉(zhuǎn)換；(2)去除前10個時間點圖像；(3)校正：進行時間層校正、頭動校正；(4)空間標(biāo)準(zhǔn)化：應(yīng)用3mm×3mm×3mm的采樣把所有受試者的fMRI圖像標(biāo)準(zhǔn)化到SPM標(biāo)準(zhǔn)蒙特利爾神經(jīng)科學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空間的EPI模板上；(5)去線性；(6)回歸協(xié)變量；(7)采用0.01-0.08Hz帶寬進行濾波，去除高頻信號干擾。

1.3.2 ReHo和 ALFF的指標(biāo)計算：基于MatlabR2013b平臺，使用Restplus-V1.2軟件對圖像進行rs-fMRI功能指標(biāo)的計算。ReHo：通過計算某個體素與其周圍相鄰26個體素的時間序列一致性的KCC構(gòu)建ReHo腦圖[9]；將單個體素的ReHo值除以全腦平均ReHo值進行標(biāo)準(zhǔn)化，得到平均ReHo(mean ReHo，mReHo)值，然后，為降低標(biāo)準(zhǔn)化后剩余的個體間差異以及提高圖像的信噪比，用6mm×6mm×6mm的半高全寬對ReHo圖進行高斯平滑，得到平滑后的smReHo(smooth mean ReHo，smReHo)值；ALFF：利用快速傅里葉變換將預(yù)處理后的每個體素的時間序列轉(zhuǎn)換到頻域，得到功率譜。功率譜在每個體素上的平均平方根，平均范圍為0.01-0.08Hz，得到的平均平方根記錄為ALFF值。然后，為了標(biāo)準(zhǔn)化，用每個體素的ALFF值除以全局平均ALFF值，得到平均ALFF(mean ALFF，mALFF)值，用于后續(xù)的統(tǒng)計學(xué)分析。

1.3.3 FC的指標(biāo)計算：在自動解剖標(biāo)記(AAL)圖譜[24]的90個區(qū)域中，將信號異常的腦區(qū)設(shè)置為Restplus中的ROIs。通過Restplus分析ROIs和整個大腦之間的FC，計算每個給定ROI的平均時間序列，將其與每個受試者的整個大腦中所有其他體素的時間序列進行關(guān)聯(lián)，得到相關(guān)系數(shù)，并用Fisher's r-to-z變換進行標(biāo)準(zhǔn)化，得到zFC值，用于后續(xù)的統(tǒng)計學(xué)分析。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

1.4.1 一般資料：采用統(tǒng)計軟件SPSS 25.0對兩組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，對符合正態(tài)分布的資料采用()表示，相關(guān)性采用皮爾遜相關(guān)分析；對符合偏態(tài)分布的資料采用中位數(shù)和四分位數(shù)表示，相關(guān)性采用斯皮爾曼相關(guān)分析；兩組受試者的年齡和受教育程度呈偏態(tài)分布，采用Mann-Whitney U檢驗，性別采用卡方檢驗，P<0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.4.2 影像學(xué)數(shù)據(jù)：在SPM12中進行兩獨立樣本t檢驗,評估兩組之間的smReHo值、mALFF值及zFC值的差異，統(tǒng)計范圍限制在Explicit mask(即不含小腦的灰質(zhì)二值模板：AAL_binary_mask_nocerebellum)，使用FWE校正方法對結(jié)果進行校正(體素閾值為P<0.001，團塊閾值為P<0.05)。使用Restplus-V1.2軟件中的utilities模塊分別提取差異腦區(qū)的smReHo值、mALFF值及zFC值，用xjView軟件呈現(xiàn)smReHo值、mALFF值及zFC值存在異常的腦區(qū)。

1.4.3 相關(guān)性分析：用SPSS 25.0軟件分析差異腦區(qū)的smReHo值、mALFF值及zFC值與病程、NRS、HIT-6臨床量表資料數(shù)據(jù)采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)表示，與頭痛發(fā)作頻率、頭痛持續(xù)時間和MAIDS臨床量表資料數(shù)據(jù)采用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)表示，P<0.05認(rèn)為有相關(guān)性。

2 結(jié)果

2.1 一般人口學(xué)特征與臨床資料本研究共納入52名受試者，26例為患者組(其中男性5例，女性21例)，26例為對照組(其中男性9例，女性17例)，兩組間年齡和受教育程度均呈偏態(tài)分布，采用Mann-Whitney U檢驗，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；兩組間性別采用卡方檢驗，差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，見表1。

2.2 rs-fMRI結(jié)果

2.2.1 ReHo指標(biāo)：與對照組相比，MWoA組雙側(cè)顳下回、右側(cè)舌回的smReHo值增高，左側(cè)島蓋部額下回的smReHo值減低(體素水平P<0.001，團塊大小>68，F(xiàn)WE校正，團塊水平P<0.05)。見圖1，表2。

圖1 MWoA組smReHo值存在差異的腦區(qū)，紅色部分表示smReHo值增高(右側(cè)舌回、雙側(cè)顳下回)、藍(lán)色部分表示smReHo值降低(左側(cè)島蓋部額下回)。

表2 MWoA患者組與健康對照組相比腦功能有顯著差異的腦區(qū)

2.2.2 ALFF指標(biāo)：與對照組相比，MWoA組左側(cè)顳下回mALFF值增高，左側(cè)島蓋部額下回、右內(nèi)側(cè)額上回mALFF值減低(體素水平P<0.001，團塊大小>42，F(xiàn)WE校正，團塊水平P<0.05)。見圖2，表2。

圖2 MWoA組mALFF值存在差異的腦區(qū)，紅色部分表示mALFF值增高(左側(cè)顳下回)、藍(lán)色部分表示mALFF值降低(右內(nèi)側(cè)額上回、左側(cè)島蓋部額下回)。

2.2.3 FC指標(biāo)：選取兩組差異腦區(qū)作為ROIs，進行網(wǎng)絡(luò)水平FC分析，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，MwoA組：(1)以右側(cè)顳下回為ROI：與左側(cè)中央前回、左側(cè)距狀裂周圍皮層的zFC值增高(P<0.001，F(xiàn)WE校正)；(2)以左側(cè)顳下回為ROI：與雙側(cè)距狀裂周圍皮層的zFC值增高(P<0.001，F(xiàn)WE校正)；(3)以右側(cè)舌回為ROI：與左側(cè)楔前葉的zFC值增高(P<0.001，F(xiàn)WE校正)；(4)以左側(cè)島蓋部額下回為ROI：與左側(cè)楔前葉的zFC值增高(P<0.001，F(xiàn)WE校正)；(5)以右內(nèi)側(cè)額上回為ROI：與右側(cè)額中回的zFC值增高(P<0.001，F(xiàn)WE校正)。見圖3，表3。

圖3A-圖3E MWoA組功能連接結(jié)果圖；圖3A以右側(cè)顳下回(Temporal_Inf_R)為ROI，與左側(cè)距狀裂周圍皮層(Calcarine_L)和左側(cè)中央前回(Precentral_L)的功能連接增強；圖3B以左側(cè)顳下回(Temporal_Inf_L)為ROI：與左、右距狀裂周圍皮層(Calcarine_L/R)的功能連接增強；圖3C以右側(cè)舌回(Lingual_R)為ROI：與左側(cè)楔前葉(Precuneus_L)的功能連接增強；圖3D以左側(cè)島蓋部額下回(Frontal_Inf_Op_L)為ROI：與左側(cè)楔前葉(Precuneus_L)的功能連接增強;圖3E以右內(nèi)側(cè)額上回(Frontal_Sup_Medial_R)為ROI：與右側(cè)額中回(Frontal_Mid_R)的功能連接增強。

表3 MWoA患者組與健康對照組相比FC值有顯著差異的腦區(qū)

2.3 影像學(xué)數(shù)據(jù)與臨床量表相關(guān)性分析

2.3.1 ReHo指標(biāo)：MIDAS評分與MWoA組左側(cè)島蓋部額下回smReHo值(r=0.407，P=0.039)、右側(cè)顳下回smReHo值(r=0.431，P=0.028)呈正相關(guān)，見圖4。

圖4A-圖4B smReHo指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果圖；MIDAS評分與MWoA患者組左側(cè)島蓋部額下回smReHo值(r=0.407，P=0.039)、右側(cè)顳下回smReHo值(r=0.431，P=0.028)呈正相關(guān)。圖5A-圖5B mALFF指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果圖；發(fā)作頻率與MWoA患者組左側(cè)島蓋部額下回mALFF值呈正相關(guān)(r=0.605，P=0.001)；頭痛持續(xù)時間與MWoA患者組右內(nèi)側(cè)額上回mALFF值呈正相關(guān)(r=0.475，P=0.014)。

2.3.2 ALFF指標(biāo)：發(fā)作頻率與MWoA組左側(cè)島蓋部額下回mALFF值呈正相關(guān)(r=0.605，P=0.001)；頭痛持續(xù)時間與MWoA組右內(nèi)側(cè)額上回mALFF值呈正相關(guān)(r=0.475，P=0.014)，見圖5。

3 討論

本研究使用ReHo和ALFF的方法從不同角度評估發(fā)作間期MWoA患者和健康對照組存在腦功能差異的腦區(qū)，發(fā)現(xiàn)兩種方法均得到顳下回功能活動增強，左側(cè)島蓋部額下回功能活動減弱的結(jié)果，說明研究結(jié)果具有一定的穩(wěn)定性及可靠性，研究方法具有可重復(fù)性。顳下回、左側(cè)島蓋部額下回、右側(cè)舌回及右內(nèi)側(cè)額上回的功能異常指標(biāo)值在MWoA的發(fā)作中起著重要的作用。

顳下回與視覺、語言、情緒等高級認(rèn)知功能[10]及疼痛的惡化有關(guān)[6]。研究表明，偏頭痛患者的顳下回及顳中回皮層厚度變薄，為慢性偏頭痛腦網(wǎng)絡(luò)中的重要節(jié)點，具有對疼痛的認(rèn)知控制功能[11]，顳下回的結(jié)構(gòu)改變與我們的腦功能研究互為補充。顳中回、顳下回接收枕葉傳入的信息，該部位可能是視覺加工的初級區(qū)域，多數(shù)MWoA患者存在畏光癥狀，且對疼痛具有恐懼感都與之密不可分。因顳葉主要與聽覺感知有關(guān)，我們猜測與MWoA患者的畏聲癥狀可能有一定的聯(lián)系。

舌回是枕葉的重要組成部分，屬于視覺皮層[12]。Goadsby等[13]研究認(rèn)為，視網(wǎng)膜光信號通過視神經(jīng)匯聚到丘腦后神經(jīng)元，視神經(jīng)通過三叉神經(jīng)接收來自硬腦膜的有害輸入，這些輸入隨后被投射到感覺皮層和視覺皮層，偏頭痛患者皮質(zhì)興奮性增加導(dǎo)致對光信號敏感，從而導(dǎo)致畏光。Puledda等[14]研究證實MwoA患者的視覺網(wǎng)絡(luò)連接中斷，Tedeschi等[15]研究靜息狀態(tài)視覺網(wǎng)絡(luò)的完整性中發(fā)現(xiàn)右側(cè)舌回的功能連接顯著增加，與我們的研究結(jié)果相似。因此，我們認(rèn)為舌回參與了畏光癥的產(chǎn)生，并在MWoA的發(fā)病機制中起著重要作用。

額葉的功能改變已在其他疼痛障礙研究中被報道，額葉內(nèi)的區(qū)域也是參與大腦網(wǎng)絡(luò)中疼痛處理的一部分，額上回可調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下的傷害性感受通路[16]。在針對一組MwoA患者為期1年的隨訪研究中[17]，觀察到額上回背外側(cè)和內(nèi)側(cè)部分的灰質(zhì)體積減少，結(jié)合本研究說明MWoA患者右內(nèi)側(cè)額上回的異常改變。一項有關(guān)ReHo的研究，Wang等[18]報道了緊張型頭痛患者在額上回表現(xiàn)出較低的ReHo值，由此可見，MwoA和其他疼痛障礙一樣，也可能涉及額上回的功能異常。先前的神經(jīng)影像學(xué)研究結(jié)果表明[19]，額下回參與大腦的感覺整合及情緒處理，與對照組相比，當(dāng)中度疼痛的三叉神經(jīng)受到熱刺激時，MwoA患者額下回的BOLD反應(yīng)顯著增大。畏光對偏頭痛患者來說肯定是接近負(fù)性刺激，這可能是偏頭痛患者厭惡光的原因之一。

MIDAS是研究頭痛時最常用的專業(yè)量表[20]，主要反映MWoA患者受偏頭痛的影響大小以及患者是否存在生活失能情況。本研究相關(guān)分析得出，MWoA組MIDAS評分與右側(cè)顳下回和左側(cè)島蓋部額下回的smReHo值呈正相關(guān)，我們推測偏頭痛腦功能的異?？梢苑从郴颊呱钍艿某潭?。MWoA組右內(nèi)側(cè)額上回mALFF與值頭痛持續(xù)時間呈正相關(guān),左側(cè)島蓋部額下回mALFF值與頭痛發(fā)作頻率呈正相關(guān),這可能是由于長期反復(fù)頭痛發(fā)作的累積效應(yīng)，使異常腦區(qū)對疼痛刺激的耐受閾值下降，對疼痛刺激的敏感性增加。

然而，rs-fMRI研究表明偏頭痛的病理生理學(xué)與一些大腦網(wǎng)絡(luò)中FC的改變有關(guān)，把ReHo、ALFF和FC結(jié)合起來，可以更好的反映偏頭痛的病理機制。本研究發(fā)現(xiàn)MwoA組的多個功能異常腦區(qū)與全腦的功能連接存在異常，且均表現(xiàn)為連接增強。中央前回，位于大腦的初級運動皮層，是主要的軀體運動中樞，控制行為運動。Oshiro等[21]認(rèn)為初級軀體感覺皮層、次級軀體感覺皮層、運動皮層和運動前皮層是疼痛強度和空間辨別通路的重要組成部分。雖然運動皮層在疼痛中的作用尚不完全了解，但運動皮層刺激已被用作集中調(diào)節(jié)慢性疼痛的潛在工具[22]。因此我們認(rèn)為中央前回在偏頭痛發(fā)作時參與了機體對疼痛的調(diào)節(jié)。但目前對顳下回與中央前回/運動皮層之間的功能連接研究尚少，可能是較新的疼痛處理和調(diào)節(jié)相關(guān)的異常腦區(qū)，但其可靠性仍需大量實驗進行驗證。

距狀裂周圍皮層是枕葉視覺皮層的所在區(qū)域。本研究顯示，MwoA患者顳下回與距狀裂周圍皮層之間的FC增強。視覺網(wǎng)絡(luò)是一個包含視網(wǎng)膜枕葉皮層和顳枕葉區(qū)域的大腦回路[16]。有研究表明[23]，枕顳葉外側(cè)皮層在視覺、聽覺和觸覺信息的多感覺整合中起作用，影響多感覺整合和傷害性信息的處理。Wei等[6]發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，MwoA患者的后扣帶皮層/楔前葉、額中回和顳下回的視覺相關(guān)FC增加，與我們的研究結(jié)果相似，使我們的研究更具說服力。因此我們推測MwoA中畏光的存在可能是由視覺處理區(qū)域、疼痛感知調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)和情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的異常靜息狀態(tài)功能連接和情緒調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)介導(dǎo)的。

右側(cè)舌回和左側(cè)島蓋部額下回均與左側(cè)楔前葉的FC增強。楔前葉位于扣帶溝后，是頂上小葉的一部分，部分頂葉、扣帶回及楔前葉同屬于默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)[24]。Lei等[4]研究證實MwoA患者大腦的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個特定腦區(qū)的功能連接出現(xiàn)異常。Lobanov等[25]報道額頂葉刺激參與了對傷害性刺激的空間特征的自上而下的注意加工。Webb等[3]研究發(fā)現(xiàn)偏頭痛患者左側(cè)頂-枕葉交界處的功能連接較弱，這雖與我們的研究結(jié)果相悖，可能隨著病程的延長，二者的功能連接會進一步加強，但可以肯定的是，研究結(jié)果都支持偏頭痛是一種基于網(wǎng)絡(luò)的感覺處理障礙疾病的觀點。因此，我們推測默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)對機體的疼痛起到一定的調(diào)節(jié)作用。

本研究存在一些局限性。第一，MwoA的樣本量較少，結(jié)果可能不具有代表性；第二，偏頭痛量表評定可能具有一定的主觀性，可能會影響評分的客觀性；第三，本研究缺乏患者的血化驗指標(biāo)，如血脂水平[26]、性激素[27]等對偏頭痛均有一定的影響。在未來需進一步納入多中心數(shù)據(jù)擴大樣本量；盡可能完善臨床指標(biāo)等檢查，以探索其對MwoA在神經(jīng)影像學(xué)中的進一步研究。納入多模態(tài)磁共振研究，整合多種數(shù)據(jù)分析方法的多模態(tài)神經(jīng)成像研究對神經(jīng)成像結(jié)果進行交叉驗證，為偏頭痛的研究提供更客觀的影像學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

綜上所述，MwoA患者部分腦區(qū)存在腦功能活動的異常，且有重疊部分(雙側(cè)顳下回、左側(cè)島蓋部額下回)，異常腦區(qū)的影像指標(biāo)與疾病的發(fā)作頻率、病程長短以及臨床量表之間的相關(guān)性，可以作為MWoA病情嚴(yán)重程度的臨床評價指標(biāo)。這些結(jié)果為深入了解MwoA患者大腦的特征提供了依據(jù)，為偏頭痛神經(jīng)病理機制的研究提供新的思路。