缺血性卒中偏癱患者靜息態(tài)腦功能連接強(qiáng)度的磁共振研究

宋贛軍, 徐高強(qiáng), 劉軍委, 周知微, 吳 瓊

(遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 1.放射科;2.神經(jīng)內(nèi)科;3.護(hù)理學(xué)院,貴州 遵義 563099)

缺血性腦卒中(cerebral ischemic stroke,CIS)是一種急性發(fā)作的腦部血液循環(huán)障礙疾病,具有發(fā)病率高、死亡率高、易致殘等特點(diǎn),降低了患者的生活質(zhì)量,增加了社會負(fù)擔(dān)[1]。卒中后大腦會通過多種不同機(jī)制以及腦組織移位,使局部功能缺陷延伸到遠(yuǎn)程連接的大腦區(qū)域[2]。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)是一項(xiàng)非侵入性、無創(chuàng)的技術(shù)[3],通過分析不同大腦區(qū)域間信號的相關(guān)性來推斷它們之間的功能連接(functional connectivity,FC)。這種方法在CIS研究中具有重要價值,已廣泛應(yīng)用于CIS后神經(jīng)血管損傷及感覺運(yùn)動康復(fù)機(jī)制研究中[4-5]。先前的FC研究表明,CIS患者感覺運(yùn)動皮層 (sensory-motor cortex,SMC) 參與CIS后的功能康復(fù)[6]。還有研究發(fā)現(xiàn),CIS患者初級運(yùn)動皮層、輔助運(yùn)動區(qū)、額上回和頂下小葉等腦區(qū)的FC與正常對照組不同[7-9]。然而,這類研究主要采用手動選擇種子點(diǎn)的方法來進(jìn)行FC分析,無法在全腦體素水平充分揭示功能連接的特征[10]。功能連接強(qiáng)度(functional connectivity strength,FCS)則采用基于圖論的分析方法,它的測量過程不需要先驗(yàn)定義的種子[11],可以探索節(jié)點(diǎn)加權(quán)中心性并反映其在全腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連接[12],能全面地評估大腦內(nèi)在功能連接特性。本研究旨在利用FCS分析方法探討CIS偏癱患者腦網(wǎng)絡(luò)水平的變化,通過基于體素的全腦分析,深入研究靜息狀態(tài)下CIS患者大腦功能連接強(qiáng)度的異常。

1 資料與方法

1.1 對象 本研究選取2021年6月至2022年12月遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科、腦血管科住院治療的30例CIS偏癱患者,符合顱腦CT或MRI的診斷標(biāo)準(zhǔn)。所有患者都是初次發(fā)病且基本穩(wěn)定,無意識障礙,MR掃描前進(jìn)行神經(jīng)功能缺損 (national Institute of health stroke scale, NIHSS)評分和Fugl-Meyer運(yùn)動功能評分 (Fugl-Meyer assessment, FMA)。所有入組患者都符合以下標(biāo)準(zhǔn)：(1)部分前循環(huán)梗死,病灶以右側(cè)基底節(jié)和放射冠為主;(2)左側(cè)肢體偏癱;(3)右利手;(4)未見其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病或各類精神疾病。同時,在社區(qū)和大學(xué)招募30名健康志愿者組成健康對照組,兩組在年齡、性別和受教育程度方面相匹配。本研究已獲得醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)(編號：KLL-2021-047),所有參與者均被告知相應(yīng)的權(quán)利和責(zé)任,并簽署了研究知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集 使用美國GE公司 3.0T磁共振掃描儀(Signa HDxt)采集腦功能影像數(shù)據(jù)。采用原廠配備的8通道相控陣頭頸聯(lián)合線圈,仰臥位,頭先進(jìn)?；颊吆椭驹刚咴诓杉瘓D像的過程中要求保持閉眼狀態(tài),不進(jìn)行特定的任務(wù)或系統(tǒng)思維活動。頭部使用泡沫固定,同時配戴耳塞以降低MRI噪音對實(shí)驗(yàn)的影響。(1)靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)采集：使用單次激發(fā)平面回波成像(SE-EPI)技術(shù)進(jìn)行采集,重復(fù)時間(TR)=2 s,回波時間(TE)=30 ms,視野(FOV)=24 cm×24 cm,掃描矩陣=64×64,掃描層數(shù)=33層,每層厚度=4 mm,層間距=0 mm,翻轉(zhuǎn)角度=90°,采集時間點(diǎn)=210。 (2)3DT1WI結(jié)構(gòu)像： 視野(FOV)= 25.6 cm×25.6 cm,掃描矩陣=320×320;重復(fù)時間/回波時間7.8/3.0 ms,翻轉(zhuǎn)時間(TI)=450 ms,翻轉(zhuǎn)角(FA)=15°,層厚=1 mm,層間隔=0,橫斷面掃描,共獲得146幅圖像。

1.3 創(chuàng)建病變掩模 納入研究的CIS患者大腦存在基底節(jié)區(qū)和放射冠區(qū)病變,功能磁共振數(shù)據(jù)空間標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理時,由于梗死病灶區(qū)的信號異常,進(jìn)行配準(zhǔn)計(jì)算時與標(biāo)準(zhǔn)腦模板不匹配,標(biāo)準(zhǔn)化過程中可能會引起圖像的扭曲和變形,影響圖像的空間一致性,導(dǎo)致功能激活區(qū)的定位錯誤,從而影響對腦區(qū)功能的解釋。為了消除病變部位的影響,使用代價函數(shù)掩模法來掩蓋配準(zhǔn)過程中的病變[13-14],準(zhǔn)確地將單個病變大腦標(biāo)準(zhǔn)化為通用模板,而不受病變的潛在影響。使用MRIcron在個體3D T1WI圖像上手動追蹤病變輪廓,從而為每位CIS患者創(chuàng)建病變掩模,將每位患者的病變掩模在空間上標(biāo)準(zhǔn)化為標(biāo)準(zhǔn)大腦模板,將所有患者病變掩模的疊加用于后續(xù)的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)及統(tǒng)計(jì)分析中。

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理 采用基于Matlab平臺(https：//ww2.mathworks.cn/)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖軟件SPM12 (https：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) 和腦成像數(shù)據(jù)處理和分析工具箱(http：//www.rfmri.org/dpabi)DPABI V7.0對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,主要分析步驟包含：(1)DICOM格式圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換NIFTI格式并去除前面10個時間點(diǎn);(2)掃描時間層校正;(3)頭部運(yùn)動校正;(4)配準(zhǔn)至標(biāo)準(zhǔn)化空間,采用病變掩模將數(shù)據(jù)配準(zhǔn)至 MNI 標(biāo)準(zhǔn)空間并采樣至3 mm體素大小;(5)回歸協(xié)變量,消除與感興趣信號無關(guān)的變化或噪聲;(6)帶通濾波,突顯頻率范圍為 0.01～0.08 Hz的腦活動信號。

1.5 功能連接強(qiáng)度(FCS)分析 為每個受試者構(gòu)建一個全腦功能連接矩陣,該矩陣通過計(jì)算任意2個體素對之間fMRI信號時空相關(guān)性得到。獲得每位受試者的功能連接矩陣后,為了改善數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性,對計(jì)算得到的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理。對于數(shù)據(jù)圖像中每個體素的FCS值,是通過計(jì)算其與全腦其他灰質(zhì)體素的連接總和來生成,同時將有效連接的相系數(shù)閾值設(shè)定為r=0.2,以消除噪聲信號導(dǎo)致的弱相關(guān)性[15]。最后,使用8 mm高斯平滑核對分析得到的所有FCS圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間平滑處理。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 受試者一般資料采用SPSS 29.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,年齡和受教育程度采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),性別差異采用卡方檢驗(yàn)。兩組標(biāo)準(zhǔn)化后的FCS值差異在DPABI軟件進(jìn)行分析,采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn),將年齡、性別以及受教育程度作為協(xié)變量納入分析。采用AlphaSim校正方法進(jìn)行多重比較校正,團(tuán)塊水平P<0.05。將兩組FCS有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的腦區(qū)作為感興趣區(qū)(ROI),提取CIS患者組中ROI內(nèi)所有體素的平均FCS值與NIHSS和FMA進(jìn)行Spearman相關(guān)分析。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計(jì)學(xué)及臨床相關(guān)信息 CIS組與健康組性別、年齡、受教育程度差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05,表1)。

表1 CIS組及健康組人口統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)及臨床信息

2.2 CIS患者與健康組FCS組間差異 如圖1和表2所示,與健康組相比,卒中偏癱患者右中央前回、雙側(cè)中央后回、右緣上回、雙側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)、雙側(cè)額上回、右中央溝蓋FCS值降低(alphasim校正,團(tuán)塊水平P<0.05)。

表2 卒中偏癱患者與健康組之間FCS具有顯著差異的腦區(qū)

CIS偏癱患者FCS差異的腦區(qū)(AlphaSim校正, P<0.05),藍(lán)色條帶表示CIS偏癱患者FCS值統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。圖1 CIS患者與健康組FCS組間比較

2.3 兩組FCS差異腦區(qū)與臨床變量NIHSS、Fugl-Meyer相關(guān)性 兩組組間比較后CIS患者具有顯著差異腦區(qū)FCS與NIHSS、Fugl-Meyer評分之間的相關(guān)性(P<0.05,表3)。CIS患者右中央前回FCS與NIHSS評分呈負(fù)相關(guān)(圖2),與Fugl-Meyer評分呈正相關(guān)(圖3);右內(nèi)側(cè)額上回和右緣上回FCS與NIHSS評分呈負(fù)相關(guān)(圖4～5),其余腦區(qū)FCS與NIHSS和Fugl-Meyer評分相關(guān)性無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 中央前回FCS與NIHSS評分相關(guān)性

圖3 中央前回FCS與Fugl-Meyer評分相關(guān)

圖4 右內(nèi)側(cè)額上回FCS與NIHSS評分相關(guān)性

圖5 右緣上回FCS與NIHSS評分相關(guān)性

表3 FCS差異腦區(qū)與臨床變量NIHSS、Fugl-Meyer相關(guān)性

3 討論

人類大腦高度整合,各腦區(qū)之間緊密相連,在實(shí)現(xiàn)認(rèn)知、感知、運(yùn)動等多方面功能的過程中,幾乎所有的腦區(qū)都參與到相互協(xié)同合作的活動中。靜息態(tài)功能連接主要側(cè)重于探究不同腦區(qū)之間低頻血氧水平依賴信號的時間同步程度,以反映腦區(qū)功能整合的程度[5]。常見的靜息狀態(tài)時間序列相關(guān)分析方法基于特定感興趣區(qū)(即種子點(diǎn)),通過對BOLD信號進(jìn)行相關(guān)分析來確定與種子點(diǎn)功能相關(guān)的其他大腦區(qū)域[16]。此外,聚類分析方法也常用來評估不同種子區(qū)域之間的功能連接水平[17]。大腦是高端復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),基于種子點(diǎn)的分析方法往往會將大腦簡化為相互關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn),忽略了腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu),可能導(dǎo)致對整體網(wǎng)絡(luò)的理解不足。同時也受到先驗(yàn)?zāi)０宓闹萍s,因此結(jié)果可能具有一定程度的偏倚。FCS是一種較新的數(shù)據(jù)處理方法,用于評估每個體素與大腦中所有其他體素的連接性,從而全面了解大腦的內(nèi)在功能連通性[18-19]。

本研究使用FCS方法探討了CIS 患者運(yùn)動功能損傷的神經(jīng)基礎(chǔ),發(fā)現(xiàn) CIS 患者多個與感覺和運(yùn)動功能相關(guān)腦區(qū)的FCS改變,CIS患者右中央前回、雙側(cè)中央后回、右緣上回、右背外側(cè)額上回、右中央溝蓋、雙側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、雙側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)FCS值顯著低于健康對照組。此外,CIS患者FCS值還與神經(jīng)功能評分相關(guān)。中央前回負(fù)責(zé)控制運(yùn)動、整合感覺信息以及與其他大腦區(qū)域進(jìn)行信息傳遞,使大腦能夠進(jìn)行復(fù)雜的行為和認(rèn)知活動。有研究者[20]對卒中后感覺運(yùn)動皮層的跨模態(tài)功能連接進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)感覺運(yùn)動皮層和其他非運(yùn)動區(qū)域是卒中后大腦重組過程中的重要節(jié)點(diǎn)。還有一些研究者采用功能連接方法探索CIS患者認(rèn)知功能障礙,這些研究中發(fā)現(xiàn)雙側(cè)中央前回、右側(cè)中央后回、右側(cè)額上回、緣上回等腦區(qū)功能連接異常[15]。在CIS患者語言障礙的研究中,發(fā)現(xiàn)卒中后整個大腦半球表現(xiàn)出不對稱的FC變化[21]。還有研究 一致報(bào)道單側(cè)皮質(zhì)下卒中后同側(cè)中央前回和對側(cè)感覺運(yùn)動皮質(zhì)、輔助運(yùn)動區(qū)之間的連接性降低,與頂葉和額葉的連通性也降低[9,22]。輔助運(yùn)動區(qū)參與運(yùn)動執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能重組,在運(yùn)動控制的復(fù)雜性和協(xié)調(diào)性方面起到了關(guān)鍵作用[23]。右中央溝蓋包括了感覺皮質(zhì)和運(yùn)動皮質(zhì)的部分區(qū)域,主要對感覺和運(yùn)動之間的互動進(jìn)行協(xié)調(diào),還與卒中后語言障礙[24-25]、卒中后抑郁癥涉及譜系癥狀(如冷漠、抑郁、焦慮和壓力等)相關(guān)[26]。本研究結(jié)果與先前的研究具有一致性,不僅揭示了同側(cè)和對側(cè)感覺運(yùn)動皮質(zhì)功能連接的異常,還有更廣泛的雙側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)、額上回和緣上回也發(fā)生功能連接的改變,這進(jìn)一步表明由同側(cè)病變引起的雙側(cè)半球之間相互作用的破壞。這些研究發(fā)現(xiàn)卒中后遠(yuǎn)離病變的腦區(qū)大腦神經(jīng)活動和功能連接異常,從一個新的角度為卒中偏癱后腦功能重塑機(jī)制提供更多的信息,為卒中偏癱患者的康復(fù)治療選擇、預(yù)后評估提供新的思路。

中央前回負(fù)責(zé)運(yùn)動補(bǔ)充功能,并在執(zhí)行和協(xié)調(diào)功能中發(fā)揮關(guān)鍵作用[27]。有研究報(bào)道,中風(fēng)患者中央前回體素鏡像同倫連接與NIHSS評分負(fù)相關(guān)[28]。本研究中也發(fā)現(xiàn),CIS患者右側(cè)中央前回的FCS與NIHSS評分呈負(fù)相關(guān),與Fugl-Meyer評分呈正相關(guān)。另外,右側(cè)緣上回和右側(cè)內(nèi)額上回的FCS值與NIHSS評分皆呈負(fù)相關(guān)。額上回是控制決策和行為的重要區(qū)域,這個腦區(qū)對規(guī)劃和執(zhí)行行動具有控制作用,而且它也是集中注意力和決策的主要區(qū)域,在多種認(rèn)知任務(wù)中都扮演了重要的角色[29]。緣上回在感知整合、空間感知、運(yùn)動控制和注意力分配等方面起著重要作用,為精確的運(yùn)動和認(rèn)知任務(wù)提供必要支持。有研究表明卒中患者緣上回功能的下降可能與本體感覺的下降有關(guān)[30],推測本體感覺功能損傷可能是由于基底節(jié)損傷導(dǎo)致緣上回功能連通性下降所致。此外,緣上回是頂下小葉的一部分,頂下小葉是大腦中與動作規(guī)劃、模擬和想象緊密相關(guān)的區(qū)域之一,在運(yùn)動功能恢復(fù)和康復(fù)過程中都起到了重要的作用,緣上回功能連接異?？赡茴A(yù)示著CIS患者存儲和調(diào)用運(yùn)動信息的能力受損[31]。

本研究有一些值得注意的局限性。首先,雖然篩查了基底神經(jīng)節(jié)和放射冠病變的患者,盡可能去除病變腦區(qū)對結(jié)果的影響,但卒中的同質(zhì)性依舊是一個挑戰(zhàn)。其次,樣本量較小,還需要更大樣本量的進(jìn)一步研究來驗(yàn)證目前的研究結(jié)果。第三,大腦感覺運(yùn)動和認(rèn)知功能可以采用多種功能磁共振參數(shù)來間接評估,各種方法之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)以及重復(fù)性需要進(jìn)一步研究。

綜上所述,本研究采用FCS方法探討CIS偏癱患者的感覺運(yùn)動功能連通性改變,發(fā)現(xiàn)中央前回、中央后回、輔助運(yùn)動區(qū)、頂葉等腦區(qū)的FCS出現(xiàn)異常,這些腦區(qū)正是感覺運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。研究結(jié)果為CIS偏癱患者的感覺運(yùn)動障礙提供了初步證據(jù),FCS指標(biāo)可作為評估CIS偏癱患者感覺運(yùn)動障礙的神經(jīng)影像標(biāo)志物,為CIS偏癱后腦功能重塑機(jī)制提供新的見解,為CIS偏癱患者的康復(fù)治療選擇、預(yù)后評估提供新的思路。