孔德民，鮑海華，李超偉，李偉霞，王芳芳

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慢性高原病患者默認網絡改變：基于后扣帶回的功能連接研究

孔德民，鮑海華*，李超偉，李偉霞，王芳芳

［摘要］目的 運用種子點相關的功能連接分析方法探討慢性高原?。╟hronic mountain sickness， CMS）患者靜息狀態(tài)下默認網絡（default mode network， DMN）的功能連接改變，為CMS患者腦部病變的發(fā)病機制做初步影像學探究。材料與方法 收集2012年12月至2015年1月根據(jù)CMS診斷和排除標準確診的24例CMS患者，選擇海拔高度、年齡、受教育年限、性別相匹配的25例正常志愿者作對照組，以上均選取男性作為被試，對其行全腦掃描，獲取平面回波成像（echo planar imaging， EPI）數(shù)據(jù)。運用基于MATLAB平臺的DPARSF2.2及REST 1.8軟件包處理，應用種子點相關的功能連接分析方法，以后扣帶回（posterior cingulate cortex， PCC）為種子點，分析靜息狀態(tài)下DMN改變。組內比較采用單樣本t檢驗，組間采用兩樣本t檢驗。結果 與正常對照者相比，CMS患者在靜息狀態(tài)時與PCC功能連接強度增加的腦區(qū)有：左側海馬旁回、左側角回、左側額中回、右側小腦9區(qū)、左側小腦腳2區(qū)。未發(fā)現(xiàn)相比正常組功能連接減低腦區(qū)。結論CMS患者多個腦區(qū)與PCC功能連接強度增加，這為探究CMS患者多種神經精神癥狀的發(fā)病機制提供了重要的影像學依據(jù)。

［關鍵詞］慢性高原??；靜息狀態(tài)；磁共振功能成像；默認網絡；功能連接

作者單位：青海大學附屬醫(yī)院影像中心，西寧810001

接受日期：2016-01-08

孔德民， 鮑海華， 李超偉， 等. 慢性高原病患者默認網絡改變: 基于后扣帶回的功能連接研究. 磁共振成像， 2016，7（2）: 107–112.

*Correspondence to: Bao HH， E-mail: baohelen2@sina.com

Received 10 Nov 2015， Accepted 8 Jan 2016

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of National Natural Science Foundation of China （No. 81060117）； International cooperation project of Qinghai provincial science and Technology Department（No. 2012-H-807）.

慢性高原病（chronic mountain sickness， CMS）是高海拔習服失敗（海拔高度＞2500 m）所導致的血紅蛋白增多癥和動脈低氧血癥［1］。該病是影響高原地區(qū)居民健康的重要疾病，常見癥狀有：頭痛、氣短、乏力、心悸、記憶力減退、耳鳴、食欲差等［2］。本課題前期對CMS患者腦灰質運用基于體素的形態(tài)學測量的研究顯示，CMS患者較正常對照組多個腦區(qū)體積存在差異，其中包括前、后扣帶回等默認網絡的重要節(jié)點［3］，故本研究擬對默認網絡進行分析。靜息態(tài)功能磁共振（resting state functional magnetic resonance imaging， rsfMRI）技術是一種能活體無創(chuàng)地反映腦功能活動的技術［4］。Raichle［5］提出大腦功能“默認模式（default mode）”的概念，指當大腦不加工外在任務時回歸到基線狀態(tài)（baseline state），并將支持這一功能的腦區(qū)稱之為“默認網絡”（default mode network，DMN），該網絡與靜息狀態(tài)下腦功能活動密切相關。國內外以往的研究中，對高原低氧環(huán)境對腦功能影響的功能磁共振研究罕有報道［4］。目前，關于高原低氧環(huán)境下CMS患者多種神經系統(tǒng)癥狀的神經病理學機制還不清楚。本研究采用靜息態(tài)fMRI技術初步探討CMS患者默認網絡連接的改變，旨在為CMS的影像學研究提供更多的手段和方法，對其臨床癥狀及其發(fā)病機制提供更多的影像學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究對象

收集2013年5月至2015年5月于青海大學附屬醫(yī)院確診的CMS患者25例，其中一例因頭動較大而剔除，CMS組共24例，CMS組診斷標準采用慢性高原病國際診斷標準（青海標準主要包括血紅蛋白指標以及多種體征評分）［2］。血紅蛋白（haemoglobin，Hb）平均值為（233.37±15.63） g/L，年齡平均（41.53±5.40）歲，受教育年限平均（10.30±5.60）年，居住海拔高度平均（3760± 240.30） m，所有患者在檢查前均未進行相關治療。對照組選擇年齡、受教育程度和居住海拔高度與CMS組相匹配的正常自愿者，共25例，體格檢查均無陽性體征，血常規(guī)及血壓正常。所有受試者均為右利手，居住海拔均＞3000 m，居住年限均為5年以上，沒有創(chuàng)傷性腦損傷、腦血管意外、精神病、藥物濫用、高血壓、糖尿病等病史。由于CMS發(fā)病率男性明顯高于女性［6］，因此兩組均選取男性作為研究對象。本項研究經我院倫理委員會審查通過，所有受試者均在試驗前被告知相關情況并同意，均簽訂知情同意協(xié)議書。

1.2磁共振數(shù)據(jù)采集

采用Philips Achieva3.0 T TX多源發(fā)射磁共振掃描系統(tǒng)，標準頭顱8通道線圈完成掃描。掃描前告知被試者在掃描過程中保持靜息狀態(tài)：放松、安靜閉目，不思考問題。靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)采用平面回波成像（echo planar imaging， EPI）序列，掃描參數(shù)為：TR/TE=2500 ms/30 ms，翻轉角90°，層厚3.5 mm，層間隔0.35 mm，層數(shù)為35層，視野224 mm×224 mm，掃描時長6分25秒。并對所有受試者進行常規(guī)頭部磁共振成像掃描，獲取T2WIFlair序列圖像用于診斷，掃描參數(shù)為：TR/TE= 10000 ms/120 ms，層厚5.5 mm，層間隔1.0 mm，視野220 mm×181 mm，層數(shù)為18層。

1.3數(shù)據(jù)處理及功能連接分析

采用靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)處理軟件助手（data processing assistant for resting-state fMRI，DPARSF）對靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)進行預處理。去除最初10個時間點，再進行時間校正和頭動校正，頭動大于1.5 mm和角度大于1.5度的均剔除，CMS組有一例頭動較大剔除，處理完的數(shù)據(jù)標準化到蒙特利爾神經病學研究所（montreal neurological institute， MNI）標準腦模板上，每個像素被重新采樣為3 mm×3 mm×3 mm，高斯平滑采用半高全寬為8 mm×8 mm×8 mm。隨后用REST（resting-state fMRI data analysis toolkit）軟件，首先對預處理后的數(shù)據(jù)進行去線性漂移，并對每個時間序列進行帶通濾波（0.01～0.08 Hz）。因為以往的靜息態(tài)fMRI研究中證實后扣帶回（posterior cingulate cortex， PCC）為默認網絡的重要節(jié)點［7］，一般認為種子點相關分析方法做默認網絡選取PCC為種子點［8］，PCC選取采用斯坦福大學FIND lab網站提供的DMN-ROIS模板［9］，分析PCC與全腦各體素時間序列的相關性，計算相關系數(shù)r，并將相關系數(shù)r通過Fisher Z轉換成符合正態(tài)分布的Z值，最后，利用REST軟件分別對CMS組、對照組進行單樣本t檢驗（P＜0.001，cluster size≥50，AlphaSim校正）。然后進行雙樣本t檢驗（P＜0.05， cluster size≥100，未校正），并選取兩組數(shù)據(jù)單樣本檢驗結果并集作為兩樣本t檢驗的mask。使用REST及xjview軟件呈現(xiàn)功能連接異常腦區(qū)，所有結果均采用多重比較校正，滿足統(tǒng)計閾值的像素點被投射到蒙特利爾標準模板空間，x、y、z代表其三維空間坐標。

2　結果

靜息狀態(tài)下對照組和CMS組都表現(xiàn)出了默認網絡所包括多個腦區(qū)與PCC的顯著相關，分布區(qū)域和以往的國內外研究基本一致［5， 7， 9］，主要包括后扣帶回、楔前葉、內側前額葉、前扣帶回、雙側部分頂葉、部分顳葉和部分小腦區(qū)。與對照組相比，CMS組與PCC功能連接強度顯著增加的區(qū)域主要有：左側海馬旁回、左側角回、左側額中回、右側小腦9區(qū)、左側小腦腳2區(qū)（P＜0.05，cluster size≥100）。見表1、圖1。

3　討論

默認網絡是近幾年腦功能研究中最被關注的靜息態(tài)網絡之一。默認網絡是靜息狀態(tài)下活動較高的大腦系統(tǒng)，它包含多個功能聯(lián)系緊密的腦區(qū)。這些腦區(qū)主要包括后扣帶回/前楔葉、內側前額葉、雙側角回、雙側外側顳葉、雙側海馬［5， 10］。默認網絡在大腦處理靜息狀態(tài)時活動會增強，當任務狀態(tài)時其活動反而會減低，其與人腦對內外環(huán)境的監(jiān)測、情緒的加工、以及自我內省、維持意識覺醒、情景記憶的提取等高級功能密切相關。國內外學者研究發(fā)現(xiàn)，在阿爾茨海默病［11］、癲癇［12］、抑郁癥［13］、肝性腦?。?4］等多種疾病下默認網絡功能連接均存在異常。

腦是對缺氧最敏感的靶器官之一，腦在人體器官中耗氧量較高，并對缺氧非常敏感，因此低氧對大腦功能的影響備受關注［15］。長期缺氧狀態(tài)下大腦會表現(xiàn)出結構和代謝方面的調節(jié)［16-18］。研究發(fā)現(xiàn)，前腦島、前額皮質和前扣帶皮層灰質體積減少可能與高海拔居民在缺氧環(huán)境下心血管反饋調節(jié)，以及有氧代謝能力下降和食欲下降的機制有關［18］。有學者認為，高原低氧環(huán)境下代謝減退可能是一種對慢性缺氧的防御機制［19］，而且高海拔地區(qū)居民的認知［17］、嗅覺功能也會發(fā)生改變［20］。CMS患者腦部血流緩慢，腦組織缺氧，而灰質較白質對缺氧更敏感［21］。本研究對默認網絡相關的腦區(qū)進行研究，探究在慢性高原低氧環(huán)境下CMS患者相關腦區(qū)改變是否與心血管、呼吸反饋調節(jié)以及臨床癥狀的發(fā)生有關。

本研究發(fā)現(xiàn)靜息態(tài)下CMS組相對于對照組默認網絡多個腦區(qū)呈現(xiàn)功能連接度增加。鄰近腦區(qū)功能代償性增加的現(xiàn)象可以被視為一種“補償”（代償機制）［14］，通過有效調動代償腦資源，在一段時間內可以阻止或者減緩病程的進展，這其中涉及特定腦區(qū)神經營養(yǎng)因子分泌增多以及膽堿能活動增加［22］。與對照組相比，CMS組在左側海馬旁回、左側角回、左側額中回、右側小腦9區(qū)、左側小腦腳2區(qū)的功能連接度增加。海馬旁回在學習、記憶以及應激調節(jié)過程中具有的重要作用。而研究表明，長時間暴露于高海拔低氧環(huán)境對記憶力是有損害的［23］，缺氧主要影響短時記憶［24］，其機制可能為海馬膽堿系統(tǒng)功能障礙所致［25］。該區(qū)連接度增加可能為CMS患者學習、記憶功能下降后的一種延緩損傷的代償機制。角回是人類視覺性語言中樞，又稱閱讀中樞，也是默認網絡的重要節(jié)點，與傳入的聽覺、視覺與觸覺信息的整合有關［26］。該腦區(qū)功能連接增加可能與CMS患者閱讀能力、信息整合能力以及對外界刺激反應能力改變有關。近年來研究發(fā)現(xiàn)，小腦還參與認知、語言及情感調節(jié)等功能［27-28］。右側小腦9區(qū)、左側小腦腳2區(qū)腦區(qū)功能連接增加，可能與CMS患者認知功能改變、情緒紊亂、易激惹等有關。前額葉皮層是大腦中最復雜的腦區(qū)之一，它是人體發(fā)育中成熟較晚的新皮層，研究表明與認知、自發(fā)反應等高級功能密切相關［29］。前額葉皮層還參與調節(jié)交感神經活動、心率和血壓的調節(jié)［30］，因此該區(qū)域的改變可能與CMS患者心悸、氣促以及高血壓發(fā)病率增高有關。額中回不僅參與默認網絡的組成，而且還參與了認知執(zhí)行網絡，而CMS患者該腦區(qū)的激活還可能為了增強認知執(zhí)行網絡功能來彌補運動網絡功能減弱的不足［31-32］。

圖1　與正常對照者相比，CMS患者在靜息狀態(tài)時與PCC功能連接強度增加的腦區(qū)有：左側海馬旁回、左側角回、左側額中回、右側小腦9區(qū)、左側小腦腳2區(qū)（P＜0.05，cluster size＞100）Fig. 1 Compared with normal control group， CMS patients show increased functional connectivity in left parahippocampal gyrus， left angular gyrus， left medial frontal gyrus， right cerebellum 9 area and left Cerebellum Crus 2 with posterior cingulate gyrus（P＜0.05， cluster size＞100）.

本研究還存在一些局限性，主要有：（1）樣本量還不夠大，可能存在統(tǒng)計學誤差；（2）沒有進行認知相關的神經量表評估，不能進行和認知改變的相關性分析。（3）本研究的被試者均為男性，可能存在一定的局限性，在后續(xù)研究中會考慮加入女性被試。而且從結果來看，兩樣本比較的激活區(qū)多位于左側，CMS患者默認網絡損害是否存在偏側化問題還需進一步研究。

總之，慢性高原病腦部損害的病理生理改變的機制目前還有很多尚不清楚，許多問題的機制還需進一步研究。本研究采用種子點相關分析方法對慢性高原病患者與PCC相關的網絡改變進行了分析，慢性高原病患者默認網絡多個區(qū)域與PCC功能連接度增加，提示慢性高原病患者在長期慢性低氧環(huán)境下腦部默認網絡多個腦區(qū)改變主要為代償機制，本課題的多項研究為慢性高原病腦病發(fā)病機制研究在影像學方面做了一些基礎工作，但是還有很多的問題有待進一步深入研究。

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Changes of default mode network in patients with chronic mountain sickness: evidence from PCC functional connectivity

KONG De-min1， BAO Hai-hua1*， LI Chao-wei1， LI Wei-xia1， WANG Fang-fang1
Department of Radiology， Affiliated hospital of Qinghai University， Xi’ning 810001，China

Key wordsChronic mountain sickness； Resting state； Functional magnetic resonance imaging； Default mode network； Functional connection

AbstractObjective: To explore the changes of default mode network （DMN） in CMS patients， to investigate the pathogenesis of brain lesions in patients with CMS. Materials and Methods: Twenty-four patients with clinically diagnosed CMS and age， sex， years of education， altitude matched 25 cases of normal volunteers underwent whole brain scan， and EPI images were acquired. The difference in DMN between the two groups was analyzed by defining posterior cingulate cortex （PCC） as seed region. Results: Compared with normal control group， posterior cingulate showed increased function connectivity with left parahippocampal gyrus， left angular gyrus， left medial frontal gyrus， right cerebellum 9 area and left cerebellum crus 2 area of CMS patients. Conclusion: CMS patients had changed functional connection in many regions， it might be associated with the pathogenesis of CMS patients .

基金項目：國家自然科學基金項目（編號：81060117）；青海省科技廳國際合作項目（編號：2012-H-807）

通訊作者：鮑海華，E-mail: baohelen2@sina.com

收稿日期：2015-11-10

中圖分類號：R445.2；R555

文獻標識碼：A

DOI:12015/j.issn.1674-8034.2016.02.005