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        帕金森病靜息態(tài)功能磁共振成像研究與進(jìn)展

        2022-11-26 17:11:54努爾比亞克然木通信作者
        關(guān)鍵詞:網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帕金森病磁共振

        努爾比亞·克然木,王 紅(通信作者)

        (新疆醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 新疆 烏魯木齊 830011)

        帕金森?。≒arkinson's disease,PD)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)極為典型的神經(jīng)退行性疾病,病變機(jī)制一般是由于黑質(zhì)紋狀體與多巴胺神經(jīng)元的喪失[1]。通過中樞神經(jīng)環(huán)路導(dǎo)致了包括整個(gè)大腦皮層內(nèi)廣泛的功能和結(jié)構(gòu)改變,因此它是病人出現(xiàn)認(rèn)知功能方面受損的主要原因[2]。本病在中國的患病率一直居高不下。其一般分運(yùn)動(dòng)癥狀和非運(yùn)動(dòng)癥狀,其臨床表現(xiàn)隨時(shí)間而不斷增加,活動(dòng)缺陷大致為:運(yùn)動(dòng)遲鈍、強(qiáng)直、震顫、姿勢(shì)不穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)的起始功能障礙[3]。非運(yùn)動(dòng)癥狀大致分三個(gè)大的方面:認(rèn)識(shí)心理疾病、自主神經(jīng)功能紊亂、感覺失常。認(rèn)識(shí)心理疾病還包含睡眠異常行動(dòng)功能障礙、情感功能障礙等。自主神經(jīng)紊亂包含了便尿失常、多汗出、口角流涎、臉面油脂重等。疼痛和肢體麻痹之類的感覺上的異常也較為普遍,并出現(xiàn)不同的認(rèn)知變化及障礙[4]。因此早期發(fā)現(xiàn)的病變對(duì)防治阿爾茨海默病有著重要意義。當(dāng)今rs-fMRI在研究PD方面逐漸成為熱門對(duì)象,促進(jìn)了對(duì)帕金森病認(rèn)知功能的損傷及其靜息態(tài)腦功能改變的深入了解。

        1 磁共振成像腦功能技術(shù)概述

        功能磁共振成像(fMRI)是一種對(duì)人體無創(chuàng)性高分辨率磁共振檢查技術(shù),在探測(cè)大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的同時(shí),還能分析人腦的不同區(qū)域間血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)信號(hào)關(guān)系,研究其神經(jīng)系統(tǒng)生物活動(dòng)方式的功能聯(lián)系特征,從而創(chuàng)立大腦功能聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)[5],有時(shí)間、空間分辨率高等特點(diǎn),所以能夠作為帕金森病的早期確診指標(biāo)之一。其基本成像原理是在不同的大腦功能區(qū)受到各類刺激以及進(jìn)行任務(wù)使神經(jīng)元活躍增加時(shí),因鄰近的大腦功能區(qū)的血流量、血容量增加,其增加率遠(yuǎn)高于局部細(xì)胞氧代謝的提高,進(jìn)而致使大腦功能活躍區(qū)的脫氧血紅蛋白含量相對(duì)地小于非活動(dòng)場(chǎng)所。靜脈血當(dāng)中的具有順磁性的脫氧血紅蛋白能夠使強(qiáng)磁場(chǎng)中的MRI圖像中的BOLD對(duì)比度增加,從而完成無創(chuàng)檢測(cè)[6]。被檢者腦中的血流量、血紅蛋白氧飽和度等指標(biāo)的變化,將使大腦活動(dòng)發(fā)生變化,從而發(fā)生BOLD信號(hào)的變化;fMRI主要分成安靜或休息狀態(tài)下的功能磁共振成像(rs-fMRI)與任務(wù)態(tài)功能磁共振成像。

        rs-fMRI是一種在靜止?fàn)顟B(tài)下檢測(cè)出大腦自發(fā)神經(jīng)細(xì)胞活動(dòng)的先進(jìn)技術(shù),在意識(shí)功能紊亂、老年人癡呆癥、精神疾患以及PD等多種疾病研究中應(yīng)用。rs-fMRI作為一項(xiàng)非侵入性信息技術(shù),該信息技術(shù)操作簡便,只需要患者維持靜止,就無需再進(jìn)行任務(wù),因此具備較大的可信度和重復(fù)性[7]。分析rs-fMRI的主要方法有:局部區(qū)域一致性(ReHo)、低頻振幅(ALFF)、獨(dú)立成分分析(ICA)、度中心性(DC)等。它重點(diǎn)基于神經(jīng)元在受到一定刺激之后發(fā)生部分局部耗費(fèi)氧氣和血液增幅不相同的機(jī)理,計(jì)算大腦BOLD信號(hào)來反映神經(jīng)元的多項(xiàng)功能,當(dāng)局部血充氧量增高,dehemoglobinize水平也相應(yīng)下降產(chǎn)生的磁場(chǎng)不平衡,從而產(chǎn)生T2WI信號(hào)改變,從而得到了對(duì)應(yīng)腦部區(qū)域活動(dòng)的信息和影像資料。通過磁共振功能成像(fMRI)技術(shù),我們能對(duì)人腦聯(lián)絡(luò)功能進(jìn)行探究。并且運(yùn)用fMRI成像以及數(shù)據(jù)處理的個(gè)體化方式,將進(jìn)一步精確地指出患者的語言、運(yùn)動(dòng)以及記憶等重要的腦功能區(qū),并將詳細(xì)反映出個(gè)體腦功能網(wǎng)絡(luò)的具體分布方式[8]。

        2 靜息態(tài)功能磁共振的相關(guān)應(yīng)用

        2.1 局部腦區(qū)活動(dòng)研究

        靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)是近年用于研究腦區(qū)活動(dòng)的很熱門的神經(jīng)系統(tǒng)影像學(xué)技術(shù)之一,所用的分析方法大多是反映了局部大腦功能變化的度量和全大腦網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果,前者主要涉及局部一致性(ReHo)、低頻振幅(ALFF)等,后者則主要指腦功能的連接(FC)等。研究人員認(rèn)為ReHo異??梢苑从吃谀X區(qū)神經(jīng)元自行活躍的變化情況;在局部腦區(qū)ReHo降低表明了此神經(jīng)元活躍的一致性下降,也表明了此腦區(qū)可能會(huì)出現(xiàn)的功能變異。ALFF經(jīng)過觀察BOLD信號(hào)在相對(duì)時(shí)間基線改變,從能量角度上反映了大腦中各功能區(qū)在靜止?fàn)顩r下,自發(fā)性活躍水平的高低,所以,我們可以說ALFF從能量方面,反映了靜止?fàn)顟B(tài)下人腦中各區(qū)段自發(fā)性活躍能力水平的相對(duì)差異。ReHo是經(jīng)過分析出多個(gè)鄰近體素在同一時(shí)間序列中的BOLD信號(hào)波形之間的相同性來檢查大腦的功能,多項(xiàng)腦功能研究發(fā)現(xiàn)帕金森病存在多項(xiàng)神經(jīng)功能的受損和非正常的腦部血流和物質(zhì)代謝,很多研究表明PD患者有腦灰質(zhì)、白質(zhì)體積或密度的異常,這些腦部結(jié)構(gòu)的異??赡苁桥两鹕〕霈F(xiàn)腦功能改變的基礎(chǔ)[9]。

        2.2 功能異常研究

        2.2.1 腦功能連接異常 腦功能連接的具體研究方式是指基于種子點(diǎn)或感興趣域(Region of interest,ROI)相關(guān)分析法、獨(dú)立成分分析法(ICA)、格蘭杰因果分析(Grangercausality analysis)及黃體素鏡像的同倫連接(ⅤMHC)等不同的方法[10]?;谖覀兯f的種子點(diǎn)、ROI分析法集中測(cè)試指定地區(qū)和其他特定區(qū)或其全腦的貫通性。所謂FC是指各個(gè)腦域BOLD信號(hào)與自發(fā)活動(dòng)之間在時(shí)鐘順序上的相似性,反映了不相鄰腦部區(qū)域功能活動(dòng)的同步性,基于體素或ROI的活動(dòng)FC和獨(dú)立成分分析(ICA)。ICA是一個(gè)大腦圖像信息多方位、多層次解析工具,把人類大腦細(xì)分為幾個(gè)子網(wǎng)絡(luò),從而深入地剖析了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大腦區(qū)域以及網(wǎng)絡(luò)之間的功能聯(lián)系。ICA可以使大腦fMRI信號(hào)詳細(xì)分解成獨(dú)立成分且可以定義為網(wǎng)絡(luò),利用該方式可以在單組或個(gè)人的靜止休息狀態(tài)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生出若干個(gè)靜止休息的狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)。安靜及休息態(tài)腦功能連接度(rsFC)是指在神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)和功能相同的不同腦區(qū)域基礎(chǔ)活動(dòng)之間在時(shí)序上的相似性。腦基底節(jié)區(qū)各核團(tuán)是神經(jīng)細(xì)胞傳遞通道的中轉(zhuǎn)站,它的功能活性和結(jié)構(gòu)變異將引起腦內(nèi)各神經(jīng)細(xì)胞傳遞通道變異,從而導(dǎo)致PD患者腦功能紊亂。在各種錐體外系環(huán)路當(dāng)中,紋狀體-丘腦-皮層(stc)運(yùn)動(dòng)環(huán)路又包括紋狀體直接通路、間接通路,其活動(dòng)的平衡性對(duì)實(shí)現(xiàn)人類正常運(yùn)動(dòng)是至關(guān)重要的,stc環(huán)路功能紊亂被認(rèn)為是PD患者運(yùn)動(dòng)障礙的主要發(fā)病機(jī)理。尾狀核、殼核、蒼白球和丘腦底核參與stc環(huán)路的形成,因此,目前rs-fMRI熱點(diǎn)大多集中在這些區(qū)域。探究表明,當(dāng)帕金森病人在進(jìn)行一定的自發(fā)的運(yùn)動(dòng)任務(wù)及靜息狀態(tài)下時(shí),會(huì)出現(xiàn)殼核的功能活動(dòng)減弱等表現(xiàn),并其與大腦皮質(zhì)的功能連接會(huì)明顯降低。此外,Bruchhage等的研究結(jié)果指出阿爾茲海默?。ˋD)患者早期表現(xiàn)有可能表現(xiàn)為小腦萎縮[11]。Tang[12]等研究結(jié)果指出MCI及AD患者的皮層-小腦功能連接會(huì)發(fā)生變化,并與認(rèn)知功能下降有相關(guān)性。Ou等[13]指出小腦-丘腦-大腦皮層環(huán)路是與計(jì)劃以及工作記憶等內(nèi)容有相關(guān)性。

        2.2.2 腦功能網(wǎng)絡(luò)異常 大腦網(wǎng)路屬性研究是指采用圖論的研究方式,從全局網(wǎng)路的視角來探究大腦網(wǎng)路的拓?fù)鋵傩?,以及定量分析大腦區(qū)間內(nèi)功能連接的研究方式。圖論法還可以進(jìn)行更復(fù)雜的腦網(wǎng)絡(luò)分析,為研究腦網(wǎng)異常提出了新辦法,它通過測(cè)定人腦局部結(jié)構(gòu)和全局聯(lián)系,可以得到一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上和功能節(jié)點(diǎn)間的聯(lián)系方式,來說明在人腦空間上和功能上彼此聯(lián)系的基本模式。

        大腦的網(wǎng)絡(luò)分析把大腦視為由一組節(jié)點(diǎn)連接彼此之間,通過代表二節(jié)點(diǎn)功能與聯(lián)系強(qiáng)度的多邊形的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[14]。常見的拓?fù)涮卣鲗傩约夹g(shù)指標(biāo)有:聚類分析法系數(shù)、特點(diǎn)路線總長度、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效能、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的度、度、模塊化和中介中心特點(diǎn)屬性、小世界特點(diǎn)屬性等。特點(diǎn)路線總長度和聚類系數(shù)分別體現(xiàn)了腦絡(luò)的總體效能和局部效率;網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)連接的程度體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)與整個(gè)世界連接程度,以及在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的重要性;度的分布則是指在網(wǎng)內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)度量值為K的節(jié)點(diǎn)的概率;功能模塊化性用來反映在一個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)建立子模塊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的困難程度,以體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)各種功能的分化能力;中介中心性代表了該節(jié)點(diǎn)與某一復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效溝通以及集成能力。有關(guān)腦結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)路的圖論深入研究,均發(fā)現(xiàn)了該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具備“小世界”特征屬性,即較為高的集中性和較小的特征路徑寬度,在局部空間和整個(gè)功能水平上對(duì)信號(hào)傳輸都存在著高效性。腦默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)作為首個(gè)靜息態(tài)下檢測(cè)的腦網(wǎng)絡(luò),反映的是靜息態(tài)時(shí)人腦最基本的一個(gè)代謝要求,其與很多高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)(比如人類的內(nèi)在心理活動(dòng)、周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)、對(duì)情景記憶檢索等)有著密切的相關(guān)性,后扣帶回與楔前葉是DMN的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。帕金森病人的認(rèn)知障礙被證實(shí)是楔前葉與DMN其他節(jié)點(diǎn)的功能連接下降有關(guān)[15]。后扣帶回是DMN中活動(dòng)中最強(qiáng)的,主要進(jìn)行內(nèi)、外環(huán)境的信息采集任務(wù)。

        3 結(jié)論

        帕金森病的認(rèn)知異常機(jī)制復(fù)雜,rs-fMRI作為一類無損傷的非常有效的非入侵檢查方式,能夠幫助我們了解疾病的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制。以往的研究發(fā)現(xiàn)PD患者的局部腦區(qū)域存在自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)異常等變化,進(jìn)而腦網(wǎng)絡(luò)功能連接也隨之改變。目前,PD患者腦構(gòu)造、新陳代謝、性能方面的疾病研究早已在相當(dāng)一部分rs-fMRI研究中有所肯定,并表明腦功能變化早于結(jié)構(gòu)變化。rs-fMRI不但能夠通過各種理論分析方法對(duì)大腦功能變化開展深入研究,而且還能通過對(duì)不同大腦的功能網(wǎng)絡(luò)、功能網(wǎng)絡(luò)間作用、其他有關(guān)功能腦區(qū)結(jié)構(gòu)及其不同的神經(jīng)傳遞物質(zhì)影響因素等方面,對(duì)PD患者的大腦功能變化作出評(píng)價(jià),從而對(duì)本病的發(fā)生機(jī)理、診斷方式和預(yù)后監(jiān)測(cè)等方面有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

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