余倩倩，劉高平，許強，張其銳，盧光明，張志強

兒童失神性癲癇（childhood absence epilepsy,CAE）是特發(fā)性全面性癲癇中常見的一種綜合征，特異表現(xiàn)為短暫意識喪失的非抽搐性發(fā)作癥狀，以及腦電圖上的3 Hz 全面性棘慢波發(fā)放（generalized spike-wave discharges, GSWD）[1]。盡管CAE 的病理生理機制尚不明確，但相關(guān)研究多提示GSWD 的產(chǎn)生與皮層-丘腦環(huán)路的異?；顒用芮邢嚓P(guān)[2-3]。雖然CAE在常規(guī)結(jié)構(gòu)MRI 上無明顯異常，但一些功能成像技術(shù)，如彌散張量成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)基底節(jié)-丘腦-皮層環(huán)路的白質(zhì)結(jié)構(gòu)損害[4]；磁共振波譜技術(shù)發(fā)現(xiàn)CAE 丘腦N-乙酰天門冬氨酸與肌酸的比值（NAA/Cr）顯著下降[5]；此外，同步記錄腦電與功能磁共振成像（simultaneous electroencephalography-functional magnetic resonance imaging, EEG-fMRI）技術(shù)也發(fā)現(xiàn)伴意識損傷的失神發(fā)作有更廣泛的皮層及皮層下核團的激活[6]。

EEG-fMRI 操作復(fù)雜，同時存在癲癇電活動發(fā)放檢出不足、特異血流動力學(xué)模型選擇等問題[7]。靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）技術(shù)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的分析方式，在不需要先驗假說的情況下對腦活動特征進行描繪，相比于EEG-fMRI，其可以在不需要同步腦電記錄的情況下對癲癇引起的異常腦活動進行檢測，已廣泛應(yīng)用于癲癇研究[8-9]。其中，低頻振幅（amplitude of low frequency fluctuation, ALFF）和功能連接密度（functional connectivity density, FCD）是最常用的刻畫靜息態(tài)腦活動的指標(biāo)[10]。ALFF 能檢測以振蕩形式活動的大腦血氧水平依賴性（blood oxygen level dependent, BOLD）信號，反映局部神經(jīng)元活動強弱，在多種癲癇及神經(jīng)精神疾病研究中得到應(yīng)用[8]。Yan 等[9]發(fā)現(xiàn)CAE 患者在抗癲癇藥物治療后，雙側(cè)丘腦、額頂葉及殼核的低頻振蕩分?jǐn)?shù)幅度有所升高。FCD通過測量大腦每個體素與其他體素的平均功能連接強度，是描述網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在全腦功能網(wǎng)絡(luò)中的地位的重要指標(biāo)[11]，目前采用FCD 對CAE 患者腦功能的研究報道較少。此外，有研究表明ALFF和FCD在正常生理條件下緊密耦合[10]。Zhang等[12]研究發(fā)現(xiàn)海馬硬化與顳葉癲癇患者中病側(cè)海馬振幅-連接耦合的特異性改變有著密切關(guān)系。以往CAE研究多采用單一靜息態(tài)指標(biāo)，尚未有研究利用ALFF 和FCD 的耦合探索CAE的潛在神經(jīng)機制。本文通過觀察CAE患者ALFF和FCD的改變模式及耦合關(guān)系，期望為理解CAE臨床及病理生理機制尋找到可靠的神經(jīng)影像標(biāo)志物。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本文為橫斷面研究，回顧性分析2010 年2 月至2020 年9 月在中國人民解放軍東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院明確診斷為CAE 的患者病例共39 例（CAE 患者組）。納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）臨床表現(xiàn)根據(jù)國際抗癲癇聯(lián)盟的診斷標(biāo)準(zhǔn)，由2位高年資神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師共同診斷；（2）腦電圖上表現(xiàn)為典型的正常背景下3 Hz雙側(cè)全面棘慢波發(fā)放；（3）MRI 結(jié)構(gòu)成像正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）左利手；（2）伴有其他癲癇發(fā)放類型，如肌陣攣、強直-陣攣或部分性發(fā)作。臨床資料通過采訪患者、患者父母及醫(yī)學(xué)記錄的回顧所得。

同期招募50名性別、年齡匹配的健康對照者（健康對照組），納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）右利手；（2）既往無神經(jīng)和精神類疾病史；（3）無癲癇家族史；（4）MRI 檢查未見異常。排除標(biāo)準(zhǔn)同CAE患者組。本研究已獲得中國人民解放軍東部戰(zhàn)區(qū)總醫(yī)院倫理委員會的審核批準(zhǔn)（2018NZKY-020-02），所有受試者或其家屬均知情同意并簽署知情同意書。

1.2 MRI數(shù)據(jù)采集

所有受試者的磁共振圖像均通過德國西門子公司生產(chǎn)的3.0 T 高場超導(dǎo)磁共振掃描儀（TIM Trio,Siemens Medical Solution, Erlangen, Germany）進行采集，配置以8通道頭顱線圈。所有受試者經(jīng)掃描訓(xùn)練后，仰臥MRI檢查床，囑放松平靜、閉目保持清醒，不做意向性思考，同時以醫(yī)用海綿墊固定頭部、耳塞降低噪音來盡量避免頭動。首先采用單次激發(fā)梯度回波-平面回波成像序列序列采集rs-fMRI 圖像，參數(shù)如下：250 次掃描，TR 2200 ms，TE 30 ms，F(xiàn)A 90°，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm；體素大小3.75 mm×3.75 mm×4 mm；掃描層數(shù)30 層。然后3D-T1WI 高分辨率結(jié)構(gòu)圖像采用三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列掃描，參數(shù)如下：TR 2300 ms、TE 2.98 ms、反轉(zhuǎn)時間400 ms，F(xiàn)A 9°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，激勵次數(shù)1 次，層厚1 mm，層間距0 mm，掃描時間590 s，矢狀位掃描，共176層，掃描范圍覆蓋全腦。同時行2D-T1WI、2D-T2WI、彌散加權(quán)成像和T2-液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描，用于常規(guī)臨床影像學(xué)診斷。

1.3 MRI數(shù)據(jù)處理

1.3.1 rs-fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理

rs-fMRI 數(shù)據(jù)的預(yù)處理采用北京師范大學(xué)腦影像處理分析軟件DPARSF 5.1（http://rfmri.org/DPARSF）完成，主要步驟如下：（1）格式轉(zhuǎn)換（DICOM-NFITI）；（2）剔除每個受試者時間序列的前10個時間點信號，降低起始時受試者非平穩(wěn)狀態(tài)和機器磁飽和效應(yīng)引入的噪聲；（3）時間層間校正；（4）頭動校正；（5）空間標(biāo)準(zhǔn)化，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所（Montreal Neurological Institute,MNI）空間，重采樣為3 mm×3 mm×3 mm大小的體素；（6）選用0.01～0.08 Hz 頻率進行濾波，以去除高頻噪聲和低頻生理噪聲；（7）使用多元線性回歸分析方法去除協(xié)變量，包括6個頭動參數(shù)及全腦白質(zhì)及腦脊液信號。

1.3.2 ALFF的計算

采用DPARSF 軟件計算ALFF 值。首先采用全寬半高（full width at half maximum, FWHM）為8 mm的高斯核對數(shù)據(jù)進行平滑處理，然后通過快速傅里葉算法將每個體素的時間序列轉(zhuǎn)換到頻率域，在體素水平進行平方根變換得到功率譜，其中，ALFF 值是0.01～0.08 Hz 頻段上BOLD 信號振幅的平方根。最后，將每個體素的ALFF 值除以全腦平均ALFF 值，得到標(biāo)準(zhǔn)化ALFF值。

1.3.3 FCD的計算

采用DPARSF 軟件計算FCD 值。首先計算某兩個體素的BOLD 信號時間序列間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，體素間r＞0.25 的視為存在功能連接，F(xiàn)CD 值是任意一個給定體素存在功能連接的體素數(shù)。最后將每個體素的FCD 除以全腦平均FCD 值來標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，并采用FWHM 為8 mm 的高斯核對數(shù)據(jù)進行平滑處理，得到平滑后的二值化平均FCD值。

1.3.4 ALFF-FCD的計算

先前的癲癇研究中發(fā)現(xiàn)ALFF 和FCD 呈現(xiàn)相反的改變模式[12]，因此本研究引入指標(biāo)ALFF-FCD，探討CAE 患者中ALFF 和FCD 的耦合關(guān)系。ALFF-FCD 的計算方式為：在每個受試者中，使用標(biāo)準(zhǔn)化FCD 值減去標(biāo)準(zhǔn)化ALFF 值，并將差值除以標(biāo)準(zhǔn)化FCD 值與標(biāo)準(zhǔn)化ALFF 值的和[（FCD-ALFF）/（FCD+ALFF）]，逐體素進行計算，最終生成ALFF-FCD腦圖。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 26.0 軟件進行臨床數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。其中，符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，組間比較采用兩樣本t檢驗；定性資料以頻數(shù)描述，組間比較采用卡方檢驗，以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。ALFF，F(xiàn)CD及ALFF-FCD的組間比較采用廣義線性模型，使用SPM 12軟件（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）分別對CAE和正常對照的三個腦指標(biāo)圖（ALFF，F(xiàn)CD 和ALFF-FCD）進行基于體素的兩樣本t檢驗，在DPABI 軟件（V5.1; http://rfmri.org/dpabi）中，應(yīng)用GRF校正校正，體素水平P＜0.01，團塊水平P＜0.05。

為了進一步描述ALFF 和FCD 指標(biāo)間的耦合度，以及耦合度的組間差異，本研究選取ALFF-FCD 組間比較的差異腦區(qū)作為感興趣區(qū)，使用DPARSF軟件，提取每個受試者感興趣區(qū)內(nèi)的ALFF 平均值和FCD 平均值，并使用Pearson相關(guān)分析分別計算了兩組受試者ALFF 和FCD 的相關(guān)系數(shù)。同時使用SurfStat 軟件包（https://math.mcgill.ca/keith/surfstat）構(gòu)建了廣義線性模型，探討兩組受試者相關(guān)系數(shù)的交互差異。影像指標(biāo)與臨床指標(biāo)的相關(guān)分析則應(yīng)用SPSS 26.0軟件，使用Pearson相關(guān)分析分別計算感興趣區(qū)ALFF，F(xiàn)CD和ALFF-FCD值與病程的相關(guān)性。

2 結(jié)果

2.1 一般人口學(xué)及臨床資料

排除2例頭動過大（平動＞1.5 mm或轉(zhuǎn)動＞1.5°）的患者病例，最終納入37名CAE患者和50名健康受試者的影像及臨床資料，兩組受試者年齡及性別差異無統(tǒng)計學(xué)意義（表1）。

表1 人口學(xué)及臨床資料Tab.1 Demographic and clinical data

2.2 ALFF、FCD及ALFF-FCD組間比較結(jié)果

與健康對照組相比，CAE患者組ALFF主要在雙側(cè)丘腦、右側(cè)中央后回、中扣帶回、右側(cè)舌回升高，在雙側(cè)楔前葉、左側(cè)頂下小葉、左側(cè)額下回、前扣帶回降低；與此同時，F(xiàn)CD 主要在雙側(cè)楔前葉、頂下小葉及后扣帶回升高，而在雙側(cè)丘腦降低；與健康對照組相比，CAE患者組ALFF-FCD在丘腦和默認(rèn)模式腦區(qū)有著更顯著的差異（圖1和表2）。

表2 CAE患者組與健康對照組ALFF及FCD值比較Tab.2 Comparison of ALFF and FCD value between CAE patient group and healthy control group

圖1 CAE 患者與健康對照間ALFF，F(xiàn)CD 及ALFF-FCD 的組間比較t 值圖（GRF 校正，體素水平P＜0.01，團塊水平P＜0.05）。紅色代表CAE 患者組較健康對照組顯著升高腦區(qū)，藍色代表CAE 患者組較健康對照組顯著降低腦區(qū)。CAE：兒童失神性癲癇；ALFF：低頻振幅；FCD：功能連接密度；ALFF-FCD：低頻振幅-功能連接度差值。Fig. 1 The t-values map of ALFF, FCD and ALFF-FCD between CAE patients and healthy controls(GRF correction,voxel level P＜0.01,cluster level P＜0.05). Compared to healthy control group, hot colors indicate significant increases in CAE group. Cool colors indicate significant decreases in CAE group. CAE: childhood absence epilepsy; ALFF amplitude of low frequency fluctuation; FCD: functional connectivity density;ALFF-FCD:ALFF-FCD value.

2.3 ALFF與FCD間的耦合度分析

根據(jù)組間比較結(jié)果，分別選取丘腦和楔前葉作為感興趣區(qū)，Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示健康對照組（r=0.448，P=0.001）和CAE 患者組（r=0.374，P=0.022）丘腦的ALFF與FCD均呈正相關(guān)，但CAE患者組相關(guān)系數(shù)較健康對照組有所降低，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-2.095，P=0.020）；CAE 患者組（r=0.369，P=0.025）和健康對照組（r=0.417，P=0.003）在楔前葉的ALFF與FCD雖呈正相關(guān)且相關(guān)系數(shù)較健康對照組有所降低，但是差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（t=-0.419，P=0.338）（圖2）。

圖2 CAE患者組和健康對照組丘腦及楔前葉的ALFF與FCD相關(guān)分析散點圖。CAE：兒童失神性癲癇；ALFF：低頻振幅；FCD：功能連接密度。Fig. 2 The scatter plot of ALFF and FCD correlation analysis in thalamus and precuneus between patients and healthy control.CAE:childhood absence epilepsy; ALFF: amplitude of low frequency fluctuation; FCD: functional connectivity density.

2.4 ALFF、FCD及ALFF-FCD與病程的相關(guān)性分析

Pearson相關(guān)分析結(jié)果顯示，CAE患者組丘腦的平均ALFF（r=0.051，P=0.765）及FCD 值（r=0.273，P=0.102）與病程無顯著相關(guān)性，但ALFF-FCD值與病程呈負(fù)相關(guān)，且差異有統(tǒng)計學(xué)意義（r=-0.473，P＜0.001）（圖3）；楔前葉的平均ALFF（r=0.264，P=0.113）、FCD值（r=-0.060，P=0.724）及ALFF-FCD 值（r=0.308，P=0.064）與病程均無顯著相關(guān)性。

圖3 CAE患者丘腦ALFF-FCD值與病程的相關(guān)分析散點圖。CAE：兒童失神性癲癇；ALFF-FCD：低頻振幅-功能連接度差值。Fig. 3 The scatter plot of correlation analysis between thalamic ALFF-FCD value and duration in CAE patients. CAE: childhood absence epilepsy;ALFF-FCD:ALFF-FCD value.

3 討論

本研究通過結(jié)合靜息態(tài)指標(biāo)ALFF和FCD，探索了CAE 患者靜息狀態(tài)下大腦活動的改變模式。首先，本研究發(fā)現(xiàn)CAE 患者ALFF 和FCD 在特定區(qū)域呈反向改變的模式：雙側(cè)丘腦ALFF 升高而FCD 降低，部分默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)腦區(qū)的ALFF 降低而FCD 升高。其次，ALFF與FCD 之間的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，相比于正常對照，CAE 患者丘腦的ALFF 和FCD 耦合程度顯著下降。最后，本研究在CAE 患者中創(chuàng)新性使用ALFF-FCD 這個指標(biāo)，與單一使用ALFF 或FCD 相比，新指標(biāo)提高了患者與健康對照組之間的影像對比，并能夠預(yù)測疾病進展，為進一步理解CAE的臨床及病理生理機制提供了新的影像學(xué)標(biāo)志物。

3.1 CAE患者丘腦ALFF和FCD變化特征

本研究發(fā)現(xiàn)在CAE 患者中，丘腦表現(xiàn)出ALFF 升高而FCD 下降的模式。雖然當(dāng)前失神性癲癇發(fā)作機制有多種假說，但均認(rèn)為丘腦是癲癇發(fā)作的源灶或重要節(jié)點[2]。作為一個重要的中繼站，丘腦維持著對整個大腦皮層的投射，在整個大腦中傳遞并調(diào)節(jié)著信息流，并且在人類大腦功能整合中扮演著重要的角色[13]。BOLD 中的波動可以直接代表興奮性系統(tǒng)的波動，Goris 等認(rèn)為神經(jīng)興奮性的變化是丘腦-皮質(zhì)變化上調(diào)的主要特征[14]。本研究中雙側(cè)丘腦ALFF 值升高提示丘腦的神經(jīng)元自發(fā)活動增多，F(xiàn)CD 值降低可能是由于丘腦整合功能減弱，導(dǎo)致與其他腦區(qū)對癲癇活動反應(yīng)的BOLD信號不同步。既往研究發(fā)現(xiàn)ALFF升高反映了腦區(qū)能量代謝的增加，提示了丘腦在CAE患者癲癇發(fā)作間期可能是高代謝核心[15]。類似的，Zhang 等[16]采用動態(tài)fMRI 技術(shù)研究失神兒童癲癇發(fā)生過程中腦區(qū)活動改變，發(fā)現(xiàn)丘腦在發(fā)作前就有BOLD 信號的改變，提示丘腦在GSWD 發(fā)放前可能就有代謝異常。此外，在以前的CAE患者研究中也觀察到丘腦結(jié)構(gòu)和功能異常，Perani等[17]發(fā)現(xiàn)CAE患者雙側(cè)丘腦體積萎縮。Wang 等[18]發(fā)現(xiàn)治療過的CAE 皮層丘腦間網(wǎng)絡(luò)之間的連通性顯著下降，與本研究結(jié)果一致。本研究與這些研究一起表明了丘腦在失神性癲癇的發(fā)病機制中起著至關(guān)重要的作用。

3.2 CAE患者默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)ALFF和FCD變化特征

DMN 在靜息狀態(tài)下激活，而在執(zhí)行外部任務(wù)時受抑制，與自我反省、環(huán)境監(jiān)測和情景記憶能力有關(guān)，DMN異常與許多神經(jīng)精神疾病有關(guān)，其中包括精神分裂癥、注意缺陷綜合征伴多動障礙、癲癇和自閉癥等[11]。本研究發(fā)現(xiàn)在CAE患者中與DMN有著高度重疊的楔前葉及頂下小葉等區(qū)域表現(xiàn)出ALFF 值降低和FCD 值升高。ALFF值下降表明DMN腦區(qū)神經(jīng)元活動幅度減弱。DMN 腦區(qū)的FCD 值升高，提示DMN 與其他腦區(qū)的功能同步性出現(xiàn)異常。與本研究結(jié)果差異區(qū)域一致，Zhang 等[19]利用EEG-fMRI 技術(shù)發(fā)現(xiàn)有GSWD 發(fā)放時，楔前葉、后扣帶回、頂葉皮質(zhì)等默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)處于去激活狀態(tài)。一項用局域一致性方法的研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)治療的CAE 患者DMN 的局部同步性降低[20]。此外，彌散張量成像研究也發(fā)現(xiàn)CAE 患者的DMN 中重要節(jié)點左內(nèi)側(cè)前額葉和左楔前葉的FA 值降低，且與病程呈負(fù)相關(guān)，提示慢性癲癇活動破壞了導(dǎo)致DMN組織結(jié)構(gòu)的完整性，且可能影響患者的注意力和認(rèn)知能力[21]。FCD反映腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?，F(xiàn)CD 改變表明該節(jié)點與其他腦區(qū)的功能同步性出現(xiàn)了異常，本研究發(fā)現(xiàn)DMN腦區(qū)的FCD值升高，提示DMN功能可能受損。然而，與之前研究發(fā)現(xiàn)CAE 的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部功能連接降低的結(jié)果相反[22]，本研究DMN的FCD值升高，可能是由于抗癲癇藥物的作用，有待進一步研究。

3.3 CAE患者ALFF和FCD耦合度分析

ALFF 和FCD 是描述靜息狀態(tài)下腦功能的局部特征和網(wǎng)絡(luò)的兩個基本功能MRI參數(shù)，這兩個參數(shù)在正常生理狀態(tài)中呈現(xiàn)出密切的耦合模式[23]。這兩種參數(shù)的結(jié)合能更全面地解釋疾病狀態(tài)下腦功能的異常。本研究基于組水平比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)的ALFF 和FCD反向的改變模式，探討了組水平差異腦區(qū)ALFF和FCD之間的關(guān)系，進一步評估了振幅-功能連接度耦合的變化。結(jié)果顯示CAE 患者的丘腦ALFF 和FCD 解耦合，而楔前葉ALFF和FCD未解耦合。丘腦作為大腦信息交流一個重要的中繼站，有著更高能量需求，更容易受到能量傳遞或利用缺陷的影響，本研究丘腦ALFF和FCD解耦合為其發(fā)病機制提供了新的描述方法，進一步說明丘腦在失神病理生理機制可能起著樞紐作用。雖然楔前葉ALFF 和FCD 未解耦合，但與健康對照組相比其相關(guān)系數(shù)有下降趨勢。值得注意的是，ALFF 和FCD這兩個參數(shù)顯示出的相反改變模式為CAE 患者腦活動異常腦區(qū)的檢出提供了一個窗口。單光子計算機斷層減影與核磁共振融合成像術(shù)（subtractionictal single-photon emission computed tomography coregistered to MRI,SISCOM）通過將發(fā)作期SPECT和發(fā)作間期SPECT 圖像相減來更有效地定位致癇灶[24]。本研究提出的新指標(biāo)ALFF-FCD 在CAE患者與健康對照之間的影像對比，比單個指標(biāo)更易探測出異常癲癇腦區(qū)。本研究還進一步發(fā)現(xiàn)CAE 患者丘腦ALFF，F(xiàn)CD單個指標(biāo)與病程作相關(guān)都沒有統(tǒng)計學(xué)差異，但綜合指標(biāo)ALFF-FCD值與病程呈負(fù)相關(guān)，且差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，表明隨著病程的增加，ALFF-FCD呈下降趨勢，提示使用綜合指標(biāo)ALFF-FCD更能反映疾病的進展。

綜上所述，與以往大多研究一致，本研究顯示CAE 患者的ALFF 和FCD 較健康對照有顯著的改變，以丘腦和楔前葉等默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)為著。除此之外本研究結(jié)合了不同的rs-fMRI 指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)丘腦振幅-連接失耦合，更有力地說明丘腦在CAE的發(fā)病機制中的重要作用。本研究沒有對CAE 患者進行神經(jīng)心理學(xué)評估，將來的研究會進一步通過擴大樣本量、開展縱向研究及納入臨床認(rèn)知量表來探討CAE 患者腦功能的發(fā)生發(fā)展軌跡。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明不存在利益沖突。