陸瑤,李琰,伍雅婷,蘇卉,張洪英,吳晶濤

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一種老年人常見的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,除了表現(xiàn)為靜止性震顫、肌強(qiáng)直和步態(tài)障礙[1]等,還伴有一些其他的非運(yùn)動(dòng)癥狀,如便秘、睡眠障礙及精神認(rèn)知功能減退[2]等。近年來,隨著靜息態(tài)功能磁共振發(fā)展,腦功能成像為帕金森病的病理生理機(jī)制研究提供了科學(xué)的理論依據(jù),尤其在功能連接及腦網(wǎng)絡(luò)分析等相關(guān)方面。局部一致性(regional homogeneity,ReHo)對(duì)于探究大腦局部活動(dòng)變化具有一定價(jià)值,而不同腦區(qū)或組織之間的相互關(guān)系則需要通過功能連接(functional connectivity,FC)進(jìn)一步分析。以往研究表明PD患者在“關(guān)期”狀態(tài)下ReHo值降低的區(qū)域主要集中在殼核及雙側(cè)小腦半球,而增加的腦區(qū)主要集中在輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area,SMA)與感覺運(yùn)動(dòng)環(huán)路相關(guān)結(jié)構(gòu)腦區(qū)[3]。此外,PD患者輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)也存在動(dòng)態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)功能連接異常[4]。傳統(tǒng)的靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)的研究忽略了大腦自發(fā)活動(dòng)的時(shí)間特性,而動(dòng)態(tài)分析捕捉了短時(shí)間尺度上的時(shí)變特征,可以更準(zhǔn)確地反映腦內(nèi)各種復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)組織之間的關(guān)系,從而為研究神經(jīng)退行性疾病提供新的見解[5,6]。既往對(duì)于PD患者大腦局部活動(dòng)異常導(dǎo)致的功能連接狀態(tài)研究涉及較少,所以本研究將局部區(qū)域腦活動(dòng)與功能連接相結(jié)合,以局部一致性差異腦區(qū)作為種子點(diǎn),并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析來觀察PD患者局部活動(dòng)異常的腦區(qū)對(duì)全腦區(qū)域及所涉及相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)的影響。

材料與方法

1.研究對(duì)象

納入2018年8月-2021年8月經(jīng)本院確診的PD患者32例,均為右利手。納入標(biāo)準(zhǔn):①所有患者均符合國際運(yùn)動(dòng)障礙協(xié)會(huì)(Movement Disorder Society,MDS)2015年制定的PD的診斷標(biāo)準(zhǔn)[7];②同意參與研究,并簽署書面知情同意書;③臨床資料完整且能配合完成相關(guān)MRI檢查。排除標(biāo)準(zhǔn):①嚴(yán)重腦梗塞或腦萎縮所致腦空間結(jié)構(gòu)無法完成標(biāo)準(zhǔn)化配準(zhǔn)要求的患者;②近期使用影響臨床評(píng)估相關(guān)藥物或其他治療方法者;③存在精神分裂癥等其他精神心理疾病影響結(jié)果的患者;④假牙或其他異物產(chǎn)生偽影干擾圖像的患者。所有PD患者在停止服用相關(guān)治療藥物12 h后才可進(jìn)行相關(guān)臨床資料的評(píng)估及MRI檢查,以避免其對(duì)大腦神經(jīng)活動(dòng)及腦網(wǎng)絡(luò)的干預(yù)。掃描前所有PD患者均采用統(tǒng)一帕金森病評(píng)分量表(Unified Parkinson's disease Rating Scale,UPDRS)[8]的第Ⅲ部分和蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表(MoCA)對(duì)患者的運(yùn)動(dòng)及認(rèn)知功能進(jìn)行評(píng)估。同時(shí),納入同意參與本研究且年齡、性別相匹配的正常志愿者33例作為正常對(duì)照組(NC組)。本研究經(jīng)蘇北人民醫(yī)院倫理委員會(huì)審核批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào):J-2014066)。

2.圖像掃描及數(shù)據(jù)分析

采用GE Discovery MR750 3.0T(Milwaukee,USA)磁共振掃描儀進(jìn)行MRI檢查,首先行常規(guī)頭顱平掃排除重要腦區(qū)梗死及其他器質(zhì)性病變,然后采用采用梯度回波序列行靜息態(tài)腦功能掃描,掃描參數(shù):TR 2000 ms,TE 30 ms,翻轉(zhuǎn)角90°,矩陣 64×64,層厚3.5 mm,層數(shù)33,掃描視野240 mm×240 mm,掃描時(shí)間8 min,共獲得240個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù);3D T1WI序列,掃描參數(shù):TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,翻轉(zhuǎn)角12°,矩陣256×256,層厚1 mm,層數(shù)176。所有數(shù)據(jù)使用基于MATLAB 2018a平臺(tái)的SPM12.0及Restplus工具包進(jìn)行預(yù)處理,首先去除前10個(gè)不穩(wěn)定時(shí)間點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù),將剩下的時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間層校正和頭動(dòng)校正,對(duì)頭動(dòng)位移大于2 mm或者旋轉(zhuǎn)大于2°的受試者排除,接著將個(gè)體T1WI圖像配準(zhǔn)到平均功能圖像上進(jìn)行分割以及空間標(biāo)準(zhǔn)化,然后利用回歸方法去除噪聲,包括線性漂移、Friston24參數(shù)模型頭動(dòng)效應(yīng)、白質(zhì)及腦脊液信號(hào),最后使用0.01～0.08 Hz的頻段進(jìn)行低頻濾波從而減少對(duì)圖像的干擾。所有受試者在掃描全過程中需保持平靜、清醒狀態(tài)。

3.影像指標(biāo)的計(jì)算

滑動(dòng)時(shí)間窗是動(dòng)態(tài)分析最常用的算法,使用MATLAB平臺(tái)的時(shí)域動(dòng)態(tài)分析(temporal dynamic analysis,TDA)工具包對(duì)動(dòng)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。以窗長32個(gè)TR,步長1個(gè)TR[9]來構(gòu)建窗口,共得到199個(gè)ReHo腦圖。然后,計(jì)算這些ReHo腦圖的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)和每個(gè)體素在所有時(shí)間窗口中的平均值,接著將兩者相比得到的變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)值作為區(qū)域腦活動(dòng)時(shí)間變異性的度量,最后對(duì)CV圖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和高斯空間平滑處理(FWHM=6 mm)提高信噪比,得到動(dòng)態(tài)ReHo(dReHo)。同理,使用基于滑動(dòng)窗口的方法進(jìn)行功能連接動(dòng)態(tài)分析,根據(jù)以往研究采用窗長為22個(gè)TR,步長為1個(gè)TR[10],在整個(gè)掃描中獲得了209個(gè)連續(xù)窗口。在每一個(gè)滑動(dòng)時(shí)間窗內(nèi),計(jì)算種子點(diǎn)與全腦灰質(zhì)體素時(shí)間序列的Pearson相關(guān)系數(shù)r值,通過Fisher r to z 轉(zhuǎn)換得到Z值,通過計(jì)算zFC的的標(biāo)準(zhǔn)差從而得到變異系數(shù)值,來代表FC的動(dòng)態(tài)變化,即多個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)功能連接的變異系數(shù)(functional connectivity variable coefficient,FCVC)。FCVC揭示了靜息態(tài)時(shí)所有窗口連通性上下波動(dòng)的變化程度,從而評(píng)估腦區(qū)之間的動(dòng)態(tài)相互作用,變異系數(shù)值大代表FC的總體波動(dòng)水平越大。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

首先對(duì)兩組間臨床資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,性別比較采用卡方檢驗(yàn);年齡比較采用兩獨(dú)立樣本非參數(shù)檢驗(yàn)。以年齡和性別作為協(xié)變量,對(duì)兩組dReHo圖像采用雙樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較,并進(jìn)行錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate,FDR)多重檢驗(yàn)校正(體素水平:P<0.05,FDR校正)。接著以dReHo差異腦區(qū)作為種子點(diǎn),分別對(duì)種子點(diǎn)與全腦其余體素功能連接的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析,將年齡、性別及平均頭動(dòng)參數(shù)作為協(xié)變量加入分析,所得圖像數(shù)據(jù)使用雙樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較,采用FDR方法進(jìn)行多重檢驗(yàn)校正(體素水平:P<0.05,FDR校正),得到兩組間FCVC差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)。提取差異腦區(qū)與種子點(diǎn)間的FCVC值,并與臨床評(píng)分進(jìn)行Pearson相關(guān)分析,以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.兩組臨床資料分析

PD組共32例患者,其中男10例,女22例,年齡55.8～72.8歲,平均64.7歲,對(duì)照組共33例健康受試者,其中男17例,女16例,年齡59.0～67.0歲,平均62.8歲,兩組在性別、年齡上差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=2.747,P=0.097;t=1.035,P=0.306)。所有PD患者平均病程2.0(1.0～5.0)年;MoCA評(píng)分為20.0(8.8～25.0);UPDRS-Ⅲ評(píng)分25.8±16.2。

2.兩組間dReHo和FCVC差異腦區(qū)分析

與NC組相比,PD組dReHo值減低的區(qū)域主要集中在左側(cè)尾狀核、右側(cè)殼核及雙側(cè)舌回(表1,圖1)。以左側(cè)尾狀核、右側(cè)殼核、右側(cè)舌回為種子點(diǎn)均未出現(xiàn)FCVC異常變化區(qū)域,而將左側(cè)舌回作為種子點(diǎn),結(jié)果顯示與NC組相比,PD組左側(cè)舌回與右側(cè)舌回、雙側(cè)中央后回、右側(cè)中央前回、右側(cè)楔前葉之間的FCVC降低(表2,圖2),未見明顯FCVC增高腦區(qū)。

表1 PD組與NC組相比dReHo異常腦區(qū)

表2 2組相比左側(cè)舌回種子點(diǎn)與全腦灰質(zhì)存在FCVC差異腦區(qū)

圖1 動(dòng)態(tài)局部一致性組間差異顯著腦區(qū)圖,藍(lán)色區(qū)域代表PD組較NC組功動(dòng)態(tài)局部一致性減弱的腦區(qū)。圖2 功能連接動(dòng)態(tài)變化組間差異顯著腦區(qū)圖,藍(lán)色區(qū)域代表PD組較NC組功能連接動(dòng)態(tài)變化減弱的腦區(qū)。以左側(cè)舌回為種子點(diǎn)。

3.FCVC與臨床量表評(píng)分相關(guān)性分析

結(jié)果顯示左側(cè)中央后回與左側(cè)舌回的FCVC值與UPDRS-Ⅲ評(píng)分呈負(fù)相關(guān)(r=-0.438,P=0.01,圖3a);右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回的FCVC值與MoCA評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.415,P=0.02,圖3b)。其余差異腦區(qū)與左側(cè)舌回的FCVC值與臨床評(píng)分均無相關(guān)性。

圖3 相關(guān)性分析散點(diǎn)圖。a)PD組左側(cè)中央后回與左側(cè)舌回FCVC值與UPDRS-Ⅲ評(píng)分呈負(fù)相關(guān)(r=-0.438,P=0.01);b)PD組右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回FCVC值與MoCA評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.415,P=0.02)。

討 論

BOLD-fMRI作為一種迅速便捷、無侵入性,以脫氧血紅蛋白作為內(nèi)源性對(duì)比劑來反映大腦神經(jīng)元活動(dòng)的磁共振成像技術(shù)[11],具有較好的時(shí)間和空間分辨力,在臨床研究中廣受歡迎?；谝酝奈墨I(xiàn)回顧,筆者發(fā)現(xiàn)只有少部分研究采用了基于BOLD信號(hào)的動(dòng)態(tài)分析方法來探究帕金森病患者的腦神經(jīng)活動(dòng)的時(shí)變性[12,13]。因此,本研究通過分析PD患者大腦局部一致性(ReHo)和功能連接(FC)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)一步探討帕金森病的發(fā)病機(jī)制及相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)。研究結(jié)果顯示:相對(duì)于正常對(duì)照組,PD組左側(cè)尾狀核、右側(cè)殼核及雙側(cè)舌回dReHo減低。以左側(cè)舌回為種子點(diǎn),PD組左側(cè)舌回與右側(cè)舌回、雙側(cè)中央后回、右側(cè)中央前回、右側(cè)楔前葉之間的FCVC降低。此外,左側(cè)中央后回與左側(cè)舌回之間的FCVC值與UPDRS-Ⅲ評(píng)分呈負(fù)相關(guān);右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回的FCVC值與MoCA評(píng)分呈正相關(guān)。綜合以上的兩種分析方法發(fā)現(xiàn)PD患者運(yùn)動(dòng)障礙的產(chǎn)生機(jī)制不僅僅局限在單一的感覺運(yùn)動(dòng)功能區(qū)域,而是多個(gè)腦功能網(wǎng)絡(luò)相互作用、相互影響,為進(jìn)一步探索PD的腦功能網(wǎng)絡(luò)研究提供了新的理論依據(jù)。

ReHo作為傳統(tǒng)的基于體素的分析方法,被廣泛應(yīng)用于局部腦活動(dòng)的研究。然而,這種靜態(tài)測(cè)量不能完美地捕捉到不同時(shí)間局部大腦活動(dòng)的動(dòng)態(tài)特征?；诨瑒?dòng)窗口[14]的動(dòng)態(tài)算法通過總結(jié)空間模式隨時(shí)間的變化來探究大腦自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng),在神經(jīng)退行性疾病的研究中具有重大意義。本研究通過dReHo分析發(fā)現(xiàn)PD患者殼核、尾狀核以及舌回相關(guān)腦區(qū)出現(xiàn)異常。舌回屬于初級(jí)視覺皮層[15],與外周的枕葉皮質(zhì)共同參與視覺信息的整合和處理[16]。PD患者出現(xiàn)視覺網(wǎng)絡(luò)的異常,進(jìn)而影響大腦對(duì)步態(tài)的調(diào)控,導(dǎo)致其出現(xiàn)不同程度的運(yùn)動(dòng)障礙或步態(tài)不穩(wěn)。此外,筆者還發(fā)現(xiàn)尾狀核、殼核等基底節(jié)神經(jīng)核團(tuán)也出現(xiàn)dReHo的改變。PD的基本病理特征是中腦黑質(zhì)紋狀體多巴胺能神經(jīng)元異常變性、凋亡,導(dǎo)致整個(gè)基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路功能改變[17],從而引起患者運(yùn)動(dòng)及認(rèn)知等功能發(fā)生障礙[18]。殼核屬于背側(cè)紋狀體的一部分,不僅參與了運(yùn)動(dòng)相關(guān)功能環(huán)路,同時(shí)也是基底節(jié)區(qū)多巴胺減少最為嚴(yán)重的核團(tuán)[19,20]。尾狀核存在與邊緣葉、前額葉、頂枕顳葉大量的纖維投射,參與情緒、認(rèn)知的調(diào)節(jié)[21]。所以前期以運(yùn)動(dòng)障礙為主要表現(xiàn)的PD患者,隨著病程的發(fā)展也許會(huì)出現(xiàn)其他的非運(yùn)動(dòng)癥狀。

既往文獻(xiàn)回顧,PD患者靜息狀態(tài)下異常FC多存在于默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)[22]、認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)以及其他皮層或皮層下系統(tǒng),如視覺皮層、小腦、尾狀核等[23]。而研究發(fā)現(xiàn)不同腦區(qū)間的FC隨著時(shí)間的推移而不斷動(dòng)態(tài)變化?；八惴ㄊ莿?dòng)態(tài)FC最常用的分析方法,跨不同窗口導(dǎo)出的時(shí)變模式反映了FC的動(dòng)態(tài)特征,成為我們理解神經(jīng)退行性疾病潛在神經(jīng)生理機(jī)制的有效途徑之一。Kim等[24]首次探究PD患者腦網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)FC變化的研究發(fā)現(xiàn),PD患者主要存在兩種FC狀態(tài)即頻率較高且分隔程度較高的“狀態(tài)Ⅰ”以及頻率較低但整合程度較高的“狀態(tài)Ⅱ”,且運(yùn)動(dòng)障礙程度與狀態(tài)Ⅰ停留時(shí)間呈負(fù)相關(guān),與狀態(tài)Ⅰ與狀態(tài)Ⅱ之間的轉(zhuǎn)換率呈正相關(guān)。因此,腦網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)FC變化和整合異?；蛟S可以成為PD的一個(gè)診斷標(biāo)記。所以在進(jìn)一步的FC動(dòng)態(tài)分析中,本研究選擇dReHo異常腦區(qū)作為種子點(diǎn)探究其與全腦灰質(zhì)的動(dòng)態(tài)功能連接。結(jié)果顯示與NC組相比,以左側(cè)舌回為種子點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn)左側(cè)舌回與雙側(cè)中央后回、右側(cè)中央前回、右側(cè)舌回、右側(cè)楔前葉之間的FCVC降低。傳統(tǒng)意義上來講PD是一種運(yùn)動(dòng)障礙,以往已有研究證明PD患者感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(sensorimotor Network,SMN)存在FC異常[25],提示PD患者的感覺-運(yùn)動(dòng)整合功能受損。除此以外,視覺網(wǎng)絡(luò)也深其受影響,PD患者在患病后期往往會(huì)出現(xiàn)視幻覺[26]。Hacker等[27]發(fā)現(xiàn)PD患者感覺-運(yùn)動(dòng)和視覺區(qū)域以及邊緣上回的功能連接性較對(duì)照組降低。中央前、后回既是構(gòu)成感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的主要區(qū)域,也是反饋調(diào)節(jié)軀體運(yùn)動(dòng)的主要大腦皮層。本研究發(fā)現(xiàn)帕金森病患者中央前、后回與舌回之間的FCVC顯著降低,由此推測(cè)視覺網(wǎng)絡(luò)與感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的交互作用減少,從而導(dǎo)致PD患者出現(xiàn)步態(tài)障礙、運(yùn)動(dòng)遲緩等一系列癥狀[28]。楔前葉位于頂葉后側(cè),既與運(yùn)動(dòng)中視覺信息的處理相關(guān),也能通過綜合感覺信息并傳輸?shù)捷o助運(yùn)動(dòng)區(qū)和運(yùn)動(dòng)前區(qū)來參與運(yùn)動(dòng)與姿勢(shì)的控制[29]。此外,近期研究發(fā)現(xiàn)楔前葉屬于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)的一個(gè)重要組成部分,它涉及到許多高水平的認(rèn)知功能,例如情景記憶、自我相關(guān)的信息功能處理等[23,30]。本研究發(fā)現(xiàn)舌回與楔前葉的FCVC降低,表明楔前葉可能作用于涉及視覺空間信息的抽象認(rèn)知過程。PD組右側(cè)中央后回與左側(cè)舌回間的FCVC值與MoCA評(píng)分呈正相關(guān),提示目前以運(yùn)動(dòng)障礙為主的PD患者隨著病程的發(fā)展也可能伴有不同程度的認(rèn)知障礙。

本研究具有一定局限性:①由于樣本量偏小,會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可信度,今后將進(jìn)一步加大樣本量的搜集,并對(duì)其進(jìn)行分型、分組研究。②未將教育程度相匹配作為兩組受試者的納入標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于相關(guān)腦功能的研究分析存在一定影響。③由于dReHo和dFC是基于一系列時(shí)間點(diǎn)的滑動(dòng)窗口方法進(jìn)行分析,因此動(dòng)態(tài)分析對(duì)生理噪聲特別敏感。盡管筆者在預(yù)處理步驟中去除了生理噪聲,并且還選擇了相對(duì)合適的窗口大小,仍然不能完全消除生理噪聲帶來的不利影響。④受試者在檢查前雖然停止服用相關(guān)治療藥物12h以上,但不能絕對(duì)消除其對(duì)神經(jīng)元的潛在影響。希望在未來的研究中能夠盡力克服這些局限性。

總之,本研究先從腦區(qū)局部分離功能角度、再從腦區(qū)之間連接整合功能角度對(duì)PD患者腦功能進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)PD患者殼核、尾狀核、舌回相關(guān)腦區(qū)dReHo異常;另外以左側(cè)舌回為種子點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)其與中央前回、中央后回以及楔前葉之間的動(dòng)態(tài)功能連接改變。綜合以上分析研究提示PD發(fā)病機(jī)制與多個(gè)腦功能網(wǎng)絡(luò)有關(guān),并且還存在運(yùn)動(dòng)與認(rèn)知功能交互影響的可能,這將為進(jìn)一步研究PD的發(fā)病機(jī)制提供影像學(xué)依據(jù),也為該病的臨床診斷、觀察提供了新的視角。