伍雅婷,王雪,陸瑤,李琰,尚松安,張洪英

帕金森病(Parkinson′s disease,PD)是以靜止性震顫、步態(tài)障礙等運動癥狀為主要臨床表現(xiàn)的神經系統(tǒng)退行性疾病,對患者的生活有嚴重的負面影響。近年來的影像學研究發(fā)現(xiàn)PD患者的神經損傷存在腦網絡水平的變化,表現(xiàn)為腦區(qū)活動異常[1-3]。執(zhí)行控制網絡(executive control network,ECN)主要參與多個高級認知任務,從而產生有序的和目的性行為。以往研究結果表明執(zhí)行控制網絡在伴或不伴認知功能障礙的帕金森病患者中均存在活躍的表現(xiàn)模式[4-5]。帕金森病的非運動功能癥狀如認知能力下降等相比于運動功能癥狀可提早出現(xiàn)5～10年[6]。即往的大多數(shù)神經影像學研究是基于“靜態(tài)”的角度,發(fā)現(xiàn)PD患者認知網絡與運動相關網絡之間的功能連接中斷[7-8],提示PD患者的運動功能障礙可能與高水平的任務控制缺陷有關[9],但是這些研究中忽略了這種功能連接變化的時變性。

腦網絡動態(tài)功能連接(dynamic functional network connectivity,dFNC)分析技術可以計算短時域內大腦內腦網絡功能連接隨時間的波動性[10],能夠更準確地反映腦內各種復雜功能結構組織之間的關系?；谌X的動態(tài)功能連接研究發(fā)現(xiàn)PD患者在不同瞬時狀態(tài)下的功能連接變化出現(xiàn)的比例和持續(xù)時長均存在差異[11-12]。但是目前尚沒有研究者單獨分析ECN與運動相關腦網絡之間的動態(tài)關系,且其與運動癥狀嚴重程度的關系也不明確。此外,多數(shù)研究中未將可能參與帕金森病運動癥狀發(fā)生的小腦網絡(cerebellar network,CBN)納入研究范圍[13]。因此,本研究擬采用獨立成分分析法(independent component analysis,ICA)及dFNC分析技術研究PD患者ECN與運動相關腦網絡之間的動態(tài)功能連接改變,以及動態(tài)功能連接的時間特性及其臨床意義,旨在探討PD患者的運動障礙發(fā)病機制及為PD運動癥狀的早期診斷和監(jiān)測提供新的依據(jù)。

材料與方法

1.臨床資料

將2021年8月-2022年12月在本院確診的50例符合研究要求的PD患者和50例健康志愿者納入本研究。PD患者的納入標準:①由經驗豐富的神經科醫(yī)師根據(jù)國際運動障礙學會2015年制定的PD臨床診斷標準明確診斷[14];②年齡>50歲[15];③右利手;④臨床資料完整;⑤能夠配合完成顱腦MRI檢查。排除標準:①有神經系統(tǒng)病史、頭部嚴重外傷史;②有心臟起搏器等MRI檢查禁忌證及無法配合檢查者;③對左旋多巴治療不敏感;④存在影響步態(tài)的其它運動系統(tǒng)疾病。所有PD患者在停用抗PD藥物至少12 h后,再進行臨床評估和MRI檢查。臨床資料均應包括帕金森病統(tǒng)一評定量表-Ⅲ(unified assessment scale for Parkinson’s disease,UPDRS-Ⅲ)評分、簡易精神狀態(tài)檢查(mini-mental state examination,MMSE)評分和Hoehn-Yahr(H&Y)分級等。健康對照(healthy control,HC)組共納入自愿參加此項研究且年齡、性別相匹配的50例健康志愿者。

本研究經蘇北人民醫(yī)院倫理委員會批準,受試者均簽署了書面知情同意書。

2.MRI數(shù)據(jù)采集及后處理

使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀和8通道頭顱線圈中對所有被試者進行掃描。檢查過程中受試者需佩戴耳塞,仰臥位,閉上雙眼,保持安靜且清醒狀態(tài),避免思考任何事情。首先采集常規(guī)序列(T1WI、T2WI、DWI)頭顱MR圖像,以排除顱內器質性病變。然后采用EPI梯度回波序列采集靜息態(tài)血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)圖像,掃描參數(shù):TR 2000 ms,TE 30 ms,矩陣64×64,視野240 mm×240 mm,翻轉角90°,層厚4.0 mm,層間隔0.0 mm。掃描時間8 min,共獲得240個時間點的數(shù)據(jù)。最后,采用3D-T1WI序列采集全腦結構像,掃描參數(shù):TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,翻轉角12°,層厚1.0 mm,層間隔0.0 mm,矩陣256×256。

在Matlab 2018a平臺上使用Rest-plus V1.24軟件(http://www.restfmri.net/forum/RestplusV1.24)對圖像進行預處理。首先將DICOM格式的原始圖像轉換為4DNifti格式(.nii),去除前10個時間點的原始數(shù)據(jù),再對圖像進行時間層校正和頭動校正,然后將所有數(shù)據(jù)空間標準化到MNI(Montreal Neurological Institute,Canada)模板,使功能圖像在空間上對齊,經濾波處理后保留振幅為0.01～0.08 Hz的低頻振幅信號,并在6 mm半高全寬高斯空間上對圖像進行平滑處理。然后進行圖像檢查,剔除在任何維度上頭部平移超過2.5 mm或轉動超過2.5°的受試者,共排除了6例PD患者和5例HCs,同時排除圖像配準不佳的2例PD患者和5例HCs,最終共42例PD患者和40例HCs被納入本研究。

使用Group ICA GIFT V4.0b軟件包對經預處理的82例受試者的MRI數(shù)據(jù)進行分析,應用Informax算法,對平均類聚內相似度大于80%的獨立組分進行分析,并將其時間序列轉換為Z值,最后確定40個獨立成分(independent component,IC)。根據(jù)不同腦功能網絡的解剖學特征和假定的功能特性,參考斯坦福大學神經精神疾病功能成像實驗室提供的腦區(qū)結構模板(http://findlab.stanford.edu/index.html),利用獨立成分與模板之間的空間相關值,將識別到的獨立成分分為執(zhí)行控制網絡、感覺運動網絡、小腦網絡和基底神經節(jié)網絡,解讀圖像統(tǒng)計結果的過程中還參照了解剖自動標記(anatomical automatic labeling,AAL)模版,以確保腦網絡內亞區(qū)的準確性。然后使用Temporal dFNC工具箱,選擇滑動窗口法分割靜息態(tài)成像各時間點的成像數(shù)據(jù),以30個TR為窗寬,3個TR作為高斯卷積平滑半徑,1個TR為滑動窗口步長[10,16],產生200個連續(xù)窗口。選擇L1距離函數(shù)、經500次迭代后估算出最佳聚類數(shù)k=5。然后應用k-means聚類法識別出重復出現(xiàn)的功能連接狀態(tài),分析PD組與對照組間dFNC強度的變化。評估被試者狀態(tài)轉換向量中的3個輸出量:時間分數(shù)(fraction time,FT)是指分屬于某個狀態(tài)的窗口比例;平均滯留時間(mean dwell time,MDT)是指屬于一個狀態(tài)的連續(xù)窗口的數(shù)量;轉換次數(shù)(number of transitions,NT),是指從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)(即網絡間)的轉換次數(shù)[12]。這3個變量是評估動態(tài)功能連接狀態(tài)的定量指標,可反映每個狀態(tài)的可靠性以及哪一種狀態(tài)處于主導地位。然后,基于每一個出現(xiàn)的狀態(tài)來分析網絡間功能連接的變化情況。

3.統(tǒng)計學分析

使用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計學分析。對兩組受試者的臨床資料(性別、年齡、受教育年限、病程、MMSE評分、H&Y評分、UPDRS-Ⅲ評分)、dFNC的時間特性(時間分數(shù)、平均滯留時間、轉換次數(shù))進行比較,定性資料采用卡方檢驗,定量資料先進行正態(tài)分布檢驗(Kolmogorov-Smirnov檢驗)和方差齊性檢驗,符合正態(tài)分布的資料采用均數(shù)±標準差表示,組間比較采用兩獨立樣本t檢驗,非正態(tài)分布的資料采用M(P25,P75)表示,組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

在GIFT 4.0b軟件中采用兩獨立樣本t檢驗對兩組間5種狀態(tài)下dFNC的強度進行比較,結果采用FDR多重比較校正,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。為了進一步研究PD患者不同狀態(tài)下時間特性的臨床意義,將3種時間特性變量(時間分數(shù)、平均停留時間、轉換次數(shù))分別與臨床UPDRS-Ⅲ評分進行Spearman相關性分析,以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.兩組間臨床資料的比較

兩組被試者臨床資料的統(tǒng)計分析結果見表1。PD組與HC組之間性別、年齡和受教育年限的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05);兩組之間MMSE評分的差異有顯著統(tǒng)計學意義(P<0.001)。

表1 PD組和HC組人口統(tǒng)計學和臨床特征

2.基于ICA的動態(tài)網絡功能連接

經動態(tài)分析得到執(zhí)行控制網絡中的后頂葉皮層(IC25)和背外側前額葉皮層(IC7)、感覺運動網絡中的背側、左側和右側感覺運動網絡(IC3I、IC10和IC16)、小腦網絡(IC28)和基底神經節(jié)網絡(IC19)的部分腦區(qū)存在5種重復出現(xiàn)的功能連接狀態(tài)(圖1)。PD組與對照組之間在狀態(tài)3時的網絡間功能連接有顯著差異(t=2.745,P<0.05;圖2)。在狀態(tài)3,相比于對照組,PD組中執(zhí)行控制網絡與基底神經節(jié)網絡和小腦網絡之間的功能連接減少(t=-2.436,P<0.05;t=-2.012,P<0.05),感覺運動網絡(IC31、IC10和IC16)與基底神經節(jié)網絡(IC19)之間的功能連接減少(t=-2.907,P<0.05;t=-3.653,P<0.05;t=-2.005,P<0.05),與小腦網絡(IC28)之間的功能連接亦減少(t=-3.459,P<0.05;t=-4.748,P<0.05;t=-3.452,P<0.05),感覺運動網絡內部(IC10、IC31和IC16)的功能連接增強(t=2.407,P<0.05;t=4.596,P<0.05)。

圖1 k-means聚類估算出的PD組和HC組所有被試者重復出現(xiàn)的5種功能網絡連接狀態(tài),狀態(tài)2、3、5出現(xiàn)的頻次及百分比較高,整體呈現(xiàn)較為緊密的連接狀態(tài)。寬彩條圖代表色柱,顯示黃色及紅色為正性功能連接,藍色為負性功能連接,數(shù)值絕對值越大表示連接越緊密。細彩條圖代表獨立成分對應所屬的功能網絡:紅色代表SMN,包括IC31、IC10和IC16:藍色代表ECN,包括IC7和IC25;綠色代表BGN,包括IC19;紫色代表CBN,包括IC28。a)狀態(tài)1;b)狀態(tài)2;c)狀態(tài)3;d)狀態(tài)4;e)狀態(tài)5。

3.dFNC的時間特性及其與臨床運動評分的相關性

不同狀態(tài)下兩組被試者的dFNC時間特性及比較結果見圖3。統(tǒng)計學分析結果顯示:兩組的時間分數(shù)在狀態(tài)2、3、4時存在顯著差異(P=0.041、0.001、0.003),平均滯留時間在狀態(tài)3和4時存在顯著差異(P=0.003、0.001)。狀態(tài)3的發(fā)生率較高、滯留時間更長(t=2.192,P<0.05),整體呈現(xiàn)較為緊密的連接狀態(tài)(圖4)。

圖3 帕金森病和健康對照組的動態(tài)功能連接的時間特性柱狀圖。* 代表P<0.05,** 代表P<0.01。a)2組受試者在各狀態(tài)之間的轉換次數(shù);b)受試者在每個狀態(tài)分屬窗口占全部窗口的百分比;c)受試者在每個狀態(tài)的平均滯留時間。

相關性分析結果見圖5。PD組在狀態(tài)3的時間分數(shù)和平均滯留時間與UPDRS-Ⅲ評分呈負相關(r=-0.395,P=0.025;r=-0.481,P=0.010)。

討 論

本研究中基于ICA、滑動窗口相關法(sliding window correlation,SWC)和k-means聚類動態(tài)算法等技術分析了腦執(zhí)行控制網絡與運動相關腦網絡(SMN、BGN、CBN)之間的動態(tài)功能連接變化、時間特性及其臨床意義,經動態(tài)分析發(fā)現(xiàn)了5種重復出現(xiàn)的功能連接狀態(tài),狀態(tài)2和狀態(tài)3的發(fā)生率較高、滯留時間更長,呈現(xiàn)較為緊密的連接狀態(tài),且狀態(tài)3的時間分數(shù)和平均滯留時間與UPDRS-Ⅲ評分呈負相關;狀態(tài)1的發(fā)生率較低、停留時間更短,呈現(xiàn)較稀疏的連接狀態(tài)。PD組與健康對照組的執(zhí)行控制網絡與感覺運動網絡、小腦網絡和基底神經節(jié)網絡之間dFNC強度存在差異。本研究不僅證實了PD患者腦網絡在精細時間尺度上功能連通性的變化特點,同時表明小腦參與PD患者運動癥狀的產生,而且為高級別控制系統(tǒng)功能缺陷可能導致帕金森病運動癥狀的產生提供了新的證據(jù),有助于進一步了解PD的發(fā)病機制,可輔助臨床診斷。

本研究的入組標準較為嚴格,PD組與HC組的臨床資料中,年齡、性別和受教育年限在兩組間的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),MMSE評分在兩組間的差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001),PD組MMSE評分為23.43(20.00,28.00),表明PD患者存在一定程度的認知功能障礙。

PD組和HC組在狀態(tài)3時可見屬于ECN的后頂葉皮層(posterior parietal cortex,PPC)和感覺運動網絡與基底節(jié)、小腦之間的功能連接減低。PD的主要病理生理機制是黑質-紋狀體系統(tǒng)的多巴胺能神經元變性,根據(jù)經典的皮質-紋狀體環(huán)路,額頂葉皮層參與了運動相關回路。PPC作為ECN的主要成分,接受視覺和軀體感覺系統(tǒng)的輸出信息,可以與小腦協(xié)同工作,執(zhí)行預測和誘導感覺運動等高級功能[17],同時參與運動的精細化調節(jié)。有研究者發(fā)現(xiàn)頂葉和基底神經節(jié)環(huán)路受損可能是PD患者頂葉功能障礙與姿勢不穩(wěn)定的主要原因之一[18-19],這一結論也支持本研究結果。既往的大多數(shù)研究均證實了小腦通過小腦-丘腦-皮質回路參與PD患者運動功能的調節(jié)。此外,也有研究結果顯示小腦網絡與頂葉、額葉和枕葉等皮層區(qū)域之間也存在功能連接[20-22]。與本研究結果不一致的是,有學者發(fā)現(xiàn)小腦與皮層之間的功能連接增強,認為是由于PD患者頻繁出現(xiàn)的錯誤檢測和糾正而產生的代償現(xiàn)象[1,23,24]。眾多研究發(fā)現(xiàn)殼核、尾狀核等基底神經節(jié)網絡組分與感覺運動網絡的部分腦區(qū)之間存在功能連接減低的現(xiàn)象,研究者認為其發(fā)生機制為基底節(jié)區(qū)的多巴胺能神經元退化影響其與皮質區(qū)域的相互作用[11,21]。PD組與HC組在狀態(tài)2時表現(xiàn)為 PPC與感覺運動網絡各組分(IC3I、IC10和IC16)之間的功能連接減低。狀態(tài)5出現(xiàn)的頻率僅次于狀態(tài)2和3,兩組被試在狀態(tài)5時表現(xiàn)為背外側前額葉皮層(the dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)與感覺運動網絡之間的功能連接強度減低。這可能是因為執(zhí)行控制網絡與感覺運動相關網絡存在廣泛的功能連接,多巴胺耗竭或細胞老化會導致額頂葉功能障礙,損害其與感覺運動網絡的功能連接,導致對運動的抑制作用減弱[1]。本研究的結果與Chen等[13]的研究結果一致,但是與Kim等[12]和Zhu等[25]的研究結果不同,他們發(fā)現(xiàn)額頂葉皮層與感覺運動網絡之間功能連接增強,認為這種正耦合現(xiàn)象是功能代償性現(xiàn)象,可能是因為他們的研究中被試大多處于病程早期階段,此時腦功能網絡主要表現(xiàn)為可修復的功能連接。然而,Owens-Walton等[26]發(fā)現(xiàn)大腦結構有一定的限度,當其內部的神經元等物質損耗過多達到或超過臨界值時,代償性增加的功能連接將不再發(fā)揮作用,開始出現(xiàn)功能連接減低的現(xiàn)象。而本研究中的PD患者病程均較長,此階段腦網絡的功能連接已不可修復,從而出現(xiàn)執(zhí)行控制網絡與感覺運動網絡之間的負耦合現(xiàn)象。這意味著PD患者不僅存在高級中樞對感覺運動網絡控制作用的損害,還存在大腦網絡的潛在補償機制,說明執(zhí)行控制網絡在將認知信息處理轉化為運動行為這一過程中具有至關重要的作用,同時,腦組織的結構變化和網絡功能連接可能會相互影響。因此,為了深入了解PD患者運動功能障礙的病理生理機制,需要進一步對運動癥狀相關的結構和功能連接進行多模態(tài)研究。

此外,本研究中發(fā)現(xiàn)在狀態(tài)3時,PD患者SMN內部功能連接相較于HC組增強。雙側感覺運動網絡間功能連接增強可能與PD患者存在雙側感覺神經沖動信息交換異常有關,還可能是因為某些腦區(qū)損傷之后會出現(xiàn)代償性的局部血流量增加和代謝增強等情況,以維持大腦功能網絡的全局性能,具有一定的病理學意義[27]。此外,左側感覺運動網絡與背側運動網絡之間的功能連接強度增強。PD運動癥狀的發(fā)作具有不對稱性,有研究者指出PD患者多數(shù)為右側發(fā)病,是因為大多受試者為右利手,以左側為優(yōu)勢大腦半球,優(yōu)勢網絡更易發(fā)生神經變性[28]。然而本研究中發(fā)現(xiàn)左側感覺運動網絡較對側表現(xiàn)出較為顯著的功能連接增強,可能與PD患者功能網絡動態(tài)屬性的損害/喪失,無法完成從高連接狀態(tài)到低連接狀態(tài)的轉化有關[27,29],側面反映了大腦網絡連接模式的時變性。

平均滯留時間和時間分數(shù)是動態(tài)功能連接的重要時間特性。相對于HC組,PD患者在狀態(tài)2和3的MDT和FT更高,而在狀態(tài)1時較低,意味著PD患者將時間較多地耗費在狀態(tài)2和3;而且,兩組間dFNC亦在狀態(tài)3時存在顯著差異。表明執(zhí)行控制網絡與運動相關腦網絡之間不僅存在異常功能連接,而且這種異常功能連接狀態(tài)持續(xù)時間延長,進一步證實高級別認知系統(tǒng)通路損害在PD患者運動功能障礙的發(fā)生中發(fā)揮了重要作用,也體現(xiàn)了PD患者腦網絡效率降低、腦功能連接不穩(wěn)定[30],還為疾病狀態(tài)可以改變功能連接的時間特性提供了證據(jù)。PD組在狀態(tài)1時的耗時最少且總體功能連接相對較弱。有研究指出與任務態(tài)比較,靜息狀態(tài)下大腦內部弱動態(tài)功能連接狀態(tài)出現(xiàn)更頻繁[31]。因此,狀態(tài)1的弱功能連接意味著此時網絡間的信息傳遞效率較低,可能與休息或放松狀態(tài)有關。狀態(tài)2和3占主導地位,表現(xiàn)為執(zhí)行控制網絡與運動相關網絡之間存在不同程度的功能連接強度減低,說明PD患者高級任務系統(tǒng)發(fā)出指令來指導行為這一過程存在不同程度的損傷。因此,可推斷狀態(tài)2、3與執(zhí)行控制網絡功能缺陷導致PD患者運動癥狀的產生有關。由此可見,隨著時間的推移,在網絡內部和網絡間觀察到功能耦合的波動,說明大腦的信息傳遞和交換是以離散狀態(tài)發(fā)生的[16],進一步支持了功能網絡連接是處于動態(tài)狀態(tài)的觀點[14,32]。相較于既往對腦功能連接的研究中僅籠統(tǒng)地將感興趣腦區(qū)作為研究對象,dFNC能夠分別提取整個時間序列過程中網絡連接動態(tài)變化重復出現(xiàn)的狀態(tài)進行分析,且本研究中發(fā)現(xiàn)的小腦在PD發(fā)生運動障礙中的作用,更好地解釋了PD患者自上而下執(zhí)行控制系統(tǒng)影響運動功能的網絡動力學變化,為疾病的發(fā)病機制提供了客觀的理論依據(jù)。

本研究將PD組的動態(tài)功能連接時間特性的變量分別與臨床UPDRS-Ⅲ評分進行相關性分析,發(fā)現(xiàn)狀態(tài)3時的FT和MDT與臨床運動評分均呈負相關。UPDRS-Ⅲ評分方法中包括了對患者肢體震顫、姿勢和步態(tài)等方面的評估內容,PD患者的肢體控制能力越差,評分越高,證明運動障礙癥狀越顯著。PD是多巴胺能神經元變性所致的神經退行性疾病,說明隨著病情進展,局部網絡內部功能連接的代償能力減弱甚至喪失以及網絡動態(tài)轉換的頻率越少、持續(xù)時間越短,反映了大腦功能網絡的自我調節(jié)能力的降低[23]。PD患者dFNC時間特性與健康對照有顯著差異,表現(xiàn)出較高的時間變異性,與既往的研究結果一致[33]?？傊?本研究表明功能腦網絡連接具有動態(tài)屬性,且PD患者腦內動態(tài)功能連接缺乏穩(wěn)定性。

本研究存在以下不足:首先,被試者數(shù)量較少,且沒有對PD運動亞型進行分組,忽略了PD患者的異質性,后續(xù)仍需進一步擴大樣本量進行縱向深入研究。其次,沒有考慮藥物的長期效果等因素。雖然本研究中 PD 患者均在停藥12h以后進行 fMRI 掃描及臨床各項量表評估,但慢性多巴胺能藥物對功能連接改變的潛在影響仍無法完全排除。再次,動態(tài)功能連接的生物相關性尚未牢固確立,滑動窗口相關的波動可能與FC的變化有關,也可能受隨機噪聲等因素的影響。最后,大腦組織結構的體積變化可能影響功能連接,后續(xù)應將PD患者的腦組織微觀結構與功能性分析進行聯(lián)合研究,進一步探討二者之間的關系,以準確分析帕金森病的發(fā)病機制。

綜上所述,本研究結果顯示PD患者的運動功能障礙與高級別執(zhí)行控制網絡的功能缺陷有關,同時揭示了小腦參與了PD運動功能障礙發(fā)生的過程,證實了PD患者腦功能網絡連接的不完善和腦網絡接接連模式的時變性,有助于我們進一步了解PD患者高級別認知控制系統(tǒng)影響運動功能障礙的動態(tài)神經病理機制,為帕金森病的輔助診斷提供幫助。