帕金森病患者区域脑活动及动态功能连接的研究

陆瑶,李琰,伍雅婷,苏卉,张洪英,吴晶涛

帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一种老年人常见的神经系统退行性疾病,除了表现为静止性震颤、肌强直和步态障碍[1]等,还伴有一些其他的非运动症状,如便秘、睡眠障碍及精神认知功能减退[2]等。近年来,随着静息态功能磁共振发展,脑功能成像为帕金森病的病理生理机制研究提供了科学的理论依据,尤其在功能连接及脑网络分析等相关方面。局部一致性(regional homogeneity,ReHo)对于探究大脑局部活动变化具有一定价值,而不同脑区或组织之间的相互关系则需要通过功能连接(functional connectivity,FC)进一步分析。以往研究表明PD患者在“关期”状态下ReHo值降低的区域主要集中在壳核及双侧小脑半球,而增加的脑区主要集中在辅助运动区(supplementary motor area,SMA)与感觉运动环路相关结构脑区[3]。此外,PD患者辅助运动区也存在动态脑网络功能连接异常[4]。传统的静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)的研究忽略了大脑自发活动的时间特性,而动态分析捕捉了短时间尺度上的时变特征,可以更准确地反映脑内各种复杂功能结构组织之间的关系,从而为研究神经退行性疾病提供新的见解[5,6]。既往对于PD患者大脑局部活动异常导致的功能连接状态研究涉及较少,所以本研究将局部区域脑活动与功能连接相结合,以局部一致性差异脑区作为种子点,并对其进行动态分析来观察PD患者局部活动异常的脑区对全脑区域及所涉及相关脑网络的影响。

材料与方法

1.研究对象

纳入2018年8月-2021年8月经本院确诊的PD患者32例,均为右利手。纳入标准:①所有患者均符合国际运动障碍协会(Movement Disorder Society,MDS)2015年制定的PD的诊断标准[7];②同意参与研究,并签署书面知情同意书;③临床资料完整且能配合完成相关MRI检查。排除标准:①严重脑梗塞或脑萎缩所致脑空间结构无法完成标准化配准要求的患者;②近期使用影响临床评估相关药物或其他治疗方法者;③存在精神分裂症等其他精神心理疾病影响结果的患者;④假牙或其他异物产生伪影干扰图像的患者。所有PD患者在停止服用相关治疗药物12 h后才可进行相关临床资料的评估及MRI检查,以避免其对大脑神经活动及脑网络的干预。扫描前所有PD患者均采用统一帕金森病评分量表(Unified Parkinson's disease Rating Scale,UPDRS)[8]的第Ⅲ部分和蒙特利尔认知评估量表(MoCA)对患者的运动及认知功能进行评估。同时,纳入同意参与本研究且年龄、性别相匹配的正常志愿者33例作为正常对照组(NC组)。本研究经苏北人民医院伦理委员会审核批准(批准文号:J-2014066)。

2.图像扫描及数据分析

采用GE Discovery MR750 3.0T(Milwaukee,USA)磁共振扫描仪进行MRI检查,首先行常规头颅平扫排除重要脑区梗死及其他器质性病变,然后采用采用梯度回波序列行静息态脑功能扫描,扫描参数:TR 2000 ms,TE 30 ms,翻转角90°,矩阵 64×64,层厚3.5 mm,层数33,扫描视野240 mm×240 mm,扫描时间8 min,共获得240个时间点的数据;3D T1WI序列,扫描参数:TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,翻转角12°,矩阵256×256,层厚1 mm,层数176。所有数据使用基于MATLAB 2018a平台的SPM12.0及Restplus工具包进行预处理,首先去除前10个不稳定时间点的图像数据,将剩下的时间点数据进行时间层校正和头动校正,对头动位移大于2 mm或者旋转大于2°的受试者排除,接着将个体T1WI图像配准到平均功能图像上进行分割以及空间标准化,然后利用回归方法去除噪声,包括线性漂移、Friston24参数模型头动效应、白质及脑脊液信号,最后使用0.01～0.08 Hz的频段进行低频滤波从而减少对图像的干扰。所有受试者在扫描全过程中需保持平静、清醒状态。

3.影像指标的计算

滑动时间窗是动态分析最常用的算法,使用MATLAB平台的时域动态分析(temporal dynamic analysis,TDA)工具包对动态指标进行计算。以窗长32个TR,步长1个TR[9]来构建窗口,共得到199个ReHo脑图。然后,计算这些ReHo脑图的标准差(standard deviation,SD)和每个体素在所有时间窗口中的平均值,接着将两者相比得到的变异系数(coefficient of variation,CV)值作为区域脑活动时间变异性的度量,最后对CV图进行标准化和高斯空间平滑处理(FWHM=6 mm)提高信噪比,得到动态ReHo(dReHo)。同理,使用基于滑动窗口的方法进行功能连接动态分析,根据以往研究采用窗长为22个TR,步长为1个TR[10],在整个扫描中获得了209个连续窗口。在每一个滑动时间窗内,计算种子点与全脑灰质体素时间序列的Pearson相关系数r值,通过Fisher r to z 转换得到Z值,通过计算zFC的的标准差从而得到变异系数值,来代表FC的动态变化,即多个时间窗口内功能连接的变异系数(functional connectivity variable coefficient,FCVC)。FCVC揭示了静息态时所有窗口连通性上下波动的变化程度,从而评估脑区之间的动态相互作用,变异系数值大代表FC的总体波动水平越大。

4.统计学分析

首先对两组间临床资料进行统计学分析,性别比较采用卡方检验;年龄比较采用两独立样本非参数检验。以年龄和性别作为协变量,对两组dReHo图像采用双样本t检验进行组间比较,并进行错误发现率(false discovery rate,FDR)多重检验校正(体素水平:P<0.05,FDR校正)。接着以dReHo差异脑区作为种子点,分别对种子点与全脑其余体素功能连接的动态变化进行分析,将年龄、性别及平均头动参数作为协变量加入分析,所得图像数据使用双样本t检验进行组间比较,采用FDR方法进行多重检验校正(体素水平:P<0.05,FDR校正),得到两组间FCVC差异有统计学意义的脑区。提取差异脑区与种子点间的FCVC值,并与临床评分进行Pearson相关分析,以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.两组临床资料分析

PD组共32例患者,其中男10例,女22例,年龄55.8～72.8岁,平均64.7岁,对照组共33例健康受试者,其中男17例,女16例,年龄59.0～67.0岁,平均62.8岁,两组在性别、年龄上差异均无统计学意义(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评分为20.0(8.8～25.0);UPDRS-Ⅲ评分25.8±16.2。

2.两组间dReHo和FCVC差异脑区分析

与NC组相比,PD组dReHo值减低的区域主要集中在左侧尾状核、右侧壳核及双侧舌回(表1,图1)。以左侧尾状核、右侧壳核、右侧舌回为种子点均未出现FCVC异常变化区域,而将左侧舌回作为种子点,结果显示与NC组相比,PD组左侧舌回与右侧舌回、双侧中央后回、右侧中央前回、右侧楔前叶之间的FCVC降低(表2,图2),未见明显FCVC增高脑区。

表1 PD组与NC组相比dReHo异常脑区

表2 2组相比左侧舌回种子点与全脑灰质存在FCVC差异脑区

图1 动态局部一致性组间差异显著脑区图,蓝色区域代表PD组较NC组功动态局部一致性减弱的脑区。图2 功能连接动态变化组间差异显著脑区图,蓝色区域代表PD组较NC组功能连接动态变化减弱的脑区。以左侧舌回为种子点。

3.FCVC与临床量表评分相关性分析

结果显示左侧中央后回与左侧舌回的FCVC值与UPDRS-Ⅲ评分呈负相关(r=-0.438,P=0.01,图3a);右侧中央后回与左侧舌回的FCVC值与MoCA评分呈正相关(r=0.415,P=0.02,图3b)。其余差异脑区与左侧舌回的FCVC值与临床评分均无相关性。

图3 相关性分析散点图。a)PD组左侧中央后回与左侧舌回FCVC值与UPDRS-Ⅲ评分呈负相关(r=-0.438,P=0.01);b)PD组右侧中央后回与左侧舌回FCVC值与MoCA评分呈正相关(r=0.415,P=0.02)。

讨 论

BOLD-fMRI作为一种迅速便捷、无侵入性,以脱氧血红蛋白作为内源性对比剂来反映大脑神经元活动的磁共振成像技术[11],具有较好的时间和空间分辨力,在临床研究中广受欢迎。基于以往的文献回顾,笔者发现只有少部分研究采用了基于BOLD信号的动态分析方法来探究帕金森病患者的脑神经活动的时变性[12,13]。因此,本研究通过分析PD患者大脑局部一致性(ReHo)和功能连接(FC)的动态变化进一步探讨帕金森病的发病机制及相关脑网络。研究结果显示:相对于正常对照组,PD组左侧尾状核、右侧壳核及双侧舌回dReHo减低。以左侧舌回为种子点,PD组左侧舌回与右侧舌回、双侧中央后回、右侧中央前回、右侧楔前叶之间的FCVC降低。此外,左侧中央后回与左侧舌回之间的FCVC值与UPDRS-Ⅲ评分呈负相关;右侧中央后回与左侧舌回的FCVC值与MoCA评分呈正相关。综合以上的两种分析方法发现PD患者运动障碍的产生机制不仅仅局限在单一的感觉运动功能区域,而是多个脑功能网络相互作用、相互影响,为进一步探索PD的脑功能网络研究提供了新的理论依据。

ReHo作为传统的基于体素的分析方法,被广泛应用于局部脑活动的研究。然而,这种静态测量不能完美地捕捉到不同时间局部大脑活动的动态特征。基于滑动窗口[14]的动态算法通过总结空间模式随时间的变化来探究大脑自发神经元活动,在神经退行性疾病的研究中具有重大意义。本研究通过dReHo分析发现PD患者壳核、尾状核以及舌回相关脑区出现异常。舌回属于初级视觉皮层[15],与外周的枕叶皮质共同参与视觉信息的整合和处理[16]。PD患者出现视觉网络的异常,进而影响大脑对步态的调控,导致其出现不同程度的运动障碍或步态不稳。此外,笔者还发现尾状核、壳核等基底节神经核团也出现dReHo的改变。PD的基本病理特征是中脑黑质纹状体多巴胺能神经元异常变性、凋亡,导致整个基底神经节环路功能改变[17],从而引起患者运动及认知等功能发生障碍[18]。壳核属于背侧纹状体的一部分,不仅参与了运动相关功能环路,同时也是基底节区多巴胺减少最为严重的核团[19,20]。尾状核存在与边缘叶、前额叶、顶枕颞叶大量的纤维投射,参与情绪、认知的调节[21]。所以前期以运动障碍为主要表现的PD患者,随着病程的发展也许会出现其他的非运动症状。

既往文献回顾,PD患者静息状态下异常FC多存在于默认模式网络[22]、认知控制网络以及其他皮层或皮层下系统,如视觉皮层、小脑、尾状核等[23]。而研究发现不同脑区间的FC随着时间的推移而不断动态变化。滑窗算法是动态FC最常用的分析方法,跨不同窗口导出的时变模式反映了FC的动态特征,成为我们理解神经退行性疾病潜在神经生理机制的有效途径之一。Kim等[24]首次探究PD患者脑网络动态FC变化的研究发现,PD患者主要存在两种FC状态即频率较高且分隔程度较高的“状态Ⅰ”以及频率较低但整合程度较高的“状态Ⅱ”,且运动障碍程度与状态Ⅰ停留时间呈负相关,与状态Ⅰ与状态Ⅱ之间的转换率呈正相关。因此,脑网络动态FC变化和整合异常或许可以成为PD的一个诊断标记。所以在进一步的FC动态分析中,本研究选择dReHo异常脑区作为种子点探究其与全脑灰质的动态功能连接。结果显示与NC组相比,以左侧舌回为种子点分析发现左侧舌回与双侧中央后回、右侧中央前回、右侧舌回、右侧楔前叶之间的FCVC降低。传统意义上来讲PD是一种运动障碍,以往已有研究证明PD患者感觉运动网络(sensorimotor Network,SMN)存在FC异常[25],提示PD患者的感觉-运动整合功能受损。除此以外,视觉网络也深其受影响,PD患者在患病后期往往会出现视幻觉[26]。Hacker等[27]发现PD患者感觉-运动和视觉区域以及边缘上回的功能连接性较对照组降低。中央前、后回既是构成感觉运动网络的主要区域,也是反馈调节躯体运动的主要大脑皮层。本研究发现帕金森病患者中央前、后回与舌回之间的FCVC显著降低,由此推测视觉网络与感觉运动网络的交互作用减少,从而导致PD患者出现步态障碍、运动迟缓等一系列症状[28]。楔前叶位于顶叶后侧,既与运动中视觉信息的处理相关,也能通过综合感觉信息并传输到辅助运动区和运动前区来参与运动与姿势的控制[29]。此外,近期研究发现楔前叶属于默认网络(default mode network,DMN)的一个重要组成部分,它涉及到许多高水平的认知功能,例如情景记忆、自我相关的信息功能处理等[23,30]。本研究发现舌回与楔前叶的FCVC降低,表明楔前叶可能作用于涉及视觉空间信息的抽象认知过程。PD组右侧中央后回与左侧舌回间的FCVC值与MoCA评分呈正相关,提示目前以运动障碍为主的PD患者随着病程的发展也可能伴有不同程度的认知障碍。

本研究具有一定局限性:①由于样本量偏小,会影响统计结果的可信度,今后将进一步加大样本量的搜集,并对其进行分型、分组研究。②未将教育程度相匹配作为两组受试者的纳入标准,对于相关脑功能的研究分析存在一定影响。③由于dReHo和dFC是基于一系列时间点的滑动窗口方法进行分析,因此动态分析对生理噪声特别敏感。尽管笔者在预处理步骤中去除了生理噪声,并且还选择了相对合适的窗口大小,仍然不能完全消除生理噪声带来的不利影响。④受试者在检查前虽然停止服用相关治疗药物12h以上,但不能绝对消除其对神经元的潜在影响。希望在未来的研究中能够尽力克服这些局限性。

总之,本研究先从脑区局部分离功能角度、再从脑区之间连接整合功能角度对PD患者脑功能进行分析,发现PD患者壳核、尾状核、舌回相关脑区dReHo异常;另外以左侧舌回为种子点进行分析发现其与中央前回、中央后回以及楔前叶之间的动态功能连接改变。综合以上分析研究提示PD发病机制与多个脑功能网络有关,并且还存在运动与认知功能交互影响的可能,这将为进一步研究PD的发病机制提供影像学依据,也为该病的临床诊断、观察提供了新的视角。