創(chuàng)傷性腦損傷昏迷患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能連接的靜息態(tài)fMRI研究

張明哲， 孫昭勝， 郭 洪， 劉 兵， 杜乃易

(河北省衡水市哈勵(lì)遜國(guó)際和平醫(yī)院， 河北 衡水 053000)

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創(chuàng)傷性腦損傷昏迷患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能連接的靜息態(tài)fMRI研究

張明哲， 孫昭勝， 郭 洪， 劉 兵， 杜乃易

(河北省衡水市哈勵(lì)遜國(guó)際和平醫(yī)院， 河北 衡水 053000)

【摘 要】目的:探討創(chuàng)傷性腦損傷昏迷患者靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)中默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)改變情況及其與后扣帶回(posterior cingulate cortex，PCC)的功能連接特點(diǎn)。方法:收集2013年6月至11月在河北醫(yī)科大學(xué)附屬衡水哈勵(lì)遜國(guó)際和平醫(yī)院神經(jīng)外科入院治療的創(chuàng)傷性腦損傷昏迷患者23例為試驗(yàn)組，同時(shí)選取性別，年齡，受教育程度相匹配的右利手健康志愿者23例作為對(duì)照組，所有研究對(duì)象完成靜息態(tài)功能磁共振成像，選擇感興趣區(qū)并作功能連接分析比較兩組患者的差異。結(jié)果:正常對(duì)照組的PCC功能連接圖與假設(shè)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)完全匹配(P<0.05)。顱腦損傷性昏迷患者和PCC呈顯著正連接的區(qū)域比正常對(duì)照組和PCC顯著正連接的區(qū)域明顯減少(P<0.05)。結(jié)論:靜息狀態(tài)下顱腦損傷性昏迷患者默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)存在，但范圍減小，顱腦損傷性昏迷患者在靜息狀態(tài)下與健康對(duì)照相比多個(gè)腦區(qū)與PCC的功能連接顯著減弱。

【關(guān)鍵詞】顱腦損傷； 昏 迷； 靜息態(tài)； 功能磁共振； 默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)

每年因車(chē)禍、墜落、襲擊、運(yùn)動(dòng)造成的創(chuàng)傷性腦損傷(簡(jiǎn)稱(chēng)顱腦損傷)患者約有七百萬(wàn)人，而全球每年因顱腦損傷而昏迷者超過(guò)100萬(wàn)[1~3]，其中22%~50%者死亡。顱腦損傷的救治率雖然有顯著提高，但損傷后長(zhǎng)期意識(shí)障礙仍是醫(yī)療界的難題[4]，目前尚沒(méi)有可以準(zhǔn)確地對(duì)顱腦損傷性昏迷患者進(jìn)行腦功能狀態(tài)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rsfMRI)的研究，揭示了rs-fMRI在細(xì)胞代謝水平能反映局部腦功能活動(dòng)情況，是一種無(wú)創(chuàng)的腦功能檢查方法，因此更適合于昏迷患者的研究，為顱腦損傷性昏迷患者的腦功能的檢測(cè)和評(píng)價(jià)開(kāi)辟了新途徑。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象

1.1.1 試驗(yàn)組:連續(xù)性收集2013年6月至11月河北醫(yī)科大學(xué)附屬衡水哈勵(lì)遜國(guó)際和平醫(yī)院神經(jīng)外科入院治療的顱腦損傷性昏迷患者23例，入組標(biāo)準(zhǔn):顱腦損傷昏迷患者(GCS≤8分)；年齡(18~60歲)；右利手。排除標(biāo)準(zhǔn):可引起意識(shí)障礙的腦血管疾病或神經(jīng)性疾病；嚴(yán)重的精神疾病；服用藥物引起的意識(shí)障礙；嚴(yán)重的全身性疾病；因術(shù)后、腦挫裂傷、腦積水等原因使腦組織變形過(guò)大，無(wú)法進(jìn)行校正的病例。其中男17例，女6例，5例患者為右顳腦挫裂傷，左顳硬膜外血腫，10例患者為彌漫性軸索損傷，8例患者為腦挫裂傷，腦干損傷。

1.1.2 對(duì)照組:選擇23例性別，年齡，受教育程度匹配的右利手且腦部無(wú)實(shí)質(zhì)性病變健康志愿者作為對(duì)照組，男16例，女7例。與試驗(yàn)組患者年齡、受教育程度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(見(jiàn)表1)。性別構(gòu)成差異亦無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.2 研究方法

1.2.1 儀器及受試者準(zhǔn)備:采用德國(guó)西門(mén)子MAGNETOM Verio型3T磁共振儀，掃描線圈為標(biāo)準(zhǔn)8通道頭顱線圈。所有對(duì)照者均在磁共振機(jī)外接受試驗(yàn)前短暫訓(xùn)練和指導(dǎo)，以便較好配合。

表1 兩組基線資料比較(±s)

表1 兩組基線資料比較(±s)

a采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)

項(xiàng)目　　試驗(yàn)組　　對(duì)照組　P值年齡(歲)　43.38±11.73 44.17±10.46　 0.876a教育程度(年)　9.88±1.46　 10.25±1.14　 0.527 a性別(男)　17男/6女　16男/7女掃描時(shí)GCS評(píng)分　5.50±0.92掃描時(shí)受傷時(shí)間(d)　 6.25±2.25

1.2.2 掃描參數(shù):常規(guī)掃描:兩組均行常規(guī)序T1WI、T2WI及T2FLAIR以前后聯(lián)合的連線為掃描基線。3D T1高分辨T1結(jié)構(gòu)掃描序列:層厚為1 mm，TR/ TE 2300 ms/2.98 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間:900 ms，視野(FOV):240 ×240 mm，翻轉(zhuǎn)角(FA):9度，矩陣256×256。靜息態(tài)fMRI掃描序列采用平面回波(EPI)序TR/ TE2000/ 30ms，F(xiàn)A:90度，層厚3.5mm，間隔0mm，掃描層數(shù)32層，視野(FOV):220 mm×220 mm，矩陣64×64，平均激勵(lì)次數(shù)1次，延時(shí)為0，采集180個(gè)時(shí)間點(diǎn)，掃描時(shí)間360s。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理在Matlab R2010a平臺(tái)上使用靜息態(tài)功能磁共振處理輔助軟件DPARSFA2.2。

圖1 基于REST定義的PCC位置(紅點(diǎn)所在位置)

1.3 統(tǒng)計(jì)分析:運(yùn)用REST_V1.8_130615進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用單樣本參數(shù)t檢驗(yàn)分別分析后扣帶回(PCC)在正常對(duì)照組和顱腦損傷性昏迷患者兩組內(nèi)的功能連接情況，分別取閾值為P<0.05，然后進(jìn)行AlphaSim多重比較校正，cluster≥228個(gè)體素，rmm = 5，最后只顯示正連接圖，從而分別得到患者和正常對(duì)照的PCC和全腦的正連接圖，取兩個(gè)圖的并集做一個(gè)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的蒙版mask。采用雙樣本參數(shù)t檢驗(yàn)在mask內(nèi)比較試驗(yàn)組和正常對(duì)照組的組間連接差異，取閾值為P<0. 05，進(jìn)行AlphaSim多重比較校正，rmm= 5將團(tuán)塊大小超過(guò)135個(gè)素的腦區(qū)確定為有顯著性差異，得到差異統(tǒng)計(jì)圖，統(tǒng)計(jì)圖疊加到標(biāo)準(zhǔn)腦上進(jìn)行顯示，用神經(jīng)解剖學(xué)來(lái)描述兩組內(nèi)有顯著差異的腦區(qū)，最后判斷差異性質(zhì)。

2 結(jié) 果

2.1 對(duì)照組分析:對(duì)照組選取后扣帶回為ROI的靜息態(tài)功能連接單樣本t檢驗(yàn)，只選擇和PCC呈顯著正連接的圖像即正常對(duì)照組的腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)，即內(nèi)側(cè)前額葉皮層區(qū)，背外側(cè)前額葉皮層，左、右顳葉，前扣帶回，后扣帶回，楔前葉，左、右頂下小葉，海馬(見(jiàn)圖2、3及表2)。

2.2 試驗(yàn)組組分析:顱腦損傷性昏迷患者以后扣帶回為ROI的靜息態(tài)功能連接單樣本t檢驗(yàn)，選擇和PCC呈顯著正連接的圖像即顱腦損傷性昏迷患者的腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)區(qū)，這些腦區(qū)主要包括內(nèi)側(cè)前額葉皮層區(qū)，背外側(cè)前額葉皮層，左側(cè)額上、額中、額下回，雙側(cè)顳上回、顳中回，前扣帶回，后扣帶回，楔前葉，左、右頂下小葉。(見(jiàn)圖4，圖5及表3)

圖2 對(duì)照組的和PCC呈顯著正連接的圖像。X=1，Y=-47，Z =41(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=4。

圖3 對(duì)照組和PCC呈顯著正連接的校正圖像P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=5。

圖4 顱腦損傷昏迷患者和PCC呈顯著正連接的圖像X= 1，Y =-47，Z=41(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=5。

圖5 病例組和PCC呈顯著正連接的圖像(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=5。

表2 對(duì)照組的DMN分布表

表3 顱腦損傷性昏迷患者的DMN分布表

2.3 兩組功能連接區(qū)比較:和對(duì)照組相比顱腦損傷性昏迷患者的PCC的功能連接顯著減弱的腦區(qū)包括:左前額葉內(nèi)側(cè)區(qū)，背外側(cè)前額葉皮層，左、右旁扣帶回，額極、額中回，前扣帶回，尾狀核，左、右眶內(nèi)額上回，上后扣帶皮層，楔前葉，左、右枕上回。(見(jiàn)圖6，圖7及表4)

表4 顱腦損傷性昏迷患者和對(duì)照組的DMN的對(duì)比顯著差異分布

圖6 顱腦損傷昏迷患者和正常對(duì)照組默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的顯著差異圖X=0，Y=-40，Z=53(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>135，rmm=5。

圖7 顱腦損傷昏迷患者和正常對(duì)照組默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的顯著差異圖(已校正)，P<0.05，AlphaSi多重比較校正cluster>135，rmm=5。

3 討 論

功能磁共振成像是基于神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)局部耗氧量及腦血流量影響程度不匹配所致局部磁場(chǎng)性質(zhì)變化的一種腦功能成像技術(shù)。

2003年Raichle等[5]在PET ( positron emission tomography)和fMRI的研究基礎(chǔ)上提出了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)( default mode net work，DMN )的假說(shuō)。Greicius[6]等在用功能磁共振的功能連接分析發(fā)現(xiàn)了部分腦區(qū)在靜息態(tài)時(shí)BOLD信號(hào)波動(dòng)具有很高的時(shí)間相關(guān)性，同時(shí)獲得了功能連接腦活動(dòng)圖，同時(shí)他們把腦功能網(wǎng)絡(luò)的中心歸結(jié)到后扣帶回PCC。Binder[7]等人也得出了人腦在靜息狀態(tài)下存在有序的腦功能活動(dòng)的結(jié)論。張洪英[8]等人對(duì)健康老年人進(jìn)行功能磁共振掃描，通過(guò)時(shí)間序列相關(guān)性分析獲得了以后扣帶回為種子區(qū)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)證實(shí)與Greicius等人發(fā)現(xiàn)的正常人的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)基本一致。孫國(guó)祥[9]等人利用fMRI的技術(shù)通過(guò)聽(tīng)覺(jué)來(lái)呈現(xiàn)語(yǔ)言任務(wù)，進(jìn)一步檢驗(yàn)了靜息狀態(tài)下人腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的假說(shuō)。但是，顱腦損傷性昏迷患者是否存在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，如果存在，其默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是否發(fā)生變化?因此，我們運(yùn)用靜息態(tài)功能磁共振的功能連接技術(shù)展開(kāi)研究。

本研究通過(guò)運(yùn)用靜息態(tài)功能磁共振的功能連接技術(shù)來(lái)研究顱腦損傷性昏迷患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和正常對(duì)照之間的差異，選取PCC作為種子點(diǎn)，從而發(fā)現(xiàn)正常人的PCC功能連接圖和假設(shè)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)匹配度很高。這與Raichle等人關(guān)于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的研究結(jié)果基本一致，間接反映了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的存在。

顱腦損傷性昏迷患者和PCC呈顯著正連接的區(qū)域包括內(nèi)側(cè)前額葉皮層區(qū)，背外側(cè)前額葉皮層，左側(cè)額上、額中、額下回，雙側(cè)顳上回、顳中回，前扣帶回，后扣帶回，楔前葉，左、右頂下小葉，范圍較正常對(duì)照組有所減少。這符合Audrey等人研究的結(jié)果，意識(shí)障礙的嚴(yán)重程度和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的范圍大小呈負(fù)相關(guān)。表明了靜息態(tài)下病例組默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的各腦區(qū)之間內(nèi)部連接已經(jīng)受損。

我們通過(guò)運(yùn)用靜息態(tài)功能磁共振的功能連接技術(shù)來(lái)研究顱腦損傷性昏迷患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和正常對(duì)照之間的差異。但是本研究的病例樣本數(shù)量較少，另由于患者是重型顱腦損傷昏迷性患者，我們?cè)谂R床治療中或多或少會(huì)用到醒腦的藥物，這可能會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，在今后的研究中，我們會(huì)更深一步研究。

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Study on Resting-state fMRI of Functional Connectivity of Default Mode Network in Coma Patients with Traumatic Brain Injury

ZHANG Mingzhe， SUN Zhaosheng， GUO Hong， et al
(Harrison International Peace Hospital，Hengshui Hebei 053000，China)

Abstract:Objective:To explore whether the default mode network (DMN) in patients with traumatic coma is abnormal or not in resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) and functional connectivity characteristics with posterior cingulate cortex (PCC). Method:23 cases with traumatic brain injury were selected as the objects in experimental group，and 23 cases of healthy volunteers with the matched gender，age and education were selected on the objects in control group. All the objects received resting-state fMRI，and then，the region of interest was taken，the functional connectivity was analyzed and compared between the two groups. Result: SingleT test showed that the graph of PCC functional connection in the normal contral group almost completely match with the assumptive default mode network (P，0.05). Compared with normal control group，the range of connection of default mode network and PCC was reduced in the patients group. The analysis showed that compared with normal control group，the patients with traumatic coma had significantly decreased functional connectivity (P<0.05). Conclusion: The default mode network may exist in patients with traumatic coma during resting state，but the range was reduced(P<0.05). Compared with normal control group，patients with traumatic coma showed significant decrease of functional connectivity in multiple brain regions in the resting state，which suggested that the mechanism of traumatic coma is not only associated with brain function network，but also associated with all brain. (P<0.05).

【Key words】Traumatic brain injury； Coma； Resting state； Functional MRI； Default mode network； Functional connectivity

【基金項(xiàng)目】河北省衛(wèi)生廳重點(diǎn)科技研究計(jì)劃，(編號(hào):ZD2014043)通訊作者:孫昭勝

【文章編號(hào)】1006-6233(2016)03-0383-05

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B 【doi】10.3969/ j.issn.1006-6233.2016.03.012