靜息態(tài)輕微肝性腦病患者腦功能局部一致性與鏡像同倫連接研究

高玉嶺，王帥文，田水水，厙映霞，許永生，郭順林，雷軍強*

肝性腦病是由嚴重肝病或門-體分流引起的、以代謝紊亂為基礎(chǔ)、中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能失調(diào)的綜合征，是嚴重肝臟功能失調(diào)或障礙常見的并發(fā)癥及死亡原因之一。輕微肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy，MHE)沒有明顯的臨床癥狀，診斷較為困難，根據(jù)《中國肝性腦病診治共識意見(2013，重慶)》提出患者有明確的嚴重的慢性肝臟疾病和(或)門-體側(cè)支循環(huán)形成且肝性腦病心理學(xué)評分量表(psychometric hepatic encephalopathy score，PHES)中數(shù)字連接試驗-A(number connection test-A，NCT-A)及數(shù)字符號試驗(digit-symbol test，DST)兩項測試陽性異常進行診斷[1]。既往有研究[2-4]利用靜息態(tài)血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygenation level dependent-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)對MHE患者腦區(qū)功能研究發(fā)現(xiàn)MHE患者存在認知功能相關(guān)腦區(qū)的異常改變，間接反映了MHE患者大腦神經(jīng)功能活動受損。目前，國內(nèi)外基于BOLD-fMRI數(shù)據(jù)對MHE患者腦功能的研究較少，本研究應(yīng)用局部一致性(regional homogeneity，ReHo)與體素鏡像同倫連接(voxelmirrored homotopic connectivity，VMHC)兩種分析方法對MHE患者局部腦區(qū)功能連接狀態(tài)與雙側(cè)大腦半球鏡像等位體素腦區(qū)的協(xié)同性進行探討與評價，為探索MHE的發(fā)生及發(fā)展的病理生理學(xué)機制的研究提供較為可靠的影像學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

納入2017年10月至2018年12月經(jīng)臨床神經(jīng)心理測試確診的MHE患者20例，其中男性13例，女性7例，年齡38～66歲，平均年齡(51.6±4.7)歲，肝硬化病史7～30年，平均(14.4±2.4)年，受教育平均年限為(7.68±0.93)年；同時納入20名健康志愿者(healthy controls，HC)作為對照組，其中男性14名，女性6名，年齡31～65歲，平均年齡(48.2±5.5)歲，受教育平均年限為(7.12±1.12)年。

MHE納入標準：所有患者均有乙肝肝硬化病史且臨床及影像資料完整；DST及NCT-A測試結(jié)果與相應(yīng)年齡和教育水平的健康對照者的結(jié)果校正后陽性。MHE與HC組所有受試者均為右利手，無精神或神經(jīng)疾病史；無明顯腦萎縮、腦白質(zhì)脫髓鞘改變等；不伴其他神經(jīng)或精神性疾病，無精神藥物依賴史或致癮性物質(zhì)使用史及MR掃描禁忌證。兩組受檢者MR檢查獲得受檢者及臨床醫(yī)生的知情同意。

1.2 掃描方法及數(shù)據(jù)采集

1.2.1 掃描方法

將納入的患者及健康對照組行西門子3.0 T MR(Siemens Skyra)掃描，以聽眥線為掃描基線，8通道頭顱線圈先行常規(guī)MR掃描，再進行結(jié)構(gòu)相和功能相掃描。掃描時患者取仰臥位、囑患者掃描過程中平靜呼吸并閉合雙眼，勿做劇烈的思維活動，控制身體主動及被動運動，同時使用隔音耳塞減低噪聲對患者的影響。掃描序列包括：①解剖T1-MPRAGE掃描序列參數(shù)為TR/TE=2300 ms/2.32 ms，視野 240 mm，矩陣=256 mm×256 mm；②BOLD-fMRI掃描序列參數(shù)為TR/TE=3200 ms/30 ms，視野 240 mm，F(xiàn)A=90°，矩陣=256 mm×256 mm，每次采集200個時間點。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

將原始數(shù)據(jù)傳至計算機，將原始數(shù)據(jù)通過PACSDICOM提取T1-MPRAGE解剖結(jié)構(gòu)相序列和BOLDfMRI功能像序列圖像(DICOM格式)；數(shù)據(jù)處理采用基于Matlab 2013b操作界面、在統(tǒng)計參數(shù)圖SPM 8.0及REST運行環(huán)境下的DPASF 4.3軟件。數(shù)據(jù)預(yù)處理過程包括：①去除前10個受試者不適應(yīng)或磁場不穩(wěn)定影響的時間點；②對不同時間點采集的數(shù)據(jù)進行時間層校正；③對掃描過程中受檢者頭部主動或被動運動造成的影響進行校正(水平頭動＞1 mm與旋轉(zhuǎn)頭動＞1.0°的數(shù)據(jù)剔除)；④將所有受檢者的結(jié)構(gòu)相圖像和功能相圖像進行匹配；⑤對造成患者數(shù)據(jù)偏離生理基線的影響進行去線性漂移；⑥對數(shù)據(jù)進行濾波，頻率為0.01～0.08 Hz，以降低人體生理性噪音的影響，如心臟及呼吸運動；⑦對頭動、全腦實質(zhì)及腦脊液信號等協(xié)變量進行線性回歸，以減小影響。(1) ReHo值的計算：RoHo值是計算每個體素和相鄰的26個體素在時間序列上的肯德爾和諧系數(shù)[5](Kendall's coefficient of concordance，KCC)，再通過6 mm×6 mm×6 mm的半高全寬(full width at half maxima，F(xiàn)WHM)的高斯函數(shù)對標準化的圖像進行平滑，以減少因個體化差異對結(jié)果的影響。(2) VMHC值的計算：將預(yù)處理數(shù)據(jù)VMHC值匹配到蒙特利爾標準空間，然后以3 mm×3 mm×3 mm大小的體素對雙側(cè)大腦半球內(nèi)每個體素的時間序列重新采樣，計算其和對側(cè)鏡像體素之間的皮爾森(Pearson's)相關(guān)關(guān)系，即為VMHC值，最后將VMHC值經(jīng)FisherZ正態(tài)分布轉(zhuǎn)換為t值，以便分析。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié)果使用SPSS 21.0軟件對MHE患者組和健康對照組的一般資料行獨立樣本t檢驗，包括性別、年齡和受教育平均年限。以α=0.05為標準，P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

兩組ReHo及VMHC圖經(jīng)數(shù)據(jù)處理工具助手(DPASF 4.3)軟件進行分析，兩組各受檢者ReHo及VMHC值比較行成組資料t檢驗，同時以灰質(zhì)體積與頭動參數(shù)作為協(xié)變量進行校正，設(shè)定組間差異閾值為P＜0.05，采用非參數(shù)統(tǒng)計閾值分析(threshold free cluster enhancement，TFCE)定義具有組間差異的cluster，結(jié)果進行5000次的置換檢驗后使用FDR(false discovery rate)對P值進行校正。REST 1.8軟件提取并顯示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)(以單個體素統(tǒng)計閾值P＜0.05及激活團簇≥15個體素為差異有統(tǒng)計學(xué)意義)。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料統(tǒng)計學(xué)處理結(jié)果

MHE 組與HC組臨床資料比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)。

2.2 ReHo結(jié)果

與對照組相比，MHE組較對照組雙側(cè)額上回、額中回的ReHo減低(P＜0.05，F(xiàn)DR校正)，見圖1、表1。

表1 MHE患者和對照組ReHo的比較Tab. 1 Comparison of ReHo between patients with MHE and HC

表2 MHE患者和對照組VMHC的比較Tab. 2 Comparison of VMHC between patients with MHE and HC

圖1 MHE組與對照組ReHo差異圖(P＜0.05，F(xiàn)DR校正) 圖2 MHE組與對照組VMHC差異圖(P＜0.05，F(xiàn)DR校正)注：冷色調(diào)代表MHE組較對照組減低腦區(qū)最大，顏色越深，減低程度越重。Fig.1 The difference of ReHo between MHE group and HC (P＜0.05, FDR corrected). Fig.2 The difference of VMHC between MHE group and HC (P＜0.05,FDR corrected).Note: Cold color means that the brain area of MHE group decreased the most than that of the control group, the darker the color, the heavier the degree of reduction.

2.3 VMHC結(jié)果

與對照組相比，MHE組較對照組雙側(cè)額上回、額內(nèi)側(cè)回、顳中回、舌回、前扣帶回、小腦半球、中腦被蓋及腦橋的VMHC減低(P＜0.05，F(xiàn)DR校正)，見圖2、表2。

3 討論

ReHo分析方法是一種基于BOLD-fMRI信號自動分析全腦代償功能的方法，可反映局部腦區(qū)功能活動的同步性[6]，ReHo值升高表示局部腦神經(jīng)元自發(fā)活動的協(xié)同性增強，反之則減弱。基于體素的VMHC分析方法通過校正使雙側(cè)大腦半球達到解剖結(jié)構(gòu)的對稱，可用于對靜息狀態(tài)下雙側(cè)大腦半球相同腦區(qū)等位體素的功能連接的強度進行量化評價，評價雙側(cè)大腦半球之間的協(xié)調(diào)性[7]。不同對稱腦區(qū)的VMHC升高或減低可間接反映在認知功能、信息處理、感覺整合、運動平衡等特征的改變[8]。本研究采用ReHo及VMHC兩種分析方法應(yīng)用于MHE的研究，不僅可以通過ReHo發(fā)現(xiàn)MHE患者局部腦區(qū)的變化，還可以通過VMHC評價雙側(cè)大腦半球等位腦區(qū)之間協(xié)同性的改變。

人的大腦是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)存在著許多次級網(wǎng)絡(luò)，其中默認網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)是大腦在靜息狀態(tài)下的一個十分重要的腦網(wǎng)絡(luò)，主要包括雙側(cè)額頂顳葉皮質(zhì)、內(nèi)側(cè)前額葉、額上回、海馬、前扣帶回及后扣帶回等，是神經(jīng)-精神功能研究的重要部分，主要參與維護靜息態(tài)下大腦的基本活動，如自我意識的調(diào)節(jié)與控制、情景的加工與記憶以及對外界環(huán)境和信息的整合、評價等腦功能活動。

大腦額葉是神經(jīng)-精神智能腦區(qū)的重要組成部分，主要參與認知功能執(zhí)行，信息的加工、記憶和情緒、情感調(diào)節(jié)等過程[9]。前額葉內(nèi)側(cè)回的功能是參與社會認知及對環(huán)境信息的整合；額中回是前運動神經(jīng)區(qū)最活躍的腦區(qū)，參與自省狀態(tài)控制與維持，對行為能力的控制和情感情緒具有調(diào)節(jié)作用。本研究通過ReHo分析發(fā)現(xiàn)，MHE組相對于HC組額葉(主要包括額上回、額中回)ReHo值降低，說明MHE患者在靜息狀態(tài)下雙側(cè)額葉功能異常或功能失衡或失代償，可以推測MHE患者額葉功能的損傷是患者出現(xiàn)認知功能障礙的原因之一，該結(jié)果與既往研究[10-13]結(jié)果一致，但本研究通過ReHo分析僅發(fā)現(xiàn)雙側(cè)額葉ReHo值異常，可以推測額葉功能的損傷可能是HE發(fā)展的早期表現(xiàn)。此外，本研究通過VMHC分析方法發(fā)現(xiàn)MHE組雙側(cè)額中回、額內(nèi)側(cè)回VMHC值降低，表明MHE組在靜息狀態(tài)下雙側(cè)額葉內(nèi)神經(jīng)元自發(fā)活動協(xié)同性降低，影響了社會認知及對環(huán)境信息整合的功能。

舌回作為重要的視覺皮層，與視覺信息的提取與處理和縱向視覺注意力調(diào)控[14]數(shù)字和字母的加工相關(guān)。本研究中發(fā)現(xiàn)MHE患者雙側(cè)舌回的VMHC值發(fā)生下降，提示MHE患者的視覺信息提取與處理和縱向視覺注意力調(diào)控功能受損，也可以解釋MHE患者DST結(jié)果異常的原因。

邊緣系統(tǒng)由以胼胝體為中心的周圍腦皮質(zhì)組成，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)不可或缺的組成部分。邊緣系統(tǒng)主要包括海馬及海馬旁回、前/后扣帶回及杏仁核等，其中前扣帶回是邊緣系統(tǒng)最重要的組成部分，參與認知功能、注意力、情感控制及執(zhí)行能力等功能的實現(xiàn)。有研究[15]發(fā)現(xiàn)MHE患者因胼胝體及雙側(cè)前扣帶回脫髓鞘改變和軸突丟失可引起腦白質(zhì)纖維束受損，繼而影響了患者的注意力。本研究發(fā)現(xiàn)MHE組的雙側(cè)前扣帶回VMHC降低，提示MHE組邊緣系統(tǒng)協(xié)同性降低、功能紊亂，這種改變影響了MHE患者記憶、情感調(diào)節(jié)等功能。

雙側(cè)顳葉與前額葉等DMN有著重要的聯(lián)系，也是人體重要的語言中樞，其中顳中回的主要功能是參與語言信息的加工及意識的執(zhí)行[16]。既往功能神經(jīng)影像學(xué)研究提出，顳中回與杏仁核都參與情感反應(yīng)，是情感回路系統(tǒng)的組成部分，也有研究[17]表明雙側(cè)顳中回和一系列DMN腦皮質(zhì)參與記憶功能。本研究發(fā)現(xiàn)MHE患者雙側(cè)顳中回VMHC值下降，則提示MHE患者雙側(cè)顳中回協(xié)同性降低，且這種改變與雙側(cè)額葉VMHC值減低有一定關(guān)系，可導(dǎo)致MHE患者在雙側(cè)大腦半球相應(yīng)腦區(qū)之間信息的獲取與處理功能異常、記憶功能下降以及情感調(diào)控功能受損有關(guān)。

小腦半球是調(diào)節(jié)人體平衡狀態(tài)、調(diào)節(jié)肌張力重要和維持人體姿勢的重要腦區(qū)。近年來多種研究發(fā)現(xiàn)，小腦與大腦皮質(zhì)多個區(qū)域存在著復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接，小腦參與認知功能的調(diào)節(jié)是通過大腦皮層-小腦之間的神經(jīng)環(huán)路實現(xiàn)的[18]。本研究MHE組額葉和小腦的VMHC值異常，導(dǎo)致小腦-額葉神經(jīng)環(huán)路功能紊亂，從而影響了MHE 患者認知功能和情緒調(diào)控等功能。此外，有研究[19]發(fā)現(xiàn)小腦組織功能受損時會影響患者的排序能力及空間定位能力，也可以解釋MHE患者PHES結(jié)果異常與小腦半球VMHC降低有關(guān)。同時，兩側(cè)小腦半球、齒狀核及基底節(jié)區(qū)構(gòu)成的功能網(wǎng)絡(luò)反映了錐體外系結(jié)構(gòu)的緊密聯(lián)系，MHE患者由于錳在基底節(jié)區(qū)異常沉積，導(dǎo)致基底節(jié)功能異常、錐外體系功能連接受損，患者容易出現(xiàn)運動障礙等臨床表現(xiàn)。

中腦被蓋和腦橋是上行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的重要組成部分，維持人體意識清醒和正常生理活動，一旦受損，患者就會處于意識障礙狀態(tài)。HE患者由于長期的肝炎肝硬化病史使肝臟解毒功能下降，氨等有毒有害物質(zhì)不能清除，當(dāng)隨體循環(huán)突破血腦屏障進入腦組織使腦細胞不能利用氧進行有效的有氧代謝而導(dǎo)致腦組織缺氧和酸中毒，繼而會出現(xiàn)神經(jīng)元異常生物電活動和神經(jīng)突觸傳遞異常的突觸遞質(zhì)[20]，神經(jīng)元軸突的傳導(dǎo)功能也會下降，因此患者會出現(xiàn)意識障礙。本研究發(fā)現(xiàn)MHE患者中腦被蓋和腦橋的VMHC值下降，這種改變可能與患者在血氨濃度升高有關(guān)，從而影響了上行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的功能，可導(dǎo)致患者在疾病發(fā)展過程中出現(xiàn)意識障礙。

綜上，本研究聯(lián)合ReHo和VMHC兩種分析方法對MHE患者靜息態(tài)下腦功能活動的異常進行探究。ReHo值是反映局部腦功能活動性，VMHC值則反映了兩側(cè)大腦半球相同腦區(qū)等位體素之間的協(xié)同性，兩種分析方法既可以發(fā)現(xiàn)MHE患者局部腦功能活動異常腦區(qū)，又可以發(fā)現(xiàn)雙側(cè)大腦半球等位體素之間協(xié)同性的改變，為探究MHE患者病理生理及發(fā)病機制提供較好的影像學(xué)證據(jù)。

利益沖突：無。