高度近視靜息態腦功能網絡的拓撲結構改變

陳聰，董紅煥，王思佳，侯愛林，李冬月，郭明霞，梁猛

高度近視(high myopia，HM)是一種全球性的衛生健康問題，在中國成年人中患病率達2%～5%[1-2]，在青少年中約為1.19%[3]。高度近視的定義為屈光度≤-6.00D并伴有玻璃體的軸向延長[4]，患者的視敏度和對比敏度等視覺功能降低[5-6]，嚴重危害視力健康。高度近視的病因很復雜，目前普遍認為遺傳因素和環境因素在其發生和發展中有重要作用。長期高度近視不僅可導致視網膜厚度降低和視網膜適應性下降等眼底結構的顯著改變[7-8]，而且影響視覺信息在大腦內的傳輸處理和加工整合，繼而影響視覺及視覺認知功能。近年來，已有研究中發現高度近視者視覺相關區域的腦白質密度發生了變化[9]。此外，利用靜息態功能MRI的相關研究結果顯示高度近視者的腦功能發生了一定程度的改變[10]。長期的視覺異常可導致腦組織的結構和功能發生改變。

既往的研究中基于種子點的功能連接分析發現高度近視者多個腦區存在功能活動的異常變化[10]。這種方法僅僅分析了感興趣區與其它腦區之間的相關程度，而實際上，人的腦功能活動往往是多個腦區間相互聯系、相互影響的網絡協作方式。基于圖論的復雜網絡分析方法以全腦相關分析為基礎，可以從整體的角度表征腦功能性網絡的拓撲性質，揭示大腦功能網絡的分離和整合的重要信息[11]。因此，在本項研究中，我們利用基于圖論的復雜網絡分析方法來研究高度近視患者腦功能性網絡的拓撲屬性的變化，旨在為進一步了解異常視覺經驗對腦功能的影響及其神經機制提供依據。

材料與方法

1.研究對象

選取52例天津醫科大學的在校學生，均為右利手。其中25例為高度近視者(HM組)，女21例，男4例，年齡21～25歲，平均(23.36±1.35)歲，雙眼屈光度≤-6.00D；27例視力正常者作為對照組，女13例，男14例，年齡18～25歲，平均(22.93±1.86)歲。本研究經天津醫科大學倫理委員會批準，所有研究對象簽署了知情同意書。

2.MRI數據采集

使用GE Signa HDx 1.5T磁共振掃描儀。掃描中要求患者佩戴耳塞并在其頭部周圍填充泡沫，要求患者保持雙眼睜開，不佩戴眼鏡，全身放松，盡量不做任何思考。掃描參數：梯度回波平面回波成像序列，TR 2000 ms，TE 60 ms，翻轉角90°，成像矩陣64×64，視野22 cm×22 cm，層厚5 mm，層間距1 mm，共采集184個時間點，總掃描時間368 s。

3.MRI數據預處理

采用基于MATLAB平臺的DPABI軟件包(http://rfmri.org/dpabi)，對所有被試的靜息態功能MRI數據進行預處理：①去除前4個時間點的數據，以減小磁化矢量不穩定的影響；②時間層校正；③頭動校正(剔除頭部移動>2mm、轉動角度> 2°的圖像)；④空間標準化和平滑，將所有功能像配準到MNI空間，然后進行半高全寬為5 mm×5 mm×5 mm的平滑處理；⑤多重線性回歸和濾波，采用多重線性回歸法將12個頭動參數、平均腦脊液信號以及平均白質信號從數據中剔除，最后進行帶通濾波(0.01～0.08 Hz)處理。

4.腦功能網絡的構建

基于BN246腦圖譜模板(http://atlas.brainne-tome.org)，將全腦劃分為246個腦區，提取每個腦區內所有體素的時間序列上的所有信號的平均值，將每個腦區定義為一個節點，計算每兩個節點之間的Pearson相關系數，組成246×246的矩陣，構建大腦的功能連接網絡。在圖論中，全腦網絡可表述為由節點(vertex，V)和邊(edge，E)構成的集合圖G(V，E)。其中，上述246個腦區是圖G的節點，而腦區之間的Pearson相關系數則為邊。

5.復雜網絡的分析

在0.05～0.50的網絡稀疏度(sparsity，Sp)范圍內計算網絡連通性，得到在0.23≤Sp≤0.49范圍內全腦功能性網絡保持全連通。同時在此稀疏度范圍內，以0.02為步長，對功能性腦網絡進行二值化處理。應用基于MATLAB 平臺的GRETNA軟件(http://www.nitrc.org/projects/gretna)計算腦功能網絡的全局屬性和局部屬性。全局屬性包括小世界性、全局效能、局部效能，局部屬性包括節點度、節點效能、節點聚類系數和節點局部效能。

局部屬性：①節點度為網絡中某節點與其它直接相關聯節點的邊的數目(ei)，它反映了某個節點在網絡信息傳遞中的作用，該值越大，代表此節點在大腦信息傳遞中就越重要；②節點效能指節點i與整個網絡中其它節點間信息傳遞的效率，反映了節點i的信息傳輸能力，其計算公式為：

(1)

其中dij是節點i與節點j之間最短路徑的長度，dij的倒數表示節點i與節點j之間信息傳遞的效能，N為網絡中所有節點的數目；③節點聚類系數表示節點i的相鄰節點之間的連接情況，反映了網絡的集團化程度，聚類系數越大，腦區之間的功能分化能力越強，其計算公式為：

(2)

其中Ei是節點i與相鄰節點間實際相連的邊數，Ki(Ki-1)/2是節點i與相鄰節點間可能存在的最大連接邊數；④節點的局部效能(Ei-local)，反映節點的局部信息傳遞效率，也就是節點i在其鄰近節點構成的子圖Gi內的信息傳遞效率。子圖Gi的全局效能(EGi-global)即為節點i的局部效能。

全局屬性：①小世界性是指具有較高集群系數和最短路徑長度的高效網絡，為了量化小世界屬性，通常以隨機網絡為基準，將腦網絡的聚類系數和特征路徑長度與隨機網絡進行比較，滿足標準化聚類系數(γ=Creal/Crandom)>1和標準化路徑長度(λ=Lreal/Lrandom) 1即為具有小世界屬性。為了方便計算，將上述兩個指標統一為σ(σ=γ/λ)來衡量小世界性，當σ>1時認為腦功能網絡具有小世界屬性；②全局效能(Eglobal)是衡量網絡在全局并行傳遞信息效率的一項指標，其計算公式為：

(3)

其中N(N-1) 2為節點i在網絡中可能存在的最大連接邊數；③局部效能(Elocal)是分析網絡局部信息傳遞效率的量化指標，它反映了網絡防御隨機攻擊的能力。網絡的局部效能為所有節點局部效能的平均值。

6.統計學處理

對兩組被試在各個網絡稀疏度下的全局屬性相關指標分別進行雙樣本t檢驗，加入性別和圖像幀位移量(frame-wise displacement，FD)作為協變量，以P=0.05為閾值檢驗其顯著性。將各個稀疏度下的節點屬性的度量值連成一條曲線，然后計算這條曲線下的面積稱為某節點屬性的AUC。對不同網絡稀疏度下兩組被試節點屬性度量值的曲線下面積(AUC)分別進行雙樣本t檢驗，加入性別和FD值為協變量，以P=0.001為閾值檢驗其顯著性。如果某節點的節點屬性度量值的AUC經雙樣本t檢驗結果顯示組間差異顯著，再對該節點的節點屬性在各個網絡稀疏度下(0.23≤SP≤0.49，步長0.02)分別進行雙樣本t檢驗，加入性別和FD值為協變量。以P=0.001為閾值檢驗其顯著性。

結 果

1.一般臨床資料

高度近視組與正常對照組間被試的年齡差異無統計學意義(t=1.35，P=0.34)。兩組被試的視力檢查結果及組內比較見表1。每組內雙眼裸眼視力的差異均無統計學意義(P>0.05)。

表1 近視組與對照組的視力

2.腦功能網絡屬性

兩組的靜息態腦功能連接網絡均顯示出典型的小世界性。高度近視組中腦功能網絡的小世界性在各個稀疏度下(0.23≤SP≤0.49，步長0.02)均高于對照組(圖1)，但組間差異無統計學意義(P>0.05)。

在各個稀疏度下兩組被試靜息態腦功能連接網絡的全局效能見圖2，不同稀疏度下全局效能在兩組間的差異均無統計學意義(P>0.05)。

在0.23～0.49連續14個稀疏度下，高度近視組的靜息態腦功能連接網絡的局部效能較對照組均顯著降低(圖3)，差異均有統計學意義(t=2.11～2.27，未校正P<0.05)。

與對照組比較，高度近視組靜息態下腦功能連接網絡中右側尾狀核的節點度的AUC顯著增大(t=3.74，未校正P>0.001)，在網絡全連通的各稀疏度下，高度近視組右側尾狀核的節點度均高于對照組(圖4)，且在0.23≤Sp≤0.49的條件下組間差異有統計學意義(t=3.52～3.89，P<0.001)。

相對于對照組，高度近視組右側尾狀核節點效能的AUC提高(t=3.72，未校正P<0.001)。在網絡全連通的各稀疏度下，高度近視組右側尾狀核的節點效能高于對照組(圖5)，在部分稀疏度下(0.23≤Sp≤0.37，Sp=0.41，0.45≤Sp≤0.49)組間差異有統計學意義(t=3.47～3.86，P<0.001)。

高度近視組和對照組中靜息態腦功能連接網絡的節點聚類系數值及比較見圖6。與對照組比較，高度近視組在雙側顳下回、右內側頂枕溝、右側額下回島蓋和左側杏仁核節點聚類系數的AUC降低(t值分別為4.54、3.73、3.79、4.15和3.54，未校正P<0.001)。

圖1 兩組被試靜息態腦功能連接網絡的小世界性的直方圖分析。 圖2 兩組被試靜息態腦功能連接網絡的全局效能的直方圖分析。 圖3 兩組被試靜息態腦功能連接網絡的局部效能的直方圖分析。

圖4 高度近視組和對照組靜息態腦功能連接網絡節點度的AUC比較。a)兩組腦功能網絡的節點度的AUC差異顯著的腦區；b)各稀疏度下兩組中右側尾狀核節點度的柱形圖(為組間比較P<0.001)。圖5 高度近視組和對照組靜息態腦功能連接網絡的節點效能比較。a)兩組腦功能網絡的節點效能差異顯著的腦區；b)各稀疏度下右側尾狀核節點效能的柱形圖(為組間比較P<0.001)。

全連通網絡在各稀疏度下，高度近視組左側顳下回的節點聚類系數均顯著降低；右側顳下回的節點聚類系數在0.23≤Sp≤0.27和0.33≤Sp≤0.43范圍內均顯著降低(t=3.22～4.00，P<0.001)；右內側頂枕溝的節點聚類系數在0.31≤Sp≤0.49范圍內均顯著降低(t=2.29～4.61，P<0.001)；右側額下回島蓋的節點聚類系數在0.23≤Sp≤0.41和0.45≤Sp≤0.49范圍內均顯著降低(t=3.50～4.44，P<0.001)；左側杏仁核的節點聚類系數在不同Sp下均降低，但組間差異均無統計學意義(P>0.001)。

高度近視組和對照組靜息態腦功能連接網絡的節點局部效能值見圖7。高度近視組中雙側顳下回、右內側頂枕溝AUC的節點局部效能顯著降低(t值分別為4.56、3.72和3.82，未校正P<0.001)。在全連通網絡各稀疏度下，高度近視組中左側顳下回節點局部效能均顯著低于對照組(t=3.53～4.76，P<0.001)；高度近視組中右側顳下回節點局部效能在0.23≤Sp≤0.27、0.33≤Sp≤0.43下顯著降低(t=3.10～3.99，P<0.001)；高度近視組中右內側頂枕溝節點局部效能在0.29≤Sp≤0.49范圍內顯著降低(t=2.92～4.61，P<0.001)。

討 論

本研究探討了高度近視者靜息態腦功能連接網絡的拓撲結構，結果表明高度近視人群的腦網絡表現出小世界性，但是網絡的局部效能在所有稀疏度下都降低。進一步研究發現，高度近視人群的節點屬性發生顯著改變，雙側顳下回和右內側頂枕溝的節點聚類系數和節點局部效能降低，右側額下回島蓋的節點聚類系數降低，右側尾狀核的節點度和節點效能增高，左側杏仁核的節點聚類系數降低。

圖6 高度近視組和對照組靜息態腦功能連接網絡的節點聚類系數的比較。a)橫軸面MRI圖像上紅色區域為兩組間節點聚類系數差異顯著的腦區為雙側顳下回、左側杏仁核；b)矢狀面MRI圖像上紅色區域為兩組間節點聚類系數差異顯著的腦區為右內側頂枕溝；c)矢狀面MRI圖像上紅色區域為兩組間節點聚類系數差異顯著的腦區為右側額下回島蓋；d)左側顳下回在各稀疏度下的柱形圖(P<0.001)；e)右側顳下回在各稀疏度下的柱形圖( P<0.001)；f)右內側頂枕溝在各稀疏度下的柱形圖(P<0.001)；g)右側額下回島蓋在各稀疏度下的柱形圖(P<0.001)；h)左側杏仁核在各稀疏度下的柱形圖(P<0.001)。

人腦是一個復雜的互連網絡，不斷整合多個腦區之間的信息。已有研究表明，大腦也具有小世界網絡的各項拓撲屬性[12]。在本研究中，高度近視組和對照組中腦功能網絡同樣都具有小世界性，意味著高度近視人群的腦網絡在信息傳輸和處理方面總體上保證高效率。此外，兩組被試腦功能網絡的小世界性并無顯著差異，提示在腦網絡整體屬性方面高度近視組與對照組間的差異可能并無明顯，其腦網絡的構建較為均質。

雖然兩組中腦網絡的整體屬性無明顯差異，但是在高度近視組中觀察到各個網絡稀疏度下腦網絡的局部效能均明顯降低。全局效能反映了整個大腦網絡綜合處理信息的能力，局部效能主要反映了大腦網絡內密集互連的區域處理信息的能力[13]。本研究結果表明，高度近視人群的腦網絡信息傳遞的效率在全局層面得以保留，但是在一些特定區域的信息傳遞效率發生了改變。高度近視組中許多腦區節點的局部效能降低也進一步支持這一結論。

本研究中觀察到高度近視組雙側顳下回和右內側頂枕溝的節點聚類系數和節點局部效能均降低，右側額下回島蓋的節點聚類系數降低。顳下回位于腹側視覺通路的最后階段，也是視覺區域中唯一包含了對視覺對象具有選擇性響應的神經元區域[14-15]。它與額葉和記憶相關皮質的聯系較緊密[16-17]，從額葉到腹側視覺區域的“反饋”預測這種處理途徑，可能形成自上而下的注意力調制的解剖學基礎[18]。在猴子的動物行為學實驗中，可觀察到顳下回區域在注意力調解下會過濾掉與目標不相關的信息[19]。通過神經群體解碼的方法也觀察到定位引導的注意力對顳下回神經元識別和解碼特定對象的信息具有重要影響[20]。在之前關于高度近視的研究中，也發現顳下回的短程功能連接密度較正常對照組有所降低[10]。因此，我們認為高度近視人群的雙側顳下回節點聚類系數和節點局部效能降低與視覺響應的選擇性注意力異常調制相關。右內側頂枕溝作為連接枕葉皮層和楔前葉的“橋梁”，接收視覺皮層的信息，傳遞給楔前葉，完成自下而上的視覺信息整合[21-23]。高度近視者的背內側頂枕溝的節點聚類系數和節點局部效能降低，可能與背內側頂枕溝作為視覺皮層向上傳遞信息的媒介作用減弱有關。額下回島蓋為腹側注意網絡的關鍵腦區，腹側注意網絡負責監測環境中的突顯刺激[24]。我們認為高度近視者的右側額下回島蓋的節點聚類系數降低可能與其對視覺突顯刺激的重新定向反應能力減弱有關。

圖7 高度近視組和對照組靜息態腦功能連接網絡的節點局部效能的比較。a)橫軸面MRI圖像上紅色區域為兩組腦功能網絡的節點局部效能有顯著差異的腦區為雙側顳下回；b)矢狀面MRI圖像上紅色區域為兩組間節點聚類系數差異顯著的腦區為右內側頂枕溝；c)左側顳下回在各稀疏度下的柱形圖(*P<0.001)；d)右側顳下回在各稀疏度下的柱形圖(*P<0.001)；e)右內側頂枕溝在各稀疏度下的柱形圖(*P<0.001)。

在本研究中，高度近視組右側尾狀核的節點度和節點效能均增高。尾狀核中有非常大的視覺接收領域，解剖學研究表明，靈長類動物的尾狀核主要從顳葉、頂葉和額葉等皮層間接接收視覺信息[25-27]。尾狀核也是哺乳動物的基底節接收感覺運動信息的主要結構。它涉及視覺運動行為，并有助于控制視覺引導的動眼神經和骨骼運動功能[28]。尾狀核中巨大的視覺感受野可以快速檢測到環境中的變化，識別物體，并且提供刺激的空間位置信息。這可能會促進和增強尾狀核的運動功能，有助于提高目標導向的準確性和速度[29]。基于以上分析，尾狀核中增高的節點度和節點效能，都表征了高度近視人群的尾狀核對視覺信息傳遞效率提高，這可能是在視覺信息輸入減少或模糊的情況下，尾狀核必須加強對運功功能的控制從而保證視覺目標導向行為的準確性和速度。

本研究結果還顯示，高度近視組中右側杏仁核的節點聚類系數降低。杏仁核具有情緒調制視覺處理功能[30]，不僅接受來自視覺系統的感覺輸入，也投射到腹側視覺系統的所有皮質，包括顳下回和初級視覺皮層等[31]。大量研究表明，青光眼等有眼患的群體比正常人更容易產生焦慮情緒[32-33]。利用復雜網絡分析方法，發現青光眼患者杏仁核參與的情感調節方面也存在損傷[34]。因此，我們認為高度近視人群的杏仁核節點聚類系數降低提示患者確實存在情緒反應的異常。

總之，通過比較高度近視者與視力正常者的靜息態腦功能連接網絡的拓撲結構，發現高度近視人群的某些拓撲屬性確實發生了改變，主要是與視覺相關的注意力調控以及情緒視覺屬性調制腦區的節點屬性發生了顯著異常。以上研究進一步證實高度近視患者的腦功能發生了改變。未來應該從其它方向來證實這些異常背后的潛在機制，進一步深入研究高度近視患者的腦功能變化。