靜息態(tài)fMRI觀察左側(cè)基底核區(qū)腦梗死特定頻段低頻振幅改變

李瓊閣，單 藝，趙 澄，張 苗，馬青峰，戎冬冬，曹燕翔，盧 潔，3 *

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射科，3.核醫(yī)學(xué)科，4.神經(jīng)內(nèi)科，北京 100053；2.磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053)

基底核區(qū)腦梗死通常是由穿支動脈粥樣硬化引起的深部缺血性腦血管疾病[1]，最常見臨床表現(xiàn)為運(yùn)動功能障礙。低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation, ALFF)是靜息態(tài)fMRI的重要研究指標(biāo)，可反映大腦自發(fā)信號的低頻振蕩[2]。目前將ALFF用于基底核區(qū)腦梗死的研究已較為成熟[3]，但特定頻段下基底核區(qū)腦梗死低頻振蕩的機(jī)制仍有待研究。各腦區(qū)在不同頻率段下表現(xiàn)出的ALFF不同。本研究基于經(jīng)典的slow-4頻段(0.027～0.073 Hz)和slow-5頻段(0.010～0.027 Hz)，采用計算和分析ALFF方法探究左側(cè)基底核區(qū)梗死患者神經(jīng)元活動在特定頻段的敏感性，追蹤左側(cè)基底核區(qū)腦梗死患者急性期與慢性期、慢性期與正常人腦功能對比的縱向變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2008年12月—2012年2月25例左側(cè)基底核區(qū)梗死患者(梗死組)，男18例，女7例，年齡39～73歲，平均(51.8±10.5)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①新發(fā)梗死，出現(xiàn)首發(fā)癥狀7天內(nèi)入院；②DWI顯示左側(cè)基底核區(qū)梗死，包括基底核核團(tuán)及其周圍白質(zhì)、內(nèi)囊；③無其他神經(jīng)或精神類疾病；④常規(guī)MRI未顯示其他病灶。排除標(biāo)準(zhǔn)：①左利手或雙利手；②隨訪期間復(fù)發(fā)梗死或繼發(fā)性出血。

對梗死組于急性期(發(fā)病后7天內(nèi))和慢性期(發(fā)病后90天左右)行靜息態(tài)fMRI和臨床評分測試，后者包括Fugl-Meyer運(yùn)動評分、美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表(National Institute of Health stroke scale， NIHSS)評分及Barthel指數(shù)(Barthel Index, BI)評分。

同期招募年齡、性別相匹配的26名志愿者為對照組，男15名，女11名，年齡33～70歲，平均(52.7±8.1)歲；均為右利手，無顱腦外傷史，無顱內(nèi)病變及精神疾病病史，神經(jīng)功能、神經(jīng)心理評估、語言、認(rèn)知功能等均正常。本研究通過我院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，所有受試者均自愿參加，并簽署書面知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Trio Tim 3.0T MR掃描儀，12通道頭線圈，梯度場強(qiáng)23 mT/m。掃描時固定受試者頭部，使其安靜平躺于掃描床上，盡量不做任何思考活動，處于自然放松狀態(tài)。采用梯度回波序列采集fMRI數(shù)據(jù)，TR 3 000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚4 mm，層數(shù)47層，矩陣64×64，體素大小3 mm×3 mm×3 mm，共掃描124個時間點(diǎn)，掃描時間6 min 12 s。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理 應(yīng)用基于SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)平臺的DPABI工具包(http://rfmri.org/dpabi)對fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[4]。①轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式；②去除前4個時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)；③時間層校正；④頭動校正；⑤應(yīng)用EPI模板標(biāo)準(zhǔn)化，將個體腦影像配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)標(biāo)準(zhǔn)人腦模板的空間坐標(biāo)上，并進(jìn)行3 mm×3 mm×3 mm體素大小的重采樣；⑥采用4 mm高斯半高寬的核函數(shù)進(jìn)行平滑；⑦去線性漂移。

1.4 ALFF計算 基于預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行ALFF計算。通過傅里葉變換將給定體素的時間序列轉(zhuǎn)換到頻域，得到功率譜后，在預(yù)先設(shè)定頻率域區(qū)間內(nèi)求平均值，計算得到的均方根即為給定體素下的ALFF，其度量的是在給定頻段內(nèi)自發(fā)低頻振蕩的絕對強(qiáng)度。分別計算梗死組(急性期和慢性期)和對照組在slow-4和slow-5兩個頻段內(nèi)的ALFF值，并將ALFF值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)z變換，用于統(tǒng)計學(xué)分析。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料不符合正態(tài)分布，以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示，采用Wilcoxon檢驗(yàn)比較梗死組患者急性期與慢性期的臨床評分。采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較2組間年齡差異，性別比較采用χ2檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 梗死組患者急性期與慢性期臨床評分比較[中位數(shù)(上下四分位數(shù))，n=25]

采用DPABI統(tǒng)計分析軟件對ALFF值進(jìn)行混合效應(yīng)分析，分別比較梗死組慢性期與急性期、梗死組慢性期與對照組ALFF值的頻率間主效應(yīng)差異、組間主效應(yīng)差異和交互作用。隨后分別在slow-4和slow-5頻段內(nèi)進(jìn)行組對比的事后檢驗(yàn)，對梗死組慢性期與急性期采用配對t檢驗(yàn)，梗死組慢性期與對照組采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。最后，基于非參數(shù)隨機(jī)重排檢驗(yàn)(5 000次)，采用無閾值簇群增強(qiáng)(threshold-free cluster enhancement, TFCE)的統(tǒng)計方法[5]進(jìn)行多重比較校正(family-wised error,FWE)。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

梗死組與對照組年齡(t=0.34，P=0.74)、性別(χ2=1.06，P=0.29)差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。梗死組患者慢性期Fugl-Meyer運(yùn)動評分、NIHSS評分及BI評分與急性期比較差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.01，表1)。

2.1 梗死組慢性期與急性期 頻段間主效應(yīng)分析結(jié)果顯示，相較于slow-4頻段，梗死組慢性期和急性期slow-5頻段下雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉皮層、楔前葉、顳葉、枕葉的ALFF值較高；相較于slow-5頻段，slow-4頻段下大腦雙側(cè)額葉、腦島、扣帶回、海馬、丘腦及基底核區(qū)ALFF值均較高(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖1A)。梗死組慢性期與急性期之間主效應(yīng)及交互作用分析結(jié)果均無統(tǒng)計學(xué)差異(P均>0.05)。事后檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在slow-4頻段，與急性期比較，慢性期雙側(cè)頂上小葉、楔前葉、枕葉和健側(cè)顳葉ALFF值升高；雙側(cè)扣帶回和輔助運(yùn)動區(qū)(supplementary motor area, SMA)ALFF值下降(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖1B)。slow-5頻段梗死組急性期與慢性期無ALFF值差異腦區(qū)(P均>0.05)。

2.2 梗死組慢性期與對照組 頻率間主效應(yīng)分析結(jié)果顯示，相較于slow-4頻段，梗死組慢性期和對照組slow-5頻段下雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉皮層、楔前葉、顳葉、枕葉ALFF值較高；相較于slow-5頻段，slow-4頻段下雙側(cè)額葉、腦島、扣帶回、海馬、丘腦、基底核區(qū)ALFF值較高(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖2A)。梗死組慢性期與對照組主效應(yīng)分析結(jié)果顯示，相較于對照組，梗死組慢性期健側(cè)后扣帶回(posterior cingulate cortex, PCC)和患側(cè)中央前回ALFF值降低，健側(cè)側(cè)部額葉腦回和額極ALFF值代償性升高(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖2B)。事后檢驗(yàn)結(jié)果顯示，在slow-4頻段，與對照組比較，梗死組慢性期健側(cè)額上回、扣帶回中部、PCC后部、距狀溝ALFF值下降，健側(cè)側(cè)部額葉腦回的ALFF值升高(P均<0.05，F(xiàn)WE校正，圖2C)；slow-5頻段無ALFF值差異腦區(qū)(P均>0.05，F(xiàn)WE校正)。交互作用分析結(jié)果均無統(tǒng)計學(xué)差異(P均>0.05)。

3 討論

腦梗死是臨床常見的缺血性腦血管疾病，發(fā)病部位較為復(fù)雜。slow-4和slow-5這2個特定頻段反映灰質(zhì)信號變化。本研究觀察梗死組同側(cè)(左側(cè))基底核區(qū)梗死患者slow-4和slow-5這2個頻段的靜息態(tài)神經(jīng)元信號活動的變化，計算獲得ALFF值，發(fā)現(xiàn)基底核區(qū)梗死患者自發(fā)神經(jīng)元活動對slow-4頻段的依賴性，且梗死患者在恢復(fù)過程中發(fā)生多個腦區(qū)ALFF值縱向改變及腦功能重構(gòu)。

圖1 梗死組慢性期與急性期ALFF值(紅色代表ALFF值升高，藍(lán)色代表ALFF值降低) A.頻率間主效應(yīng)差異腦區(qū)； B.Slow-4頻段下慢性期與急性期ALFF值差異腦區(qū)

圖2梗死組慢性期與對照組ALFF值(紅色代表ALFF值升高，藍(lán)色代表ALFF值降低) A.頻率間主效應(yīng)差異腦區(qū)；B.組間主效應(yīng)差異腦區(qū)； C.Slow-4頻段下組間差異腦區(qū)

3.1 ALFF值頻率間對比差異 本研究發(fā)現(xiàn)，左側(cè)基底核區(qū)腦梗死患者多個腦區(qū)ALFF值在2個頻段下存在顯著差異，且頻率間差異腦區(qū)相似；slow-5頻段下ALFF值較高腦區(qū)(內(nèi)側(cè)前額葉皮層、楔前葉、顳葉)主要集中在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)。既往研究[6-7]顯示，較低頻率振蕩能整合生成神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。筆者推測，在slow-5頻段下，DMN神經(jīng)元活動更為活躍。本研究中梗死組慢性期與急性期slow-4頻段下ALFF值較高腦區(qū)(腦島、基底核區(qū)、海馬、丘腦等)主要位于皮層下。slow-4和slow-5頻段下神經(jīng)元低頻振蕩的內(nèi)在生理學(xué)機(jī)制雖未完全闡明，但相鄰頻率域之間存在相互競爭作用[6，8-9]，且slow-4頻段下皮層下區(qū)域的ALFF值高于slow-5頻段，slow-5頻段下DMN的ALFF值高于slow-4頻段[10]。由此推測slow-4頻段對檢測大腦皮層下腦區(qū)的腦活動異常更為敏感，而slow-5對檢測DMN腦區(qū)更為敏感。

3.2 ALFF值縱向?qū)Ρ炔町?左側(cè)基底核區(qū)梗死患者慢性期與急性期ALFF值的縱向?qū)Ρ戎校瑂low-4頻段上慢性期患者較急性期雙側(cè)扣帶回和SMA的ALFF值降低，雙側(cè)頂上小葉、楔前葉、枕葉和顳葉ALFF值升高，且升高腦區(qū)主要集中在健側(cè)。扣帶回與丘腦、基底核區(qū)在結(jié)構(gòu)和功能上存在相互關(guān)聯(lián)，參與軀體運(yùn)動功能；SMA是基底神經(jīng)節(jié)行程環(huán)路的部分，與運(yùn)動功能相關(guān)。慢性期患者扣帶回和SMA ALFF值降低，提示在運(yùn)動恢復(fù)過程中與基底核區(qū)相關(guān)、涉及運(yùn)動功能的腦區(qū)仍有缺陷，但同時多個腦區(qū)發(fā)生了神經(jīng)元信號的代償性激活。楔前葉是DMN的主要腦區(qū)，參與調(diào)控感覺運(yùn)動功能；頂上小葉涉及感覺、視覺和空間感知功能；顳葉涉及聽覺感知等功能[11]。這些腦區(qū)ALFF值升高提示，隨著運(yùn)動功能恢復(fù)，其他腦功能也發(fā)生了代償性變化。

左側(cè)基底核區(qū)慢性期梗死患者與對照組ALFF值的對比中，慢性期患者在健側(cè)PCC和患側(cè)中央前回表現(xiàn)為ALFF值下降；健側(cè)側(cè)部額葉腦回和額極表現(xiàn)為ALFF值升高。PCC是DMN的主要腦區(qū)之一，具有定向和自體識別功能；中央前回為運(yùn)動區(qū)，主司全身骨胳肌運(yùn)動[12-13]；這2個腦區(qū)ALFF降低反映梗死患者在運(yùn)動功能上的缺陷；而健側(cè)側(cè)部額葉腦回和額極ALFF值升高為左側(cè)基底核區(qū)腦梗死患者的運(yùn)動功能障礙提供了代償。事后檢驗(yàn)中，于slow-4頻段下發(fā)現(xiàn)的梗死區(qū)慢性期與對照組間ALFF差異腦區(qū)與主效應(yīng)差異腦區(qū)相似，進(jìn)一步提示基底核區(qū)梗死患者神經(jīng)元自發(fā)活動對slow-4頻段的敏感性。

基底核腦梗死患者在恢復(fù)過程中發(fā)生一系列生理學(xué)機(jī)制改變，包括運(yùn)動功能變化、腦皮質(zhì)功能重組等。本研究結(jié)果顯示慢性期患者運(yùn)動評分較急性期有顯著改善，提示其運(yùn)動功能明顯恢復(fù)；組間差異對比發(fā)現(xiàn)，隨著運(yùn)動功能恢復(fù)，神經(jīng)元信號激活的腦區(qū)逐漸由第二運(yùn)動區(qū)(SMA、楔前葉等)轉(zhuǎn)移至主運(yùn)動區(qū)(中央前回、額極等)，提示此過程中神經(jīng)元自發(fā)活動發(fā)生改變的腦區(qū)首先集中在第二運(yùn)動區(qū)；隨著運(yùn)動功能提升，主運(yùn)動腦區(qū)神經(jīng)元自發(fā)活動開始發(fā)生重塑性變化，且隨著患者運(yùn)動康復(fù)，雙側(cè)腦區(qū)的代償性激活逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻?cè)腦區(qū)激活。上述結(jié)果與Li等[11]關(guān)于基底核區(qū)梗死的縱向研究所見一致，提示隨著梗死患者運(yùn)動恢復(fù)，主運(yùn)動區(qū)功能逐漸占據(jù)主導(dǎo)，且健側(cè)大腦半球逐漸呈現(xiàn)出代償效應(yīng)；這種代償效應(yīng)可能是維持患者慢性期運(yùn)動功能恢復(fù)的一種生理學(xué)機(jī)制，表明基底核區(qū)腦梗死患者腦功能存在可塑性。

3.3 slow-4頻段研究腦疾病的意義 slow-4頻段在重復(fù)測量神經(jīng)元信號上更可靠。李海軍等[14]發(fā)現(xiàn)阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征患者在slow-4頻段具有廣泛ALFF值的異常。Hoptman等[15]指出，slow-4頻段能對精神分裂癥等疾病提供更多病理生理學(xué)信息。本研究的事后檢驗(yàn)結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)，在slow-4頻段，基底核區(qū)腦梗死患者ALFF值表現(xiàn)出廣泛的腦區(qū)差異，結(jié)合slow-4頻段下皮層下腦區(qū)激活更為顯著的結(jié)果，推測slow-4頻段可以作為檢測皮層下腦損傷神經(jīng)元自發(fā)活動異常的敏感指標(biāo)。

總之，本研究發(fā)現(xiàn)左側(cè)基底核區(qū)腦梗死患者在運(yùn)動恢復(fù)過程中存在多個腦區(qū)神經(jīng)元自發(fā)活動異常，且這些腦區(qū)的自發(fā)活性僅在slow-4頻段下表現(xiàn)出顯著差異，提示slow-4頻段對檢測基底核區(qū)腦梗死神經(jīng)元活動敏感，可為闡述包括基底核區(qū)腦梗死在內(nèi)的神經(jīng)損傷類疾病的病理生理學(xué)機(jī)制提供支持。