靜息態功能磁共振觀察基底節區腦梗死后不同頻段低頻振幅變化

阮杏林， 車春暉， 林海龍， 陳華俊， 潘曉東

基底節區腦梗死是腦梗死中常見的一種類型，是由顱內深穿支動脈堵塞造成，患者常表現為運動功能障礙[1-2]。靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是讓被試者在清醒、靜止不動、平靜呼吸、避免任何思維活動的情況下進行磁共振掃描，臨床上容易實施，廣泛應用于腦卒中的研究[3-6]。低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)是rs-fMRI檢查的重要指標之一，反映大腦自發性神經元活動強度的變化[7-8]。ALFF經典頻段為0.01～0.08 Hz，大部分ALFF的研究基于這一頻段[3, 9-10]。ALFF根據不同頻段可以細分為slow-6(0～0.01 Hz)，slow-5(0.01～0.027 Hz)，slow-4(0.027～0.073 Hz)，slow-3(0.073～0.198 Hz)和slow-2(0.198～0.25 Hz)[11]。<0.01 Hz的slow-6被認為是噪聲[12]，slow-4和slow-5頻段反映灰質信號的變化，而slow-2和slow-3頻段反映白質信號的變化[11]。

目前對于腦梗死ALFF的研究大部分是基于經典頻段[10,13]，基于slow-4和slow-5頻段的研究比較少[14]，并且較少關注腦梗死的嚴重程度與ALFF的關系。本研究通過分析經典頻段、slow-4和slow-5頻段ALFF，觀察急性基底節區腦梗死后自發性神經元活動情況，分析差別腦區ALFF值與NIHSS評分的相關性，探討急性基底節區腦梗死的嚴重程度與自發神經元活動的關系，為臨床急性基底節區腦梗死的評估提供幫助。

1 對象與方法

1.1對象

1.1.1腦梗死組 收集2015年1月—2017年1月于筆者醫院住院的13例急性基底節區腦梗死患者。其中，7例病灶位于左側基底節區，6例位于右側基底節區。納入標準：(1)根據國際疾病分類(International Classification of Diseases，ICD-10)和電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)及磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)標準診斷為急性腦梗死(發病起7 d內)，病灶位于單側基底節區，無其他病灶；(2)第1次發病；(3)無其他神經精神疾病；(4)右利手；(5)意識清楚、病情穩定、檢查合作；(6)無MRI檢查禁忌證。排除標準：(1)意識障礙、精神分裂癥、嚴重焦慮抑郁等神經精神疾病史；(2)嚴重的心肺疾患及多臟器功能衰竭。

1.1.2對照組 同期招募年齡、性別相匹配的健康志愿者14例。納入標準：(1)無嚴重的精神及軀體疾病史、無酒精和藥物依賴史、無外傷史及腦部疾病史；(2)常規頭顱MRI 檢查未發現任何器質性病變；(3)右利手。

本研究經筆者醫院倫理委員會批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1磁共振數據采集 采用MR750 3.0T磁共振掃描儀(美國通用電氣公司)進行磁共振掃描。Rs-fMRI掃描過程中，囑受試者平臥、閉目、平靜呼吸，固定頭部，最大限度減少頭部和其他部位的運動，要求受試者盡量不要進行任何思維活動，自然放松，意識保持清醒。采用梯度回波單次激發回波平面成像(single shot gradient echo type echo planar imaging，GRE-EPI)序列進行rs-fMRI掃描，重復時間2 000 ms，回波時間26 ms，反轉角90°，分辨率3.75 mm×3.75 mm，視野240 mm×240 mm，矩陣64×64，層厚3.2 mm，間隔0，掃描層數43層，掃描時間8 min，前20 s不做數據采集，共230個時相。采用三維快速擾相梯度回波(three-dimensional spoiled gradient recalled，3D-SPGR)序列獲取解剖圖像：重復時間為24 ms，回波時間為6 ms，視野為220 mm×220 mm，矩陣256×256，反轉角35°，層厚0.9 mm。

1.2.2數據處理 在Matlab R2010a平臺上運用靜息態功能數據處理助手(data processing assistant for rs-fMRI，DPARSF)軟件進行數據預處理計算，包括數據格式轉換、剔除前10個時間點的數據、時間校正、頭動校正(剔除旋轉范圍超過2.5°或者平移范圍超過2.5 mm的數據)、功能圖像空間標準化、重采樣(體素3 mm×3 mm×3 mm)、平滑(半高全寬為8 mm)、去線性漂移、濾波(經典頻段設定為0.01～0.08 Hz，slow-4頻段設定為0.027～0.073 Hz，slow-5頻段設定為0.010～0.027 Hz)。濾波后的數據做傅立葉變換計算每個頻率的平方根，在經典頻段、slow-4和slow-5頻段內對上述平方根求平均得到ALFF值，再進行標準z轉換。

1.3統計學處理 采用REST軟件(resting-state fMRI data analysis toolkit)做ALFF分析：雙樣本t檢驗分析急性基底節區腦梗死組和對照組的組間差別(校正前單體素閾值設為P<0.001，AlphaSim校正后得到最小體素23，對應校正后P<0.05)。采用REST軟件中Sliceviewer進行結果呈現，確定對應蒙特利爾神經病學研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)坐標上有顯著差別腦區的具體解剖位置采用Spearman等級相關分析。ALFF值與美國國立衛生研究院卒中量表(national institutes of health stroke scale，NIHSS)評分的相關性。P<0.05為差別具有統計學意義。

2 結 果

2.1一般資料 基底節區腦梗死組13例，其中男性10例，女性3例，年齡(65.69±9.11)歲(50～82歲)，NIHSS評分(4.08±2.63)分(1～8分)；對照組14例，其中男性7例，女性7例，年齡(66.21±10.53)歲(46～84歲)。兩組患者的年齡、性別比較，差別無統計學意義(均P>0.05)。

2.2不同頻段ALFF值比較

2.2.1經典頻段ALFF值比較 與對照組比較，腦梗死組的ALFF值顯著增高區域為右側額葉，顯著降低區域為右側小腦后葉(均P<0.001，表1，圖1)。

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.圖1 基底節區腦梗死組和對照組經典頻段ALFF值存在差別的腦區Fig.1 Differences of ALFF value according to the brain regions in conventional frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

2.2.2slow-4頻段ALFF值比較 與對照組比較，腦梗死組的ALFF值顯著增高區域為右側額葉，顯著降低區域為右側小腦后葉(均P<0.001，表1，圖2)。

2.2.3slow-5頻段ALFF值比較 與對照組比較，腦梗死組的ALFF值顯著降低區域為右側小腦后葉(P<0.001，表1，圖3)。

2.2.4腦梗死組NIHSS評分與ALFF值的相關性分析 在經典頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側額葉和右側小腦后葉的平均ALFF值均無顯著相關(P值分別為0.885,0.493及0.104)；在slow-4頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側額葉和右側小腦后葉的平均ALFF值均無顯著相關(P值分別為0.442,0.690)；在slow-5頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側小腦后葉的平均ALFF值呈負相關(r=-0.649，P=0.016，圖4)。

表1 經典頻段、slow-4頻段和slow-5頻段兩組基底節區腦ALFF值的差別

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.圖2 基底節區腦梗死組和對照組slow-4頻段ALFF值存在差別的腦區Fig.2 Differences of ALFF value according to the brain regions in slow-4 frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

3 討 論

本研究通過觀察基底節區腦梗死患者經典頻段、slow-4和slow-5頻段的靜息態自發性神經元活動信號的變化，計算ALFF值后發現，在經典頻段和slow-4頻段，基底節區腦梗死患者的右側額葉ALFF值增高，右側小腦后葉ALFF值降低；在slow-5頻段，基底節區腦梗死患者的右側小腦后葉ALFF值降低，且與NIHSS評分呈負相關。ALFF值反映大腦自發性神經元活動強度，提示基底節區腦梗死后右側額葉的自發性神經元活動強度增高，而右側小腦后葉自發性神經元活動強度減弱，并且右側小腦后葉的自發性神經元活動強度與NIHSS評分存在相關性。

基底節區有重要的運動調節功能，并且參與精細運動的形成[15-16]。額葉是控制運動的主要腦區之一。小腦后葉通過調節隨意運動的力量、方向和穩定度來協調大腦皮質發動的隨意運動。基底節區、額葉、小腦組成多個神經網絡相互作用，對于運動技能的獲取起到重要作用[17-18]。Modroo等[19]發現，額葉、基底節區、小腦一起參與控制手眼運動。本研究發現，基底節區腦梗死后額葉的自發性神經元活動強度增高，而小腦后葉的自發性神經元活動強度減弱，進一步提示額葉、小腦與基底節區聯系密切，可能與腦梗死后功能恢復有關。本研究中，自發性神經元活動強度出現變化的區域主要在右側額葉皮質下區域和小腦后葉，考慮可能與皮質-基底節-小腦神經環路有關。經典頻段和slow-4頻段的差別腦區在額葉及小腦，slow-5頻段的差別腦區在小腦，提示可能與基底節區腦梗死聯系更密切。Li等[20]和Fu等[21]對基底節區腦梗死患者運動康復的任務態功能磁共振的縱向研究也發現，小腦與基底節區腦梗死的恢復關系最密切。小腦后葉的自發性神經元活動強度與NIHSS評分呈負相關，提示小腦后葉的自發性神經元活動強度與基底節區腦梗死后功能缺失的嚴重程度有關。通過功能鍛煉激活額葉及小腦相應區域，或者通過顱內或顱外刺激額葉及小腦相應區域，可能對基底節區腦梗死后功能的恢復起到重要作用。

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.圖3 基底節區腦梗死組和對照組slow-5頻段ALFF值存在差別的腦區Fig.3 Differences of ALFF value according to the brain regions in slow-5 frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

NIHSS：美國國立衛生研究院卒中量表；ALFF：低頻振幅.圖4 基底節區腦梗死患者NIHSS評分與ALFF值的相關性Fig.4 The correlation of NIHSS score and ALFF value in slow-5 frequency in patients with acute basal ganglia region infarction

ALFF是通過計算每個頻率功率譜的平方根，然后在某一頻帶上對平方根求平均而得到，可用于描述局部自發性神經元活動的強度[7]。一些研究認為，在檢測患者大腦的異常神經活性方面，slow-4和slow-5頻段比經典頻段更敏感[14,22]。Hu等[22]發現，帕金森病患者在slow-5頻段下殼核的ALFF值存在異常，在slow-4頻段下額中回的ALFF值存在異常，而在經典頻段下均未檢測到，并且用額中回和顳下回的slow-4頻段評估帕金森病患者的凍結步態，其準確性最高。Zhu等[14]對腦卒中患者的研究發現，ALFF值在Slow-5頻段下異常變化區域更廣泛。本研究發現，在slow-5頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側小腦后葉的ALFF值呈負相關，提示右側小腦后葉的自發性神經元活動與腦梗死功能損害有關，可能可以用slow-5頻段下右側小腦后葉的ALFF值來評估腦梗死的嚴重程度。因此，在測量腦內在活動時，rs-fMRI研究應該考慮頻率效應，如果單純檢測經典頻段，有可能會遺漏一些有意義的信息。

綜上所述，本研究通過觀察經典頻段、slow-4和slow-5頻段下的ALFF值，發現基底節區腦梗死患者的右側額葉及小腦后葉自發性神經元活動發生變化，右側小腦后葉的自發性神經元活動與腦梗死功能損害存在相關性，這加深了對基底節、額葉、小腦神經網絡聯系的認識，為基底節區腦梗死患者功能損害的客觀評估提供了新的方法，也為靶向刺激相應腦區從而達到功能恢復提供了更多的信息。