探索原發(fā)性痛經(jīng)患者大腦自發(fā)性活動的動態(tài)性及一致性變化

劉軍蓮，張亞男，劉妮，吳俊辰，洪月穎，任蒙蒙，張健睿，郝瑛，黃怡然，霍健偉

1. 首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院 放射科，北京 100010；2. 北京國際數(shù)學(xué)研究中心，北京 100871；3. 北京中醫(yī)藥大學(xué) 針灸推拿學(xué)院，北京 100029

引言

痛經(jīng)作為婦產(chǎn)科的常見病，嚴(yán)重困擾著青春期及育齡期女性。世界范圍內(nèi)痛經(jīng)的發(fā)病率報道不一[1-3]，但嚴(yán)重的月經(jīng)痛造成了缺課、曠工及日常生活的受限，給患者帶來經(jīng)濟(jì)損失及心理、生理負(fù)擔(dān)。因此尋找發(fā)病原因并進(jìn)行針對性治療是首選任務(wù)。與繼發(fā)性痛經(jīng)不同，原發(fā)性痛經(jīng)（Primary Dysmenorrhea，PDM）沒有盆腔器質(zhì)性病變，發(fā)病原因較為復(fù)雜，尚不明確，目前主要認(rèn)為與前列腺素的分泌失衡相關(guān)。近些年關(guān)于PDM的中樞神經(jīng)系統(tǒng)大腦功能的變化成為研究其發(fā)病機(jī)制的熱點(diǎn)，并取得了一些成果[4-6]，有望在今后給臨床診療提供一些幫助。

腦功能研究中應(yīng)用最廣泛的方法當(dāng)屬靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional Magnetic Resonance Image，rs-fMRI），此項(xiàng)技術(shù)安全、無創(chuàng)、沒有輻射，患者容易配合，而且時間、空間分辨力高，是腦功能研究中最具潛力的手段。rs-fMRI主要反映大腦在靜息狀態(tài)下的自發(fā)活動，評估指標(biāo)較多，包括低頻振蕩振幅（Amplitude of Low Frequency Fluctuations，ALFF）、局 部 一 致 性（Regional Homogeneity，ReHo）、功能連接（Functional Connectivity，F(xiàn)C）、體素-鏡像同倫功能連接（Voxel-Mirrored Homotopic Connectivity，VMHC） 及 度 中 心 度（Degree Centrality，DC）等。ALFF主要刻畫了大腦活動低頻振蕩的幅度，ReHo表示局部腦區(qū)活動的一致性，VMHC主要反映了雙側(cè)大腦半球?qū)ΨQ區(qū)域腦活動的同步性[7]，DC是衡量腦網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)中心性的度量指標(biāo)。在PDM發(fā)病機(jī)制的rs-fMRI研究中，部分疼痛相關(guān)的腦區(qū)出現(xiàn)了神經(jīng)元活動的異常。

先前的神經(jīng)影像學(xué)研究表明PDM的中樞機(jī)制與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，通過與健康人群的比較，PDM患者表現(xiàn)出楔前葉、背內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)和前扣帶回皮質(zhì)的ALFF升高，而丘腦的ALFF降低[8]。進(jìn)一步的FC分析發(fā)現(xiàn)了患者楔前葉與左側(cè)背內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)和右側(cè)前扣帶回皮質(zhì)之間的FC降低，而楔前葉與左側(cè)丘腦之間的FC增強(qiáng)。此外，患者左側(cè)背內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)升高的ALFF與痛經(jīng)的病程呈正相關(guān)，為進(jìn)一步闡明PDM的病理生理機(jī)制提供依據(jù)。上述研究觀察的是處于無痛狀態(tài)的PDM患者，我們前期研究針對患者月經(jīng)期疼痛最嚴(yán)重的1～3 d進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了患者ALFF減低的區(qū)域主要位于右側(cè)小腦后葉、右側(cè)顳中回、右側(cè)海馬及海馬旁回、右側(cè)腦干及左側(cè)頂葉[5]，上述腦區(qū)涉及疼痛發(fā)生及調(diào)節(jié)的不同環(huán)節(jié)。除此之外，針對ReHo的研究也很多，有作者探討了月經(jīng)不同時期大腦活動的變化情況，結(jié)果表明PDM隨著月經(jīng)周期變化而出現(xiàn)神經(jīng)元活動的變化，調(diào)節(jié)腦區(qū)涉及下行疼痛調(diào)節(jié)系統(tǒng)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)及感覺調(diào)節(jié)系統(tǒng)[9]。另有學(xué)者研究PDM患者的圍排卵期ReHo變化，同樣發(fā)現(xiàn)了默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的異常[10]。除了上述指標(biāo)，本課題組從VMHC的角度探討了PDM患者雙側(cè)對稱大腦半球的FC功能狀態(tài)，結(jié)果表明雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū)同倫功能連接增強(qiáng)[11]。

目前大多數(shù)rs-fMRI研究僅關(guān)注PDM患者腦活動的靜態(tài)特征，忽略了腦自發(fā)活動在時間維度上的動態(tài)變化。有研究表明人的大腦在多種時間維度上通過動態(tài)的整合與調(diào)整對內(nèi)部或外界刺激做出反應(yīng)[12]。除了動態(tài)特征，rs-fMRI指標(biāo)間動態(tài)變化的一致性代表了不同功能層面的整合程度[13]。關(guān)于大腦自發(fā)性活動動態(tài)變化的研究目前已應(yīng)用于精神分裂癥、雙相情感障礙、重性抑郁障礙等疾病中[14]，且發(fā)現(xiàn)了動態(tài)特征及一致性的異常，為闡明精神類疾病的中樞機(jī)制提供了新的角度和方向。至今未見有關(guān)于PDM各個指標(biāo)間動態(tài)特征及一致性變化的研究，其是否存在異常是一個需要探索的方向。本研究首次應(yīng)用滑動時間窗的方法，探索rs-fMRI的5種指標(biāo)的神經(jīng)元活動的動態(tài)性及一致性變化，以期為深入理解PDM病理機(jī)制提供幫助。

1 材料與方法

1.1 受試者

本研究受試者均為來自北京各大高校的在校大學(xué)生或研究生，招募時間為2016年12月至2019年7月，受試者包括PDM患者46例，性別、年齡及文化水平相匹配的健康人群44例。所有受試者均被充分告知研究相關(guān)內(nèi)容，自愿參與研究并簽署知情同意書。研究通過了北京中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)倫理委員會的批準(zhǔn)（批號為2015BZHYLL0112），研究內(nèi)容符合《赫爾辛基宣言》中的規(guī)定。

實(shí)驗(yàn)組入組標(biāo)準(zhǔn)：① 診斷標(biāo)準(zhǔn)遵循加拿大婦產(chǎn)學(xué)會2017年發(fā)布的原發(fā)性痛經(jīng)共識指南中的標(biāo)準(zhǔn)[15]；② 年齡為16～30歲，女性；③ 月經(jīng)大致規(guī)律，行經(jīng)天數(shù)為（28±7） d；④ 痛經(jīng)病程≥6個月；⑤ 近1個月沒有使用任何治療PDM的方法；⑥ 回顧最近3個月經(jīng)周期，患者根據(jù)自己感受的疼痛程度給出疼痛視覺模擬評分（Visual Analogue Scale，VAS）的平均值至少40 mm（疼痛程度分值為0～100 mm，0代表沒有疼痛，100 mm表示難以忍受的劇烈疼痛[16]）。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 通過盆腔B型超聲診斷的盆腔器質(zhì)性病變引起的繼發(fā)性痛經(jīng)者；② 嚴(yán)重危及生命的心、肝、腎、腦等疾病及精神疾病；③ 近6個月內(nèi)接受其他治療且影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的受試者；④ 具有磁共振檢查禁忌證的受試者；⑤ 發(fā)現(xiàn)腦部結(jié)構(gòu)明顯不對稱及占位性病變者。健康人群的納入排除標(biāo)準(zhǔn)與PDM患者大致相同，除了沒有痛經(jīng)病史。本研究入組的所有受試者要求沒有生育史，且為右手優(yōu)勢。

1.2 磁共振掃描方案

所有受試者在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院磁共振室完成顱腦影像檢查。機(jī)器型號為西門子skyra 3.0 T磁共振成像儀（德國，埃爾朗根，西門子醫(yī)療系統(tǒng)），使用的線圈為頭/頸20通道線圈。rs-fMRI數(shù)據(jù)采集的時間為受試者月經(jīng)期的第1～3 d。成像時受試者平躺在掃描床上，需達(dá)到放松、閉眼、不能睡著的狀態(tài)，避免思考具體問題；用海綿墊限制頭動，耳塞減低噪音。主要掃描參數(shù)為：高分辨三維T1結(jié)構(gòu)像：重復(fù)時間=2300 ms，回波時間=2.32 ms，翻轉(zhuǎn)角度=8°，視野=240 mm×240 mm，矩陣=256×256，體素大小=0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm，層數(shù)=192；完成rs-fMRI的平面回波成像序列：重復(fù)時間=3000 ms，回波時間=30 ms，翻轉(zhuǎn)角度=90°，視野=220 mm×220 mm，矩陣=94×94，體素大小=2.3 mm×2.3 mm×3.0 mm，層數(shù)=40。

1.3 rs-fMRI指標(biāo)預(yù)處理流程

本研究的數(shù)據(jù)預(yù)處理使用基于Matlab R2015b平臺的DPABI 3.0和SPM 12軟件。rs-fMRI序列的預(yù)處理包括：① 刪除前10個時間點(diǎn)的被試數(shù)據(jù)；② 時間層校正；③ 頭動矯正（剔除各方向頭動位移大于3 mm和（或）超過3°的被試者）；④ 把與功能像對齊后的結(jié)構(gòu)像分割成灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液，然后去除白質(zhì)及腦脊液信號、頭動參數(shù)等協(xié)變量；⑤ 應(yīng)用DARTEL方法[17]將功能像從個體空間配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)科研研究所的標(biāo)準(zhǔn)空間；⑥ 對于VMHC，應(yīng)先將受試者功能像進(jìn)行平滑，然后配準(zhǔn)到鏡像對稱的模板上，剩下rs-fMRI的所有指標(biāo)均不平滑。

1.4 rs-fMRI各個指標(biāo)的動態(tài)時域分析

采用DPABI軟件中的滑動時間窗方法[18]計(jì)算5種rsfMRI指標(biāo)的動態(tài)特征及指標(biāo)間的一致性變化。5種指標(biāo)包括ALFF、ReHo、VMHC、DC及全局信號相關(guān)（Global Signal Correlation，GSCorr）。窗型選擇hamming窗，窗寬為32個重復(fù)時間，步長為4個重復(fù)時間。然后計(jì)算各體素的每一種指標(biāo)隨時間變化的標(biāo)準(zhǔn)差，接著將標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化。最后，除VMHC外，對各rs-fMRI指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行平滑（平滑核為4 mm）。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS 22.0對所有受試者的臨床資料進(jìn)行分析。對于年齡、月經(jīng)周期及行經(jīng)天數(shù)，采用雙樣本t檢驗(yàn)分析兩組受試者的差異（P<0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異）。對于患者的首次痛經(jīng)發(fā)病年齡、病程及VAS進(jìn)行描述性分析。

應(yīng)用DPABI軟件對PDM組和健康人群之間的ALFF、ReHo、DC、VMHC和GSCorr 5個指標(biāo)的動態(tài)性進(jìn)行分析，檢驗(yàn)方法為雙樣本t檢驗(yàn)，多重比較校正應(yīng)用高斯隨機(jī)場理論（體素水平P<0.001，組水平P<0.05）。采用5種指標(biāo)在空間模式上的肯德爾和諧系數(shù)作為逐一窗口時間點(diǎn)的一致性，對兩組受試者5種指標(biāo)的一致性時間序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)，以衡量痛經(jīng)患者功能整合的水平和穩(wěn)定性。

2 結(jié)果

2.1 臨床數(shù)據(jù)

排除數(shù)據(jù)不全及頭動幅度較大的受試者后，36例PDM患者和41例健康人群的數(shù)據(jù)被統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明兩組受試者在年齡、月經(jīng)周期及行經(jīng)天數(shù)基線方面差異無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表1）。

表1 受試者的臨床資料

2.2 原發(fā)性痛經(jīng)患者rs-fMRI局部指標(biāo)動態(tài)性異常

相對于健康人群，PDM患者顯示出廣泛的ALFF和ReHo的動態(tài)性異常，而在DC、VMHC及GSCorr三個指標(biāo)中未發(fā)現(xiàn)時間維度的動態(tài)異常。就ALFF而言，患者表現(xiàn)出左側(cè)顳上、中及下回、左側(cè)小腦半球、左側(cè)海馬及右側(cè)緣上回的動態(tài)性增高，未發(fā)現(xiàn)減低腦區(qū)。就ReHo而言，患者在左側(cè)額上、中回眶部、左側(cè)直肌、右側(cè)杏仁核、右側(cè)海馬及海馬旁回、右側(cè)顳下回動態(tài)性增高，而在左側(cè)顳中回動態(tài)性減低（圖1、表2）。

圖1 PDM患者較健康人群在ALFF和ReHo動態(tài)性顯著差異的腦區(qū)

表2 PDM患者與健康人群在ALFF和ReHo指標(biāo)顯著差異的腦區(qū)

2.3 rs-fMRI各個指標(biāo)間一致性動態(tài)特征結(jié)果

與健康人群相比，PDM患者在rs-fMRI的5個指標(biāo)間一致性動態(tài)特征無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05）。

3 討論與總結(jié)

隨著rs-fMRI研究指標(biāo)的不斷豐富，多種指標(biāo)的動態(tài)性及之間的一致性研究受到了重視，并可能在未來發(fā)展成為新的影像學(xué)標(biāo)記物。因此，本研究應(yīng)用滑動時間窗的方法，首次探討了rs-fMRI 5種指標(biāo)的動態(tài)特征及一致性變化。結(jié)果表明PDM患者存在ALFF和ReHo的動態(tài)異常，表現(xiàn)為左側(cè)顳葉、左側(cè)小腦半球、左側(cè)海馬及右側(cè)緣上回ALFF的動態(tài)性增高，而患者在左側(cè)額上、中回眶部、左側(cè)直肌、右側(cè)杏仁核、右側(cè)海馬及海馬旁回、右側(cè)顳下回ReHo動態(tài)性增高，左側(cè)顳中回ReHo動態(tài)性減低。PDM患者rs-fMRI各個指標(biāo)間一致性變化與健康人群無明顯差異。PDM患者表現(xiàn)出ALFF和ReHo的動態(tài)性異常相同腦區(qū)位于顳葉、海馬及海馬旁回。顳葉被認(rèn)為與情緒相關(guān)，一項(xiàng)關(guān)于電針三陰交對PDM患者中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)FC影響的研究表明，針刺治療后三陰交組表現(xiàn)出以顳極區(qū)及顳中回為主的顳回與中腦導(dǎo)水管周圍灰質(zhì)的FC明顯減低，作者推測可能因?yàn)轱D葉通過調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)參與了針刺治療痛經(jīng)的過程[19]。本研究中顳葉隨著時間推移的動態(tài)性明顯增強(qiáng)，可能表明此腦區(qū)參與了患者當(dāng)時疼痛狀態(tài)的調(diào)節(jié)。除此之外，海馬和海馬旁回與疼痛處理相關(guān)[20]，既往兩者被認(rèn)為對焦慮相關(guān)行為和長期記憶的中樞處理有很大貢獻(xiàn)[21]。持續(xù)、慢性的疼痛導(dǎo)致海馬及其周圍結(jié)構(gòu)的可塑性變化及功能障礙。我們前期研究結(jié)果顯示月經(jīng)期間海馬的靜息態(tài)ALFF值降低，表明海馬可能參與了疼痛的處理過程[5]，提示邊緣系統(tǒng)功能障礙在疼痛或不舒服感覺的加工過程中可能與PDM的產(chǎn)生機(jī)制相關(guān)。當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)了海馬及周圍結(jié)構(gòu)ALFF及ReHo的動態(tài)性增強(qiáng)，進(jìn)一步闡明邊緣系統(tǒng)動態(tài)參與了月經(jīng)痛的調(diào)節(jié)過程。

ALFF的動態(tài)性異常還出現(xiàn)在PDM患者的小腦半球。既往神經(jīng)影像研究分析已經(jīng)證實(shí)小腦涉及疼痛及疼痛調(diào)節(jié)的多個維度，包括情緒、認(rèn)知、感覺和運(yùn)動控制[22]。一項(xiàng)關(guān)于PDM的腦功能研究表明右側(cè)小腦后葉ALFF值下降，說明小腦可能參與痛經(jīng)的二次感覺加工和疼痛認(rèn)知[5]。另外一項(xiàng)基于正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像的研究表明針刺后患者的小腦糖代謝增加，說明針灸治療有可能通過激活相關(guān)區(qū)域來緩解疼痛[23]。從靜息態(tài)腦功能和葡萄糖代謝的角度都證實(shí)了小腦參與了疼痛的調(diào)節(jié)過程，本研究與既往研究相同，進(jìn)一步從動態(tài)特征方面證實(shí)了小腦的異常涉及PDM發(fā)生及發(fā)展的中樞機(jī)制。

ReHo的動態(tài)性異常還出現(xiàn)在杏仁核，其作為邊緣系統(tǒng)的一部分，有研究探討了PDM患者排卵期杏仁核和全腦FC的變化情況，發(fā)現(xiàn)了杏仁核與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和獎賞網(wǎng)絡(luò)FC的受損可能參與PDM的發(fā)生、發(fā)展機(jī)制[24]。另外本研究中發(fā)現(xiàn)ReHo動態(tài)性異常的腦區(qū)為額上、中回，屬于前額葉。前額葉是高級認(rèn)知功能的核心部位，整合了所有的感知覺，不僅與大腦皮質(zhì)有聯(lián)系，還接受邊緣系統(tǒng)、中腦以及間腦的纖維傳入，參與情緒調(diào)節(jié)。一項(xiàng)針刺三陰交治療PDM患者的研究顯示，激活腦區(qū)位于額內(nèi)側(cè)回、額上回、額中回（屬于前額葉），作者認(rèn)為針刺治療PDM可能通過針刺信號、情緒反應(yīng)等多種信號在前額葉的整合調(diào)節(jié)起到作用[25]。杏仁核及額葉的動態(tài)指標(biāo)異常在本研究結(jié)果中已呈現(xiàn)，從動態(tài)特征角度為PDM中樞機(jī)制的闡釋提供了一定參考。

本研究首次應(yīng)用了滑動時間窗技術(shù)，計(jì)算了PDM患者大腦自發(fā)活動的動態(tài)性及一致性，發(fā)現(xiàn)了一些腦區(qū)存在ALFF和ReHo的動態(tài)異常，但仍有一些不足需要注意。首先研究所涉及rs-fMRI的5種指標(biāo)，只有2個指標(biāo)出現(xiàn)了動態(tài)性的異常，其余3個指標(biāo)是否存在異常需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量證實(shí)；其次5種rs-fMRI指標(biāo)間功能整合的一致性與健康人群沒有明顯差異，造成陰性結(jié)果可能與樣本量、計(jì)算方法有關(guān)，后續(xù)我們會加強(qiáng)研究；最后由于rsfMRI指標(biāo)一致性為陰性，故未進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)其與臨床疼痛程度評估VAS指標(biāo)的相關(guān)性，需在今后的研究進(jìn)一步完善。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了PDM患者在ALFF和ReHo兩個指標(biāo)的動態(tài)性異常，涉及腦區(qū)包括顳葉、邊緣系統(tǒng)、額葉及小腦半球等，為理解月經(jīng)痛的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)病理機(jī)制提供了新的角度及見解。