阻塞性睡眠呼吸暫停患兒認(rèn)知改變與腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性

陳芳芳，付玉川，盧毅，俞晨藝，汪煜，陳濤，嚴(yán)志漢，呂粟，5

1.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院 放射科，浙江 溫州 325027；2.溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院 兒童睡眠醫(yī)學(xué)科，浙江 溫州 325027；3.寧波市第一醫(yī)院 放射科，浙江 寧波 315010；4.浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院 放射科，浙江 杭州 310003；5.四川大學(xué)華西醫(yī)院 放射科，四川 成都 610044

阻塞性睡眠呼吸暫停（obstructive sleep apnea,OSA）是指睡眠期間反復(fù)發(fā)作部分或完全氣道塌陷，導(dǎo)致間歇性低氧血癥和白天過(guò)度嗜睡[1-2]，兒童發(fā)病率為5%～10%[3]。OSA會(huì)引起兒童言語(yǔ)理解能力[4]及注意力[5]下降，這可能由OSA有關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致[6]。12歲之前的兒童處于白質(zhì)快速發(fā)育時(shí)期[7]，并且神經(jīng)突觸重塑基本只在睡眠中進(jìn)行[8-9]，OSA引起的白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)改變很可能對(duì)兒童白質(zhì)發(fā)育和神經(jīng)元連接產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)影響。因此，探討OSA引起的兒童認(rèn)知改變及其神經(jīng)機(jī)制很有必要。

1 資料和方法

1.1 一般資料 收集2018年2月至2020年11月在溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院育英兒童醫(yī)院接受檢查的7～13歲年齡和性別相匹配的OSA患兒29例、健康對(duì)照21例。納入標(biāo)準(zhǔn)：OSA組經(jīng)夜間多導(dǎo)睡眠描記術(shù)測(cè)得阻塞性呼吸暫停低通氣指數(shù)（obstructive apnea/hypopnea index,OAHI）＞1次/h，新診斷或未接受過(guò)OSA有關(guān)治療（如持續(xù)氣道正壓通氣、腺樣體扁桃體切除術(shù)）；健康對(duì)照組OAHI≤1次/h且不打鼾；右利手。排除標(biāo)準(zhǔn)：早產(chǎn)或難產(chǎn)；患有其他睡眠疾病，如原發(fā)性打鼾、失眠等；腦外傷病史；患有其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如腦腫瘤、癲癇等；頜面畸形或遺傳性疾病；紫紺型心臟病；磁共振成像（magnetic resonance imaging,MRI）禁忌證。用Das-Naglieri認(rèn)知評(píng)估系統(tǒng)（Das-Naglieri：Cognitive Assessment System,DN：CAS）對(duì)OSA組和健康對(duì)照組進(jìn)行認(rèn)知測(cè)試。本研究獲溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)號(hào)：KYKT2018-70），所有參與者的監(jiān)護(hù)人均簽署了知情同意書(shū)。

1.2 方法

1.2.1 MRI掃描：采用General Electric（GE）Discovery MR750 3.0T掃描儀、32通道頭部線(xiàn)圈進(jìn)行磁共振成像，獲得高分辨率三維T1 加權(quán)成像（three-dimensional T1 weighted imaging,3D T1WI）和彌散張量成像（diffusion tensor imaging,DTI）。掃描過(guò)程中，每位參與者都被要求睜眼以防止睡著頭動(dòng)，頭部?jī)膳匀＞d墊加以固定，佩戴降噪耳塞。橫斷位成像，以前聯(lián)合（anterior commissure,AC）-后聯(lián)合（posterior commissure,PC）（AC-PC線(xiàn)）為基線(xiàn)。掃描參數(shù)如下：①高分辨率3D T1WI采用SPGR（spoiled gradient recalled echo）序列，重復(fù)時(shí)間（repetition time,TR）7.7 ms，回波時(shí)間（echo time,TE）3.4 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間450 ms，翻轉(zhuǎn)角9°，矩陣大小256×256，視野256 mm×256 mm，層厚1 mm，層數(shù)188，連續(xù)采集。②DTI成像采用EPI（echo planar imaging）序列，TR 8 000 ms，TE 6.8 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，矩陣大小128×128，視野256 mm×256 mm，層厚2 mm，b值1 000 s/mm2，沿36個(gè)獨(dú)立非線(xiàn)性方向進(jìn)行擴(kuò)散加權(quán)，連續(xù)采集。

1.2.2 數(shù)據(jù)后處理：3D T1WI和DTI數(shù)據(jù)分析通過(guò)Matlab（R2021a）實(shí)現(xiàn)。使用PANDA（pipeline for analyzing brain diffusion images）工具[10]進(jìn)行預(yù)處理，首先將DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為NIFTI格式，然后進(jìn)行渦流及頭動(dòng)校正，去除頭皮等非腦組織。最后，使用DTIFIT（diffusion tensor model fit）計(jì)算出各向異性分?jǐn)?shù)（fractional anisotropy,FA），并生成用于構(gòu)建白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的原始FA圖。

1.2.3 白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：在PANDA工具中進(jìn)行，首先進(jìn)行確定性纖維追蹤，使用FACT（fiber assignment by continuous tracking）算法，當(dāng)兩條路徑的轉(zhuǎn)角大于45°或FA小于0.2時(shí)，停止追蹤。然后使用AAL（automated anatomical labeling）模板定義出90個(gè)白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[11]。計(jì)算出任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的平均FA值作為其權(quán)重，得到每個(gè)參與者的90×90加權(quán)結(jié)構(gòu)連通性矩陣，這些矩陣可以直接用于圖論分析。

1.2.4 白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩苑治觯夯趫D論方法，使用GRETNA（graph theoretical network analysis）分析白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩訹12]。稀疏度范圍的計(jì)算方法如下：①大腦網(wǎng)絡(luò)在任意閾值下所有節(jié)點(diǎn)的平均度數(shù)必須大于2×log（N），其中N代表節(jié)點(diǎn)數(shù)目[13]；②在每個(gè)閾值下，任一被試大腦網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性標(biāo)量均大于1.1。有研究中已使用過(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。根據(jù)上述方法，稀疏度閾值范圍確定為0.09和0.11至0.5，其間隔為0.01。在每個(gè)稀疏度水平上，計(jì)算出全局屬性（同配性）和節(jié)點(diǎn)屬性（聚類(lèi)系數(shù)、度中心性、局部效率）的曲線(xiàn)下面積（area under the curve,AUC）。

1.2.5 夜間多導(dǎo)睡眠描記術(shù)（polysomnography,PSG）：所有參與者都接受了夜間PSG，并保持正常的入睡和起床時(shí)間。所有的睡眠數(shù)據(jù)都是由經(jīng)驗(yàn)豐富的兒童睡眠醫(yī)學(xué)科醫(yī)師記錄。若PSG監(jiān)測(cè)OAHI＞1次/h，則該參與者將被診斷為OSA。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 使用GRETNA工具箱的Metric Comparison執(zhí)行全局和節(jié)點(diǎn)屬性的組間比較，以性別、年齡、體質(zhì)量指數(shù)（body mass index,BMI）為協(xié)變量，多重比較校正采用錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率（false discovery rate,FDR）校正。采用SPSS26.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，2組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，非正態(tài)分布的計(jì)量資料以M（P25，P75）表示，2組間比較采用秩和檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以用頻數(shù)和百分比表示，2組間比較采用χ2檢驗(yàn)。白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性和認(rèn)知之間的關(guān)系使用分層線(xiàn)性回歸進(jìn)行評(píng)估。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 在OSA組中，12例為輕度（1次/h＜OAHI≤5次/h）異常，11例為中度異常（5次/h＜OAHI≤10次/h），6例為重度異常（OAHI＞10次/h）。OSA組的BMI高于健康對(duì)照組（P＜0.05），年齡、性別差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表1。OSA組的DN：CAS計(jì)劃分測(cè)驗(yàn)中的數(shù)字匹配、繼時(shí)性加工分測(cè)驗(yàn)中的單詞系列、同時(shí)性加工分測(cè)驗(yàn)量表分、總量表分均低于健康對(duì)照組（P＜0.05），見(jiàn)表2。

表1 2組一般資料比較

表2 2組間DN：CAS分測(cè)驗(yàn)及全部量表評(píng)分比較

2.2 白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性的組間比較 未經(jīng)過(guò)FDR校正時(shí)，OSA組右輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、右顳橫回的度中心性和左中央后回、右顳橫回的聚類(lèi)系數(shù)以及左前扣帶和旁扣帶腦回、右顳橫回的局部效率較健康對(duì)照組增加（P＜0.05）；OSA組左眶部額中回、左舌回、左顳中回的度中心性和右顳中回的聚類(lèi)系數(shù)以及右顳中回的局部效率較健康對(duì)照組降低（P＜0.05），見(jiàn)表3和圖1，這些腦區(qū)主要位于中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。但是經(jīng)過(guò)FDR校正之后，這些結(jié)果差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

圖1 節(jié)點(diǎn)屬性組間比較結(jié)果

表3 2組之間白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性的AUC值比較

2.3 白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性與DN：CAS評(píng)分的相關(guān)性 線(xiàn)性回歸分析發(fā)現(xiàn)，左顳中回的度中心性與DN：CAS中的單詞系列分值（β=0.421，P=0.015）呈正相關(guān)，右顳中回的聚類(lèi)系數(shù)（β=0.507，P=0.023）和局部效率（β=0.504，P=0.010）均與同時(shí)性加工量表分呈正相關(guān)，見(jiàn)圖2。

圖2 節(jié)點(diǎn)屬性與認(rèn)知評(píng)分的線(xiàn)性回歸分析

3 討論

本研究基于圖論方法[16]，發(fā)現(xiàn)OSA患兒多個(gè)腦區(qū)（主要位于中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)）的網(wǎng)絡(luò)屬性（聚類(lèi)系數(shù)、度中心性、局部效率）存在發(fā)生改變的趨勢(shì)。這些腦區(qū)中，左顳中回的度中心性、右顳中回的聚類(lèi)系數(shù)和局部效率與認(rèn)知評(píng)分存在正相關(guān)。本研究說(shuō)明了OSA患兒存在認(rèn)知功能的改變以及這些改變背后可能的神經(jīng)機(jī)制。

3.1 白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性的組間差異 本研究結(jié)果表明OSA患兒主要位于額顳葉的多個(gè)腦區(qū)的度中心性、聚類(lèi)系數(shù)和局部效率存在發(fā)生改變的趨勢(shì)。節(jié)點(diǎn)的度中心性、聚類(lèi)系數(shù)和局部效率反映了該節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息交流過(guò)程中的重要性以及功能細(xì)化情況[17]。當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)屬性降低時(shí)會(huì)引起信息處理速度的減低。本研究還發(fā)現(xiàn)某些節(jié)點(diǎn)的屬性具有升高的趨勢(shì)，這說(shuō)明了腦區(qū)之間功能細(xì)化尚不充分、結(jié)構(gòu)通路尚未發(fā)育成熟。OSA會(huì)引起間歇性低氧血癥，導(dǎo)致大腦對(duì)氧的需求和供應(yīng)不匹配[18]，對(duì)大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有害影響。這些有害影響包括活性氧生成增加，導(dǎo)致神經(jīng)元壞死、凋亡以及小膠質(zhì)細(xì)胞線(xiàn)粒體功能障礙[19]，以及突觸修剪過(guò)度或不足，引起有效連接的減少和無(wú)效連接的增加。而突觸連接是形成白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，因此突觸連接異常會(huì)導(dǎo)致白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的異常。先前有研究表明，患有OSA的成人的額葉、顳葉多個(gè)腦區(qū)功能連接下降[20]以及白質(zhì)FA值下降和局部效率改變[21]。本研究中的結(jié)果經(jīng)過(guò)FDR校正后差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，我們認(rèn)為可能是由于本研究中的參與者都為兒童，大多數(shù)處于疾病的早期階段，所以白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變沒(méi)有成人明顯。無(wú)論如何，本結(jié)果說(shuō)明了OSA患兒的多個(gè)腦區(qū)結(jié)構(gòu)存在發(fā)生改變的趨勢(shì)，這強(qiáng)調(diào)了對(duì)OSA患兒及早采取臨床干預(yù)的重要性，避免產(chǎn)生不可逆損傷。

3.2 白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性與認(rèn)知評(píng)分相關(guān) 本研究發(fā)現(xiàn)顳中回的節(jié)點(diǎn)屬性與DN：CAS測(cè)試中的單詞系列、同時(shí)性加工、總表分存在正相關(guān)，說(shuō)明顳中回節(jié)點(diǎn)屬性的降低可能會(huì)引起OSA患兒的認(rèn)知加工水平下降，特別是語(yǔ)義理解。已有許多研究證實(shí)OSA與認(rèn)知功能下降有關(guān)[22]。NIE等[23]發(fā)現(xiàn)OSA患者的顳葉的局部血流量下降，這可能會(huì)引起氧供減少，對(duì)相應(yīng)部位產(chǎn)生有害影響如氧化應(yīng)激與炎癥反應(yīng)。顳中回后部屬于感覺(jué)性語(yǔ)言中樞（Wernicke區(qū)），該區(qū)結(jié)構(gòu)異常會(huì)引起初級(jí)語(yǔ)義加工障礙[24]，這也支持了我們的結(jié)果。大腦網(wǎng)絡(luò)是認(rèn)知能力的基礎(chǔ)[25]，因此顳中回與其他腦區(qū)的連接異常會(huì)引起信息處理速度的降低。本研究結(jié)果顯示，顳中回可能是引起OSA患兒認(rèn)知功能受損的關(guān)鍵腦區(qū)。

3.3 本研究的局限性 ①本研究中白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的組間差異結(jié)果未能通過(guò)多重比較校正。在之后的研究中可以選擇重度或中重度的OSA患兒作為病例組，其腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)改變可能更加明顯。②OSA組和健康對(duì)照組的BMI不匹配。我們?cè)诜謱踊貧w分析中將BMI作為協(xié)變量納入，因此白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性與認(rèn)知之間的相關(guān)性并不受到肥胖的影響。③樣本量并不多，有必要擴(kuò)大樣本量來(lái)驗(yàn)證目前的發(fā)現(xiàn)。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了OSA患兒多個(gè)腦區(qū)節(jié)點(diǎn)屬性存在發(fā)生變化的趨勢(shì)，有助于我們了解OSA對(duì)兒童神經(jīng)發(fā)育的影響。而且，這些變化趨勢(shì)和患兒的認(rèn)知功能損害有關(guān)，在一定程度上說(shuō)明了OSA患兒認(rèn)知功能改變背后的神經(jīng)機(jī)制。