無先兆偏頭痛患者基于皮層的功能磁共振局部一致性研究

李匡時,張 勇,任 毅,張 華,譚中建,鄒憶懷

無先兆偏頭痛患者基于皮層的功能磁共振局部一致性研究

李匡時,張 勇,任 毅,張 華,譚中建,鄒憶懷

目的應用功能磁共振技術對無先兆偏頭痛患者的大腦局部一致性的特征性變化進行初步研究。方法對10例無先兆偏頭痛患者及與之性別和年齡相匹配的10名健康受試者進行靜息態功能磁共振成像。將得到的功能影像數據應用Freesurfer、AFNI、SPM8、REST等軟件進行處理后,進行肯德爾系數相關性分析,得到大腦皮層的局部一致性數據。結果與健康受試者相比,無先兆偏頭痛患者左側前扣帶回及后扣帶回、左側梭狀回、左側顳下回,右側額中回及額下回、右側中央前回及中央后回、右側舌回局部一致性減弱。結論功能磁共振技術有助于從腦功能層面探討無先兆偏頭痛患者疼痛發作及伴隨癥狀發生的腦功能機制,對臨床上無先兆偏頭痛的預防、診療和評價具有重要意義。

無先兆偏頭痛;靜息態;局部一致性;皮層計算

偏頭痛是由于神經、血管功能失調所引起一種臨床常見病。嚴重的未控制的偏頭痛會明顯影響患者工作及生活質量。世界衛生組織已經將偏頭痛與四肢癱瘓、精神障礙和癡呆列為最嚴重的慢性功能障礙性疾病[1,2]。應用腦功能成像作為技術手段探討偏頭痛的生理病理機制已經成為近年來的研究熱點[3]。近期的研究發現,無先兆偏頭痛患者的胼胝體神經纖維細微結構完整性較健康人有明顯損害[3],且這種損害與無先兆偏頭痛長期的疼痛刺激具有明顯相關性。而腦結構的變化勢必導致患者腦功能的變化[4],既往的功能影像研究也證實患者腦功能的變化與疼痛病程及發作程度有明顯關聯性[5,6]。研究表明無先兆偏頭痛患者腦功能改變的區域主要集中在前扣帶回、雙側島葉、雙側中央后回、雙側丘腦[57]、枕葉皮層[8,9]、前額葉皮層及顳葉[10]等。然而不論是腦區間的功能連接研究還是特定腦區內的同質性研究,既往的功能影像研究更多的是基于全腦體素的計算,這種使用空間標準化的計算方法往往造成不同被試者的功能解剖位置出現偏差,從而影響計算結果。為了得到更為精確的數據結果,本研究擬應用基于皮層的計算方法對無先兆偏頭痛患者大腦皮層的特征性功能異常變化進行探究。

1 資料與方法

1.1 研究對象 納入2013年6月—2013年12月就診于北京中醫藥大學附屬東直門醫院神經內科的無先兆偏頭痛患者10例,其中男2例,女8例,年齡20歲～ 55歲,病程1年～10年。同時納入與無先兆偏頭痛患者性別和年齡相匹配的健康受試者10名。

1.2 納入及排除標準 納入標準:符合2004年國際頭痛學會(IHS)制定的“頭痛疾患的國際分類”(ICHD-2)中無先兆偏頭痛的診斷標準;年齡18歲～60歲;右利手;近3個月來平均每月頭痛發作2次～6次;有1年以上偏頭痛病史;無鎮痛藥長期服用史;近3個月內未服用精神類藥物及血管活性藥物;無核磁掃描禁忌證;簽署知情同意書。排除標準:其他類型的頭痛患者;合并焦慮、抑郁等相關疾病的患者;合并有心腦血管疾病及其他內科疾病的患者;有藥物或酒精成癮或濫用史的患者;有核磁掃描禁忌證的患者。

1.3 數據采集 將納入的無先兆偏頭痛患者和健康受試者分別進行靜息態功能磁共振掃描和T1結構像掃描。所有成像均應用東直門醫院核磁室西門子3.0T磁共振設備完成。其中功能像參數為FOV:225×225,矩陣:64×64,層厚:3.5 mm,TR:2000 ms,TE:30 ms,翻轉角:90°;結構像參數為FOV:250×250,矩陣:256× 256,層厚:1 mm,TR:1900 ms,TE:2.52 ms,翻轉角: 90°。進行以下數據質控:女性被掃描者要求避開月經期3 d以上;偏頭痛患者要求避開疼痛發作24 h以上;掃描前,要求被掃描者休息20 min后進入掃描室;掃描期間,要求被掃描者保持清醒且盡量不進行思維活動。

1.4 統計分析 所有的功能影像數據統計分析過程均應用自編軟件統一至AC-PC線,使用FreeSurfer軟件包將每個被試的高分辨率T1像進行皮層分割,然后使用AFNI-SUMA軟件包對所有皮層模型重新計算,使其具有與標準皮層模型相同數目的頂點,即轉換為標準皮層空間模型。皮層模型外觀基本沒有改變,但不同被試的標準模型中,相同序號的頂點指向統一解剖區域。傳統的功能磁共振計算方法大多是基于體素,然而這種方法輸出的圖像往往采用3 cm×3 cm× 3 cm或2 cm×2 cm×2 cm的體素大小進行輸出,這嚴重限制了圖像的精細程度,而將功能像投射到經過AFNI-suma標準化后的皮層模型上,可按1 cm×1 cm×1 cm體素輸出,解剖位置完全對應,而其在硬件允許的情況下,可以任意調配皮層模型頂點數,可以達到基于體素計算無法達到的精細程度。

使用SPM8軟件包對所有功能像數據依次進行時間層校正、頭動矯正[11],使用REST軟件包進行去線性漂移、低通濾波filter為0.01 Hz～0.08 Hz。處理過的功能像與AC-PC對齊的T1像配準,并投射到標準皮層模型中,得到預處理后的功能像。通過評估皮層每個頂點與以其為圓心半徑6 mm內相鄰頂點的時間序列之間的肯德爾系數(Kendall’s coefficient of concordance,KCC)得到每個被試者的局部一致性圖像,將單個被試者的局部一致性圖像進行Fisher-Z轉換,患者組與對照組間進行獨立t檢驗,比較結果限定P<0.01(未校正),使用蒙特卡羅模擬迭代1 000次進行簇校正,以限定簇大小。

2 結 果

使用肯德爾系數進行相關性分析,計算無先兆偏頭痛患者及健康受試者各腦區的局部一致性(ReHo值)。結果顯示,與健康受試者相比,無先兆偏頭痛患者左側前扣帶回及后扣帶回、左側梭狀回、左側顳下回,右側額中回及額下回、右側中央前回及中央后回、右側舌回部一致性減弱,未顯示局部一致性增強區域。詳見表1。

表1 無先兆偏頭痛患者ReHo值較健康對照降低的腦區

3 討 論

腦功能成像的靜息態研究是近年來的熱點之一,基于靜息態的功能磁共振研究對于研究疾病的生理病理機制有著至關重要的意義,有些學者認為靜息狀態是一種自發組織的神經活動,與任務態相比更能反映疾病的神經病理機制[12]。本研究應用靜息態功能磁共振技術對無先兆偏頭痛患者大腦皮層區域的局部一致性進行分析。研究結果表明,與健康受試者相比,無先兆偏頭痛患者左側前扣帶回及后扣帶回、左側梭狀回、左側顳下回,右側額中回及額下回、右側中央前回及中央后回、右側舌回部一致性減弱。這些區域與既往關于無先兆偏頭痛患者基于體素的局部一致性研究結果相吻合[4-10]。

本研究中于無先兆偏頭痛患者較健康對照組在左側前扣帶回及后扣帶回、左側梭狀回、左側顳下回,右側額中回及額下回、右側中央前回及中央后回、右側舌回等腦區的局部一致性減低。既往研究認為前扣帶回是重要的疼痛調節腦區,其局部一致性與無先兆偏頭痛病程有著密切聯系[13],這可能與疼痛調節通路失調,導致疼痛調節腦區過度興奮有關。而前扣帶回的通過胼胝體的聯合纖維相連,有研究顯示無先兆偏頭痛患者的這些纖維會有輕微損害[3,14,15],這些研究的結果與當前研究結果可以相互印證。

在既往研究中,靜息狀態下無先兆偏頭痛患者與健康人在前扣帶回、后扣帶回、頂下小葉、前額葉皮層均表現出較高的局部一致性,這與默認模式網絡基本吻合[13]。既往研究表明無先兆偏頭痛患者較健康人在默認模式網絡中的區域局部一致性降低[16]。在本研究中無先兆偏頭痛患者較健康對照組在左側后扣帶回區域表現出局部一致性的降低,而后扣帶回在默認模式網絡中扮演著極為重要的角色,這種結果也印證了既往研究中關于默認模式網絡在無先兆偏頭痛中扮演的重要角色。既往研究中前額葉皮層及顳葉亦有著重要的地位,PET研究顯示偏頭痛發作期較發作間期相比,顯示出背側腦橋、扣帶回、小腦、丘腦、島葉、前額葉皮層及顳葉的激活,這表明偏頭痛的發生于皮層下傳入通路失調有關[17]。Rocca等[18]的報道無先兆偏頭痛患者額葉和顳葉灰質的密度顯著下降,其減少和年齡、病程有關。因此,認為本研究中無先兆偏頭痛患者右側額中回及額下回、左側顳下回、后扣帶回的局部一致性減低或許與無先兆偏頭痛患者傳導通路的失調有關。

本研究中病例組較健康對照組的部分枕葉皮層局部一致性降低,Bramante等[19]的研究證明偏頭痛發作過程中,枕葉皮層興奮性下降,其程度與偏頭痛發作的頻率和嚴重程度成正比,亦有研究指出無先兆偏頭痛患者PET顯像同樣觀察到枕、顳、頂葉的血流降低[20]。無先兆偏頭痛患者在長期病程中可能導致結果區域的血流降低,從而影響這些區域的功能。

在結果中也應該注意到右側的中央前回及中央后回局部一致性減低,這個區域恰恰處于與疼痛相關的背側注意網絡之中[21],而中央后回亦是軀體感覺的重要中樞,因此該區域與疼痛密切相關,這一區域局部一致性的異常可能是由于長期疼痛刺激和生物應答的結果。

值得指出的是,盡管有既往研究的支持,但是對于局部一致性升高或者降低的意義,現在功能磁共振的研究領域仍然沒有定論,因此需要更多的觀察予以驗證。而本研究也存在著樣本量偏小、流行病學分層欠缺、缺乏多模態分析等問題。而多模態分析恰恰是目前的研究熱點,因此為了更深入的分析無先兆偏頭痛患者的腦功能特征性變化,應該將臨床、結構、功能三者緊密結合起來,對無先兆偏頭痛患者的生理、病理機制做更深入的探討。對無先兆偏頭痛患者腦功能異常變化的研究將對臨床上該病的預防、診療和評價具有重要指導意義。

本研究表明,無先兆偏頭痛患者與正常人靜息狀態下大腦皮層的局部一致性存在差異;無先兆偏頭痛患者靜息態時較健康對照組在左側前扣帶回及后扣帶回、左側梭狀回、左側顳下回,右側額中回及額下回、右側中央前回及中央后回、右側舌回表現出局部一致性減弱。這些結果有助于從腦功能層面探討無先兆偏頭痛患者疼痛發作及伴隨癥狀發生的腦功能機制,對臨床上無先兆偏頭痛的預防、診療和評價具有重要意義。

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Study on the Cortex Regional Homogeneity Based on Functional Magnetic Resonance Imaging in Migraine Patients without Aura

Li Kuangshi,Zhang Yong,Ren Yi,Zhang Hua,Tan Zhongjian,Zou Yihuai
Dongzhimen Hospital,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100700,China Corresponding Author:Ren Yi

ObjectiveTo study the intrinsic changes in brain regional homogeneity in migraine patients without aura using resting state functional magnetic resonance imaging(fMRI).MethodsTen patients diagnosed of migraines without aura and another 10 genders and age matched healthy subjects were recruited to receive resting state fMRI scanning.The fMRI images were first processed with the software of Freesurfer,AFNI,SPM8,REST.Then,analyzed correlation of the images using Kendall’s coefficient of concordance, and achieved theregional homogeneity data of the cerebral cortex.ResultsCompared with healthy subjects,the regional homogene-i ty of migraine patients without aura showed decreased in left anterior cingulate gyrus and posterior cingulate gyrus,left fusiform gyrus,left inferior temporal gyrus,right middle frontal gyrus and inferior frontal gyrus,right precentral and postcentralgyrus,right lingual gyrus.ConclusionThe results are helpful to explore the brain mechanism associated with pain and symptoms on migraine patients without aura from the aspect of brain function.It is great significance for the prevention,treatment and evaluation of clinical migraine without aura.

migraine without aura;resting state;regional homogeneity;cortical computing

R743R255

:Adoi:10.3969/j.issn.1672-1349.2015.02.017

:1672-1349(2015)02-0181-04

2014-08-21)

(本文編輯郭懷印)

北京市高校青年英才計劃項目資助(No.YETP0823);北京中醫藥大學自主選題項目資助(No.2013-JYBZZ-JS-201,2014-JYBZZ-XS-142)

北京中醫藥大學東直門醫院(北京100700)

任毅,E-mail:rywendy1982@sina.com