創傷性腦損傷昏迷患者默認網絡功能連接的靜息態fMRI研究

張明哲， 孫昭勝， 郭 洪， 劉 兵， 杜乃易

(河北省衡水市哈勵遜國際和平醫院， 河北 衡水 053000)

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創傷性腦損傷昏迷患者默認網絡功能連接的靜息態fMRI研究

張明哲， 孫昭勝， 郭 洪， 劉 兵， 杜乃易

(河北省衡水市哈勵遜國際和平醫院， 河北 衡水 053000)

【摘 要】目的:探討創傷性腦損傷昏迷患者靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)中默認網絡(default mode network，DMN)改變情況及其與后扣帶回(posterior cingulate cortex，PCC)的功能連接特點。方法:收集2013年6月至11月在河北醫科大學附屬衡水哈勵遜國際和平醫院神經外科入院治療的創傷性腦損傷昏迷患者23例為試驗組，同時選取性別，年齡，受教育程度相匹配的右利手健康志愿者23例作為對照組，所有研究對象完成靜息態功能磁共振成像，選擇感興趣區并作功能連接分析比較兩組患者的差異。結果:正常對照組的PCC功能連接圖與假設的默認網絡完全匹配(P<0.05)。顱腦損傷性昏迷患者和PCC呈顯著正連接的區域比正常對照組和PCC顯著正連接的區域明顯減少(P<0.05)。結論:靜息狀態下顱腦損傷性昏迷患者默認狀態網絡系統存在，但范圍減小，顱腦損傷性昏迷患者在靜息狀態下與健康對照相比多個腦區與PCC的功能連接顯著減弱。

【關鍵詞】顱腦損傷； 昏 迷； 靜息態； 功能磁共振； 默認網絡

每年因車禍、墜落、襲擊、運動造成的創傷性腦損傷(簡稱顱腦損傷)患者約有七百萬人，而全球每年因顱腦損傷而昏迷者超過100萬[1~3]，其中22%~50%者死亡。顱腦損傷的救治率雖然有顯著提高，但損傷后長期意識障礙仍是醫療界的難題[4]，目前尚沒有可以準確地對顱腦損傷性昏迷患者進行腦功能狀態的動態檢測和評價的標準。近年來，靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rsfMRI)的研究，揭示了rs-fMRI在細胞代謝水平能反映局部腦功能活動情況，是一種無創的腦功能檢查方法，因此更適合于昏迷患者的研究，為顱腦損傷性昏迷患者的腦功能的檢測和評價開辟了新途徑。

1 資料與方法

1.1 研究對象

1.1.1 試驗組:連續性收集2013年6月至11月河北醫科大學附屬衡水哈勵遜國際和平醫院神經外科入院治療的顱腦損傷性昏迷患者23例，入組標準:顱腦損傷昏迷患者(GCS≤8分)；年齡(18~60歲)；右利手。排除標準:可引起意識障礙的腦血管疾病或神經性疾病；嚴重的精神疾病；服用藥物引起的意識障礙；嚴重的全身性疾病；因術后、腦挫裂傷、腦積水等原因使腦組織變形過大，無法進行校正的病例。其中男17例，女6例，5例患者為右顳腦挫裂傷，左顳硬膜外血腫，10例患者為彌漫性軸索損傷，8例患者為腦挫裂傷，腦干損傷。

1.1.2 對照組:選擇23例性別，年齡，受教育程度匹配的右利手且腦部無實質性病變健康志愿者作為對照組，男16例，女7例。與試驗組患者年齡、受教育程度差異無統計學意義(見表1)。性別構成差異亦無統計學意義。

1.2 研究方法

1.2.1 儀器及受試者準備:采用德國西門子MAGNETOM Verio型3T磁共振儀，掃描線圈為標準8通道頭顱線圈。所有對照者均在磁共振機外接受試驗前短暫訓練和指導，以便較好配合。

表1 兩組基線資料比較(±s)

表1 兩組基線資料比較(±s)

a采用獨立樣本t檢驗

項目　　試驗組　　對照組　P值年齡(歲)　43.38±11.73 44.17±10.46　 0.876a教育程度(年)　9.88±1.46　 10.25±1.14　 0.527 a性別(男)　17男/6女　16男/7女掃描時GCS評分　5.50±0.92掃描時受傷時間(d)　 6.25±2.25

1.2.2 掃描參數:常規掃描:兩組均行常規序T1WI、T2WI及T2FLAIR以前后聯合的連線為掃描基線。3D T1高分辨T1結構掃描序列:層厚為1 mm，TR/ TE 2300 ms/2.98 ms，反轉時間:900 ms，視野(FOV):240 ×240 mm，翻轉角(FA):9度，矩陣256×256。靜息態fMRI掃描序列采用平面回波(EPI)序TR/ TE2000/ 30ms，FA:90度，層厚3.5mm，間隔0mm，掃描層數32層，視野(FOV):220 mm×220 mm，矩陣64×64，平均激勵次數1次，延時為0，采集180個時間點，掃描時間360s。

1.2.3 數據處理在Matlab R2010a平臺上使用靜息態功能磁共振處理輔助軟件DPARSFA2.2。

圖1 基于REST定義的PCC位置(紅點所在位置)

1.3 統計分析:運用REST_V1.8_130615進行統計分析。采用單樣本參數t檢驗分別分析后扣帶回(PCC)在正常對照組和顱腦損傷性昏迷患者兩組內的功能連接情況，分別取閾值為P<0.05，然后進行AlphaSim多重比較校正，cluster≥228個體素，rmm = 5，最后只顯示正連接圖，從而分別得到患者和正常對照的PCC和全腦的正連接圖，取兩個圖的并集做一個默認網絡的蒙版mask。采用雙樣本參數t檢驗在mask內比較試驗組和正常對照組的組間連接差異，取閾值為P<0. 05，進行AlphaSim多重比較校正，rmm= 5將團塊大小超過135個素的腦區確定為有顯著性差異，得到差異統計圖，統計圖疊加到標準腦上進行顯示，用神經解剖學來描述兩組內有顯著差異的腦區，最后判斷差異性質。

2 結 果

2.1 對照組分析:對照組選取后扣帶回為ROI的靜息態功能連接單樣本t檢驗，只選擇和PCC呈顯著正連接的圖像即正常對照組的腦默認網絡區，即內側前額葉皮層區，背外側前額葉皮層，左、右顳葉，前扣帶回，后扣帶回，楔前葉，左、右頂下小葉，海馬(見圖2、3及表2)。

2.2 試驗組組分析:顱腦損傷性昏迷患者以后扣帶回為ROI的靜息態功能連接單樣本t檢驗，選擇和PCC呈顯著正連接的圖像即顱腦損傷性昏迷患者的腦默認網絡區，這些腦區主要包括內側前額葉皮層區，背外側前額葉皮層，左側額上、額中、額下回，雙側顳上回、顳中回，前扣帶回，后扣帶回，楔前葉，左、右頂下小葉。(見圖4，圖5及表3)

圖2 對照組的和PCC呈顯著正連接的圖像。X=1，Y=-47，Z =41(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=4。

圖3 對照組和PCC呈顯著正連接的校正圖像P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=5。

圖4 顱腦損傷昏迷患者和PCC呈顯著正連接的圖像X= 1，Y =-47，Z=41(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=5。

圖5 病例組和PCC呈顯著正連接的圖像(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>228，rmm=5。

表2 對照組的DMN分布表

表3 顱腦損傷性昏迷患者的DMN分布表

2.3 兩組功能連接區比較:和對照組相比顱腦損傷性昏迷患者的PCC的功能連接顯著減弱的腦區包括:左前額葉內側區，背外側前額葉皮層，左、右旁扣帶回，額極、額中回，前扣帶回，尾狀核，左、右眶內額上回，上后扣帶皮層，楔前葉，左、右枕上回。(見圖6，圖7及表4)

表4 顱腦損傷性昏迷患者和對照組的DMN的對比顯著差異分布

圖6 顱腦損傷昏迷患者和正常對照組默認網絡的顯著差異圖X=0，Y=-40，Z=53(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比較校正cluster>135，rmm=5。

圖7 顱腦損傷昏迷患者和正常對照組默認網絡的顯著差異圖(已校正)，P<0.05，AlphaSi多重比較校正cluster>135，rmm=5。

3 討 論

功能磁共振成像是基于神經元活動對局部耗氧量及腦血流量影響程度不匹配所致局部磁場性質變化的一種腦功能成像技術。

2003年Raichle等[5]在PET ( positron emission tomography)和fMRI的研究基礎上提出了默認網絡( default mode net work，DMN )的假說。Greicius[6]等在用功能磁共振的功能連接分析發現了部分腦區在靜息態時BOLD信號波動具有很高的時間相關性，同時獲得了功能連接腦活動圖，同時他們把腦功能網絡的中心歸結到后扣帶回PCC。Binder[7]等人也得出了人腦在靜息狀態下存在有序的腦功能活動的結論。張洪英[8]等人對健康老年人進行功能磁共振掃描，通過時間序列相關性分析獲得了以后扣帶回為種子區的默認網絡，經證實與Greicius等人發現的正常人的默認網絡基本一致。孫國祥[9]等人利用fMRI的技術通過聽覺來呈現語言任務，進一步檢驗了靜息狀態下人腦默認網絡活動的假說。但是，顱腦損傷性昏迷患者是否存在默認網絡，如果存在，其默認網絡是否發生變化?因此，我們運用靜息態功能磁共振的功能連接技術展開研究。

本研究通過運用靜息態功能磁共振的功能連接技術來研究顱腦損傷性昏迷患者的默認網絡和正常對照之間的差異，選取PCC作為種子點，從而發現正常人的PCC功能連接圖和假設的默認網絡匹配度很高。這與Raichle等人關于默認網絡的研究結果基本一致，間接反映了默認網絡的存在。

顱腦損傷性昏迷患者和PCC呈顯著正連接的區域包括內側前額葉皮層區，背外側前額葉皮層，左側額上、額中、額下回，雙側顳上回、顳中回，前扣帶回，后扣帶回，楔前葉，左、右頂下小葉，范圍較正常對照組有所減少。這符合Audrey等人研究的結果，意識障礙的嚴重程度和默認網絡的范圍大小呈負相關。表明了靜息態下病例組默認網絡的各腦區之間內部連接已經受損。

我們通過運用靜息態功能磁共振的功能連接技術來研究顱腦損傷性昏迷患者的默認網絡和正常對照之間的差異。但是本研究的病例樣本數量較少，另由于患者是重型顱腦損傷昏迷性患者，我們在臨床治療中或多或少會用到醒腦的藥物，這可能會對結果產生一定的影響，在今后的研究中，我們會更深一步研究。

【參考文獻】

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[8] 張洪英，王世杰，楊明，等.正常老年人靜息狀態腦功能磁共振的默認網絡研究[J].中國醫學影像技術，2008，24 (8):1189~1191.

[9] 孫國祥，劉君，趙小虎，等.靜息狀態默認腦活動網絡的初步檢驗—聽覺呈現語言任務[J].中國醫學影像技術，2008，24(2):205~208.

Study on Resting-state fMRI of Functional Connectivity of Default Mode Network in Coma Patients with Traumatic Brain Injury

ZHANG Mingzhe， SUN Zhaosheng， GUO Hong， et al
(Harrison International Peace Hospital，Hengshui Hebei 053000，China)

Abstract:Objective:To explore whether the default mode network (DMN) in patients with traumatic coma is abnormal or not in resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) and functional connectivity characteristics with posterior cingulate cortex (PCC). Method:23 cases with traumatic brain injury were selected as the objects in experimental group，and 23 cases of healthy volunteers with the matched gender，age and education were selected on the objects in control group. All the objects received resting-state fMRI，and then，the region of interest was taken，the functional connectivity was analyzed and compared between the two groups. Result: SingleT test showed that the graph of PCC functional connection in the normal contral group almost completely match with the assumptive default mode network (P，0.05). Compared with normal control group，the range of connection of default mode network and PCC was reduced in the patients group. The analysis showed that compared with normal control group，the patients with traumatic coma had significantly decreased functional connectivity (P<0.05). Conclusion: The default mode network may exist in patients with traumatic coma during resting state，but the range was reduced(P<0.05). Compared with normal control group，patients with traumatic coma showed significant decrease of functional connectivity in multiple brain regions in the resting state，which suggested that the mechanism of traumatic coma is not only associated with brain function network，but also associated with all brain. (P<0.05).

【Key words】Traumatic brain injury； Coma； Resting state； Functional MRI； Default mode network； Functional connectivity

【基金項目】河北省衛生廳重點科技研究計劃，(編號:ZD2014043)通訊作者:孫昭勝

【文章編號】1006-6233(2016)03-0383-05

【文獻標識碼】B 【doi】10.3969/ j.issn.1006-6233.2016.03.012