HIV感染者認知功能正常時靜息態腦功能連接的研究

張倩倩， 趙方， 羅杰棋， 張輝， 徐六妹， 鄭廣平， 王輝， 李宏軍， 陸普選

·傳染病影像學·

HIV感染者認知功能正常時靜息態腦功能連接的研究

張倩倩， 趙方， 羅杰棋， 張輝， 徐六妹， 鄭廣平， 王輝， 李宏軍， 陸普選

目的：探討認知功能正常時HIV感染者與正常人的靜息態腦功能連接情況。方法：按照入選標準搜集25例HIV感染者和27例健康志愿者作為正常對照組，比較蒙特利爾認知評估量表評分、年齡、性別、教育水平的差異。應用靜息態腦功能技術以雙側大腦各區為種子點，分析兩組各種子點與全腦功能連接的差異，體素P取0.005，團簇P取0.05。結果：HIV感染組與正常對照組各種子點均有統計學差異，經多重校正后有19個種子點8個腦區差異具有統計學意義。HIV感染組在以左側額極內側、雙側海馬、雙側前扣帶回、左側頂葉、左側丘腦、左側梭狀回的種子點與全腦的功能連接高于正常組；HIV感染組在以雙側視覺皮層枕葉、左側島葉區域的種子點與全腦的功能連接低于正常組；HIV感染組在以右側運動皮層、左側頂下葉的種子點與全腦的功能連接與正常組比較既有升高又有降低。結論：HIV感染者認知功能正常時的靜息態腦功能連接與正常人有顯著差異，提示HIV感染者在認知功能正常時腦功能連接可能已經出現異常，HIV病毒可能影響腦功能的連接。

HIV感染； 靜息態； 功能磁共振成像； 艾滋病癡呆復合征

近幾年全國HIV感染的發病率逐漸增加。HIV感染后不久HIV病毒可以透過血腦屏障，通過多種機制引起神經元損傷[1-3]，其中有多達50%的HIV感染者有神經認知功能損傷[4]，臨床上稱為HIV相關神經認知疾病(HIV-associated neurocognitive disorders，HAND)。HIV病毒對神經系統的損傷是從無癥狀、輕度到嚴重的過程。隨著HIV感染及時合理的應用高效抗反轉錄病毒治療(highly active anti-retroviral therapy，HARRT)，嚴重的神經損傷發病率下降，而無癥狀和輕度的神經損傷的發病率相對增加[5]。

基于血氧水平依賴效應(BOLD)的腦功能成像技術目前有兩種，分別是任務態腦功能成像(task-fMRI)和靜息態腦功能成像(rs-fMRI)。早期研究任務態的較多，因為任務態可以明確大腦皮層區域與任務事件的關系，利用任務態對HAND的研究結果表明：語義事件排序任務是依賴于前額葉皮層與基底節之間的相互作用，額葉-紋狀體系統是HIV認知功能障礙的基礎，背側前扣帶皮層(ACC)和背外側前額葉、頂葉皮層(DLPFC)的BOLD信號及激活水平有異常表現[6-9]。但臨床上task-fMRI研究難以操作，而rs-fMRI同樣發現HAND患者背側尾狀核連接到額葉和頂葉腦區功能下降[10]，雙側楔前葉和前額葉皮層的功能連接降低等[11]。臨床上無認知功能障礙癥狀的HIV感染者腦功能又是怎樣的呢？在探討應用功能磁共振技術評估認知障礙的方法還有待進一步細化。

本文用rs-fMRI來研究臨床上無認知功能障礙癥狀的HIV感染者腦功能是否有異常，為HIV病毒感染神經系統的病理生理過程提供一定科學依據，為HIV感染者的腦功能研究提供參考。

材料與方法

1.研究對象

本研究經深圳市第三人民醫院倫理委員會同意，所有入選的研究對象均了解實驗目的，自愿參加，并簽署書面知情同意書。

HIV感染組入選標準：①所有實驗組患者均符合HIV感染診斷的金標準[12]即HIV 1/2抗體檢測陽性。②患者年齡20～45歲。③患者臨床資料完整，包括：是否治療、感染HIV的時間、用藥的時間、用藥的方案、近三個月最低CD4+T細胞濃度及血漿HIV病毒載量。④均為右利手。⑤蒙特利爾認知評估量表MoCA評分≥26分。⑥常規MRI掃描無明確的腦部結構和信號異常。⑦無精神類疾病，無酒精中毒，過去12個月內未使用海洛因、鴉片或其他靜脈注射藥物，過去3個月內未使用可卡因。

隨機招募健康志愿者作為健康對照組，入選標準：①年齡20～45歲。②均為右利手。③教育程度與實驗組匹配。④注意力及記憶力良好，無認知功能下降的相關表現。⑤蒙特利爾認知評估量表MoCA評分≥26分。⑥既往無任何精神、神經病史或其他認知功能下降。⑦常規MRI無明確腦部結構和信號異常。

根據入選標準，2016年9月-2016年12月在深圳市第三人民醫院愛心門診搜集25例HIV感染者，其中男23例，女2例，均經性傳播感染，其中4例經異性傳播，21例經同性傳播。對照組共招募 27例受試者，男26例，女1例，性別、年齡與HIV感染者相匹配。采用SPSS 22對兩組性別、年齡和教育水平進行t檢驗或卡方檢驗。

2.檢查設備及方法

數據采集前當天由同一位經過專業訓練的愛心門診副主任醫師進行MoCA量表評估。靜息態數據采集時要求受試者掃描過程中閉眼、安靜、清醒的狀態平臥于檢查床，不進行任何思維活動，數據采集前先行環境適應性訓練。

采用Philips Achieva 1.5T磁共振成像系統，16通道頭部陣列線圈，以前后聯合(A0-PO)的連線作為掃描基線。采用T1W-3D-FFE序列，TR 25 ms， TE shortest，翻轉角 30°，視野234 mm×234 mm×152 mm，層數190。BOLD-fMRI功能成像，采用FE-EPI序列， TR 2500 ms， TE 45 ms，翻轉角90°，視野224 mm×224 mm×141 mm，層厚4.4 mm，體素3.5 mm×3.5 mm×4.4 mm，層數32，層間距0，隔層采集。

3.數據后處理及統計學分析

所有軟件均在Matlab R2013a上運行，采用SPM12軟件(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)做預處理。將數據進行整理，保證每個文件夾內的數據無誤，采用SPM12軟件對數據進行預處理，以去除噪聲、生理信息、提高信噪比、使不同的腦標準化，以便進行受試者間的比較。首先對原始數據進行初始化，即格式轉化，刪除不穩定數據前10個時間點，層間的時間校正；再進行空間校正，包括重組、配準(EPI Template)、平滑(FWHM=4 mm)；最后進行時間校正，包括去漂移、去協變量(去除頭動、腦白質、腦脊液流動)、時間濾波0.01～0.1 Hz。預處理完后檢查數據，保證每個數據無誤、配準圖像都匹配。

預處理后的數據用靜息態腦功能軟件(http://www.nitrc.org/projects/seecat/)進行種子點連接(seed-based connectivity)、統計分析及Brain Net Viewer[13]可視化。取SPM 12上解剖結構中雙側大腦半球所有區域作為種子點，左右大腦半球共146個種子點，以每個解剖區域為種子點分析與全腦體素功能連接，經軟件計算得到每個種子點體素與全腦體素的原始的pearson相關系數圖(FC)和經Fisher變換將r轉化為正態分布的z相關系數圖(zFC)，通過z值表示功能連接性。將每個種子點zFC圖的兩組樣本進行t檢驗，有統計學意義后再將有顯著差異的區域進行多重校正，統計過程中采用體素P取0.005，團簇P取0.05[11,14]，雙側檢驗，GRF校正。最后將有差異種子點的顯著區域進行歸納統計，峰值強度為負值或顏色為冷色的是正常組小于實驗組的區域，峰值強度為正值或顏色為暖色的是正常組大于實驗組的區域，峰值強度有正負兩個值時為混合。

結 果

1.臨床資料

25例HIV感染者均進行了抗反轉錄病毒(HAART)治療，平均感染時間為2.6年，用藥方案有5種，近期血漿病毒載量大于500 copies/mL者8例，近期CD4+T細胞計數<200/μL者6例。對照組組與實驗組的年齡、性別構成比、教育程度差異均無統計學意義(表1)。

圖1 正常組部分種子點與HIV感染組相比差異顯著的連接區域的色彩標值(橫軸面、冠狀面、矢狀面)。a) 左側海馬與雙側枕葉、梭狀回連接正常組HIV感染組。

表1 兩組性別、年齡、教育水平比較

2.各種子點與全腦功能連接結果

兩組各種子點差異均有統計學意義(t=2.938，P<0.005)，多重校正后34個種子點有差異有統計學意義(P<0.05)。但大于最小團簇有顯著差異的有19個種子點8個腦區(表2，圖1～2)，分別是左側額極內側1個種子點、雙側海馬5個種子點、左側丘腦1個種子點、雙側前扣帶回2個種子點、雙側視覺皮層(左側梭狀回、雙側枕葉)5個種子點、左側島葉1個種子點、左側頂葉3個種子點及右側運動皮層1個種子點。19個種子點鐘左側大腦半球有14個(74%)，右側大腦半球有5個(26%)。連接顯著差異的區域以雙側小腦后葉和雙側枕葉為主；無論是種子點還是顯著差異區，連接異常的主要是雙側海馬、頂枕葉、小腦后葉。

HIV感染組在左側額極內側、雙側海馬、雙側前扣帶回、左側頂葉上回及下回部分、左側丘腦的軀體感覺腹后核區、左側視覺皮層的梭狀回區域與全腦的功能連接高于正常組，有12個種子點，約占所有陽性種子點的63%。HIV感染組在雙側海馬、前扣帶回與雙側枕葉的功能連接、左側額極內側與右側額下回的功能連接、左側丘腦與左側邊緣葉的連接、左梭狀回與鄰近皮層左海馬的功能連接、左側頂葉(SPL-5Ci、IPL-PGp)與雙側小腦后葉功能連接均高于正常組(圖1a～b，冷色、負值)。

圖2 種子點運動皮層正常組與HIV感染組相比差異顯著區域的橫軸面圖像，層厚5mm。

HIV感染組在雙側視覺皮層枕葉、左側島葉區域與全腦的功能連接低于正常人組，有5個種子點，約占所有陽性種子點的26%。HIV感染組在雙側枕葉視覺皮層與左側小腦后葉的功能連接低于正常人組、在左島葉與右側小腦后葉的功能連接低于正常組(圖1c，暖色、正值)。

右側運動皮層和左側頂下葉區域與全腦的功能連接，HIV感染組與正常組比較既有升高又有降低；右側皮層以降低為主，左側頂葉下回以升高為主。HIV感染組在左頂葉與全腦各葉的功能連接與正常組有差異、在右側運動皮層與周圍大腦皮層的功能連接有異常，約占所有陽性種子點的11%(圖2，冷暖色均有)。

討 論

rs-fMRI是目前研究腦功能磁共振成像技術比較成熟的影像學方法，現已廣泛應用于認知領域的研究，而基于種子點功能連接分析又是rs-fMRI較常用的研究方法。本文中所研究的對象是認知功能正常HIV感染者，用靜息態研究此類患者的較少且種子點區域有限，因此，筆者采取雙側大腦皮層和基底節區所有的解剖區為種子點，逐一與正常組作比較分析，較為全面。盡管有研究[15]證明了年齡和HIV病毒是兩個獨立的因素引起rs-fMRI的下降，且HIV可能導致腦功能基線下降與年齡引起的腦功能退化是一樣的。但是目前還沒有明確的相關指南，本研究為了分析HIV病毒對中樞神經系統的影響過程還是排除了年齡因素，研究對象的年齡在45歲以下。

本研究中所有患者均為右利手，結果中陽性差異有74%的種子點位于左側大腦半球，而陽性結果中的運動皮層則是右側。任務態運動執行功能實驗表明，HIV感染者的右手運動時腦信號激活區域比正常人減低[16]，HIV陽性患者表現為腦運動皮層信號不對稱[17]，而性取向可能會影響腦信號不對稱的因素[18-19]。實驗中25例HIV感染者中均經過HAART治療，并為性傳播感染，有4例經異性傳播，21例經同性傳播。因此，性取向不能排除對這種雙側大腦異常連接的不對稱性影響，為明確感染途徑這一因素的影響，還有待更多的實驗研究證明。

表2 雙側大腦半球陽性種子點結果

在以左側額極內側、雙側海馬、雙側前扣帶回、左側頂葉、左側丘腦、左側梭狀回為種子點與全腦的功能連接，認知功能正常的HIV感染組高于正常對照組。在以雙側視覺皮層枕葉、左側島葉區為種子點與全腦的功能連接，認知功能正常的HIV感染組低于正常對照組。而在早期的任務態研究認知功能正常時發現前外側額葉皮層的BOLD信號增加，在后頂葉皮層、輔助運動區、丘腦、尾狀核和枕葉皮層的信號無異常[20]；右側海馬的BOLD信號減低，右額下回外側和左側舌回的BOLD信號增加[21]；這些腦區與本實驗結果不一樣。可能是在HIV感染者認知功能正常時采用任務態和靜息態兩種腦功能研究方法的不同，導致受試者腦激活區和異常功能連接結果不一致。有研究結果表明視覺皮層的靜息態腦血流量(rCBF)降低[22]，視覺皮層的腦BOLD信號和rCBF基線都降低，這與本研究中雙側視覺皮層與左側小腦后葉的功能連接降低是相呼應的。而在認知功能減低時靜息態腦功能連接中也有研究表明，視覺網絡在HIV早期感染者的靜息態功能連接上有明顯異常變化[23]。因此，推測HIV感染者無論認知功能是否有異常視覺網絡均有異常表現。認知功能降低時使用任務態和靜息態實驗表明，額葉-紋狀體系統信號及功能連接降低[10,24]，以頂葉、扣帶回種子點的功能連接降低為主[11,25]。而本研究證明認知功能正常時，雙側前扣帶回、左側頂葉為種子點的功能連接升高，這可能是神經在受到病毒侵犯時的應激反應。左側額極內側、雙側海馬、左側頂葉、左側丘腦、左側梭狀回為種子點與全腦的功能連接升高，雖沒有認知功能異常時的研究相對照，但也應該是神經在受到病毒侵犯時的應激反應，后續筆者將進一步研究認知功能障礙時在以這些區域為種子點的腦功能連接是否有異常。近期Janssen等[26]研究結果表明在病毒控制的情況下，HIV感染者的腦功能連接與正常人無差異，實驗中所采用的數據處理方法和所選擇種子點與本實驗均不一樣，這可能是與本實驗結論不一致的原因。

另外，本研究中所搜集的HIV感染者均有抗病毒治療，不能完全排除藥物影響；但在臨床中，一經發現HIV感染者，都有規律用抗病毒藥或干預治療，所以對是否要排除藥物影響以及藥物是否有影響的臨床意義還有待思考。

總之，認知功能正常的HIV感染者的腦功能連接與正常人是有差異的；提示HIV感染者在認知功能正常時腦功能連接可能已經出現異常，HIV病毒可能影響腦功能的連接，在今后的臨床應用中不能僅用靜息態功能連接異常來評判認知功能異常。

本文是一種前瞻性研究，結果有一定數據支持，有新的結果和新的發現，但每一項研究都需要不斷的復制和創新來驗證：本研究的樣本量有限；所搜集的患者均已用藥，不能完全排除藥物影響；HIV病毒感染的時間段與靜息態功能連接是否存在線性關系有待分析，還需要腦血流量、血容量、DTI等多模態腦功能成像進行驗證。

[1] Kaul M,Lipton SA.Chemokines and activated macrophages in HIV gp120-induced neuronal apoptosis[J].Proc Natl Acad Sci USA,1999,96(14):8212-8216.

[2] Nath A.Human immunodeficiency virus (HIV) proteins in neuropathogenesis of HIV dementia[J].J Infect Dis,2002,186(Suppl 2):S193-S198.

[3] Burdo TH,Lackner A,Williams KC.Monocyte/macrophages and their role in HIV neuropathogenesis[J].Immunol Rev,2013,254(1):102-113.

[4] Heaton RK,Clifford DB,Franklin DR Jr,et al.HIV-associated neurocognitive disorders persist in the era of potent antiretroviral therapy:CHARTER study[J].Neurology,2010,75(23):2087-2096.

[5] Yakasai AM,Gudaji MI,Muhammad H,et al.Prevalence and correlates of HIV-associated neurocognitive disorders (HAND) in northwestern nigeria[J].Neurol Res Int,2015:486960.

[6] Tinaz S,Schendan HE,Schon K,et al.Evidence for the importance of basal ganglia output nuclei in semantic event sequencing:an fMRI study[J].Brain Res,2006,1067(1):239-249.

[7] Melrose RJ,Tinaz S,Castelo JM,et al.Compromised fronto-striatal functioning in HIV:an fMRI investigation of semantic event sequencing[J].Behav Brain Res,2008,188(2):337-347.

[8] Jiang X,Barasky R,Olsen H,et al.Behavioral and neuroimaging evidence for impaired executive function in "cognitively normal" older HIV-infected adults[J].AIDS Care,2016,28(4):436-440.

[9] Connolly CG,Bischoff-Grethe A,Jordan SJ,et al.Altered functional response to risky choice in HIV infection[J].PLoS One,2014,9(10):e111583.

[10] Ipser JC,Brown GG,Bischoff-Grethe A,et al.HIV infection is associated with attenuated frontostriatal intrinsic connectivity:a preliminary study[J].J Int Neuropsychol Soc,2015,21(3):203-213.

[11] Ann HW,Jun S,ShinNY,et al.Characteristics of resting-state functional connectivity in HIV-associated neurocognitive disorder[J].PLoS One,2016,11(4):e0153493.

[12] 中華醫學會感染病學分會艾滋病組.艾滋病診斷指南(第三版)[J].中華傳染病雜志,2015,33(10):577-593.

[13] Xia M,Wang J,He Y.Brain net viewer:a network visualization tool for human brain connectomics[J].PLoS One,2013,8(7):e68910.

[14] Slotnick SD,Moo LR,Segal JB,et al.Distinct prefrontal cortex activity associated with item memory and source memory for visual shapes[J].Brain Res Cogn Brain Res,2003,17(1):75-82.

[15] Thomas JB,Brier MR,Snyder AZ,et al.Pathways to neurodegeneration effects of HIV and aging on resting-state functional connectivity[J].Neurology,2013,80(13):1186-1193.

[16] 趙晶,李宏軍,員達,等.HIV相關腦癡呆BOLD fMRI運動功能成像[J].放射學實踐,2011,26(10):1028-1031.

[17] Jing Zhao,Hongjun Li,Panli Zuo,et al.Altered brain functions in HIV positive patients free of HIV-associated neurocognitive disorders:a MRI study during unilateral hand movements[J].Radiol Infect Dis,2015,2:83-87.

[18] Witelson SF.Neural sexual mosaicism:sexual differentiation of the human temporo-parietal region for functional asymmetry[J].Psychoneuroendocrinology,1991,16(1-3):131-153.

[19] McCormick CM,Witelson SF.Functional cerebral asymmetry and sexual orientation in men and women[J].Behav Neurosci,1994,108(3):525-531.

[20] Ernst T,Chang L,Jovicich J,et al.Abnormal brain activation on functional MRI in cognitively asymptomatic HIV patients[J].Neurology,2002,59(9):1343-1349.

[21] Ances BM,Sisti D,Vaida F,et al.Resting cerebral blood flow:a potential biomarker of the effects of HIV in the brain[J].Neurology,2009,73(9):702-708.

[22] Ances B,Vaida F,Ellis R,et al.Test-retest stability of calibrated BOLD-fMRI in HIV-and HIV+subjects[J].Neuroimage,2011,54(3):2156-2162.

[23] Wang X,Foryt P,Ochs R,et al.Abnormalities in resting-state functional connectivity in early human immunodeficiency virus infection[J].Brian Connect,2011,1(3):207-217.

[24] Plessis SD,Vink M,Joska JA,et al.HIV infection and the fronto-striatal system:a systematic review and meta-analysis of fMRI studies[J].AIDS,2014,28(6):803-811.

[25] 王玲,史大鵬,閆鑌,等.磁共振彌散張量成像與靜息態功能磁共振成像聯合應用對艾滋病患者輕度認知功能下降的初步研究[J].中國傳染病雜志,2013,31(1):37-43.

[26] Janssen MA,Hinne M,Janssen RJ,et al.Resting-state subcortical functional connectivity in HIV-infected patients on long-term cART[J].Brain Imaging Behav,2016.DOI:10.1007/s11682-016-9632-4.

A study on resting state brain functional connectivity in HIV infected patients with normal cognitive function

ZHANG Qian-qian,ZHAO Fang,LUO Jie-qi,et al.

The Third Peoples Hospital of Shenzhen,Guangdong Medical University,Guangdong 518112,China

Objective:The purpose of this study was to investigate whether there is any abnormality in the resting state brain network connection in HIV infected patients with normal cognitive function compared with normal subjects.Methods:According to the inclusion criteria,25 patients with HIV infection and 27 normal subjects were collected.The differences in Montreal cognitive assessment score,age,gender,and education level were compared.The resting brain function technique was used as the seed point in the bilateral brain regions.Difference of each seed point connected with the whole brain network between the two groups was analyzed.The voxelPwas 0.005 and the clusterPwas 0.05.Results:Difference between the two groups was statistically significant in each of the seed points;there were significant differences in the 8 brain regions of the 19 seed points after multiple correction.The function connectivity between the seed points and the whole brain were higher in HIV infection group than that in normal group in the left medial frontal,bilateral hippocampus,bilateral anterior cingulate gyrus,left parietal lobe,left thalamus,and left fusiform gyrus.The function connectivity was lower in the bilateral visual cortex of the occipital and left insula.Either higher or lower in the right motor cortex and the left low parietal lobe.Conclusion:There is a significant difference in the resting state brain network connectivity between HIV infected patients with normal cognitive function and normal subjects.It suggests that HIV infected individuals may have abnormal brain function connections during normal cognitive function,and that the HIV virus may affect brain function connections.

HIV infections; Resting state; Functional magnetic resonance imaging; AIDS dementia complex

518112 廣東，廣東醫科大學附屬深圳市第三人民醫院(張倩倩、趙方、羅杰棋、張輝、徐六妹、鄭廣平、王輝、李宏軍、陸普選)；首都醫科大學附屬北京佑安醫院(李宏軍)

張倩倩(1987-)，女，河南周口人，碩士研究生，主要從事HIV相關認知功能的功能磁共振研究。

陸普選，E-mail：lupuxuan@126.com

北京市醫院管理局臨床醫學發展專項經費資助(揚帆計劃)(ZYLX201511)；廣東省醫學科學技術研究基金項目(A2015011)；深圳市科技計劃資助項目(JCYJ20150402111430645)

R445.2; R512.91

A

1000-0313(2017)07-0744-06

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.07.018

2017-03-16)