原發性全面強直陣攣癲癇大腦-小腦功能連通性的靜息態功能磁共振成像研究

穆穎，張喆，劉光耀, 劉宏，張靜，凡振玉

原發性全面強直陣攣癲癇大腦-小腦功能連通性的靜息態功能磁共振成像研究

穆穎1，張喆1，劉光耀2*, 劉宏2，張靜2，凡振玉3

作者單位：
1.蘭州工業學院電子信息工程學院，蘭州 730050
2.蘭州大學第二醫院核磁共振科，蘭州 730030
3.蘭州大學第二醫院癲癇中心，蘭州730030

目的探討原發性全面強直陣攣癲癇(generalized tonic-clonic seizure，GTCS)發作間期靜息態下大腦和小腦之間功能連通性的改變特點。材料與方法對19例原發性GTCS患者(GTCS組)及22名年齡、性別、受教育程度、利手等相匹配的健康對照組志愿者(HC組)采集靜息態功能磁共振數據，計算并比較兩組被試全腦低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)值，分別以大腦(小腦)ALFF差異區為種子區計算其與小腦(大腦)所有體素之間靜息態功能連接(resting state functional connectivity，rsFC)并進行組間比較，提取組間顯著差異腦區ALFF/rsFC值與患者國立醫院癲癇嚴重程度量表(national hospital seizure severity scale，NHS3)評分做相關分析。結果相對于正常對照組，GTCS組右側楔前葉、左側額中回ALFF值顯著升高，而右側海馬、右側小腦腳2區、左側小腦4/5區ALFF值顯著降低；以各大腦(小腦)ALFF差異區為種子區域，GTCS患者組左側小腦8區、右側小腦4/5區rsFC值顯著升高(左側額下回、右側顳中回rsFC值顯著降低)；GTCS患者組NHS3評分與左側小腦8區rsFC值之間呈顯著正相關(r=0.48，P=0.036)，與右側顳中回rsFC值之間呈顯著負相關(r=-0.34，P=0.042)。結論GTCS發作間期存在大腦和小腦之間靜息態功能連通性異常，這些功能連通性的異常可能與GTCS患者的發病機理和臨床表現有關。

癲癇，強直陣攣性；低頻振幅；小腦；功能連通性；磁共振成像，功能性

原發性全面強直陣攣癲癇(generalized tonicclonic seizure，GTCS)作為特發性全身性癲癇(idiopathic generalized epilepsy，IGE)中最常見的一種亞型，其臨床表現為無明顯誘因的全身強直陣攣發作，腦電圖表現為廣泛性棘慢復合波發放，而在常規MR檢查中無腦結構異常。長期的癲癇發作可嚴重損害患者的意識狀態和認知功能。目前對癲癇發病的確切成因尚不明確，但通過觀察靜息態下全腦自發腦神經活動的特點有助于加深對其發病機理的認識[1]。小腦通常被認為是負責軀體運動調節的重要腦區，但近些年的研究提示小腦也參與認知、情感等調節功能[2]，基于靜息態功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)技術的研究表明GTCS患者的小腦自發腦活動存在異常[3-4]。然而之前的研究主要從全腦層面考察腦功能活動，對大腦和小腦之間功能連接關系研究較少，GTCS患者靜息態下大腦和小腦之間的功能連通性改變特點需深入研究。本研究采用靜息態下全腦低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)指標，結合基于種子點的靜息態功能連接(resting state functional connectivity，rsFC)，探討GTCS患者靜息態下大腦和小腦之間功能連通性的改變特點及其相關的病理、生理機制與臨床意義。

1 材料與方法

1.1 研究對象

2014年2月至2015年1月，收集蘭州大學第二醫院癲癇中心確診的GTCS患者共計19例納入本研究。所有患者的入組標準依據2001年國際癲癇分類標準，滿足臨床發作符合全身強直痙攣，常規腦電圖檢查可見癇樣波，常規頭顱MRI檢查正常。采用國立醫院癲癇嚴重程度量表(national hospital seizure severity scale，NHS3)對每位患者進行病情評估。同期，招募在性別、利手、年齡和受教育程度均與GTCS組匹配的22名正常健康志愿者作為正常對照組，所有正常對照均無精神和神經病史，常規MRI檢查無顱內病灶。兩組被試在性別、利手、年齡和受教育程度上差異均無統計學意義(P＞0.05)，具體臨床資料如表1所示。所有被試被告知本試驗的目的與內容，并自愿簽署了知情同意書。本研究獲得蘭州大學第二醫院醫學倫理委員會批準。

1.2 數據采集

所有被試的數據均在同一臺Siemens Verio 3.0 T磁共振掃描系統完成采集，并且要求所有GTCS患者進行掃描之前近3 d內無癲癇發作，以便減輕可能因發作殘余腦電信號對靜息態fMRI數據產生的影響。掃描任務由專人負責完成。在數據采集過程中，要求被試佩戴專用靜音耳機及耳塞，仰臥在掃描儀中，使用專用海綿墊將頭部固定在矩陣線圈內，閉眼、放松、平靜呼吸并盡量避免特定意向性思維活動，且不能睡著。采用梯度回波-平面回波成像(gradient echo-echo planar imaging，GRE-EPI)序列進行靜息態 fMRI 掃描，掃描參數如下：重復時間(TR)=2000 ms，回波時間(TE)=30 ms，視野(FOV)=240 mm×240 mm，層厚=3.8 mm，層間距=0.38 mm，矩陣(Matrix)=64×64，層數34層，采集掃描200個時間點，掃描時間共400 s。

1.3 數據預處理

靜息態功能數據的預處理采用DPARSF (http://www.restfmri.net)軟件完成，主要過程包括：(1)剔除每個被試時間序列的前10個時間點信號，降低起始時被試非平穩狀態引入和機器磁飽和效應引入的噪聲。(2)時間層間校正，校正所有不同掃描時間點到同一個參考點。(3)頭動校正，剔除被試頭動平動大于2 mm，轉動大于2°的被試，減少信號中因被試頭動引入的噪聲，本試驗中所有被試均符合標準。(4)空間標準化，為了方便后續功能激活區的定位，將所有被試的功能像配準到蒙特利爾(Montreal Neurological Institute，MNI)標準空間模版，并將其重采樣為3 mm×3 mm×3 mm。(5)平滑，采用高斯核的全寬半高(full width at half maximum，FWHM)為6 mm對圖像進行平滑，減少干擾信號的影響。(6)濾波，低頻濾波帶寬為 0.01～0.08 Hz，排除該頻段以外的生理噪聲信號的影響。(7)去線性漂移和回歸去除協變量(包括6個頭動參數、全腦信號、白質信號、腦脊液信號)，去除機器長時間采集積累的線性趨勢和頭動的影響。

1.4 低頻振幅與靜息態功能連接分析

使用靜息態fMRI工具包REST軟件(http://www.restfmri.net)計算全腦灰質體素的ALFF值。為考察GTCS患者大腦和小腦之間靜息態功能連通性改變，將兩組被試ALFF顯著差異區域按空間分布位置分為大腦ALFF差異區和小腦ALFF差異區，分別以各大腦ALFF差異區(小腦ALFF差異區)為種子區計算其與小腦(大腦)各體素之間的rsFC，即計算每位被試大腦ALFF差異區(小腦ALFF差異區)時間序列均值與小腦(大腦)所有體素時間序列之間的一致性，得到基于大腦(小腦)種子區域小腦(大腦)rsFC分布圖。

表1 GTCS組與正常對照組臨床資料比較Tab. 1 Characteristics of the GTCS patients and HCs

表2 GTCS患者組與正常對照組ALFF值差異腦區Tab. 2 Differences in ALFF between patients with GTCS and HCs

1.5 統計分析

在REST軟件中，采用雙樣本t檢驗評估GTCS組和正常對照組之間在全腦灰質模板內ALFF值和FC值的差異，顯著水平閾值為P＜0.05，經AlphaSim校正。此外，采用皮爾森相關分析(數據服從正態分布)兩組被試間顯著差異腦區GTCS患者ALFF值和FC值與NHS3評分之間的關系，顯著水平閾值為P＜0.05，經FDR校正，并且將性別、年齡和頭動作為協變量回歸去除。

2 結果

在REST軟件中對GTCS患者組和正常對照組ALFF值進行雙尾雙樣本t檢驗，并且將性別、年齡、受教育程度和頭動作為協變量回歸，統計結果顯示，相對于正常對照組，GTCS患者組右側楔前葉、左側額中回ALFF值顯著升高，而右側海馬、右側小腦腳2區、左側小腦4/5區ALFF值顯著降低(圖1，表2)。統計結果經AlpaSim校正，顯著閾值P＜0.05。

采用雙樣本t檢驗統計GTCS患者組和正常對照組rsFC值差異，并且將性別、年齡、受教育程度和頭動作為協變量回歸，統計結果顯示，相對于正常對照組，分別以各大腦ALFF差異區(右側海馬、右側楔前葉、左側額中回)為種子區域，GTCS患者組依次對應在左側小腦8區、右側小腦4/5區、右側小腦4/5區rsFC值顯著升高，以各小腦ALFF差異區(右側小腦腳2區、左側小腦4/5區)為種子區域，依次對應在左側額下回、右側顳中回rsFC值顯著降低(圖2，表3)。統計結果經AlpaSim校正，顯著閾值P＜0.05。結果表明，GTCS患者大腦和小腦之間靜息態功能連通性發生改變。

相關分析結果顯示，GTCS患者組NHS3評分與各差異腦區ALFF值之間均無顯著相關性。但是患者組NHS3評分與左側小腦8區rsFC均值之間呈顯著正相關(r=0.48，P=0.036)，與右側顳中回rsFC均值之間呈顯著負相關(r=-0.34，P=0.042)，見圖3。

圖1 GTCS患者發作間期ALFF值異常腦區(P＜0.05，AlphaSim校正)，ALFF值顯著降低的腦區主要包括右側海馬、右側小腦腳2區、左側小腦4/5區；ALFF值顯著升高的腦區主要包括右側楔前葉、左側額中回Fig. 1 The abnormal brain regions in ALFF of patients with GTCS during the interictal time. ALFF was significantly increased in the right hippocampus,right cerebellar_crus2 and left cerebellar_4_5, but significantly decreased in the right precuneus and left middle frontal gyrus. The statistical significance of group differences was corrected by AlphaSim (P＜0.05).

3 討論

大腦在靜息狀態下會產生有規律的自發性神經活動，其通常被認為與腦高級功能高度相關，觀察自發腦神經活動可以間接探究腦功能特點[5]。靜息態fMRI技術為觀察自發腦神經活動提供了有效途徑，已經被廣泛地應用于各種疾病的研究。全腦ALFF作為靜息態fMRI研究中的常用指標，其主要反映的是自發腦神經活動的震蕩特點，而癲癇是由神經元集群自發異常放電所引起的一種神經系統疾病，因此ALFF指標可以表征癲癇神經活動的改變。

表3 GTCS患者基于ALFF值差異種子區域rsFC異常腦區Tab.3 Significant differences in rsFC of seed regions of ALFF between patients with GTCS and HCs

本研究采用全腦ALFF分析發現，GTCS患者組右側楔前葉、右側海馬、左側額中回、右側小腦腳2區、左側小腦4/5區ALFF值出現異常，提示這些腦區靜息態下的自發腦活動發生改變。楔前葉通常被認為是默認網絡(default mode network，DMN)的重要腦區[6]，該腦區與情景記憶、環境監測、意識等多個高級認知功能相關，既往研究發現GTCS患者的默認網絡存在異常[7-8]，本研究患者楔前葉自發腦活動異常可能導致整個默認網絡模式紊亂，引起患者認知能力的衰退。海馬主要負責記憶和學習等高級認知功能，GTCS患者一般表現為不同程度的記憶和學習障礙，本研究表明靜息態下長期性的海馬異常激活可能是癲癇患者記憶和學習障礙形成的潛在因素。額中回參與視覺運動、行為控制等，GTCS患者經常性的自發不可控強直陣攣發作可能與該腦區自發腦活動異常有關。GTCS患者靜息態下的相關研究已經發現小腦激活異常[9-10]，本研究發現GTCS患者多個小腦區域ALFF值降低，表明GTCS患者經常性的癲癇活動可能會引起小腦自發腦活動受損。此外，本研究并未發現GTCS患者丘腦ALFF異常，先前研究發現癲癇患者靜息態下丘腦激活存在異常[11-12]，這可能和研究病例和數據處理方法選擇有關。

圖2 GTCS患者基于各種子腦區rsFC異常腦區(P＜0.05，AlphaSim校正)。A：表示基于GTCS患者各大腦ALFF值異常區域[右側海馬(HIP.R)、右側楔前葉(PreC.R)、左側額中回(MFG.L))為種子區域rsFC異常腦區，分別為左側小腦8區(C_8.L)、右側小腦4/5區(C_4_5.R)、右側小腦4/5區(C_4_5.R)]；B：表示基于GTCS患者各小腦ALFF值異常區域[右側小腦腳2區(C_C2.R)、左側小腦4/5區(C_4_5.R))為種子區域rsFC異常腦區，分別為左側額下回(IFG.L)、右側顳中回(MTG.R)Fig. 2 Statistical significance of rsFC patterns for each seed region with significant group differences in ALFF between GTCS and HCs. Seed-based rsFC analysis showed that rsFC in patients with GTCS was significantly increased in the left cerebellar_8, right cerebellar_4_5 and right cerebellar_4_5 (A), but significant decreased in the left inferior frontal gyrus and right middle temporal gyrus (B). Warm and cool colors indicate that rsFC increases and decreases,respectively, in patients with GTCS.

靜息態下大腦-小腦功能連通性的異常已經在不同疾病中被發現[13-15]，但這些研究大多采用經驗腦區為種子點rsFC分析，忽略了不同采集數據集特點。本研究采用基于ALFF差異區為種子區的rsFC分析探究GTCS患者大腦和小腦之間功能連通性改變特點，并且將種子區按解剖位置分為大腦種子區和小腦種子區。基于大腦種子區rsFC分析結果發現，GTCS患者右側海馬-左側小腦8區、右側楔前葉-右側小腦4/5區和左側額中回-右側小腦4/5區功能連通性升高。小腦8區和小腦4/5區分別與靜息態下背側注意網絡和運動網絡相關[16]，這些腦區在運動控制中扮演著重要角色，通常小腦與大腦運動相關皮層之間存在神經通路，癲癇患者在發作期間持續性陣攣發作，頻繁的癇電發放擾亂了靜息態下自發腦活動的固有模式，使注意和運動功能連接通路長期處于興奮狀態，以便患者隨時參與運動控制。同時，基于小腦種子區rsFC分析結果發現，GTCS患者右側小腦腳2區-左側額下回和左側小腦4/5區-右側顳中回功能連通性降低。小腦腳2區在默認網絡自發腦活動中起重要作用[16]，而額下回和顳中回均與注意網絡緊密關聯[17]，最近一項基于小腦種子點的靜息態功能連接研究表明，癲癇患者小腦多個腦區與大腦默認網絡和注意網絡功能連接下降[18]，本研究顯示右側小腦腳2區-左側額下回功能連通性降低，即默認網絡和注意網絡之間的功能連接減弱，預示癲癇患者全腦功能整合能力下降。此外，本研究中GTCS患者的NHS3評分與左側小腦8區rsFC值呈正相關，與右側顳中回rsFC值呈負相關，說明右側海馬-左側小腦8區和左側小腦4/5區-右側顳中回功能連通性改變特點與GTCS患者的疾病嚴重程度存在一定關系，預示這些腦區大腦-小腦功能連接通路可能依據癲癇嚴重程度最終做出不同的響應。

總而言之，在教育不斷改革和推進的時代，我們應該在讓學生把握短暫課堂的同時，提高自己的教學質量和教學效率。同時，通過課外活動和學習的方式，讓學生拓展自己的知識面，豐富教學的方式，通過教學實踐的不斷創新，讓學生能夠喜歡上語文，從而提高語文課堂的教學效率。

本研究也存在一些局限。首先，兩組間ALFF值和rsFC值統計結果采用多重比較校正方法AlphaSim校正，該方法通常被認為是一種較弱的校正方法。其次，被試樣本數量偏少，可能會因個體誤差引入統計差異，后期開展大樣本的研究對印證本研究結論尤為必要。再次，本研究并未考慮GTCS患者發作期及間期長短、距離MRI采集時間等因素，這可能會對本研究的結果產生一定影響，后期研究將進一步驗證以上因素是否會導致功能連接分析結果差異。最后，本研究未對患者被試的服藥與未服藥情況進行分組，因此不能準確地判定腦功能活動的異常是否全部歸因于長期癇電發放，后期對服藥與未服藥被試進行細分進一步確定不同因素對腦功能改變的影響。

綜上所述，本研究采用全腦ALFF指標和基于種子點的rsFC對GTCS患者發作間期靜息態下的大腦和小腦之間功能連通性進行了研究，研究發現GTCS患者發作間期大腦和小腦之間多個腦區功能連通性發生改變，并且右側海馬-左側小腦8區、左側小腦4/5區-右側顳中回的rsFC值均與患者疾病嚴重程度相關，這些結果可有助于認識GTCS患者內在神經機制，解釋患者臨床表現，對于患者治療方案制定提供一些新的參考依據。

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Cerebro-cerebellar functional connectivity in patients with generalized tonic-clonic seizure: a resting state functional MRI study

MU Ying1, ZHANG Zhe1, LIU Guang-yao2*, LIU Hong2, ZHANG Jing2, FAN Zhenyu3

1Department of Electronics and Information Engineering, Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China
2Department of MR, Lanzhou University Second Hospital, Lanzhou 730030, China
3The Epilepsy Center of Lanzhou University Second Hospital, Lanzhou 730030, China*Correspondence to: Liu GY, Email: lgy362263779@163.com

Objective:To explore the altered features of cerebro-cerebellar functional connectivity in resting-state during the interictal time of generalized tonic-clonic seizure (GTCS).Materials and Methods:Nineteen patients with GTCS and 22 age-,sex-, education- and handedness-matched healthy controls (HCs) were recruited.All the individuals' resting-state fMRI data were acquired in a Siemens 3.0 T MR.Firstly, amplitude of low-frequency fluctuations (ALFF) was applied to investigate the changes of whole brain spontaneous functional activity caused by GTCS. Then restingstate functional connectivity (rsFC) was calculated between seeds regions based on ALFF group differences in cerebrum (cerebellum) and all voxels in cerebellum(cerebrum). Finally, the correlation analysis was performed between ALFF/rsFC and NHS3 scores in brain regions with significant group differences.Results:Compared with the HCs, the patients with GTCS exhibit significantly increased ALFF in the right hippocampus, right cerebellar_crus2 and left cerebellar_4_5, but significantlydecreased in the right precuneus and left middle frontal gyrus. Seed-based rsFC analysis showed that rsFC in patients with GTCS was significantly increased in the left cerebellar_8, right cerebellar_4_5, and right cerebellar_4_5, but significantly decreased in the left inferior frontal gyrus and right middle temporal gyrus. Furthermore, correlation analysis exhibit the positively correlated between NHS3 scores and rsFC of the left cerebellar_8 (r=0.48,P=0.036) in patients with GTCS, but negatively correlated between NHS3 scores and rsFC of the right middle temporal gyrus (r=-0.34,P=0.042) in patients with GTCS.Conclusion:Cerebro-cerebellar resting-state functional connectivity was abnormal during the interictal time of GTCS, which may be associated with the pathophysiological mechanism and clinical manifestations in patients with GTCS.

Epilepsy, tonic-clonic; Amplitude of low-frequency fluctuations; Cerebellum; Functional connectivity; Magnetic resonance imaging, functional

31 Dec 2016, Accepted 21 Feb 2017

甘肅省青年科技基金計劃項目(編號：1506RJYA218)；蘭州工業學院青年科技創新項目(編號：2014K-007)

劉光耀，E-mail：lgy362263779@163.com

2016-12-31

接受日期：2017-02-21

R445.2；R742.1

A

10.12015/issn.1674-8034.2017.04.010

穆穎, 張喆, 劉光耀, 等. 原發性全面強直陣攣癲癇大腦-小腦功能連通性的靜息態功能磁共振成像研究. 磁共振成像, 2017, 8(4): 289-295.

ACKNOWLEDGMENTS This work was part of Gansu Province Natural Science Foundation (No.1506RJYA218); The Scientific Innovation Foundation of Lanzhou Institute of Technology (No.2014K-007).