近紅外腦功能成像對卒中后抑郁神經機制的研究

李泓鈺，王 強,2,3，杜曉霞,2,3，王 靜，徐 舒，王 曼，宋魯平,2,3

1.首都醫科大學康復醫學院，北京市100068；2.中國康復研究中心北京博愛醫院，北京市100068；3.神經損傷與康復北京市重點實驗室，北京市100068；4.首都醫科大學基礎醫學院，北京市100069

卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)是指發生于卒中后，表現出腦卒中癥狀以外的一系列以情緒低落、興趣缺失為主要特征的情感障礙綜合征[1-2]，是急性腦血管病的常見并發癥[3]。大約1/3腦卒中幸存者伴有抑郁[1]。PSD與腦卒中的不良預后密切相關，不僅會增加患者的認知功能損害，影響康復預后以及生活質量[4]，還會導致死亡率升高[5]。

PSD的發生機制尚不清楚，嚴重的抑郁癥常常伴有皮層激活和興奮性的改變，尤其是在前額葉皮層(prefrontal cortex,PFC)[6]。近紅外腦功能成像(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)技術為一種新興的光學成像技術，可以得到大腦活動期間腦組織氧合血紅蛋白(oxy-hemoglobin,Oxy-Hb)和/或脫氧血紅蛋白(deoxygenated hemoglobin,Deoxy-Hb)的實時變化情況[7]，反映認知活動期間大腦有氧代謝的變化。在神經精神疾病及認知心理學研究方面廣泛應用，但目前在PSD患者中的研究相對較少。

本研究將應用fNIRS系統，采用情緒面孔性別判斷任務及“1-back”工作記憶任務，觀察PSD患者在認知加工期間前額葉Oxy-Hb相對濃度變化值，初步探討PSD的神經機制和工作記憶功能變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2017年2月至8月北京博愛醫院神經康復中心收治的腦卒中患者40例，其中PDS患者20例，作為PDS組；非抑郁患者20例，作為對照組。

診斷標準：①符合1995年全國第四屆腦血管病學術會議制定的缺血性及出血性卒中診斷標準[8]，并經頭部CT或MRI證實；②符合《美國精神障礙診斷和統計手冊第五版》(Diagnostic and Statistical Manual of Mental DisordersⅤ,DSM-Ⅴ)[9]中PSD的診斷標準。

納入標準：①年齡18～70歲；②病程1～12個月；③漢密爾頓抑郁量表(Hamilton Depression Scale,HAMD)(24項)總分≥8分；④首次抑郁發作；⑤能夠配合完成各項測試并簽署知情同意書。

排除標準：①重度抑郁；②患有其他神經精神疾病；③頭部有金屬植入物；④患有意識障礙、嚴重認知障礙、嚴重失語；⑤簡易智力狀態檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評分≤9分；⑥重要臟器如心、肺、肝、腎有嚴重疾患或功能衰竭；⑦有酗酒或藥物濫用史；⑧不能配合及耐受該研究方案的各種情況。

兩組一般資料無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

所有研究對象均對本研究知情同意并簽署知情同意書。本研究方案已經中國康復研究中心倫理委員會審查通過。

1.2 方法

1.2.1 工作原理

采用便攜式fNIRS系統(美國NIRSport)記錄皮層血液動力學信息。本系統使用的近紅外光波長為760 nm和850 nm。有7個檢測光極和8個發射光極，光極之間的距離2.5～3.5 cm，發射光極與接收光極之間的位點為檢測區域，共20個檢測通道。見圖1。fNIRS系統信號采集頻率10 Hz。兩個波長的光強變化依據朗伯比爾定律(Lambert-Beer Law)轉化為Oxy-Hb相對濃度變化，單位為任意單位(arbitrary unit,a.u)。通過配套NIRS LAB軟件進行數據處理與分析，得到PFC的Oxy-Hb濃度變化。

表1 兩組一般資料比較

圖1 光極分布圖

1.2.2 檢測任務

1.2.2.1 情緒面孔性別判斷任務

任務設計參考文獻[10]并進行改良。從中國化面孔情緒圖片系統(Chinese Facial Affective Picture System,CFAPS)[11]中挑選出高興、憤怒和中性面孔各10張(男性5張，女性5張)作為實驗的刺激材料，共30個面孔。采用E-Prime 2.0軟件編寫實驗程序。首先進行24 s靜息狀態任務前基線數據采集；任務開始時呈現情緒面孔圖片，共分為正性、中性與負性三部分，每部分情緒面孔各10張，要求患者對情緒面孔的性別進行判斷，“男性”按左鍵，“女性”按右鍵，每張圖片呈現固定時間2.4 s，共24 s，每部分之間間隔時間為24 s；任務結束后進行24 s靜息狀態任務后基線數據采集。

1.2.2.2 “1-back”工作記憶任務

任務設計參考文獻[12]。采用E-Prime 2.0軟件編寫實驗程序。刺激材料為0～9共10個阿拉伯數字，要求患者將出現的數字與前一個數字進行比較，數字相同時按鼠標左鍵。首先進行30 s靜息狀態任務前基線數據采集；之后進行“1-back”工作記憶任務，每個數字呈現2 s，數字之間空屏1 s，共30個數字；任務結束后進行30 s靜息狀態任務后基線數據采集。

1.3 評價方法

將光極安放在患者PFC區域，參照國際10.20電極配置法確定額極中線點(frontopolar midline point,Fp)，確保中間光極發射光極位于Fp點上，安放時需撥開患者頭發，將光極貼于頭皮上。采集在安靜、避光環境中進行，要求患者使用健側手進行按鍵反應，限制患者身體活動，尤其是頭部，避免影響數據。

進行情緒面孔性別判斷任務及“1-back”工作記憶任務時PFC的激活程度，以PFC的Oxy-Hb濃度值的相對變化來反映。

1.4 統計學分析

采用SPSS 20.0軟件進行統計學分析。計量資料符合正態分布，采用表示，組間比較采用獨立樣本t檢驗；計數資料的組間比較采用χ2檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 情緒面孔性別判斷任務

2.1.1 數據結果

對照組在三種情緒面孔圖片呈現后，PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值無顯著性差異(P＞0.05)；PSD組在三種情緒面孔圖片呈現后，Oxy-Hb相對濃度變化值有非常顯著性差異(P＜0.01)，其中負性情緒面孔圖片呈現后的Oxy-Hb相對濃度變化值明顯低于正性情緒面孔圖片呈現后變化值(P＜0.01)。在正性及中性情緒面孔圖片呈現后，PSD組Oxy-Hb相對濃度變化值與對照組無顯著性差異(P＞0.05)；在負性情緒面孔圖片呈現后，PSD組Oxy-Hb相對濃度變化值顯著低于對照組(P＜0.001)。見表2。

表2 兩組情緒面孔性別判斷任務時Oxy-Hb相對濃度(10-4×a.u)

2.1.2 波譜曲線結果

對照組Oxy-Hb在三種情緒面孔圖片呈現后，波譜變化趨勢統一為：任務開始后，從基線水平開始上升，到達峰值之后有下降趨勢。見圖2。

而PSD組在正性和中性情緒面孔圖片呈現后，波譜變化趨勢為：任務開始后，從基線水平開始上升，到達峰值之后有下降趨勢。而在負性圖片呈現后，波譜變化趨勢為：任務開始后，曲線波動幅度較小，無明顯上升趨勢及峰值，有輕微下降趨勢。見圖3。

圖2 對照組波譜曲線結果

圖3 PSD組波譜曲線結果

2.2 “1-back”工作記憶任務

PSD組PFC和左側PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值低于對照組(P＜0.05)。兩組右側PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值無顯著性差異(P＞0.05)。見表3。

表3 兩組“1-back”工作記憶任務時Oxy-Hb相對濃度(10-4×a.u)

3 討論

本研究分別應用情緒面孔性別判斷任務及“1-back”工作記憶任務，觀察PSD患者在認知加工期間前額葉氧合血紅蛋白相對濃度變化值，初步探討PSD的神經機制和工作記憶功能變化。

情緒障礙與大腦網絡功能障礙相關，作為大腦情緒網絡(主要包括前額葉皮層、杏仁核和邊緣系統)的一部分，前額葉功能障礙在情緒障礙中發揮了重要的作用[13]。有研究發現，抑郁患者表現出對正性和負性事件的情緒反應鈍化，影響個體對環境的敏感性，降低其情緒激活水平[14]。本研究發現，在負性情緒面孔圖片呈現后，PSD組Oxy-Hb相對濃度變化值顯著低于對照組，PFC激活程度降低。Kerestes等[15]發現，與正常對照組相比，重度抑郁癥(major depressive disorder,MDD)患者在負性情緒時左側背外側PFC激活程度降低，與本研究結果一致。Hassel等[16]研究發現，與健康對照組相比，雙相障礙(bipolar disorder,BD)患者在輕度愉悅面孔時左側紋狀體激活程度顯著升高，在中性、中到重度愉悅面孔時左側背外側前額葉激活程度降低，在中性及輕到重度恐懼面孔時左側背外側前額葉激活程度降低。但也有日本學者研究發現[17]，在威脅負性情緒任務中，與健康對照組相比，BD患者表現出左下PFC區域Oxy-Hb顯著增加，而MDD患者左中部PFC區域Oxy-Hb顯著增加。關于MDD患者在負性情緒下PFC激活程度的結果并不一致，在悲傷和生氣負性面孔呈現后，背外側前額葉激活程度增加或者降低，并且兩者報道數量基本一致；同樣不一致的結果也出現在愉悅等正性面孔呈現后[18]。

目前國內外在PSD患者中應用fNIRS的相關研究還較少。楊智權等[19]在PSD患者中應用fNIRS，進行認知激活任務言語流暢性測驗(verbal fluency test,VFT)，發現在執行VFT任務期間，對照組中Oxy-Hb的波譜呈現出升高后下降的重心在前的拋物線，Deoxy-Hb呈現出下降后回升的趨勢；而PSD組的Oxy-Hb的波譜曲線雖總體趨勢與對照組類似，但波譜曲線上升速度較慢及達峰時間較長，整體變化幅度較小。本研究中，對照組中Oxy-Hb的波譜曲線從基線水平開始上升，到達峰值之后有下降趨勢，與楊智權等[19]的研究結果一致。但PSD組對于三種情緒圖片呈現后的反應有所不同，在負性圖片呈現后，波譜曲線波動幅度較小，無明顯上升趨勢及峰值，有輕微下降趨勢，這可能與PFC在負性情緒呈現后激活程度降低有關。隨后楊智權等[20]的研究還發現，Oxy-Hb峰值濃度是一個較為敏感的指標，可用于中度、重度PSD患者的觀察，PSD程度不同的患者，呈現出前額葉功能激活下降狀態的生物學特征也有差異，重度抑郁狀態的患者前額葉有氧代謝功能失調情況更嚴重，表現更為典型。

在健康人群中，n-back工作記憶任務可以激活雙側PFC區域[21]。許多神經心理學研究表明，MDD患者工作記憶功能受損[22-23]。本研究結果顯示，PSD組PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值低于對照組。Pu等[24]的研究發現，在進行工作記憶任務時，MDD患者與正常對照相比，表現出更小的血液動力學反應與更差的任務表現，與本研究結果一致。但也有一些先前的研究表明[25]，使用n-back工作記憶任務時，抑郁患者表現出增加的皮層激活程度。這種差異可能是由于任務的難易程度不同，在更復雜的任務中，抑郁患者表現出PFC激活程度增加。

有研究顯示，MDD患者的左側PFC血流量減少、代謝減慢，而右側PFC代謝亢進[26]。本研究中發現了類似的結果，在1-back任務中，PSD組左側PFC的Oxy-Hb相對濃度變化值低于對照組，而右側無統計學差異，PSD患者左側PFC工作記憶功能受損。

PSD患者在負性情緒呈現后，PFC激活程度降低，并且左側PFC工作記憶功能受損，表明PSD患者PFC有氧代謝功能失調。PFC涉及的功能非常復雜，本研究僅使用兩個檢測任務，并不能全面地反映PFC功能情況。目前在PSD患者中進行fNIRS的相關研究較少，而在抑郁癥患者中的相關研究結果也有爭議，在今后的研究中還需擴大樣本量，規范實驗操作，進行深入研究，揭示PSD患病的神經機制，以發現診斷PSD的特征性生物學指標，為臨床診斷與治療提供理論依據。

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