超急性期輕度腦外傷患者靜息態功能性磁共振成像研究

魯興啟，李潔，張樹飛，丁建平*

輕度腦外傷(mild traumatic brain injury，mTBI)是一種常見的神經系統疾病，在美國每年150萬例創傷性腦損傷中約占80%[1]。其特征在于損傷后第一周內存在輕微的認知缺陷，并且通常在損傷后3～6個月內癥狀消失[2]。然而，其中約15%會發展為腦震蕩綜合征，導致持續的神經、認知和行為癥狀，包括頭痛、記憶障礙、抑郁癥等功能缺陷，可能損害其社會功能和生活質量[3]。實驗損傷模型表明，mTBI能夠產生彌漫性軸索損傷。然而，常規的影像成像技術，例如CT或磁共振成像不具備足夠的靈敏度來診斷和預測mTBI的臨床結果。最近，靜息狀態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)已經成為研究早期mTBI患者與低頻振蕩(lowfrequency oscillations，LFO)之間相關性的有前景的工具[2，4-5]。此外，由于大多數mTBI患者處于急性期，所以在急性期檢測腦損傷的神經基礎很可能揭示早期功能異常與長期癥狀之間的聯系。因此，本研究假設超急性期mTBI患者在某些大腦區域會出現異常的低頻振幅改變。為了驗證這個假設，本研究擬采用rs-fMRI中低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)方法，探究mTBI患者超急性期腦功能的變化，進一步揭示該病潛在的神經機制。

1 材料與方法

1.1 一般資料

收集2016年5月至2017年6月杭州師范大學附屬醫院急診科診斷的52例mTBI患者資料。mTBI組男性31例，女性21例。對照組男性15例，女性6例。所有患者進行完整的病史采集，體格檢查。納入標準：年齡20～50 歲，腦外傷后急性期，受傷時間24 h內；常規頭顱CT診斷無明顯異常；有不同程度頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、記憶減退等；格拉斯哥昏迷評分法(glasgow coma scale，GCS)評分13～15分。排除標準：有腦外科手術史、傷前有神經、精神病史、中風、癲癇、抗癲癇藥物使用史、酗酒、吸毒、歷次腦外傷病史以及常規磁共振有陽性異常或對磁共振檢查有禁忌證等。本研究通過醫院醫學研究倫理委員會審核批準。所有被試在檢查前均詳細告知試驗內容及方法，并簽署知情同意書。

1.2 儀器和方法

Signa H-Speed 3.0 T磁共振成像系統(GE公司，美國。配套12通道標準頭線圈，GE Signa工作站)。受試者取平臥位，囑其閉目、保持安靜，頭兩側放置海綿墊以盡量減少頭部運動，雙耳放置棉塞。受試者均接受常規磁共振序列及靜息態fMRI檢查。具體掃描過程和序列參數如下：(1)軸位Tl加權像：掃描范圍包括全腦。采用快速自旋回波序列(spin echo，SE)，橫軸位掃描基線平行前后連合線，掃描參數為：重復時間(repetition time，TR) 580 ms，回波時間(echo time，TE)18 ms，33層，采集矩陣256×l44，視野(field of view，FOV) 256 mm×192 mm，層厚4 mm，間隔0 mm；(2)全腦3D高分辨Tl加權像：用三維快速梯度回波法(3D FLASH)矢狀位掃描：TR 14 ms，TE 4.92 ms，翻轉角度(FA) 25°；FOV 230 mm×230 mm，采集矩陣256×192，120層，層厚l.0 mm，間隔0.3 mm；(3)靜息態fMRI：功能圖像采用血氧飽和度依賴(blood oxygenation level dependent，BOLD)序列，TR 2000 ms，TE 30 ms，FA 90°，33層，采集矩陣64×64，FOV 192 mm×192 mm，層厚4 mm，間隔0 mm，240次采集。掃描范圍包括全腦。

1.3 圖像后處理

靜息態數據處理：使用靜息態腦功能數據輔助處理(data processing assistant for resting state fMRI，DPARSF)軟件以及統計參數圖(statistical parametric mapping，SPM) 8軟件進行預處理。首先去除前10個時間點以及時間層矯正。經過頭動矯正后，應用DARTEL配準將個體被試圖像配準到群體模板進行空間標準化，去除線性漂移之后采用全寬半高為6 mm進行高斯平滑，提高圖像信噪比。將預處理圖像做帶通濾波，去除高頻干擾及低頻漂移，留取0.01～0.08 Hz濾波，為消除個體間ALFF差異，對全腦體素的ALFF值進行標準化。統計分析采用雙樣本t檢驗，并采用AlphaSim矯正(團塊水平＞57，P＜0.05)來減少Ⅰ類錯誤。

1.4 統計學處理

2 結果

2.1 人口學因素統計

在SPSS 19.0軟件中，對mTBI組(＜24 h)與健康被試的性別、年齡和受教育程度進行統計檢驗得到。在卡方檢驗中，mTBI組與健康組被試在性別和受教育程度因素中差異無統計學意義。在獨立樣本t檢驗中，mTBI組與健康組的年齡差異無統計學意義。見表1。

圖1 mTBI組與對照組ALFF值差異腦區示意圖。A：為了更好地呈現，結果圖投射到軟腦膜表面(無平滑)，紅點表示兩組差異為正，藍點表示兩組差異為負。左右側兩幅圖分別對應左右側大腦半球的內外側面。B：8列子圖分別對應表2中8個MNI坐標差異腦區圖，藍色區域表示兩組差異為負，紅色區域表示兩組差異為正注：兩組ALFF圖采用雙樣本t檢驗，并采用AlphaSim矯正(團塊水平＞57，P＜0.05)Fig.1 Regions showing significantly different ALFF values between mTBI and healthy controls (HC). A: Surfaced-based representation. For the purpose of representation, results were projected onto the lateral and medial original pial-based surface of each hemisphere without smoothing kernels. The red dot represents mTBI＞HC and the blue dot represents HC＞mTBI. B: Volume-based representation. Each column shows the brain region with significantly different ALFF values at the peak coordinate in MNI space. The red dot represents mTBI＞HC and the blue dot represents HC＞mTBI.Note: Results were obtained by two-sample t test and corrected by AlphaSim (cluster size＞57 voxels, P＜0.05).

表1 mTBI組與健康對照組一般臨床資料比較Tab.1 General comparison of the clinical data in mTBI patients and healthy controls

2.2 ALFF結果分析

與健康對照組相比，mTBI患者ALFF顯著減低的區域有小腦后葉、中央后回及右枕葉中回。mTBI患者ALFF顯著升高的區域有島葉、額葉、內側前額葉、雙側尾狀核。見表2、圖1。

表2 mTBI患者組與健康對照組ALFF差異分析Tab.2 Brain regions with different ALFF values in mTBI patients and healthy controls

3 討論

在rs-fMRI研究中檢測固有的局部腦反應的一種方法是測量BOLD信號的ALFF的幅度。以前的研究表明，ALFF可以反映自發性腦激活，可用于反映靜息狀態下異常腦功能[6-7]。Palacios等[8]研究了慢性mTBI患者(平均傷后4.1年)和相匹配健康志愿者之間ALFF (0.01～0.08 Hz)的組間差異，發現mTBI患者額葉區ALFF較高，且與認知功能相關。Zhou等[9]研究了亞急性mTBI患者(平均傷后21 d)在0.01～0.08 Hz范圍內的ALFF改變，發現亞急性mTBI患者丘腦、額葉及顳葉區域ALFF值降低。與以往研究不同的是，本研究入組的患者皆為mTBI傷后24 h內的患者，且大多數為車禍患者，這些患者往往有短期的應激狀態，這可能會在患者大腦產生急性的生理變化，這種變化是常規磁共振檢測所不能體現的。

3.1 mTBI組較健康對照組ALFF值降低腦區的分析

本研究在常規MRI成像陰性表現情況下發現mTBI患者在各種腦區域顯著降低ALFF，包括小腦后葉、右枕葉中回及中央后回。Yin等[10]研究發現創傷后應激障礙(post-traumatic stress disorder，PTSD)患者在枕葉中回和小腦中的ALFF值降低，右內側前額葉ALFF值增加，與本文研究結果一致，PTSD是指遇到危及生命的精神狀態后發展的一系列焦慮癥狀，表明mTBI患者在傷后急性期存在類似的應激狀態，并且小腦后葉主要參與認知障礙，以及情緒的調節，表明急性mTBI患者自發性小腦后葉活動減少可能會導致認知和情緒障礙。

中央后回構成感覺神經網絡[11]，Mazard等[12]發現，在心象任務期間，感覺運動區域與枕葉視覺區域被共同激活。以前的rs-fMRI研究還表明，中央后回BOLD信號的波動與枕葉視覺區域的波動高度相關[13]。因此，中央后回區域的較低標準化ALFF值可以通過視覺皮質中自發神經元活動的降低來解釋。本研究發現右側枕中葉及中央后回區域ALFF值的降低，進一步證明了以上觀點。

3.2 mTBI組較健康對照組ALFF值升高腦區的分析

本研究中rs-fMRI結果也顯示mTBI患者在雙側額葉、內側前額葉、雙側尾狀核、島葉中表現出增加的ALFF，可能表明存在功能性補償機制。大量的基礎和臨床研究證實了額葉是信息處理的關鍵組成部分，可以協調工作記憶(如短期記憶)和注意力的維持[14]。Zhan等[7]認為急性mTBI患者大腦自發性活動異常存在于額葉以及與感覺和情感作用相關分布的大腦區域，而其中內側前額葉尤其重要。Johnson等[5]使用rs-fMRI進行評估mTBI的亞急性階段的默認模式網絡(default-mode network，DMN)，靜息狀態DMN顯示后扣帶回和側頂葉皮層連接數量和強度的減少，而在內側前額葉皮層中注意到這些參數的增加。Zhou等[15]研究發現內側前額葉皮層功能連接的增加則與外傷后抑郁、焦慮、疲勞和腦震蕩后綜合征等相關。因此，本研究觀察到的mTBI患者在急性期多出現頭痛、眩暈、焦慮等癥狀可能與上述腦區異常活動有關。

在本研究中，一個重要的發現是急性mTBI患者腦島的ALFF值顯著增加。位于額葉、顳葉、頂葉和邊緣區域之間的腦島皮質以前被認為是外部事件和內部認知處理的整合中心[16]，在人體感覺信息的加工中起著重要的作用[17]。最近的神經影像學研究已經表明，前腦島構成了“顯著網絡”的樞紐，其用于啟動執行和默認模式網絡之間動態切換[18]。此外，感覺和邊緣輸入由前腦島處理，其檢測顯著的刺激并啟動適當的控制信號來調節行為和體內平衡。而Zhan等[19]認為腦島自發活動的異常可能是mTBI早期階段潛在的認知損傷的基礎。

尾狀核是屬于基底神經節的區域。尾狀核在信息處理中起著重要作用，并將這些信息傳遞給不同的皮層區域。尾狀核也與學習、記憶、睡眠和社會行為有關，據報道，這些行為都受到腦外傷(traumatic brain injury，TBI)的影響[20]。以前的研究通過磁敏感加權成像(susceptibility weighted imaging，SWI)對這個區域的鐵沉積進行評估，評估mTBI患者的認知功能損害。發現尾狀核鐵沉積的顯著增加與微觀精神狀態檢查呈正相關[21]。筆者發現雙側尾狀核存在ALFF值的升高，推測急性期mTBI患者存在上訴相應的不適癥狀。

3.3 本研究的局限性

首先，樣本量相對較小，未來的研究可以使用更大的樣本量來增加可靠性。其次，由于截面組數據，不能觀察到mTBI不同進度的動態ALFF變化。在未來的研究中，需要更多地注意神經元活動的縱向變化。

綜上所述，方法上的差異以及損傷到成像的時間間隔可能是影響mTBI的腦區域的異質性結果的基礎，本研究主要探究mTBI超急性期(＜24 h)腦功能的異常變化，發現ALFF減低的區域主要位于小腦后葉、島葉、中央后回及右側枕中葉，而ALFF升高的區域有內側前額葉、額葉、雙側尾狀核和海馬旁回，其中枕葉中回、小腦及右內側前額葉區域的異常與研究PTSD患者異常區域相似，表明兩種疾病有類似的發病機理，這有待于進一步探究。這些區域腦活動的改變可能是mTBI患者出現腦震蕩后綜合癥的神經功能基礎，今后將通過聯合應用擴散張量成像、動脈自旋標記示蹤法等研究，為mTBI患者提供更多結構和功能的證據。

參考文獻 [References]

[1]Nathan DE, Oakes TR, Yeh PH, et al. Exploring variations in functional connectivity of the resting statedefault mode network in mild traumatic brain injury. Brain Connect, 2015, 5(2): 102-114.

[2]Mayer AR, Ling JM, Allen EA, et al. Static and dynamic intrinsic connectivity following mild traumaticbrain injury. J Neurotrauma,2015, 32(28): 1046-1055.

[3]Walker KR, Tesco G. Molecular mechanisms of cognitive dysfunction following traumatic brain injury. Front Aging Neurosci,2013, 5(28): 11744-11754.

[4]Iraji A, Benson RR, Welch RD, et al. Resting state functional connectivity in mild traumatic brain injury at the acute stage:Indepen-dent component and seed based analyses. Neurotrauma,2014, 32(14): 1031-1045.

[5]Johnson B, ZhangK, Gay M, et al. Alteration of brain default network in subacute phase of injury in concussed individuals: resting state fMRI study. Neuroimage, 2012, 59(1): 511-518.

[6]Xiong KL, Zhang JN, Zhang YL, et al. Brain functional connectivity and cognition in mild traumaticbrain injury. Neuroradiology, 2016,58(7): 733-739.

[7]Zhan J, Gao L, Zhou FQ, et al. Amplitude of low-frequency fluctuations in multiple-frequency bands in acute mild traumatic brain injury. Frontiers in Human Neuroscience, 2016, 10(43): 27-36.

[8]Palacios EM, Sala-Llonch R, Junque C, et al. Resting-state functional magnetic resonance imaging activity and connectivity and cognitive outcome in traumatic brain injury. JAMA Neurol, 2013, 70(7):845-851.

[9]Zhou Y, Lui YW, Zuo XN, et al. Characterization of thalamo-cortical association using amplitude and connectivity of functional MRI in mild traumatic brain injury. J Magn Reson Imaging, 2014, 39(6):1558-1568.

[10]Yin Y, Li L, Jin C, et al. Abnormal baseline brain activity in posttraumatic stress disorder: a resting-state functional magnetic resonance imaging study. Neuroscience Letters, 2011, 498(3):185-189.

[11]Agcaoglu O, Miller R, Mayer AR, et al. Lateralization of resting state networks and relationship to age and gender. Neuroimage, 2015,104(6): 310-325.

[12]Mazard A, Laou L, Joliot M, et al. Neural impact of the semantic content of visual mental images and visual percepts. Cogn Brain Res,2005, 24(3): 423-435.

[13]Wang K, Jiang T, Yu C, et al. Spontaneous activity associated with primary visual cortex: a resting-state FMRI study. Cereb Cortex,2008, 18(3): 697-704.

[14]Niogi SN, Mukherjee P, Ghajar J, et al. Structural dissociation of attentional control and memory in adults with and without mildtraumatic brain injury. Brain, 2008, 131(12): 3209-3221.

[15]Zhou Y, Milham MP, Lui YW, et al. Default-mode network disruption in mild traumatic brain injury. Radiology, 2012, 265(3): 882-892.

[16]Mufson EJ, Mesulam MM. Insula of the old World monkey. II:Afferent cortical input and comments on the claustrum. J Comp Neurol, 1982, 212(1): 23-37.

[17]Hummer TA, Hulvershorn LA, Karne HS, et al. Emotional response inhibition in bipolar disorder: A functional magnetic resonanceimaging study of traitand state-related abnormalities. Biol Psychiatry, 2013, 73(2): 136-143.

[18]Chiong W, Wilson SM, D'Esposito M, et al. The salience network causally influences default mode network activity during moral reasoning. Brain, 2013, 136(6): 1929-1941.

[19]Zhan J, Gao L, Zhou FQ, et al. Decreased regional homogeneity in patients with acute mild traumatic brain injury a resting-state fMRI study. J Nerv Ment Dis, 2015, 203(10): 786-791.

[20]Wenzel JM, Rauscher NA, Cheer JF, et al. A role for phasic dopamine release within the nucleusaccumbensin encoding aversion: a review of the neurochemical literature. ACS Chem Neurosci, 2015, 6(1):16-26.

[21]Lu LY, Cao HL, Wei XE, et al. Iron deposition is positively related to cognitive impairment in patients with chronic mild traumatic brain injury: assessment with susceptibility weighted imaging. Bio Med Research International, 2015, 2015(18): 1-7.