主觀耳鳴患者大腦局部神經功能改變的靜息態功能磁共振研究

韓祺，劉代洪，王堯，馮亞瑾，王健*

作者單位：

1. 陸軍軍醫大學(第三軍醫大學)第一附屬醫院放射科，重慶 400038

2. 陸軍軍醫大學(第三軍醫大學)第一附屬醫院耳鼻喉科，重慶 400038

主觀耳鳴(subjective tinnitus，ST)是指在缺乏聲刺激條件下耳內或顱內產生的嗡嗡、嘶嘶等不成形持續異常主觀聲幻覺[1]，其僅僅表現為耳鳴癥狀的主觀感覺，病因及表型也復雜多樣，目前仍無確定發病機制和確切治療手段[2]。已有研究認為中樞神經系統改變在其中發揮重要作用，目前靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)相關研究認為ST可能與聽皮層、邊緣系統、前額葉等腦區改變相關，但已發現的局部腦區改變在不同研究間結果并不完全相同甚至相反[3]。局部一致性(regional homogeneity，ReHo)和分數低頻振幅(fractional amplitude of low-frequency fluctuations，fALFF)是兩種廣泛使用的用于描述全腦rs-fMRI信號局部不同神經功能特征的基于數據驅動的分析方法[4]，兩者綜合應用可以比其中任一方法單獨應用提供更全面的局部腦區神經功能改變證據[5]，并為尋找可能與ST密切相關的關鍵腦區提供更可靠參考基礎。因此本研究我們將ReHo和fALFF相結合，通過計算并比較兩組間全腦ReHo和fALFF值差異，后提取差異腦區與臨床資料進行相關分析，試圖從局部自發神經活動強度和一致性兩方面探測ST患者的全腦局部神經功能改變特點。

1 材料與方法

1.1 研究對象

采集2016年8月至2017年7月在我院耳鼻喉科就診的ST患者25例，其中男性10例，女性15例，年齡33～60 (44.6±8.9)歲。同期選擇納入年齡、性別和受教育程度相匹配的健康志愿者25例，其中男性10例，女性15例，年齡31～60 (44.0±9.0)歲。ST入組標準為：(1)符合《耳鳴臨床應用指南》ST的診斷標準[6]，且持續發病≥6個月；(2)年齡18～60周歲，可正常溝通；(3)聽力正常。排除標準為：(1)有聽覺過敏、高聲恐怖，中耳和耳蝸疾??；(2)有聽神經占位及腦腫瘤、慢性頭痛等中樞神經系統疾?。?3)有抑郁、焦慮等精神心理障礙；(4)有神經精神類藥物濫用史及耳毒性藥物史；(5)有嚴重全身器質性疾病；(6)有MRI掃描禁忌(幽閉恐懼、金屬植入等)。

所有受試者均為右利手，接受耳科常規檢查、聽力檢查和聽覺過敏調查問卷(hyperacusis questionnaire，HQ)[7]測試，同時接受焦慮自評量表(self-rating anxiety scale，SAS)、抑郁自評量表(self-rating depression scale，SDS)測試以排除焦慮、抑郁障礙，患者另完成臨床資料表和耳鳴殘疾量表(tinnitus handicap inventory，THI)[8]測試。本研究經我院倫理委員會批準通過，所有受試者實驗前均明確實驗內容并簽署知情同意。

1.2 數據采集

磁共振圖像采集使用德國西門子3.0 T Trio MRI掃描儀，配備頭部標準12通道線圈。在進行數據采集前，所有被試先進行常規T1和T2加權軸位掃描，由2名經驗豐富的放射科醫師排除受試者顱內器質性病變。掃描進行前告知被試保持平靜且清醒未睡的狀態，不進行任何思考，全程閉眼。同時給予耳塞(3M，SNR=31db)及耳機(Siemens，SNR=36db)降低掃描噪音對受試者的影響，并用泡沫墊固定受試者頭部四周以盡量減少頭動。磁共振掃描序列及參數如下：(1)靜息態功能磁共振(rs-fMRI)數據：采用回波平面成像(echoplanner imaging，EPI)序列，TR 2000 ms，TE 30 ms，翻轉角(flip angle，FA) 90°，層數36層，層厚3 mm，視野192 mm×192 mm，矩陣64×64，體素(voxel) 3 mm×3 mm×3 mm，共采集240個時間點，橫斷位掃描。(2) 3D T1WI高空間分辨率結構數據：采用三維磁化準備快速梯度回波(three-dimensional magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequence，3D MPRAGE)序列，TR 1900 ms，TE 2.52 ms，FA 9°，層厚1 mm，層數176層，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，體素1 mm×1 mm×1 mm，無間隔，矢狀位掃描。

1.3 數據處理

1.3.1 數據預處理

采用基于Matlab 7.14 (R2012a)和SPM8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)的腦影像標準化計算平臺DPABI 2.3 (http://rfmri.org/dpabi)進行圖像預處理，包括原始圖像格式轉換、去除前10個時間點、時間層校正、頭動校正(排除頭動＞1.5 mm或轉動＞1.5°的受試者)、去除協變量和空間標準化到標準蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空間。

1.3.2 ReHo分析

首先進行0.01～0.08 Hz的帶通濾波，然后計算給定體素與其最鄰近的26個體素間時間序列上的一致性，即為該體素的肯德爾和諧系數(Kendall's coefficient of concordance，KCC)，然后用每一體素的KCC值除以全腦平均KCC值得到標準化的ReHo值。最后采用4 mm半高全寬(full-width at half maximum，FWHM)的高斯核進行平滑[9]。

1.3.3 fALFF分析

首先進行4 mm半高全寬的高斯平滑，將每個體素的時間序列轉換成頻率域。然后對0.01～0.08 Hz頻段的功率譜開方，得到低頻振蕩幅度(amplitude of low frequency fluctuations，ALFF)值，相加得總和值，再除以全頻段振幅總和值為fALFF值[10]。

1.4 統計分析

采用SPSS 21.0軟件對兩組受試者的年齡、受教育程度、HQ評分行兩樣本t檢驗，對性別、利手行χ2檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。采用DPABI分別對兩組受試的ReHo和fALFF圖進行兩樣本t檢驗，以年齡、性別、受教育程度和灰質體積為協變量，以單個體素P＜0.001 (單個體素Z＞3.29)，簇P＜0.05 (GRF校正)為差異有統計學意義。隨后提取組間ReHo和fALFF差異腦區與THI評分進行Pearson相關分析(以年齡、性別、受教育程度和灰質體積為協變量)，與病程進行Spearman相關分析，以P＜0.05 (Bonferroni校正)為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料分析

2組受試之間年齡、性別、受教育程度、利手和HQ、SAS、SDS評分差異無統計學意義(P＞0.05)(表1)。

2.2 ReHo結果

與對照組相比，患者組在右側顳中回和楔葉ReHo值增高，在右側額中回、左側小腦前葉ReHo值降低，差異有統計學意義(P＜0.05)(表2，圖1)。

2.3 fALFF結果

與對照組相比，fALFF增高的腦區為：右側顳中回和楔葉，差異有統計學意義(P＜0.05)(表2，圖2)。

2.4 偏相關分析結果

患者組右側顳中回ReHo值與THI評分成正比(r=0.576，P=0.003)(圖3)，其余差異腦區ReHo、fALFF值與病程、THI評分均未見相關(P＞0.05)。

表1 一般資料和量表評分Tab.1 Demographic and clinical characteristics of subjects

表2 患者組與對照組ReHo和fALFF有差異的腦區Tab.2 Regions showing ReHo and fALFF differences between ST patients and normal controls

圖1 患者組與對照組ReHo有差異的腦區(P＜0.05)圖像，右上方數字為層面在MNI坐標系中的坐標。標準色條代表t值。R：右 圖2 患者組較對照組fALFF增高的腦區(P＜0.05)圖像，右上方數字為層面在MNI坐標系中的坐標。標準色條代表t值。R：右Fig. 1 Differences of ReHo values between ST patients and normal controls. The threshold was set at P＜0.001 at the voxel level and P＜0.05 at the cluster level by GRF correction. R: right. Fig. 2 Differences of fALFF values between ST patients and normal controls. The threshold was set at P＜0.001 at the voxel level and P＜0.05 at the cluster level by GRF correction. R: right.

3 討論

本研究同時采用ReHo和fALFF兩種方法來探測ST患者的全腦異常神經活動。這兩種方法基于不同的神經生理機制，ReHo反映局部神經活動一致性，fALFF反映局部神經活動強度，ReHo和fALFF已廣泛用于各種神經精神疾病機制的研究[11-12]。作為兩種有著不同神經生理機制的方法，ReHo在檢測局部神經功能異常方面比fALFF更為敏感，fALFF則被認為是對ReHo測量全腦自發神經活動的有力補充，兩者的結合可以同時提供更多信息[5]。通過兩種方法的有效結合，我們發現ST患者在右側顳中回(BA 21)和楔葉(BA 18)的ReHo和fALFF值同時增高，另外發現ReHo值在右側額中回(BA 10)和左側小腦前葉降低。這些發現可能從局部神經活動改變的角度加深了對ST復雜神經機制的理解。

3.1 聽覺相關腦區改變

顳中回(BA 21)是聽覺聯合皮層區域的一部分，負責聯系初級與次級聽覺皮層[13]。 Farhadi等[14]基 于SPECT發現耳鳴患者FDG攝取值在顳中回等聽覺聯合皮層而非初級聽覺皮層增高；在以往研究中Chen等[15]利用fMRI發現慢性ST患者在右側顳中回ALFF值增高，且與耳鳴嚴重程度成正比。本研究也發現患者組右側顳中回的ReHo和fALFF值同時增加，且ReHo值與THI評分正相關，提示患者存在聽覺相關皮層的局部神經功能改變。已有動物實驗證實耳鳴可能與聽覺皮層的神經元同步性活動增強、自發性神經活動增強或神經突觸結構重塑相關，這與多數fMRI的結果相一致[16]。因此筆者推測ST可能通過聽覺皮層局部神經功能活動增強或功能重塑來維持聽覺高級功能正常水平，在這一過程中發生ST。但是確切的機制仍需進一步研究。

3.2 非聽覺腦區改變

圖3 偏相關分析 患者組右側顳中回ReHo值與THI評分成正比(r=0.576，P=0.003)Fig. 3 ReHo values of right middle temporal gyrus (MTG) were positively correlated with the THI score in ST patients (r=0.576, P=0.003).

已知前額葉廣泛參與中樞傳入信息的接收、整合，包括對中樞抑制反應的控制[17]。Aldhafeeri等[18]發現嚴重耳鳴患者雙側前額葉部分皮質厚度發生改變，同時Schecklmann等[19]應用PET發現耳鳴患者前額葉多個腦區代謝與病程成正相關。因此，本研究發現的前額葉自發活動一致性減低可能與其抑制聽覺區域異常傳入失敗后的抑制性控制減弱有關[20]。此外筆者注意到，顳中回和額中回均是默認模式網絡的重要組成成分之一。以往多項研究均發現耳鳴患者存在默認模式網絡內的異常自發神經活動或功能連接改變，且與耳鳴嚴重程度相關[21]。因此耳鳴作為一種聽幻覺，很可能導致默認模式網絡的異常，而顳中回和額中回的改變應該是這種網絡異常改變的具體表現。

楔葉是視覺皮層所在區域，本研究發現ST患者楔葉神經活動增強同時伴一致性增加。在既往研究中，Burton等[22]發現耳鳴患者在聽覺和視覺亞網絡間存在異常功能連接。已有動物實驗證實視覺皮層和聽覺皮層間存在解剖聯系，且視覺皮層直接受聽覺皮層調節[23]。結合本研究發現，筆者推測ST患者存在視聽覺網絡的異常改變，即楔葉改變可能是ST患者聽覺皮層發生異常聲幻覺激活后的繼發性改變。傳統觀念認為小腦僅在運動控制和協調過程中發揮重要作用，但目前有證據表明其還參與聽感覺傳入刺激探測和處理等過程[24]。Chen等[25]發現耳鳴動物模型存在聽覺皮層與小腦間的功能連接改變。此外，Maudoux等[26]發現耳鳴患者聽覺皮層與小腦間的功能連接。因此我們推測小腦有可能參與耳鳴相關的聽幻覺處理過程[27]，但這一推測仍需進一步的研究。

3.3 本研究的不足

本研究存在以下幾個方面的不足。首先由于我們的樣本量有限，不能將ST按照患病部位分組，以探究ST的偏側性是否導致不同的局部神經功能改變。其次，ST患者的異質性較大，橫斷面的研究可能導致結果被部分掩蔽或特異性受影響，也不能很好地反映病情變化對大腦的改變。此外，雖然本實驗嘗試聯合運用耳塞及耳罩避免噪聲影響，但是仍無法完全隔絕掃描噪聲。因此，需要進一步綜合運用不同方法從多個角度進行分析研究。

綜上，本研究通過ReHo和fALFF相結合，發現ST患者在聽覺和非聽覺部分腦區發生不同程度的局部腦功能活動改變，并主要累及默認模式網絡及視聽覺網絡。初步證實了ST存在大腦局部神經功能異常改變，并為尋找可能與ST密切相關的關鍵腦區提供更可靠參考基礎。