基于低頻振幅算法的甲狀腺相關性眼病視神經(jīng)病變自發(fā)腦活動研究

劉萍，羅班，陳浪，王秋霞，馬艷強，翟林寒，袁剛，江桂華，張菁

甲狀腺相關性眼病視神經(jīng)病變(dysthyroid optic neuropathy，DON)是甲狀腺相關性眼病(thyroid associated ophthalmopathy，TAO)最嚴重的并發(fā)癥，具有高度致盲風險，嚴重影響患者生活質量[1]。神經(jīng)系統(tǒng)各級神經(jīng)元之間通過突觸相互聯(lián)系，視神經(jīng)作為中樞神經(jīng)的外沿，視神經(jīng)病變可通過突觸聯(lián)系引起原發(fā)病灶遠隔區(qū)域包括整個視覺神經(jīng)通路神經(jīng)元的病理生理改變，即跨突觸變性損傷[2]。視覺信息從眼傳遞到大腦屬于神經(jīng)元電活動，相關的腦區(qū)對傳入信息進行加工處理，只有腦區(qū)活動完整，才能保證信息流的正常。而DON作為TAO中視神經(jīng)病變的嚴重類型，其病理改變是僅僅局限于視神經(jīng)，還是涉及整個視覺通路甚至腦部改變，目前尚未得到廣泛關注和研究。

靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state-function magnetic resonance imaging，rs-fMRI)可以檢測人腦“靜息”狀態(tài)下神經(jīng)元自發(fā)活動，被視作構成信息處理和心理表征生理基礎的電路[3]，其可以反映視覺障礙患者視信息傳導功能的變化。低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)算法反映靜息狀態(tài)下局部自發(fā)性腦活動的強度[4]。ALFF在視覺信息處理中具有重要生理意義，其計算簡單、表征可靠，被認為是合適而有用的研究眼科疾病腦部活動的工具[5]，近年來ALFF在眼科疾病中已展開廣泛應用研究，拓寬了研究眼部疾病特征與腦功能區(qū)變化間聯(lián)系的思路。DON患者特異性臨床表現(xiàn)是視覺功能障礙，本研究擬基于靜息態(tài)ALFF算法，對比觀察TAO伴或不伴DON時靜息狀態(tài)下腦自發(fā)神經(jīng)活動的改變，拓寬對DON神經(jīng)功能損傷的認識。

材料與方法

1.一般資料

共納入被試44例，其中雙眼TAO不伴DON患者26例，雙眼TAO伴DON患者18例。所有患者均為右利手，并由主治醫(yī)師以上職稱的眼科及內(nèi)分泌科醫(yī)生聯(lián)合診斷。本研究經(jīng)倫理委員會批準，所有受試者均經(jīng)本人同意并簽署知情同意書。

TAO不伴DON患者納入標準：①年齡18～65歲；②符合Bartley 1995年制定的經(jīng)典TAO診斷標準；③在磁共振掃描前未進行任何激素、手術及放療以及其它免疫抑制治療；④無DON可疑視覺癥狀。TAO診斷標準[6]：①有眼瞼退縮者，合并以下任意一項即可做出TAO診斷：甲狀腺功能異常；眼球突出，突出度≥19 mm，雙眼球突出度相差大于2 mm；眼外肌受累，眼球活動受限，眼外肌肥大。②無眼瞼退縮者，必須存在甲狀腺功能異常，合并以下體征之一：眼球突出度異常、視神經(jīng)功能障礙或眼外肌受累，并排除其他眼病引起的類似體征。

雙眼TAO伴DON納入標準：符合DON診斷標準；在磁共振掃描前未進行任何激素、手術及放療以及其它免疫抑制治療。DON診斷標準為TAO伴自覺視力下降患者并具有以下一條即可診斷：①最佳矯正視力<0.8；②視野平均缺損(MD)值<-5 dB；③視覺誘發(fā)電位檢查結果明顯異常；④色覺異常；⑤瞳孔對光反射異常。

TAO及DON排除標準：①因視網(wǎng)膜疾病、弱視、視神經(jīng)萎縮、青光眼、白內(nèi)障或其它非TAO原因導致眼部癥狀或視覺障礙；②因TAO眼瞼閉合不全導致的角膜潰瘍；③在初次診治為TAO或DON及磁共振檢查之前接受過激素、放療、免疫抑制治療以及手術治療者；④有腦腫瘤、腦外傷史或腦血管疾病史及手術史；⑤有控制不良的糖尿病或者嚴重的心、肝、腎功能不全等重大全身疾病；⑥有神經(jīng)、精神疾病病史或家族史：如癲癇、抑郁癥等；⑦成癮(如煙癮、酒癮、網(wǎng)癮等)患者。

2.血清學指標檢測

所有患者在進行MRI檢查前都需用電化學發(fā)光免疫分析法進行血清學指標測定，包括甲狀腺激素(TSH、FT3、FT4)，甲狀腺免疫功能(TGAb、TPOAb、TRAb)。

3.眼科相關檢查

在MRI檢查前進行全面眼科評估。詢問患者吸煙史、甲狀腺功能異常持續(xù)時間及診療經(jīng)過，眼部異常、視覺功能異常持續(xù)時間及診療經(jīng)過。眼科檢查包括眼球突出度、視力、眼壓、臨床活動性評分(clinical activity score，CAS)等。

4.MRI檢查

采用GE High Discovery 750 3.0T 超導MR掃描儀，32通道頭線圈進行掃描。掃描時受試者仰臥位，頭先進，雙側頭部用軟棉墊固定，減少頭部運動，囑咐患者掃描中保持閉眼、清醒并盡量不進行思考活動，為輔助減少眼部活動，于眼部加貼對磁場無干擾敷貼。首先行T1WI、T2WI、FLAIR序列掃描。腦功能掃描序列包括：三維T1全腦高分辨率結構像：TR 1900 ms，TE 2.26 ms,層厚1.0 mm，層間距0 mm，矩陣256×256，視野240 mm×240 mm；共184層，掃描時間約4分34秒。靜息態(tài)功能成像掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 40 ms；翻轉角90°；視野240 mm×240 mm；矩陣64×64；層厚5.0 mm；240個時間點，每個時間點40幅圖像，掃描時間8分36秒，獲得9600幅圖像。

5.圖像處理及分析

基于Matlab 2013a(MathWorks，Natick，MA，USA)平臺的靜息態(tài) fMRI數(shù)據(jù)處理助手DPARSFA(http://rfmri.org/DPARSF)對原始靜息態(tài)數(shù)據(jù)進行預處理：①為獲得相對穩(wěn)定可靠的信號，剔除前10個時間點數(shù)據(jù)，分析剩下230個時間點數(shù)據(jù)；②時間層校正：將40層圖像獲取的時間點調整一致；③頭動校正，消除頭部不自主活動對圖像數(shù)據(jù)的影響，并去除頭部平動>2.5 mm、轉動>2.5°的被試；④空間標準化：消除個體腦容積大小不一的影響，利用T1結構像，分割功能像，將分割圖標配到蒙特利爾空間MNI空間；⑤去線性漂移：糾正生理基線偏離；⑥去除協(xié)變量。應用靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)分析工具包(REST)進行全腦ALFF分析。

6.統(tǒng)計學分析

采用SPSS 24.0軟件對臨床一般資料進行統(tǒng)計學分析，計數(shù)資料采用卡方檢驗，計量資料符合正態(tài)分布者采用獨立樣本t檢驗。采用REST軟件對DON組、單純TAO組全腦ALFF值行獨立樣本t檢驗，采用AlphaSim方法對結果進行多重校正(各體素間P<0.05, 且團塊>26個體素)。結果使用REST軟件自帶Slice viewer工具確定對應的MNI坐標上有統(tǒng)計意義腦區(qū)的具體解剖位置，并得出差異腦區(qū)的體素，并利用REST軟件進行結果呈現(xiàn)。

結 果

1.研究組一般情況分析

DON患者視力顯著低于TAO不伴DON患者，而CAS評分和TRAb水平顯著高于TAO患者，兩組間其它一般資料差異沒有統(tǒng)計學意義(表1)。

表1 甲狀腺相關性眼病患者一般資料比較

2.ALFF值分析

單純TAO組與DON組靜息ALFF腦圖的雙樣本t檢驗組間分析結果見圖1和表2。紅色代表DON組大腦活動低頻信號的同步性顯著高于單純TAO組，即ALFF值增加，主要分布在右顳中回、右中央前回、右頂上小葉腦區(qū)；藍色則表示DON大腦活動低頻信號同步性顯著低于TAO組，即ALFF值減低，主要分布在左額上回等腦區(qū)(圖2)。

圖2 DON組右顳中回(X=54，Y=-3，Z=-24)、右中央前回(X=60，Y=0，Z=39)、右頂上小葉(X=15，Y=-60，Z=60)ALFF值增高，左額上回(X=3，Y=21，Z=63)ALFF值降低。

圖1 DON組與TAO組兩樣本t檢驗結果ALFF差異圖。暖(冷)區(qū)域代表ALFF值增加(減少)。第一、二排顯示右顳中回ALFF增高，第三、四排顯示中央前回ALFF增高，第五排顯示右頂上小葉ALFF增高，左額上回ALFF降低。

表2 DON組較TAO不伴DON組差異腦區(qū)ALFF值比較

討 論

DON患者視功能評價方法主要包括視力、視野、視覺誘發(fā)電位等，基本集中于視覺信息轉換后變化；而光學相干斷層、眼眶部位眶組織包括視神經(jīng)影像學結構定量研究又集中于評價視神經(jīng)自身變化；均無法檢測處理視覺信息的神經(jīng)元活動。視神經(jīng)病變時視覺功能損傷是眼-腦結構與功能共同作用引起的復雜結果。功能MRI可直觀顯示與視覺形成相關的腦區(qū)，有助于全面、深入了解視覺損傷的神經(jīng)機制。靜息態(tài)MRI的ALFF算法可量化血氧水平依賴程度，從能量代謝角度直接反映各腦區(qū)神經(jīng)元活動強度[7]。近年來關于TAO及DON的研究逐漸從聚焦于眼眶開始逐漸轉向探索腦部結構與功能轉換[8-11]。本研究基于靜息態(tài)ALFF比較分析DON與單純TAO不伴DON患者之間腦神經(jīng)元自發(fā)性活動差異，發(fā)現(xiàn)TAO伴發(fā)DON組患者左額上回腦活動低頻信號同步性較單純TAO患者降低，而右顳中回、右中央前回、右頂上小葉低頻信號同步性較單純TAO增高。

額葉是參與比較高級信息處理的腦區(qū)，額上回屬于額頂葉網(wǎng)絡的組成成分之一，有研究認為[12]，視皮層在執(zhí)行視覺功能時與額頂葉網(wǎng)絡之間存在功能連接，當DON患者視覺信息輸入減少時，則相應和額頂葉網(wǎng)絡之間功能連接減少，可能會減小低頻信號同步性。本研究結果和一項關于高度近視ALFF研究結果一致，該研究[13]發(fā)現(xiàn)高度近視患者視力不良會降低額葉皮層神經(jīng)活動，額葉相關區(qū)域同步性降低，即ALFF值降低，并推測可能和相應功能腦區(qū)存在功能代償行為以及Top-Down效應有關。本研究中DON患者左額上回ALFF值降低，這可能和患者視力下降后視覺信息輸入異常，進一步引起額葉視覺信息處理受損，為保持視覺信息處理有效性而神經(jīng)活動同步性經(jīng)自我調節(jié)而降低。

DON組較TAO組尚出現(xiàn)一些區(qū)域腦自發(fā)活動同步性增加，主要位于右顳中回、右中央前回及右頂上小葉等腦區(qū)。顳頂葉是重要的處理視覺信息的網(wǎng)絡，頂葉參與背側通路組成，主要識別空間信息和運動定位；顳葉參與腹側通路組成，主要參與顏色和形狀識別[14]，并與瞳孔運動和立體視覺信息處理有關，其功能變化可能會引起立體視覺信息處理異常[15]。而初級視覺皮層相關腦區(qū)除了枕葉皮層區(qū)，也可以分布于中央前/后回、顳下回/顳中回等腦區(qū)[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，TAO伴DON時，這些腦區(qū)自發(fā)性神經(jīng)元活動出現(xiàn)異常，可能和DON患者視功能改變引發(fā)視覺信息傳導與整合功能改變，進一步引起視覺處理區(qū)域神經(jīng)信號同步性改變[17]有關。具體機制可能為視覺功能受損后腦功能跨感覺重塑，即某個感覺系統(tǒng)活性改變，可以引起其它皮質和皮質下結構及神經(jīng)纖維聯(lián)系的重塑[18]，這或許是DON視覺功能障礙的神經(jīng)病理學基礎。

本研究發(fā)現(xiàn)DON患者顳中回腦活動異常，這一結果和既往關于多發(fā)性硬化伴視神經(jīng)炎的ALFF研究一致[19-20]。但也有研究發(fā)現(xiàn)單純TAO不伴DON患者以及視神經(jīng)炎患者可出現(xiàn)右顳中回灰質密度減低[8，21]，而本研究顳中回ALFF增強可能和結構變化引起的代償機制或功能可塑性有關。中央前回位于中央溝附近，其位于丘腦和其他腦區(qū)的纖維投射區(qū)內(nèi)，屬于感覺運動中樞，其與初級視覺皮層中樞活動有關，中央溝附近腦區(qū)在空間認知、視覺投射、色覺和運動視覺等復雜視覺生理過程發(fā)揮重要作用[22]。頂下小葉屬于默認網(wǎng)絡的一部分，視覺皮層與默認網(wǎng)絡間存在一定連接，DON患者要較單純TAO不伴DON患者視覺受損嚴重，可導致視覺皮層輸出信息減少較為明顯，默認網(wǎng)絡相關區(qū)域神經(jīng)元活動代償性增高。

國內(nèi)學者[9，16]借助基于體素的形態(tài)學測量比較TAO伴或不伴DON腦結構變化，發(fā)現(xiàn)DON在左側枕上葉、左側枕中葉、右側前扣帶回區(qū)域、右側梭狀回區(qū)域及左側顳下回區(qū)域、右側顳下回區(qū)域較TAO不伴DON患者灰質密度下降。結構改變是功能變化的基礎，本研究中ALFF活動異常區(qū)和前述研究灰質密度下降區(qū)不完全一致，筆者猜想可能和二者所具體反映的內(nèi)容不同，功能變化和結構變化并不完全一致有關。

本研究存在一定局限性：首先，樣本量較小，由于DON發(fā)生率約為TAO的3%～8%，而多數(shù)DON患者就診前已經(jīng)接受過激素或其它治療，故樣本量相對較小，本研究也在持續(xù)進行；第二，本研究只納入雙眼DON患者，未進行單眼DON和雙眼DON的比較，今后的研究將在增加樣本量的基礎之上完善這一研究；第三，本研究納入DON和TAO組病例入組數(shù)有差異，可能會影響結果；第四，本研究僅關注fMRI改變，需要進一步聯(lián)合結構影像學深入探索神經(jīng)功能改變結構基礎。

本研究是對TAO伴發(fā)DON的ALFF同步性的初步研究，發(fā)現(xiàn)TAO在伴發(fā)DON和不伴發(fā)DON時自發(fā)性腦活動具有差異，為進一步探索DON視功能障礙的致病機制及研發(fā)治療方案提供重要信息。