原發性痛經患者半球間鏡像同倫功能連接的靜息態fMRI研究

張亞男，劉妮，郝瑛，吳俊辰，張冰月，夏晶，黃怡然*，霍健偉*

原發性痛經(primary dysmenorrhea，PDM)是指與月經相關的下腹部周期性痙攣性疼痛，需要排除盆腔病變所致的繼發性痛經[1]。主要好發于青春期及育齡期女性。中國在校女生PDM的流行病學調查顯示其發病率從41.7%～80.0%不等，其中一半以上女生遭受了中重度疼痛，嚴重干擾了生活和學習[2-3]。長期反復的疼痛還影響了中樞神經系統，造成了大腦結構和功能的改變[4-7]，而這些變化又使PDM加重，形成惡性循環。因此，研究PDM的中樞機制十分必要，有望在以后的臨床治療中發揮指導作用。

靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是腦功能臨床研究中應用最廣的方法，其無電離輻射，時間及空間分辨力較高，研究重復性好。rs-fMRI可反映靜息狀態下大腦神經元的活動情況。體素-鏡像同倫功能連接(voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC)是2010年提出的一種評價雙側大腦半球間功能連接強度的rs-fMRI方法，起初用來研究神經退行性疾病及精神類疾病的功能同倫的病理機制[8]。VMHC主要是通過對左右大腦半球對稱區域自發性活動高度同步性的描述(即功能同倫)，反映大腦半球間信息溝通和協調功能。關于PDM的既往研究為特定腦區與全腦之間的功能連接，未考慮大腦半球內對稱腦區的協調作用，本文推測PDM患者的VMHC存在異常。目前已有一些關于疼痛相關rs-fMRI的研究報道表明偏頭痛[9]、帶狀皰疹后神經痛[10]、急性眼痛[11]等疾病中存在同倫連接的異常改變，而PDM患者中VMHC的改變未見闡釋。本研究首次運用VMHC的方法探討PDM患者雙側大腦半球間同倫功能連接的變化，進而研究患者半球間的功能信息交流及整合模式。

1 材料與方法

1.1 一般材料

選取2016年12月至2018年1月于北京各大高校內招募的PDM患者32例，同期招募的健康女性志愿者38例為研究對象。所有受試者均為在校大學生或研究生，試驗前被告知研究內容，并自愿簽署知情同意。本研究已經通過北京中醫藥大學醫學與實驗動物倫理委員會的審查批準，倫理批號為2015BZHYLL0112，研究中涉及人類的醫學研究符合《赫爾辛基宣言》。

PDM患者的入組標準：①符合No.345原發性痛經共識指南中的PDM診斷標準[1]；②年齡16～30歲，未育女性，右利手；③月經周期規律，一般為(28±7) d；④痛經的病程至少持續6個月；⑤近1個月未服用任何治療痛經的藥物或使用其他方法；⑥最近3個月經周期的視覺模擬疼痛評分(visual analogue scale for pain，VAS-P)≥40 mm。排除標準：①經婦科B型超聲檢查確診的子宮內膜異位癥、盆腔炎癥及子宮腺肌癥等疾病所致的繼發性痛經；②嚴重危及生命的疾病、哮喘及精神障礙等；③近6個月內使用口服避孕藥、鎮痛藥及抗抑郁藥的受試者；④具有MRI檢查絕對及相對禁忌證者的受試者；⑤基線MRI檢查中受試者頭部解剖結構明顯不對稱或發現器質性病變；符合以上任意一條排除標準，均不能納入研究。健康對照組除了沒有痛經癥狀外，余納入排除標準與PDM患者相同。

所有PDM患者均有下腹部疼痛，其他癥狀包括惡心、嘔吐、頭痛、背痛、腿痛、頭暈及乏力等。所有PDM患者的痛經均發生在經期中，疼痛及痛經相關癥狀評估時間為月經期第1～3天。本研究采用國際常用的VAS-P對所有PDM患者近3個月經周期的疼痛程度進行評分。將疼痛程度用0～100 mm表示，0 mm代表感受不到疼痛，100 mm則指難以忍受的最大程度的疼痛，受試者需要根據自身感受選擇一個最能代表疼痛感受的刻度[12]。另外應用焦慮視覺模擬評分法(VAS for anxiety，VAS-A)對患者產生的焦慮情緒予以評估。痛經的伴隨癥狀運用回顧性癥狀量表評價，該量表分為持續時間量表(COX1)和嚴重程度量表(COX2)。

1.2 MRI檢查方法

所有受試者在首都醫科大學附屬北京中醫醫院放射科完成頭部MRI檢查，使用機器為德國西門子skyra 3.0 T超導磁共振掃描儀(德國，埃爾朗根，西門子醫療系統)。fMRI數據的采集在受試者月經期的第1～3天完成。掃描過程中給受試者使用彈形耳塞減少噪音，雙側塞以海綿墊固定頭部，線圈為頭/頸20通道線圈。檢查過程中要求受試者放松，閉眼，但保持清醒，不主動思考問題。首先采集T2加權成像以排除顱腦器質性病變，然后是高分辨三維T1結構像，接下來進行勻場，最后應用平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)序列完成rs-fMRI的數據收集，具體參數見表1。

1.3 rs-fMRI數據處理

在Matlab R2013b平臺基礎上，采用rs-fMRI處理輔助軟件DPABI 3.0和SPM 8對所有受試者的圖像數據進行預處理及計算。rs-fMRI序列的預處理包括：①將圖像的原始數據轉換成可供識別的NIFTI格式；②去掉第1～10時間點的數據；③完成時間層校正；④進行頭動校正，刪除各方向平動大于2 mm，和(或)旋轉超過2°的被試者；⑤做完頭動校正的功能像使用DARTEL (diffeomorphic anatomical registration using exponentiatedlie algebra，DARTEL)方法[13]配準到三維T1結構像上，把配準后的結構像分割成腦灰質、腦白質及腦脊液三部分，為了結果的穩定，繼續對分割后的腦脊液及腦白質信號、Friston 24頭動參數進行線性回歸分析去除協變量。通過DARTEL估計的參數將功能像配準到蒙特利爾神經科研研究所(montreal neurological institute，MNI)標準空間，并以3 mm各向同性體素進行重新采樣；⑥采用4 mm半高寬的高斯核函數進行平滑，以降低空間噪聲、減少過程中所產生的誤差；⑦最后步驟為去線性漂移并應用0.01～0.1 Hz帶通濾波去噪，以降低低頻數據引起的漂移和高頻的生理性噪聲造成的影響。

表1 磁共振掃描主要參數Tab. 1 The main parameters of magnetic resonance scanning

表2 受試者的人口統計學及臨床特征Tab. 2 The demographic and clinical characteristics of subjects

預處理結束后，本研究剔除了圖像質量差、頭動較大的受試者共17例，包括11例PDM患者和6例健康對照組。應用DPABI 3.0軟件計算VMHC值。對所有受試者腦內標準化的每個體素的時間序列進行提取，計算雙側對稱位置體素之間的Pearson相關系數，即VMHC值[8]。最后將此相關系數運用Fisher z變化的方式轉換為z值，所得結果被進一步進行組間分析。

1.4 統計學分析

使用SPSS 22.0軟件分析人口統計學數據和臨床資料，包括年齡、月經周期、行經天數、首次痛經發病年齡、病程、VAS-A、VAS-P、COX1和COX2。行經天數用最大值和最小值來描述，余均以均值±標準差表示(符合正態分布)；兩組受試者的年齡、月經周期及行經天數采用兩獨立樣本t檢驗，P＜0.05表示差異具有統計學意義。

應用DPABI 3.0工具包及SPSS 22.0統計軟件分析PDM組和健康對照組之間VMHC值的差異，檢驗方法為兩獨立樣本t檢驗，其中年齡作為協變量，多重比較校正采用高斯隨機場理論(Gaussian random field，GRF)(體素水平P＜0.001，組水平P＜0.05，雙側)。提取兩組t檢驗具有顯著差異腦區的VMHC值，然后與PDM患者的臨床資料進行Pearson相關性分析(P＜0.05)。

2 結果

2.1 人口統計及臨床資料

最終入組受試者70例，包括PDM患者32例和健康對照組38例。兩組患者的年齡、月經周期及行經天數差異無統計學意義(P＞0.05)，見表2。

2.2 原發性痛經患者與健康對照組VMHC值的組間差異

PDM患者較健康對照組VMHC值顯著增加的腦區位于雙側膝下皮層和眶額區(峰值=5.5541，體素大小=42)，見圖1，而未發現VMHC值顯著降低的腦區。

2.3 兩組顯著差異腦區的VMHC值和PDM患者臨床參數的相關分析

PDM患者與健康對照組顯著差異腦區的VMHC值與PDM患者臨床參數未見明顯相關性，臨床資料包括痛經發病年齡、病程、VAS-P、VAS-A、COX1及COX2。

3 討論

本研究基于rs-fMRI技術，首次應用VMHC的分析方法，證實了PDM患者的雙側大腦半球間同倫功能連接出現異常。與健康對照組相比，PDM患者在雙側膝下皮層/眶額區的VMHC值顯著增加。

3.1 PDM患者雙側膝下皮層同倫功能連接同步性增強

膝下皮層位于顱底、眼球正后方，屬于Brodmann大腦皮層分區的25腦區，被認為是腹內側前額葉(ventromedial prefrontal cortex，vmPFC)的一部分。vmPFC主要與獎賞價值決策、負面情緒管理及社會認知等多方面相關[14]。針對vmPFC損傷患者的研究，國外學者Damasio提出了“軀體標記假說”，認為情緒、情感的變化可以產生軀體狀態的改變，進而通過軀體感覺皮層激活模式產生中樞表象，指導決策的實施，vmPFC損傷的患者不能被引導向著有利于個體的方向發展[15]。先前的腦功能和結構研究表明了膝下前扣帶回與內側前額葉皮層參與了多種慢性疼痛的疾病[16-17]。有學者分析了48例PDM患者和38例健康對照組的前扣帶回亞區功能連接變化，結果表明PDM患者膝下前扣帶回與內側前額葉皮層的功能連接增強，提示PDM可能通過情感過程抑制疼痛調節[18]。本研究與上述研究相似，發現了PDM患者雙側膝下皮層同倫功能連接的增強，提示PDM患者可能需要同步增強雙側膝下皮層間的協調性以抑制痛經的調節，這個疼痛處理調節過程可能有情緒、情感的參與介入。

3.2 PDM患者雙側眶額皮層同倫功能連接同步性增強

眶額皮層又稱Brodmann 11腦區，位于前額葉皮層腹側表面，是感覺整合、自我控制、情感表達的重要腦區[19]，同時也是參與獎賞、懲罰的關鍵腦區[20]。動物實驗研究證實眶額皮層與前額葉其他區域、邊緣系統、感覺區域及運動前區存在廣泛連接。與眶額皮層存在連接的感覺皮層包括嗅覺、味覺、軀體感覺、聽覺及視覺處理的皮層[21]。多項關于疼痛的研究均表明眶額皮層與疼痛的加工處理有關。一項針對青少年腸易激綜合征的實驗證實了眶額皮層參與了疼痛的調節，其區域的皮質明顯增厚，并且與腹部疼痛的嚴重程度具有顯著相關性[22]。纖維肌痛患者的腦磁圖研究也發現了眶額皮層增強的高頻振蕩活動與疼痛評分相關[23]。眶額皮層在適應性地應對PDM月經周期的生理變化、調節情感狀態和疼痛至關重要。首先是結構改變，PDM患者的眶額皮層皮質增厚，且與痛經持續時間呈顯著正相關[7]。其次是功能的異常，有學者觀察患者與健康人月經期及卵泡期局部一致性(regional homogeneity，ReHo)的變化情況，結果表明在月經期，PDM患者左側背外側前額葉和右側mPFC的ReHo減低，而非月經期PDM患者眶額皮層的ReHo減低，而第一、二軀體感覺皮層ReHo活動增強[5]。上述區域神經元的自發活動變化可能與痛覺過敏、異常疼痛，甚至疼痛缺失有關。本研究發現了雙側眶額區的同倫功能連接同步性增強，推測雙側眶額區相同來源的神經元過度激活可能與疼痛反復或過度的刺激有關，更加證實了眶額區參與疼痛的調節過程。

3.3 vmPFC去抑制化可能參與PDM的產生

雙側膝下皮層/眶額區均屬于vmPFC的一部分。額葉是大腦發育的高級中樞，與認知、執行決策功能、情緒自我加工等有關。多項疼痛相關VMHC值的研究證實了雙側額葉同倫連接功能出現異常。帶狀皰疹后神經痛病人相比健康人在雙側背外側前額葉VMHC值降低，說明此區域兩大腦半球間的連通性出現了損害，影響了對疼痛的評估及反應決策[10]。在對月經性偏頭痛VMHC的研究中，作者發現患者雙側額中回協調性增強，認為偏頭痛患者通過激活額中回來抑制自身功能失調[9]。相比正常人，急性眼痛患者雙側內側額葉VHMC值增高，說明可能導致認知功能受損[11]。本研究中PDM患者雙側vmPFC (雙側膝下皮層/眶額區)協調性增強，其去抑制化可能參與了痛經的產生。一項PDM患者月經期腦代謝的文章認為丘腦-眶額-前額葉網絡的去抑制化可能通過維持脊髓和丘腦的敏化作用，同時增加負性效應，從而參與PDM患者疼痛和痛覺過敏的產生[24]。很遺憾的是未發現PDM患者雙側膝下皮層/眶額區的VMHC值與疼痛程度及痛經相關癥狀具有相關性，希望在以后的研究中進一步探討。

3.4 研究的局限性

雖然本研究首次應用了VMHC的計算方法研究PDM患者的功能連接變化，但仍然存在一些不足。首先是VMHC值異常區域僅出現在雙側膝下皮層/眶額區，其他腦區是否存在異常需要通過擴大樣本量，重復研究進一步證實；其次，本研究收集的數據來自在校學生，若將研究范圍擴大到社會各種人群、不同年齡段，結果可能會不同，筆者會在后面的研究中關注此方面；最后，本研究對受試者的疼痛及焦慮評估需要根據自身感受選擇程度，受主觀因素影響較大，希望在以后的研究能夠有客觀的評估標準。

綜上所述，本研究發現了PDM患者與健康人比較，存在雙側膝下皮層/眶額區功能連接協調性的增強，上述區域的去抑制化可能參與了PDM患者疼痛的產生及調節，為其中樞機制的闡明提供了一定的理解及新的角度。

利益沖突：無。