皮層下缺血性血管病患者腦網絡樞紐的長程和短程功能連接強度研究

黃晶，程潤田，劉筱霜，羅天友

皮層下缺血性血管病(subcortical ischemic vascular disease，SIVD)是血管性認知功能障礙的常見原因，通常會導致患者整體認知功能和早期執行功能損害，嚴重降低生活質量[1-2]。研究表明，SIVD是一種失連接綜合征[3]。靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)可以通過檢測腦區間自發低頻波動的同步性來反映腦的內在連接[4-5]。既往功能連接研究大多使用種子點法和獨立成分分析法，不能從全腦的角度去分析功能連接特征。近年來出現的功能連接強度(functional connectivity strength，FCS)分析法是一種基于全腦體素水平的數據驅動方法[6]，可以克服上述方法的不足。筆者對SIVD患者腦網絡樞紐的FCS特征進行研究，并與臨床認知評分進行偏相關分析，以期為探討SIVD發病機制提供幫助。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為回顧性研究，收集本院2018年3月至2020年3月SIVD患者30例，均為右利手，男15例，女15例，年齡67.7～73.0(69.60±6.96)歲。納入標準：(1)年齡≥55歲。(2)有急性缺血性腦血管病病史且病程＞3個月。(3)MRI表現為白質為主損害類型或腔隙性梗死突出類型。前者主要表現為廣泛的深部和腦室周圍白質病變；帽狀擴展＞10 mm或者不規則暈寬度＞10 mm，或彌漫性融合高信號寬度超過25 mm或廣泛白質病變；皮層下腔隙性梗死。腔隙性梗死突出類型主要表現為皮層下存在多個腔隙性梗死灶，且有中等程度的白質病變。排除標準：(1)皮層和皮層-皮層下的非腔隙性梗死、分水嶺梗死、腦出血以及放射性腦病和多發性硬化等其他原因所致白質病變；(2)維生素B12缺乏、甲減等其他原因所致認知損害；(3)24項Hamilton抑郁量表評分≥8分、Hachinski缺血量表評分≤6分、臨床癡呆分級量表評分＞2分；(4)無法完成認知量表評估；(5)有其他重大疾病，如顱內腫瘤、先天性腦發育障礙以及中樞神經系統感染性疾病等；(6)進行過特殊藥物治療。同期納入22名健康志愿者作為正常對照組(normal controls，NC)，均為右利手，其中男11例，女11例，年齡65.0～71.2(69.18±4.76)歲。所有受試者均接受一系列神經心理量表測試，主要對整體認知功能、記憶功能、語言功能、注意和執行功能進行評估，包括簡易精神狀態量表、聽覺言語學習測試量表、畫鐘測試量表、Stroop色詞測試量表、連線測試量表和波士頓命名測試量表。本研究經過本院醫學倫理委員會批準(批準文號：2019-001)，受試者均已簽署知情同意書。

1.2 MRI設備與檢查方法

采用GE Signa 3.0 T HDX超導型MRI掃描儀和8通道頭部線圈。用泡沫固定受試者頭部，耳塞減少噪聲干擾，并要求受試者掃描期間閉眼、保持頭腦清醒、避免思考。掃描序列為3D T1、T2 FLAIR和單次激發回波平面成像(single-shot echo planar imaging，SS-EPI)序列。rs-fMRI掃描參數為：重復時間 (repetition time，TR)2000 ms，回波 時間(echo time，TE)40 ms，翻轉角90°，視野240 mm×240 mm，矩陣 64×64，層厚 3 mm，間隔 1 mm，1次采集，共33層，240個時間點，掃描8 min。

1.3 數據處理

使用DPARSFA(www.restfmri.net/forum/DPARSF)軟件預處理rs-fMRI數據：(1)去除前10個時間點；(2)時間層校正和頭動校正，排除頭動平移＞2 mm或轉動大于2°的受試者，并對平均頭動進行組間比較，結果表明無組間差異(P=0.92，Mann-WhitneyU檢驗)；(3)配準到標準回聲平面成像(echo planer imaging，EPI)模板上，重新采樣為3 mm×3 mm×3 mm大小；(4)回歸Friston-24頭動參數、腦脊液和白質平均信號，全腦平均信號回歸尚存在爭議，根據文獻報道[7-8]，本研究保留全腦平均信號；(5)去線性漂移和濾波(0.01～0.1 Hz)。

基于Tomasi等[6]的方法，利用預處理后的數據計算獲得全腦、長程和短程FCS圖。使用Matlab 2013b(https://matlab.en.softonic.com/)軟件計算每個體素與全腦其他體素間的Pearson相關系數來構建功能連接矩陣，相關系數閾值設置為0.6[6]，接著將每個體素大于閾值的Pearson相關系數相加得到全腦FCS圖，并轉換成z值。其中利用解剖距離＞75 mm和≤75 mm來定義長程FCS和短程FCS[9]。最后使用半高全寬為8 mm高斯平滑核對FCS圖進行平滑處理。

所有數據處理中的圖像質量評估均由2名已熟練掌握MRI數據處理方法且具有3年以上工作經驗的影像診斷醫師以盲法獨立進行，若有分歧經協商后一致決定。

1.4 統計學分析

人口統計學資料和神經心理量表評分采用SPSS 20.0軟件進行組間比較。不符合正態分布的定量資料使用Mann-WhitneyU檢驗，用中位數(四分位數)表示；符合正態分布的定量資料使用雙樣本t檢驗，用均數±標準差表示；定性資料使用卡方(χ2)檢驗。FCS值統計分析采用置換檢驗工具，對全腦FCS進行單樣本t檢驗獲得兩組的腦網絡樞紐圖，基于腦網絡樞紐的長程和短程FCS組間比較使用雙樣本t檢驗，置換5000次，多重比較校正采用基于無閾值簇增強(threshold-free cluster enhancement，TFCE)的錯誤發現率(false discovery rate，FDR)校正，團塊大小＞100體素。對SIVD組采用偏相關分析法評估組間差異顯著腦區FCS值與認知評分間的關系。上述比較分析均將性別、年齡、受教育年限作為協變量，且雙側P＜0.05表示差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料

SIVD組和NC組在年齡、性別、教育等人口統計學資料上差異均無統計學意義，但所有認知量表評分差異均有統計學意義(表1)。

表1 SIVD和NC組之間人口統計學資料以及神經心理量表評分比較Tab.1 Comparison of demographic data and neuropsychological scores between SIVD group and NC group

2.2 腦網絡樞紐的空間分布

SIVD組腦網絡樞紐主要分布在楔葉、楔前葉、舌回、中扣帶回、后扣帶回、梭狀回、距狀裂周圍皮層等腦區，NC組腦網絡樞紐主要分布在顳上回、顳中回、楔葉、楔前葉、舌回、角回、腦島、中扣帶回、后扣帶回、梭狀回、距狀裂周圍皮層等腦區(圖1)。

圖1 皮層下缺血性血管病患者組和正常對照組腦網絡樞紐圖。圖中的色條代表統計檢驗t值，L和R分別代表左側和右側Fig.1 Brain network hub maps of subcortical ischemic vascular disease group and normal controls group.The color bar in the figure represents t value of statistical test,L and R represent left side and right side respectively.

2.3 長程FCS差異腦區

SIVD組在右側顳上回(t=-5.77，P＜0.05)、左側顳上回(t=-5.25，P＜0.05)和右側距狀裂周圍皮層(t=-3.84，P＜0.05)的長程FCS較NC組明顯降低，但右側楔前葉(t=4.02，P＜0.05)和右內側額上回(t=4.21，P＜0.05)長程FCS明顯升高(P＜0.05)(表2)。

2.4 短程FCS差異腦區

SIVD組在右側顳上回(t=-5.10，P＜0.05)、左側顳上回(t=-5.17，P＜0.05)、右側距狀裂周圍皮層(t=-4.38P＜0.05)和右側腦島(t=-4.39，P＜0.05)的短程FCS較NC組明顯降低，但在右內側額上回(t=4.22，P＜0.05)的短程FCS明顯升高(P＜0.05)(表 2)。

表2 SIVD組和NC組之間的FCS顯著差異腦區Tab.2 Brain regions with significant differences in FCS between SIVD group and NC group

2.5 偏相關分析

SIVD組右側腦島短程FCS值與StroopⅡ測試評分呈正相關(r=0.390，P=0.044)，右側顳上回長程FCS值與畫鐘測試評分呈正相關(r=0.438，P=0.022)(圖2)。

圖2 皮層下缺血性血管病患者組右側腦島和右側顳上回功能連接強度(FCS)值與認知評分的關系。r為相關系數Fig.2 Correlation between functional connectivity strength(FCS)values in right insula and superior temporal gyrus and cognitive score in subcortical ischemic vascular disease group.The r is the correlation coefficient.

3 討論

本研究采用FCS分析法對SIVD患者腦網絡樞紐的長程和短程FCS改變特征進行探究。結果顯示，與NC組相比，SIVD組雙側顳上回、右側距狀裂周圍皮層的長程、短程FCS值以及右側腦島短程FCS值降低，但右側額上回長程、短程FCS值和右側楔前葉長程FCS值升高，且與認知功能評分有關。這可能為理解SIVD發病機制提供了新的認識，同時也體現出FCS分析在神經精神疾病的診斷以及神經機制方面的研究中具有重要價值。

人腦是一個由不同腦區連接而成的復雜網絡系統，其中腦網絡樞紐指的是連接數量較多的腦區[10]。腦網絡樞紐具有高血流、高代謝的特點，在維持高級認知功能和適應性行為中起著十分重要的作用，但也因此更容易受到疾病的影響[10-11]。所以研究腦網絡樞紐對于理解神經精神疾病的發病機制具有重要意義。FCS分析法是一種能夠反映大腦功能連接特征的數據驅動方法，可以用來確定腦網絡樞紐腦區的分布。一個腦區FCS值越大，說明該腦區在腦網絡中越重要，即承擔著腦網絡樞紐的作用[6]。FCS主要包括長程FCS和短程FCS，二者分別反映腦區與遠距離范圍和局部范圍腦區間的功能連接特征[12]。目前，FCS分析法已廣泛應用于腦功能的研究[7,13]，這為探索SIVD發病機制提供了新的角度。

本研究結果顯示SIVD組和NC組患者腦網絡樞紐分布大體一致，主要分布在楔葉、楔前葉、舌回、中扣帶回、后扣帶回、梭狀回、距狀裂周圍皮層等區域。這與文獻報道相似[7,13-14]。說明即使在疾病的影響下，SIVD患者大部分樞紐腦區仍然在腦網絡中發揮著核心作用。但本研究結果顯示SIVD患者右側腦島的短程FCS值以及雙側顳上回和右側距狀裂周圍皮層的長程、短程FCS值較NC組明顯降低，提示SIVD可能導致患者樞紐腦區與遠距離范圍和局部范圍腦區間的功能連接減弱。更重要的是，筆者還觀察到患者右側腦島的短程FCS值和右側顳上回的長程FCS值與認知評分密切相關。這可能說明腦島和顳上回FCS的異常改變在SIVD的發生發展中具有重要作用。

腦島是突顯網絡的關鍵組成部分，可以調控執行控制網絡和默認網絡在認知任務信息加工過程的作用，因而在維持正常認知功能中具有重要意義，特別是在執行功能方面[15-16]。研究報道顯示，伴有認知功能障礙的SIVD患者存在腦島灰質的萎縮[17]。Chen等[18]研究發現，與正常人比較，認知功能正常和認知功能障礙的SIVD患者均出現了雙側腦島皮層厚度的明顯變薄，且與認知功能評分相關。另一項基于擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)的研究發現，認知功能正常和認知功能障礙的患者左側腦島的纖維連接密度也明顯降低[19]。Liu等[20]關于SIVD癡呆患者的研究發現，患者左側腦島的低頻波動幅度顯著降低。可見，SIVD可導致患者腦島結構和局部活動的異常改變，這從不同角度支持了本研究結果。相關功能連接研究表明，皮層下血管性認知功能障礙患者表現出腦島的功能連接紊亂[17,21]。Kim等[22]對皮層下血管性癡呆患者的研究也發現腦島的功能連接下降。這些發現與本研究結果相似。此外，本研究結果顯示腦島短程FCS值與Stroop色詞測試評分呈正相關。Stroop色詞測試主要用于評估執行功能，通常與健康人群的額葉、頂下小葉和島葉的激活有關[23]。在本研究中，SIVD患者Stroop色詞測試用時明顯長于NC組，提示患者執行功能已受損害，并且可能是由腦島的異常短程FCS改變所致。因此筆者認為，腦島短程FCS的降低可能在SIVD患者發病中發揮著至關重要的作用。

顳上回被認為參與了人腦的認知任務信息處理加工的過程，因而與認知功能有關[24]。既往研究[25]發現，SIVD認知功障礙患者的大腦顳葉皮質明顯變薄。最近一項關于認知功能正常和認知功能障礙的SIVD患者的研究也得到了同樣的結果，并且還發現顳葉皮層厚度值與認知功能評分有著密切聯系[18]。Sang等[26]基于圖論的腦網絡研究結果顯示，伴有認知功能障礙和癡呆的SIVD患者顳葉功能連接和網絡效率顯著降低，并與認知功能障礙的程度呈負相關。本研究得到類似的結果，發現SIVD患者雙側顳上回長程和短程FCS均存在異常改變，且與畫鐘測試評分顯著相關。雖然顳上回并非調節認知功能的關鍵腦區，但以上研究結果表明SIVD患者顳上回的結構破壞以及長程和短程功能連接紊亂可能是SIVD患者發病的原因之一。

此外，本研究結果還顯示SIVD患者右側楔前葉和額上回的FCS明顯升高。楔前葉是默認網絡的重要組成部分，額葉是SIVD患者的主要病變部位，二者與認知功能密切相關[27-28]。但Yi等[29]研究發現，SIVD患者額上回的FCS顯著下降。最近的結構網絡研究也發現SIVD患者額葉的結構連接降低[14,30]。這些結果與本研究發現不相符，可能是因為數據處理方法不同，或者是本研究納入的病例可能處于疾病的早期階段，這種FCS升高是患者對腦損傷出現代償所致[31]，但還需要進一步研究明確。

本研究存在以下不足：為橫斷面研究，樣本量較少，未來需要更大樣本量、縱向的研究來驗證結果；由于病例數的限制，本研究僅探究了SIVD對患者腦FCS的影響，沒有將患者分為認知功能正常組、輕度認知功能障礙組以及癡呆組，未來有必要增加病例數進行分組研究，以全面了解疾病發生發展過程中患者的FCS改變情況以及與認知功能障礙的關系；本研究著重探討的是患者腦網絡樞紐FCS的特征，沒有考慮到腦網絡樞紐結構損傷的影響，未來應該進行多模態MRI研究以全面探索SIVD對患者腦網絡樞紐的影響。

綜上，本研究結果顯示SIVD患者腦網絡樞紐的長程和短程FCS均存在異常，特別是在腦島與顳上回區域。這可能有助于揭示SIVD發病的神經機制。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。