慢性失眠患者大腦藍斑的異常靜息態功能連接

李春龍，江桂華，，馬曉芬，李淑美，藍智鴻，黃淑梅

1.廣東醫科大學第一臨床醫學院，廣東湛江524023；2.廣東省第二人民醫院影像科，廣東廣州510317

前言

慢性失眠被認為是一個主要的全球性公共衛生難題之一，并且被定義為難以入眠，頻繁的午夜覺醒以及早晨過早醒來的疾病［1-2］。持續的失眠癥狀不僅影響生活質量和工作效率，而且會導致焦慮等心理疾病，甚至可能危及生命。盡管失眠研究受到高度關注，但是關于失眠神經生物學的因果仍然不明確。

長期以來，有較多的證據證明藍斑在睡眠或者失眠中起著潛在的因果關系，特別是在喚醒調節［3］。藍斑作為喚醒調節必不可少的核團，可能成為補充和解釋失眠神經生物學機制的突破點。靜息態功能磁共振優于其他功能磁共振技術，在于靜息態功能磁共振容易獲取信號、受試者所需工作量最小以及能夠熟練地識別不同患者群體中的功能區域［4］。靜息態功能連接分析是其中最有效的方法之一。靜息態功能連接分析可以使用基于種子點的分析來選擇感興趣區，并將這些感興趣區中的體素平均血氧水平依賴時間過程與大腦中所有其他體素的時間過程相關聯［5］。本研究旨在探討慢性失眠患者基于靜息態功能磁共振中以藍斑作為種子點的靜息態功能連接分析，并進一步探討靜息態功能連接異常與臨床癥狀的關系。

1 資料與方法

1.1 研究對象

前瞻性選擇2018年8月至2020年1月于廣東省第二人民醫院治療前慢性失眠患者49 例。其中，男21 例，女28 例；年齡22～55 歲，平均年齡（39.27±11.11）歲。本研究經廣東省第二人民醫院倫理委員會批準，所有參與者在獲得完整的研究說明后，簽署書面知情同意書。

納入標準：（a）符合診斷和統計手冊第5 版中診斷慢性失眠的標準；（b）至少3個月內難出現以入睡、無法入睡或早起的情況；（c）沒有其他睡眠障礙，如嗜睡，亞睡眠，與睡眠有關的運動障礙或其他精神障礙；（d）年齡60歲以下；（e）在研究之前和研究期間2周內沒有服用任何精神類藥物；（f）右手優勢型。

排除標準：（a）常規磁共振T1加權序列或T2-FLAIR序列證實，受試者大腦存在占位，高亮信號或結構異常；（b）失眠癥是由器質性疾病引起或繼發于嚴重精神疾病（如抑郁或廣泛焦慮癥）；（c）其他睡眠障礙；（d）懷孕、哺乳或月經期的婦女。

同期招募47 例與慢性失眠患者年齡、性別、文化程度相匹配的健康對照組，其中，男15 例，女32 例；25～58 歲，平均年齡（39.85±9.07）歲。納入標準：（a）失眠嚴重程度指數量表得分低于7分；（b）沒有輪班、倒班或睡眠投訴史；（c）在研究之前和研究期間至少2 周內沒有濫用藥物或有毒物質，如咖啡因、尼古丁或酒精；（d）通過常規磁共振T1加權序列或T2-FLAIR序列證實，無腦損傷或嚴重的頭部外傷；（e）無精神或神經系統疾病史；（f）右手優勢型。排除標準：（a）常規磁共振T1加權序列或T2-FLAIR 序列證實，受試者大腦存在占位，高亮信號或結構異常；（b）存在慢性精神疾病；（c）懷孕、哺乳或月經期的婦女。

本實驗所有參與者均通過完成一些量表來評估睡眠質量與情緒狀態，其中包括睡眠嚴重指數量表（ISI）、匹茲堡睡眠質量指數量表（PSQI）、焦慮自評量表（SAS）、抑郁自評量表（SDS）。被試人口統計學信息見表1。

表1 被試人口統計學數據Tab.1 Demographic data of subjects

1.2 數據采集

數據采集設備為廣東省第二人民醫院影像科1.5T 磁共振掃描儀（Achieva Nova-Dual, Philips,Best, the Netherlands）。每個參與者均仰臥，頭部由綁帶及泡沫固定。在靜息態功能磁共振掃描期間，告知參與者閉眼，盡量保持平靜，但不能入睡。每個參與者均常規掃描T1加權序列及T2-FLAIR 序列，用于檢測臨床隱匿性病變。靜息態功能磁共振數據使用對血氧水平依賴信號對比敏感的梯度回波EPI 序列進行采集。靜息態功能磁共振采集參數如下：重復時間（TR）=2 500 ms，回波時間（TE）=50 ms，翻轉角度=90°，FOV=224 mm×224 mm，矩陣=64×64，總容積=160，27個橫斷層面，層厚4 mm，層間距為0.8 mm。總共掃描240 個動態，持續時間為10 min。掃描完成后詢問所有被試是否配合掃描要求，若掃描過程中入睡者經同意再次掃描。

1.3 數據處理及數據分析

靜息態功能磁共振傳輸數據主要由靜息態數據處理助手（Data Processing Assistant for Resting-State fMRI,DPARSF）進行分析。首先移除每個參與者前10 個圖像點，以消除開始時不均勻磁場的影響或參與者對掃描的不適；隨后，對靜息態功能磁共振數據進行調整，以確定切片時間和重新排列之間存在時間差異。所有參與者在任何方向上的最大位移不超過2.0 mm，最大旋轉不超過2.0 mm。然后，將功能磁共振數據空間標準化為標準模板（蒙特利爾神經研究所，MNI）并重新采樣為（3×3×3）mm3。采用高斯平滑核進行空間平滑。去除線性趨勢和濾波帶寬為0.01～0.10 Hz。最后，對干擾變量包括24 個頭動參數、白質、腦脊液信號和全腦信號進行回歸。

藍斑種子區被定義為一個半徑3 mm 的球體，以確定空間特異性為非常小的解剖結構，并且選擇解剖結構的中心MNI 坐標為（x=-14；y=-34；z=-28）［6］。利用種子區平均時間序列與其他腦內體素的相關性計算藍斑體素水平功能連接圖。采用雙尾雙樣本t檢驗對協變量（腦灰質比例圖像以及頭動、年齡、性別）進行分析，以確定組間差異為僅來自功能連接的相關輸出差異。

采用Wilcoxon 秩和檢驗來評估慢性失眠組與健康對照組之間教育水平及ISI、PSQI、SAS、SDS 量表得分的差異。用雙樣本t檢驗分析兩組年齡差異。用卡方檢驗來分析兩組間性別差異。采用樣本t檢驗來探索慢性失眠患者與健康對照組的功能連接差異，校正簇水平的閾值設定在P＜0.05 認為具有顯著性差異。用GRF 進行多重比較較正（P-voxel＜0.001,P-cluster＜0.05）。然后，從功能連通圖中提取具有顯著群體效應各腦區的功能連通性值，并用Spearman相關分析法與ISI、PSQI、SAS、SDS 量表得分進行相關分析。

2 結果

如表1所示，慢性失眠組與健康對照組在性別、年齡及教育程度上均無統計學意義（P＞0.05）。慢性失眠組的PSQI、SAS、SDS 和ISI 評分明顯高于健康對照組，差異有統計學意義（P＜0.001）。

以藍斑為種子點，發現慢性失眠癥患者藍斑與右楔前葉皮質、右后扣帶回皮質、左顳中回皮質、左距狀溝周圍皮質、右眶部額上回皮質功能連接增強，見表2和圖1。

表2 慢性失眠患者藍斑功能連接增強腦區Tab.2 Brain regions with increased function connectivity with the locus coeruleus in patients with chronic insomnia

圖1 慢性失眠患者藍斑功能連接增強腦區Fig.1 Brain regions with increased functional connectivity with the locus coeruleus in patients with chronic insomnia

采用SPSS進行的相關分析顯示，藍斑與左側顳中回之間的功能連接信號值與SDS評分呈正相關（P＜0.05,r2=0.09），如圖2所示。

圖2 藍斑與左顳中回皮層的功能連接值與抑郁自評量表分數顯著相關性Fig.2 Functional connectivity between the locus coeruleus and left middle temporal gyrus was significantly correlated with the score of self-rating depression scale

3 討論

本研究使用靜息狀態功能磁共振成像來評估慢性失眠患者中藍斑與全腦的功能連接發現，與健康對照組相比，慢性失眠患者中藍斑與右楔前葉皮質、右后扣帶回皮質、左顳中回皮質、左距狀溝周圍皮質、右眶部額上回皮質之間的功能連接性增強。這些發現可能有助于更好地理解慢性失眠的神經生物學機制。

我們的結果主要發現在藍斑與默認模式網絡（包括右楔前葉皮質、右后扣帶回皮質、左顳中回皮質）之間連接性增強。默認模式網絡（Default Mode Network, DMN）是靜息狀態下的一個突出的連接模式，它被認為似乎與情節性記憶、同理心、心理理論和決策等自我相關的信息處理有關［7］。最近的一篇綜述表明，失眠癥患者中DMN 功能連接增強可能與高度喚醒的應對障礙有關［8］。藍斑-去甲腎上腺素能系統已經被證明在覺醒水平的調節方面至關重要，該系統的過度活躍會增加喚醒水平并放大對壓力的情緒反應，這可能會表現為一系列過度興奮癥狀，失眠是其中一種癥狀［9］。我們知道高度喚醒系統（即下丘腦和腦干）和DMN 均被報道可能會導致從清醒到睡眠的轉化障礙和睡眠難以持續［10-11］。我們推測，失眠患者在睡前或睡眠期間，DMN 腦區的皮層可能接受高度喚醒系統中藍斑的纖維投射［12］，從而導致從清醒到睡眠的轉化障礙或睡眠難以持續，藍斑與DMN 之間的功能連接增強可能進一步支持慢性失眠的高度喚醒學說。

后扣帶回皮質與鄰近的楔前葉是DMN 的中心節點［13］。楔前葉是頂葉的一部分，被認為向上投射到軀體感覺、認知和視覺皮層，并已被證明參與了休息時自我意識神經關聯的交織網絡［14］。Kay 等［15］利用PET 檢測失眠組和健康對照組大腦葡萄糖相對區域代謝率發現，相對于健康對照組，在失眠證中楔前葉/后扣帶回清醒時大腦葡萄糖相對區域代謝率較低，反映失眠癥有可能與高度喚醒有關。本研究中慢性失眠組在藍斑和楔前葉之間表現出功能連接的增強，可能也反映了高度喚醒，并且這種特殊的功能連接可能進一步揭示失眠癥與清醒相關的功能連接相對持續有關。動物模型研究似乎進一步證實了這個假想［16］。后扣帶回皮質是人類連接基因組的核心樞紐，具有很高的代謝消耗水平，該區域被認為在執行外部任務時明顯趨于失活的趨勢［17］。先前有研究提出失眠癥中后扣帶回皮質的大腦葡萄糖相對區域代謝率改變與高度喚醒有關［15］。藥理學研究也提供了證據，最近一項使用強效鎮靜劑右美托咪啶誘導低覺醒狀態的研究發現［18］，鎮靜劑誘導的喚醒狀態改變時藍斑和后扣帶回皮質之間的連接減低，而在恢復狀態期間兩者之間連接恢復，這樣的異常連接被認為與喚醒水平有關。該文章還提出大腦去甲腎上腺素能喚醒回路模型，后扣帶回皮質、丘腦和基底神經節是該回路關鍵組成部分，這些腦區與藍斑整合以調節喚醒。因此，我們推測本研究藍斑與后扣帶回皮質之間的功能連接增強意味著失眠癥中高度喚醒假說可能與去甲腎上腺素能喚醒回路紊亂關系密切。

顳中回皮質與DMN 的受影響區域有很大的重疊。顳中回皮質被認為主要參與社會認知、語義處理及行動觀察等功能［19］。一項應用PET 探討失眠患者睡眠不良和日間疲勞的神經生物學基礎研究揭示，失眠患者的無法入睡可能與喚醒機制的無法失活有關［20］。與本研究結果相關的是，他們發現相對于健康對照組，失眠患者在從清醒到睡眠的過渡過程中上升網狀激活系統（包括藍斑）以及顳葉區域性相對腦葡萄糖代謝增加，這被認為是高度喚醒的特征。失眠可能涉及的機制為，睡眠前，與清醒相關的功能連接相對持續，從而阻礙了向睡眠的過渡。同時，本研究也表明藍斑與顳中回皮質的功能連接信號值與SDS呈正相關，意味著失眠患者中，這樣的異常功能連接越顯著，抑郁程度越嚴重。有研究證明失眠的嚴重程度與抑郁程度呈正相關［21］，我們的結果不難推測，藍斑與顳中回皮質之間的功能連接值可能會成為評估失眠嚴重程度的重要神經生物學指標，這需要以后的進一步研究驗證。

本研究還有以下不足之處：首先，藍斑的小尺寸阻礙了其自身的成像研究。此外，必須仔細選擇感興趣的區域作為球體。在這里，特別是在較小的皮質下結構中，我們選擇一個非常小的半徑（3 mm）以盡可能精確地獲得藍斑的坐標，而不是一個解剖形狀更大的感興趣的區域。雖然我們希望確保獲得最規范化的部分，但是我們所用的軟件工具進行標準化時腦干的深層結構不太準確，而且我們沒有做到Keren 等［22］獲得的具體腦干標準化。其次，我們知道藍斑是上升網狀激活系統的一部分。該系統最近也被證明受到個體心率變異性的影響［23］。最近的一篇評論指出失眠癥患者的心率變異性損害是一個被廣泛接受的概念［24］，雖然沒有實際證據支持這一點。我們可以通過回歸總體平均信號來校正生理噪聲，而不是單獨記錄心率和呼吸，但這種心率變異性的影響可能會在未來的研究中得到很好的解決。