探索原發性痛經患者大腦自發性活動的動態性及一致性變化

劉軍蓮，張亞男，劉妮，吳俊辰，洪月穎，任蒙蒙，張健睿，郝瑛，黃怡然，霍健偉

1. 首都醫科大學附屬北京中醫醫院 放射科，北京 100010；2. 北京國際數學研究中心，北京 100871；3. 北京中醫藥大學 針灸推拿學院，北京 100029

引言

痛經作為婦產科的常見病，嚴重困擾著青春期及育齡期女性。世界范圍內痛經的發病率報道不一[1-3]，但嚴重的月經痛造成了缺課、曠工及日常生活的受限，給患者帶來經濟損失及心理、生理負擔。因此尋找發病原因并進行針對性治療是首選任務。與繼發性痛經不同，原發性痛經（Primary Dysmenorrhea，PDM）沒有盆腔器質性病變，發病原因較為復雜，尚不明確，目前主要認為與前列腺素的分泌失衡相關。近些年關于PDM的中樞神經系統大腦功能的變化成為研究其發病機制的熱點，并取得了一些成果[4-6]，有望在今后給臨床診療提供一些幫助。

腦功能研究中應用最廣泛的方法當屬靜息態功能磁共振成像（resting-state functional Magnetic Resonance Image，rs-fMRI），此項技術安全、無創、沒有輻射，患者容易配合，而且時間、空間分辨力高，是腦功能研究中最具潛力的手段。rs-fMRI主要反映大腦在靜息狀態下的自發活動，評估指標較多，包括低頻振蕩振幅（Amplitude of Low Frequency Fluctuations，ALFF）、局 部 一 致 性（Regional Homogeneity，ReHo）、功能連接（Functional Connectivity，FC）、體素-鏡像同倫功能連接（Voxel-Mirrored Homotopic Connectivity，VMHC） 及 度 中 心 度（Degree Centrality，DC）等。ALFF主要刻畫了大腦活動低頻振蕩的幅度，ReHo表示局部腦區活動的一致性，VMHC主要反映了雙側大腦半球對稱區域腦活動的同步性[7]，DC是衡量腦網絡中節點中心性的度量指標。在PDM發病機制的rs-fMRI研究中，部分疼痛相關的腦區出現了神經元活動的異常。

先前的神經影像學研究表明PDM的中樞機制與默認網絡密切相關，通過與健康人群的比較，PDM患者表現出楔前葉、背內側前額葉皮質和前扣帶回皮質的ALFF升高，而丘腦的ALFF降低[8]。進一步的FC分析發現了患者楔前葉與左側背內側前額葉皮質和右側前扣帶回皮質之間的FC降低，而楔前葉與左側丘腦之間的FC增強。此外，患者左側背內側前額葉皮質升高的ALFF與痛經的病程呈正相關，為進一步闡明PDM的病理生理機制提供依據。上述研究觀察的是處于無痛狀態的PDM患者，我們前期研究針對患者月經期疼痛最嚴重的1～3 d進行觀察，發現了患者ALFF減低的區域主要位于右側小腦后葉、右側顳中回、右側海馬及海馬旁回、右側腦干及左側頂葉[5]，上述腦區涉及疼痛發生及調節的不同環節。除此之外，針對ReHo的研究也很多，有作者探討了月經不同時期大腦活動的變化情況，結果表明PDM隨著月經周期變化而出現神經元活動的變化，調節腦區涉及下行疼痛調節系統、默認網絡及感覺調節系統[9]。另有學者研究PDM患者的圍排卵期ReHo變化，同樣發現了默認模式網絡的異常[10]。除了上述指標，本課題組從VMHC的角度探討了PDM患者雙側對稱大腦半球的FC功能狀態，結果表明雙側膝下皮層/眶額區同倫功能連接增強[11]。

目前大多數rs-fMRI研究僅關注PDM患者腦活動的靜態特征，忽略了腦自發活動在時間維度上的動態變化。有研究表明人的大腦在多種時間維度上通過動態的整合與調整對內部或外界刺激做出反應[12]。除了動態特征，rs-fMRI指標間動態變化的一致性代表了不同功能層面的整合程度[13]。關于大腦自發性活動動態變化的研究目前已應用于精神分裂癥、雙相情感障礙、重性抑郁障礙等疾病中[14]，且發現了動態特征及一致性的異常，為闡明精神類疾病的中樞機制提供了新的角度和方向。至今未見有關于PDM各個指標間動態特征及一致性變化的研究，其是否存在異常是一個需要探索的方向。本研究首次應用滑動時間窗的方法，探索rs-fMRI的5種指標的神經元活動的動態性及一致性變化，以期為深入理解PDM病理機制提供幫助。

1 材料與方法

1.1 受試者

本研究受試者均為來自北京各大高校的在校大學生或研究生，招募時間為2016年12月至2019年7月，受試者包括PDM患者46例，性別、年齡及文化水平相匹配的健康人群44例。所有受試者均被充分告知研究相關內容，自愿參與研究并簽署知情同意書。研究通過了北京中醫藥大學醫學倫理委員會的批準（批號為2015BZHYLL0112），研究內容符合《赫爾辛基宣言》中的規定。

實驗組入組標準：① 診斷標準遵循加拿大婦產學會2017年發布的原發性痛經共識指南中的標準[15]；② 年齡為16～30歲，女性；③ 月經大致規律，行經天數為（28±7） d；④ 痛經病程≥6個月；⑤ 近1個月沒有使用任何治療PDM的方法；⑥ 回顧最近3個月經周期，患者根據自己感受的疼痛程度給出疼痛視覺模擬評分（Visual Analogue Scale，VAS）的平均值至少40 mm（疼痛程度分值為0～100 mm，0代表沒有疼痛，100 mm表示難以忍受的劇烈疼痛[16]）。排除標準：① 通過盆腔B型超聲診斷的盆腔器質性病變引起的繼發性痛經者；② 嚴重危及生命的心、肝、腎、腦等疾病及精神疾??；③ 近6個月內接受其他治療且影響實驗結果的受試者；④ 具有磁共振檢查禁忌證的受試者；⑤ 發現腦部結構明顯不對稱及占位性病變者。健康人群的納入排除標準與PDM患者大致相同，除了沒有痛經病史。本研究入組的所有受試者要求沒有生育史，且為右手優勢。

1.2 磁共振掃描方案

所有受試者在首都醫科大學附屬北京中醫醫院磁共振室完成顱腦影像檢查。機器型號為西門子skyra 3.0 T磁共振成像儀（德國，埃爾朗根，西門子醫療系統），使用的線圈為頭/頸20通道線圈。rs-fMRI數據采集的時間為受試者月經期的第1～3 d。成像時受試者平躺在掃描床上，需達到放松、閉眼、不能睡著的狀態，避免思考具體問題；用海綿墊限制頭動，耳塞減低噪音。主要掃描參數為：高分辨三維T1結構像：重復時間=2300 ms，回波時間=2.32 ms，翻轉角度=8°，視野=240 mm×240 mm，矩陣=256×256，體素大小=0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm，層數=192；完成rs-fMRI的平面回波成像序列：重復時間=3000 ms，回波時間=30 ms，翻轉角度=90°，視野=220 mm×220 mm，矩陣=94×94，體素大小=2.3 mm×2.3 mm×3.0 mm，層數=40。

1.3 rs-fMRI指標預處理流程

本研究的數據預處理使用基于Matlab R2015b平臺的DPABI 3.0和SPM 12軟件。rs-fMRI序列的預處理包括：① 刪除前10個時間點的被試數據；② 時間層校正；③ 頭動矯正（剔除各方向頭動位移大于3 mm和（或）超過3°的被試者）；④ 把與功能像對齊后的結構像分割成灰質、白質及腦脊液，然后去除白質及腦脊液信號、頭動參數等協變量；⑤ 應用DARTEL方法[17]將功能像從個體空間配準到蒙特利爾神經科研研究所的標準空間；⑥ 對于VMHC，應先將受試者功能像進行平滑，然后配準到鏡像對稱的模板上，剩下rs-fMRI的所有指標均不平滑。

1.4 rs-fMRI各個指標的動態時域分析

采用DPABI軟件中的滑動時間窗方法[18]計算5種rsfMRI指標的動態特征及指標間的一致性變化。5種指標包括ALFF、ReHo、VMHC、DC及全局信號相關（Global Signal Correlation，GSCorr）。窗型選擇hamming窗，窗寬為32個重復時間，步長為4個重復時間。然后計算各體素的每一種指標隨時間變化的標準差，接著將標準差進行Z標準化。最后，除VMHC外，對各rs-fMRI指標的標準差進行平滑（平滑核為4 mm）。

1.5 統計學分析

應用統計學軟件SPSS 22.0對所有受試者的臨床資料進行分析。對于年齡、月經周期及行經天數，采用雙樣本t檢驗分析兩組受試者的差異（P<0.05表示具有統計學差異）。對于患者的首次痛經發病年齡、病程及VAS進行描述性分析。

應用DPABI軟件對PDM組和健康人群之間的ALFF、ReHo、DC、VMHC和GSCorr 5個指標的動態性進行分析，檢驗方法為雙樣本t檢驗，多重比較校正應用高斯隨機場理論（體素水平P<0.001，組水平P<0.05）。采用5種指標在空間模式上的肯德爾和諧系數作為逐一窗口時間點的一致性，對兩組受試者5種指標的一致性時間序列的均值和標準差進行雙樣本t檢驗，以衡量痛經患者功能整合的水平和穩定性。

2 結果

2.1 臨床數據

排除數據不全及頭動幅度較大的受試者后，36例PDM患者和41例健康人群的數據被統計分析，結果表明兩組受試者在年齡、月經周期及行經天數基線方面差異無明顯統計學意義（表1）。

表1 受試者的臨床資料

2.2 原發性痛經患者rs-fMRI局部指標動態性異常

相對于健康人群，PDM患者顯示出廣泛的ALFF和ReHo的動態性異常，而在DC、VMHC及GSCorr三個指標中未發現時間維度的動態異常。就ALFF而言，患者表現出左側顳上、中及下回、左側小腦半球、左側海馬及右側緣上回的動態性增高，未發現減低腦區。就ReHo而言，患者在左側額上、中回眶部、左側直肌、右側杏仁核、右側海馬及海馬旁回、右側顳下回動態性增高，而在左側顳中回動態性減低（圖1、表2）。

圖1 PDM患者較健康人群在ALFF和ReHo動態性顯著差異的腦區

表2 PDM患者與健康人群在ALFF和ReHo指標顯著差異的腦區

2.3 rs-fMRI各個指標間一致性動態特征結果

與健康人群相比，PDM患者在rs-fMRI的5個指標間一致性動態特征無明顯統計學差異（P>0.05）。

3 討論與總結

隨著rs-fMRI研究指標的不斷豐富，多種指標的動態性及之間的一致性研究受到了重視，并可能在未來發展成為新的影像學標記物。因此，本研究應用滑動時間窗的方法，首次探討了rs-fMRI 5種指標的動態特征及一致性變化。結果表明PDM患者存在ALFF和ReHo的動態異常，表現為左側顳葉、左側小腦半球、左側海馬及右側緣上回ALFF的動態性增高，而患者在左側額上、中回眶部、左側直肌、右側杏仁核、右側海馬及海馬旁回、右側顳下回ReHo動態性增高，左側顳中回ReHo動態性減低。PDM患者rs-fMRI各個指標間一致性變化與健康人群無明顯差異。PDM患者表現出ALFF和ReHo的動態性異常相同腦區位于顳葉、海馬及海馬旁回。顳葉被認為與情緒相關，一項關于電針三陰交對PDM患者中腦導水管周圍灰質FC影響的研究表明，針刺治療后三陰交組表現出以顳極區及顳中回為主的顳回與中腦導水管周圍灰質的FC明顯減低，作者推測可能因為顳葉通過調節情緒狀態參與了針刺治療痛經的過程[19]。本研究中顳葉隨著時間推移的動態性明顯增強，可能表明此腦區參與了患者當時疼痛狀態的調節。除此之外，海馬和海馬旁回與疼痛處理相關[20]，既往兩者被認為對焦慮相關行為和長期記憶的中樞處理有很大貢獻[21]。持續、慢性的疼痛導致海馬及其周圍結構的可塑性變化及功能障礙。我們前期研究結果顯示月經期間海馬的靜息態ALFF值降低，表明海馬可能參與了疼痛的處理過程[5]，提示邊緣系統功能障礙在疼痛或不舒服感覺的加工過程中可能與PDM的產生機制相關。當前研究發現了海馬及周圍結構ALFF及ReHo的動態性增強，進一步闡明邊緣系統動態參與了月經痛的調節過程。

ALFF的動態性異常還出現在PDM患者的小腦半球。既往神經影像研究分析已經證實小腦涉及疼痛及疼痛調節的多個維度，包括情緒、認知、感覺和運動控制[22]。一項關于PDM的腦功能研究表明右側小腦后葉ALFF值下降，說明小腦可能參與痛經的二次感覺加工和疼痛認知[5]。另外一項基于正電子發射計算機斷層顯像的研究表明針刺后患者的小腦糖代謝增加，說明針灸治療有可能通過激活相關區域來緩解疼痛[23]。從靜息態腦功能和葡萄糖代謝的角度都證實了小腦參與了疼痛的調節過程，本研究與既往研究相同，進一步從動態特征方面證實了小腦的異常涉及PDM發生及發展的中樞機制。

ReHo的動態性異常還出現在杏仁核，其作為邊緣系統的一部分，有研究探討了PDM患者排卵期杏仁核和全腦FC的變化情況，發現了杏仁核與默認網絡和獎賞網絡FC的受損可能參與PDM的發生、發展機制[24]。另外本研究中發現ReHo動態性異常的腦區為額上、中回，屬于前額葉。前額葉是高級認知功能的核心部位，整合了所有的感知覺，不僅與大腦皮質有聯系，還接受邊緣系統、中腦以及間腦的纖維傳入，參與情緒調節。一項針刺三陰交治療PDM患者的研究顯示，激活腦區位于額內側回、額上回、額中回（屬于前額葉），作者認為針刺治療PDM可能通過針刺信號、情緒反應等多種信號在前額葉的整合調節起到作用[25]。杏仁核及額葉的動態指標異常在本研究結果中已呈現，從動態特征角度為PDM中樞機制的闡釋提供了一定參考。

本研究首次應用了滑動時間窗技術，計算了PDM患者大腦自發活動的動態性及一致性，發現了一些腦區存在ALFF和ReHo的動態異常，但仍有一些不足需要注意。首先研究所涉及rs-fMRI的5種指標，只有2個指標出現了動態性的異常，其余3個指標是否存在異常需要進一步擴大樣本量證實；其次5種rs-fMRI指標間功能整合的一致性與健康人群沒有明顯差異，造成陰性結果可能與樣本量、計算方法有關，后續我們會加強研究；最后由于rsfMRI指標一致性為陰性，故未進一步統計其與臨床疼痛程度評估VAS指標的相關性，需在今后的研究進一步完善。

綜上所述，本研究發現了PDM患者在ALFF和ReHo兩個指標的動態性異常，涉及腦區包括顳葉、邊緣系統、額葉及小腦半球等，為理解月經痛的產生及調節病理機制提供了新的角度及見解。