原發性失眠患者腦磁共振波譜成像研究

蘇曉艷，趙蓮萍，謝宇平*，方燕燕，張文文，周麗雅，惠培林，王旭斌

作者單位：1.甘肅省人民醫院睡眠醫學中心，蘭州 730000；2.甘肅省人民醫院放射科，蘭州 730000；3.甘肅省人民醫院腦電圖室，蘭州 730000

原發性失眠(primary insomnia，PI)是指以失眠為幾乎唯一的癥狀，睡眠時間少于6 h/天，上述睡眠障礙至少3晚/周并持續3個月以上[1]。大腦在睡眠中起重要作用，其中丘腦在清醒與睡眠的轉換中起重要作用，研究已經證明丘腦神經元與睡眠紡錘波的產生以及睡眠和覺醒的轉換調節有關[2]。海馬與睡眠關系密切[3]，且與記憶儲存有關，PI 患者表現出記憶缺陷[4]。有研究發現PI 患者海馬、丘腦、前額葉等區域[5]神經解剖發生改變，雙側海馬體積明顯減小[6]。但是，PI患者大腦代謝產物有無改變，與失眠的發生發展有無關聯，目前這方面的研究較少。僅國內有研究發現PI 患者左、右兩側額葉氮-乙酰天門冬氨酸(N-acetylaspartate，NAA)/肌酸(creatine，Cr)水平均低于正常健康對照(healthy control，HC)組；右側額葉膽堿復合物(choline-containing compounds，Cho)、Cho/Cr 水平均高于HC 組，從而認為雙側額葉NAA 和右側額葉Cho 均可能與PI 的發病機制有關[7]。氫質子磁共振波譜成像(proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)能夠無創傷測定活體特定組織區域神經生化物質的濃度。因此，為填補此空白，本研究采用多體素1H-MRS技術半定量研究未經藥物治療的PI患者雙側丘腦、海馬和殼核區NAA、Cho和Cr濃度，用以探討PI的發病機制，為PI的機制研究補充內容。

1 資料與方法

1.1 研究對象

連續性納入2018 年6 月至2021 年6 月就診于甘肅省睡眠醫學中心的PI 患者和廣告招募的PI 患者，并通過廣告招募年齡、性別匹配的健康志愿者作為對照組，保證2組成員無血緣關系。所有受試者第一天22:00 由同一個專業睡眠技師進行多導睡眠監測(polysomnography，PSG)，次日7:00 結束，第二天22:00行顱腦1H-MRS掃描。

PI組納入標準：(1)符合《美國精神障礙診斷與統計手冊》第5版的PI 診斷標準[1]；(2)小學以上文化，漢族，右利手；(3)年齡18～65 歲。HC 組 納 入 標 準：(1)睡眠質量良好，近2 周內無熬夜；(2)小學以上文化，漢族，右利手；(3)年齡18～65 歲。排除標準(兩組均適用)：(1)由于其他精神障礙以及酒精或藥物、毒物等引起的繼發性失眠；(2)伴有嚴重軀體疾病患者；(3)近期遭受重大心理刺激應激性失眠者；(4) PSG監測結果顯示主觀性失眠患者；(5) 呼吸暫停低氧指數(apnea hypopnea index，AHI)＞15者；(6)頭部外傷史者。

對所有受試者的睡眠質量及情緒障礙等進行以下量表評估：(1)匹茲堡睡眠質量指數量表(Pittsburgh Sleep Quality Index，PSQI)；(2)失眠嚴重程度指數量表(Insomnia Severity Index，ISI)；(3)狀態-特質焦慮量表(State-Trait Anxiety Inventory，STAI)；(4)貝克抑郁量表(Beck Depression Inventory，BDI)。

本研究為前瞻性研究，經由甘肅省人民醫院院倫理委員會批準(批準文號：sy1120150043)，且所有受試者均簽署了知情同意書。

1.2 研究方法

PSG 監測、分圖及各項數據計算方法：睡眠監測使用多導睡眠監測記錄儀(Alice5 型，美國飛利浦公司)，由接受過專業培訓的睡眠技師連接導聯并分圖，睡眠分期按照美國睡眠醫學會頒布的《睡眠及其相關事件判讀手冊(2.3 版)》[8]的標準執行。其中，總睡眠時間(total sleep time，TST)=臥床時間-總醒覺時間；睡眠潛伏時間(sleep latency，SL)=(入睡記錄幀-熄燈記錄幀)/2；睡眠效率(sleep efficiency，SE)=(總睡眠時間/臥床時間)×100；腦電覺醒反應指數(EEG Arousal Response Index，ArI)=腦電覺醒反應總數×60/總睡眠時間；各期睡眠百分比(N1、N2、N3、REM%)=(N1、N2、N3、REM 期睡眠時間/總睡眠時間)×100。

1H-MRS 數據采集：所有受試者安排睡眠監測次 日22:00 進 行1H-MRS 掃 描，采 用3.0 T 磁 共 振(MAGNETOMSkyra，Siemens Healthcare，Erlangen，Germany)進行多體素2D1H-MRS掃描。掃描時受試者靜息閉眼但保持清醒。選擇丘腦、海馬、殼核為感興趣區(圖1)。所有操作采用雙盲設計，操作醫師/審核醫師及志愿者均不清楚當前掃描志愿者所入的組別。所有掃描由同一名經驗豐富的影像科主治醫師操作，掃描后由同一名影像科副主任醫師審核。成像參數：頻率編碼方向A/P；發射頻率10；相位10；層厚10 mm；間隔10 mm；視野為24 cm×24 cm；TR/TE為1000 ms/144 ms；矩 陣18×18。掃 描 時 間5 min 28 s。

圖1 1H-MRS掃描區域。1A:丘腦；1B：海馬區；1C：殼核區。Fig.1 1H-MRS scanning area.1A:thalamus;1B:hippocampus area;1C:putamen area.

MRS 數據分析：使用美國通用公司ADW 4.5 工作站Functool 軟件進行后處理，測定代謝物NAA、Cho和Cr的相對水平，并計算NAA/Cr和Cho/Cr比值。

1.3 統計分析

運用IBM SPSS 21.0 統計軟件進行統計分析。P＜0.05 為有統計學意義。將測量到的波譜數據(定量資料)進行正態性及方差齊性檢驗。對本研究中所有量表得分、PSG 數據和丘腦、海馬、殼核區NAA、Cr、Cho、NAA/Cr、Cho/Cr 數據分析，若滿足正態性及方差齊性，則PI 組和HC 組間比較采用獨立樣本t檢驗。若不滿足正態性及方差齊性，則使用Wilcoxon 秩和檢驗進行數據分析。檢驗水準α=0.05，雙側檢驗。NAA、Cr、Cho、NAA/Cr、Cho/Cr 和PSQI、ISI、狀態焦慮量表(State Anxiety Inventory，SAI)、特質焦慮量表(Trait Anxiety Inventory，TAI)、BDI 評分相關性，以及和PSG 數據的相關性采用Pearson 相關分析。相關系數r 絕對值越大，相關性越強，相關強度范圍：0.8≤|r|＜1.0 時極強相關，0.6≤|r|＜0.8 時較強相關，0.4≤|r|＜0.6時中等相關，0.2≤|r|＜0.4時較弱相關，0≤|r|＜0.2極弱相關或無相關。

2 結果

2.1 基線數據

數據處理時PI 組2 人、HC 組1 人因MRS 掃描時部分數據缺失而剔除，最終收集PI組38人，HC組39人，PI 組與HC 組年齡、性別、BMI 相比較，差異無統計學意義(P＞0.05)；ISI、PSQI、BDI、TAI、SAI 量表評分差異有統計學意義(P＜0.05) (表1)。

表1 PI組和HC組基線資料Tab.1 Baseline data of PI group and HC group

2.2 PI患者睡眠特點

PI患者存在入睡困難[SL=(92.87±45.82) min]，總睡眠時間少[TST=(282.07±47.13) min]，睡眠效率低 下(SE=52.24%±8.73%)，夜 間 反 復 覺 醒[ArI=(13.91±5.84) 次/h]。

2.3 1H-MRS掃描結果

2.3.1 丘腦1H-MRS掃描結果

PI 組左側丘腦Cr、Cho 值及右側丘腦Cho 值高于HC組(P＜0.05)，均表現為濃度高于正常組；而雙側丘腦NAA、NAA/Cr、Cho/Cr 值以及右側丘腦Cr 值差異無統計學意義(P＞0.05) (表2)。

表2 丘腦1H-MRS掃描結果Tab.2 1H-MRS scan results of thalamus

2.3.2 海馬區1H-MRS掃描結果

與HC 組相比，PI 組雙側海馬NAA、Cr、Cho、NAA/Cr、Cho/Cr值差異無統計學意義(P＞0.05) (表3)。

表3 海馬區1H-MRS掃描結果Tab.3 Hippocampal 1 H-MRS scan results

2.3.3 殼核區1H-MRS掃描結果

與HC 組相比，PI 組雙側殼核NAA、Cr、Cho、NAA/Cr、Cho/Cr值差異無統計學意義(P＞0.05) (表4)。

表4 殼核區1H-MRS掃描結果Tab.4 Putamen 1H-MRS scan results

2.4 大腦各區域與睡眠的相關性分析

（1）丘腦代謝與睡眠：失眠患者左側丘腦NAA 值與TST、SE%負相關(r=-0.384，P=0.017)，左側丘腦NAA/Cr 值與REM%呈負相關(r=-0.387，P=0.016)，右側丘腦Cho/Cr 值與SL 呈正相關(r=0.380，P=0.019)，丘腦NAA、Cr、Cho、NAA/Cr、Cho/Cr值與各量表評分未見明顯相關。

（2）海馬代謝與睡眠：失眠患者左側海馬Cho 值與ArI 呈正相關(r=0.348，P=0.044)；右側海馬Cho 值(r=-0.334，P=0.047)、Cr 值(r=-0.445，P=0.007)與BDI評分呈負相關。

（3）殼核代謝與睡眠：失眠患者左側殼核NAA 值與N3%呈正相關(r=0.340，P=0.037)；左側殼核Cr 值與TAI 呈正相關(r=0.447，P=0.005)；左側殼核NAA/Cr值與N1%(r=-0.344，P=0.047)、TAI評分(r=-0.521，P=0.001)、SAI 評分(r=-0.400，P=0.013)呈負相關；左側殼核Cho/Cr 與TAI 評分(r=-0.527，P=0.001)、SAI評分(r=-0.434，P=0.007)呈負相關。

3 討論

本研究使用1H-MRS 技術對38 名PI 患者和39 名HC 志愿者進行丘腦、海馬區、殼核區掃描，結果顯示：丘腦Cho 濃度PI 組左右兩側均高于HC 組；左側丘腦Cr濃度PI組高于HC組。而海馬及殼核NAA、Cr、Cho、NAA/Cr、Cho/Cr 未見明顯差異。目前國內外無類似丘腦、海馬及殼核的代謝研究。本研究進一步對PI患者丘腦、海馬、殼核各腦區代謝物NAA、Cr、Cho 及NAA/Cr、Cho/Cr 與睡眠監測相關參數及各量表評分進行相關性分析。結果發現：PI 患者PSG 監測SE%低者丘腦NAA 濃度高，REM%低者左側丘腦NAA/Cr 越高，N3%多者左側殼核NAA 濃度高，N1%少者左側殼核NAA/Cr 高，SE%高者右側Cho/Cr 越高，PSG 監測顯示睡眠質量較好者右側丘腦NAA/Cr 越高，夜間ArI 高者左側海馬Cho 濃度高，BDI 低者右側海馬Cho、Cr 濃度越高，TAI高者左側殼核Cr濃度高，SAI及TAI低者左側殼核NAA/Cr、Cho/Cr 高。組間差異的參數與失眠各量表評分及PSG 睡眠參數未見明顯的相關性。因此認為，丘腦和殼核區域代謝物水平與睡眠結構有相關性；殼核和海馬區域代謝物水平與失眠患者情緒相關性更明顯。

3.1 PI患者大腦代謝特點

由于PI 發病率很高，加上急性失眠能達到50%[9]，失眠會導致社交活動減少[10]，認知能力(如記憶力、注意力和定向力)出現缺陷[11-12]，甚至引起重大安全事故，對全球經濟造成巨大的損失，因此失眠得到國內外學者的重視。眾多學者應用神經影像技術對PI 患者的皮質[13]等各腦區代謝物及功能連接[14-16]等進行研究，結果顯示失眠患者某些腦區結構(尾狀核、伏隔核、后殼核、海馬、丘腦和杏仁核區域等[17])、功能、代謝等出現異常。其中大部分代謝物研究集中在額葉和枕葉的γ-氨基丁酸(Gamma-aminobutyric acid，GABA)，而結果對于GABA 升高和降低并不統一[18-22]。國內學者采用GE 1.5 T Signa HD MR 對所有研究對象額葉及海馬進行頭顱磁共振波譜掃描，結果發現，PI患者左、右兩側額葉NAA/Cr水平均低于正常HC 組；右側額葉Cho、Cho/Cr 水平均高于HC 組，從而認為雙側額葉NAA 和右側額葉Cho 均可能與PI的發病機制有關[7]。本研究發現PI 患者睡眠分期及睡眠效率等與丘腦區域代謝物Cho 及Cr 相關性明顯，提示PI患者丘腦Cho及Cr代謝紊亂。

3.2 PI患者情緒與大腦代謝的關系

臨床中顯見，長期失眠患者都伴隨明顯的情緒障礙。而情緒調節與丘腦、海馬區密切相關，丘腦更是睡眠-覺醒障礙病理生理的主要區域[2]，背側紋狀體由尾狀核和殼核組成，其與丘腦緊密相連，是調節睡眠-覺醒的關鍵結構[23]。大鼠睡眠剝奪后海馬神經元發生抑制[24]。PI 患者的海馬灰質體積顯著減少，也有研究發現兩組腦區海馬體積無差異[25]。睡眠障礙患者存在大腦代謝異常[26]，大腦代謝與情緒以及認知之間存在相關性[27-28]。本研究發現：PI患者焦慮抑郁等情緒與海馬和殼核區域的代謝有一定相關性。

因此本文得出結論：PI 患者丘腦Cho 及Cr 代謝紊亂，客觀睡眠影響丘腦區域代謝，而患者情緒障礙主要影響到海馬和殼核區域的代謝。

作者利益沖突聲明：全部作者均申明無利益沖突。