基于靜息態功能磁共振成像的創傷性腦損傷患者功能連接研究

范夏冰，楊利，張和華，李章勇，王偉

1. 重慶郵電大學 生物信息學院，重慶 400065；2. 陸軍軍醫大學大坪醫院 醫學工程科，重慶 400042

引言

近年來創傷性腦損傷（Traumatic Brain Injury，TBI）死亡率逐漸增高，成為一個世界性公共衛生問題。據估計，全世界每年有6900萬人患有持續性腦外傷，其發病率超過某些更復雜的疾病如乳腺癌等[1]。美國疾病控制與預防中心發現2019年全球TBI關聯死亡人數為61000人[2]。TBI患者通常伴有長期后遺癥，包括身體、認知、情感和行為癥狀，如頭痛、疲勞、易怒和失眠等[3]。大部分患者的癥狀在三個月內會有所緩解，而某些后遺癥會持續超過一年。然而，對于這些后遺癥的潛在病理生理學仍然知之甚少。靜息態功能磁共振成像（Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging，rs-fMRI）用于評估TBI患者的皮質功能，提供對損傷后皮質功能的長期觀察，對神經功能恢復有重要意義[4]。

關于rs-fMRI研究表明，TBI患者的默認模式網絡（Default Model Network，DMN）中功能連接降低，其他靜息狀態網絡（包括額頂葉和運動網絡）中存在異常的功能連接，隨著大腦功能恢復其功能連通性會改善[5-6]。DMN被廣泛認為其負責維持自我意識、內省和自發認知等系列高階認知過程[7]。執行控制網絡（Executive Control Network，CN）主要包括背外側前額葉皮層、前扣帶回皮層和后扣帶回皮層等，涉及參與目標導向的行動和抑制過程、情緒和知覺等。DMN中的自發血氧活動與執行控制網絡（Executive Control Network，ECN）呈負相關，且相關證據顯示這些網絡之間的動態交互有助于維持或恢復意識[8]。了解DMN與ECN的反相關性在意識早期恢復中的作用對于確定新的治療靶點和制定預后措施有重要意義[9]。目前對于TBI患者DMN 與ECN反相關性研究，大多為橫斷面設計，主要關注急性、慢性TBI患者功能連接改變、腦區平均灰質體積改變等[10-11]。雖然有縱向研究報告TBI患者在損傷后恢復數月至2年期間，其功能連接性、灰質體積等發生了變化[6]，但仍需要系統性、前瞻性的縱向研究，以便更好地了解TBI恢復的動態特性。

功能連接是通過線性時間相關性在兩個感興趣腦區之間建立連接[12]，本文擬采用基于種子點的功能連接方法，研究TBI后一年恢復期內的不同時間點（3、6和12個月），DMN和ECN兩個靜息態腦網絡內和網絡間的功能連接隨時間的變化，以期揭示TBI認知可塑性的相關機制。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

被試數據來自公共數據集[13]，包括14例TBI患者和12例年齡、性別與之匹配的正常對照（Healthy Controls，HC），具體信息如表1所示。所有被試均無相關神經系統病史，沒有藥物和酒精成癮史，無鎮靜劑使用史，沒有肝、腎功能衰竭等病史，沒有MRI檢查禁忌證。如果患者有其他伴隨損傷（例如骨科損傷或脊髓損傷），導致患者在MRI環境中很難保持靜止，則排除患者。數據采集和后續研究都得到了賓夕法尼亞州立大學研究保護辦公室的批準。具有簽署醫療文件或獨立判斷能力的被試都簽署了知情同意書，存在一定程度認知障礙的被試則由其家屬簽署。TBI患者在外傷后大約3、6和12個月（session-1，session-2和session-3）各做了一次rs-fMRI掃描檢查，格拉斯哥昏迷評分（Glasgow Coma Scale，GCS）用于評價患者的TBI嚴重程度。GCS是醫學上評估患者昏迷程度的方法，得分值越高，意識狀態越好，已被證明是判斷顱腦損傷嚴重程度和死亡率的良好預后指標[14]。本研究中TBI患者的GCS評分平均值在7.92左右，即為中度TBI患者。

表1 TBI組與HC組的一般臨床資料比較

1.2 方法

1.2.1 數據采集

TBI患者在3、6和12個月進行一次rs-fMRI掃描，其中1個TBI被試和6個正常被試使用Philips Achieva 3 T掃描儀進行掃描，另外13個TBI被試和6個正常被試使用西門子Magnetom Trio 3 T掃描儀，TBI病例和HC組分開接受掃描，掃描前充分告知被試保持靜止，以減少頭動的影響。以1.0 mm的各向同性空間分辨率采集大腦的高分辨率T1加權解剖圖像，即結構像。使用回波平面成像（Echo Planar Imaging，EPI）檢查功能成像的血氧水平依賴響應。成像參數為重復時間（Repetition Time，TR）2000 ms，回波時間（Echo Time，TE）30 ms，翻轉角度（Flip Angle，FA）90°，視野（Field of View，FOV）240 mm×240 mm，采集矩陣80×80，層厚4 mm。

1.2.2 預處理

使用SPM對被試的rs-fMRI數據（TBI和HC的每個session為一組）進行預處理。為避免磁場飽和效應，刪除每一組數據的前六個圖像。采用時間層校正糾正數據層之間的時間差，排除頭部平移運動大于3 mm的被試數據，并將所有被試的功能像配準到標準空間，最后使用6 mm的高斯濾波核來平滑功能像并提高圖像信噪比。

1.2.3 獨立成分分析

獨 立 成 分 分 析（Independent Component Analysis，ICA）是一種主要由數據驅動的方法，它已被發現能夠捕捉到fMRI時間進程的復雜性，并產生一致的空間（統計上不同的）成分。ICA方法的優勢在于，獨立分量內所有顯著加權的體素都是高度相關的，可用于識別多個靜息態腦網絡，并進一步量化靜息態腦網絡的功能連接[15]。使用ICA將預處理后的rs-fMRI圖像進行分解。采用“最小描述長度”（Minimum Description Length，MDL）準則，對最佳分解成分數量進行評估。

1.2.4 識別DMN和ECN靜息態腦網絡

本研究采用的DMN與ECN先驗腦網絡模板來自斯坦福大學實驗室[16]。計算DMN與ECN先驗模板與獨立分量之間的空間相關性，選擇空間相關系數最大的分量，作為DMN和ECN靜息態腦網絡。DMN網絡內的功能區域，分別為楔前葉（Precuneus，PREC）、內側前額葉皮層（Medial Prefrontal Cortex，mPFC）、左側角回（Left Angular Gyrus，LAG）、右側角回（Right Angular Gyrus，RAG）。ECN網絡內的功能區域分別為：左側三角部額下回（Left Frontal Inferior Triagle，LF）、左側頂葉（Left Parietal Lobe，LP）、右側三角部額下回（Right Frontal Inferior Triagle，RF）、右側頂葉（Right Parietal Lobe，RP）。選取這8個功能區域作為感興趣區（Region of Interest，ROI），其峰值點坐標具體如表2所示。

表2 DMN和ECN網絡內各ROI的坐標

1.2.5 計算功能連接

對預處理后的功能像進行帶通濾波（0.01～0.08 Hz），以6 mm的球面半徑創建ROI[17]。計算各個ROI的時間序列的皮爾遜相關系數，最后利用Fisherz變換將相關系數轉化為z值，提高正態性[18]。整個過程的流程如圖1所示。

圖1 總體流程圖

1.2.6 統計學分析

對每一組得到的z值進行單樣本t檢驗，得到組內有顯著功能聯通性的腦區（P＜0.05，錯誤發現率校正）。采用雙樣本t檢驗，比較TBI每次掃描（每個session）與HC組間存在顯著功能連接差異的腦區（P＜0.05，錯誤發現率校正）。采用配對t檢驗，得到TBI三次掃描之間存在顯著功能連接差異的腦區（P＜0.05，錯誤發現率校正），探究TBI患者腦功能連接隨時間的變化。

2 結果

2.1 ICA分析結果

通過ICA分析得到HC組、TBI組與先驗模板空間相關性最大的分量。如圖2所示，在HC組中與DMN先驗模板空間相關性最大的分量為第18個成分，與左側執行控制網絡（Left Executive Control Network，LECN）先驗模板空間相關性最大的分量為第17個成分，與右側執行控制網絡（Right Executive Control Network，RECN）空間相關性最大的為第6個成分。在TBI組中與DMN先驗模板空間相關性最大的分量為第17個成分，與LECN先驗模板空間相關性最大的分量為第18個成分，與RECN空間相關性最大的為第4個成分。

圖2 ICA結果

2.2 靜息態腦網絡識別

得到HC組和TBI組的DMN和ECN靜息態腦網絡，其空間分布如圖3所示。

圖3 HC和TBI兩組DMN和ECN空間分布圖

2.3 統計分析

2.3.1 單樣本t檢驗

通過單樣本t檢驗得到有統計學意義的各節點間的功能連接，并計算各節點間功能連接的平均值，結果如表3所示。圖4為HC組和TBI三個階段的功能連接矩陣圖。

圖4 各組功能連接矩陣圖

表3 單樣本t檢驗結果

2.3.2 雙樣本t檢驗

將TBI后三個時期的功能連接值與HC組進行雙樣本t檢驗，分別得到這三組與HC組在DMN內、ECN內、DMN-ECN網絡間的有顯著差異的功能連接，見圖5。

圖5 雙樣本t檢驗結果

在DMN中，TBI-ses1、TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-RAG和mPFC-RAG；TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為mPFC-RAG。在ECN中，TBI-ses1組與HC組有顯著功能連接差異的為LF-LP、LPRF、LP-RP和RF-RP；TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為LP-RF、LP-RP和RF-RP；TBI-ses3組與HC組有顯著功能連接差異的為LP-RF和LP-RP。

DMN-ECN之間，TBI-ses1組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-LP、PREC-RF、mPFC-LP、mPFC-RF、mPFC-RP、LAG-LP、LAG-RF和 RAG-RP；TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-LP、mPFC-LP、LAG-LP和RAG-LP，TBI-ses3組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-LP、LAG-LP和RAG-LP。

圖6為TBI后與HC組比較存在顯著差異的功能連接分布情況，三個時期涉及的LP的功能連接與HC組相比幾乎全部都存在顯著差異。

圖6 TBI三個時期與HC組相比存在的顯著差異分布情況

2.3.3 配對t檢驗

圖7配對t檢驗的結果顯示TBI-ses1到TBI-ses3有四組節點間功能連接的變化有統計學意義，分別為ECN內的LF-RP、RF-RP和DMN-ECN之間的LAG-LP和RAG-RP。

圖7 配對t檢驗結果

3 討論

本研究基于rs-fMRI，分析TBI患者恢復期1年各時期DMN和ECN功能連接情況，發現TBI后1年內患者的大腦功能連通持續異常，并且隨著時間推移變化。

單樣本t檢驗的結果顯示，雖然TBI后大腦功能連接網絡發生了變化，但長達一年的時間里，TBI患者的DMN、ECN這兩個腦網絡功能連接分布幾乎一致（圖4），只是強度發生了一些變化，這說明TBI后DMN與ECN的功能連接異常具有一定規律，這種規律可能解釋TBI后長期存在的后遺癥。

雙樣本t檢驗的結果顯示TBI患者在一年內三個時期與HC組相比，DMN內ROI之間的功能連接值均減小。這驗證了目前的一個普遍共識，TBI后DMN內的功能連通性降低，這可能是由連接該網絡不同節點的白質通路的軸突損傷所致[19]。從圖5b可以看出ECN內的節點間的功能連接值也同樣降低，而ECN對于較高水平的認知和執行功能至關重要，涉及一系列與沖動控制、決策、工作記憶、認知靈活性、錯誤檢測和沖突解決相關的高級過程[20]，這可能解釋了TBI患者恢復期可能出現的易怒、記憶力下降等癥狀。有研究表明DMN與ECN之間存在一種拮抗關系，這種拮抗關系與認知功能相關[21]，圖5中與HC組相比，大部分發生異常變化的功能連接并不存在于DMN與ECN單網絡內部，而是集中于DMN-ECN兩個網絡之間。這可能為TBI后患者出現的認知障礙提供了一種解釋。

圖6為TBI后與HC組的功能連接的顯著差異按時間變化順序排列的情況，本研究首次發現在TBI后3、6和12個月與LP這個節點相關的功能連接均與HC組有顯著差異。而LP與視覺空間任務，語言理解和語言產生有關[22]，LP持續的功能聯通性異常可能會導致患者產生失語癥，這一發現可能能夠為TBI預后及后遺癥的治療提供新思路。另外，人類語言、書寫和閱讀等功能的優勢半球多數為左半球，本研究被試的LP出現持續異常說明了這點。圖6還可以看出TBI后3個月時與HC組相比，有顯著差異的功能連接節點最多，這說明TBI后初期患者大腦的功能聯通情況極差，可能是代償作用的影響，6個月有顯著差異的功能連接在減少；到12個月時，除與LP相關的組，其余與HC組幾乎沒有顯著差異，這可能說明經過一年的恢復后，除LP外，大部分節點間的功能連接都幾乎恢復正常。這再次驗證LP為TBI恢復期的關鍵節點。

從圖7可以看出，TBI后3～6個月，6～12個月這兩個區間DMN和ECN的功能連接情況沒有顯著變化，但比較3個月和12個月的功能連接發現仍有四組節點間的功能連通性發生變化，這說明TBI后，患者恢復期腦內的功能連接并非穩定不變，只是變化相對緩慢。其次我們發現這四組節點分布在ECN內和DMN-ECN之間，這驗證了雙樣本t檢驗的結果，即在TBI后的恢復期ECN確實起到了重要作用。

TBI會導致各種后遺癥，且存在的時間長、影響大。以往的研究往往針對某個單獨腦網絡來進行分析，本研究選擇DMN與ECN兩個腦網絡，探究TBI患者單網絡內和雙網絡間的功能連接變化，并對患者腦損傷后1年內三個時間點的腦網絡功能連接進行縱向比較分析，對TBI患者恢復及后續診療具有一定的意義。但仍存在以下局限性：① 使用公共數據集，被試樣本有待擴充；② 本研究為靜息態下的功能研究，任務態下的功能活動仍值得探討。

4 結論

本研究選擇DMN與ECN兩個與認知功能緊密相關的腦網絡，分析TBI后患者大腦功能連通性變化。發現DMN與ECN雙網絡間的功能連接異常在TBI后恢復期較為明顯，且功能聯通性隨時間推移發生緩慢變化。值得注意的是，本研究發現LP可能是腦損傷恢復期的關鍵節點，對該腦區的深入研究能夠為TBI的預后與后期治療提供新思路。