基于動態(tài)低頻振幅方法的腹瀉型腸易激綜合征患者腦功能時間變異性研究

溫馨，陳杰，廖晨希，鄭倩華，李瑛

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)是最常見的功能性胃腸道疾病之一。流行病學顯示，IBS影響全球約11%的人口[1]。其癥狀主要表現(xiàn)為腹痛、腹脹以及大便頻率和大便性狀的改變，目前臨床上主要基于癥狀進行診斷、分型，缺乏特異性的診斷指標及療效評價指標[2]。IBS可分為便秘型、腹瀉型、混合型和不定型4個亞型。其中，腹瀉型腸易激綜合征(irritable bowel syndrome with diarrhea，IBS-D)是最常見的亞型，約占所有IBS患者的40%，其生活質(zhì)量明顯低于其他亞型[3]。IBS-D的病因和發(fā)病機制復雜，涉及從腸到腦的各個層面，其發(fā)病的中樞機制尚不完全清楚。因此，研究IBS-D患者的腦功能活動有助于從中樞層面深入了解IBS-D的發(fā)病機制、促進臨床診療水平的進步。

靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是探索靜息狀態(tài)下腦功能活動的重要技術之一，國內(nèi)外學者基于該技術對IBS-D患者的自發(fā)神經(jīng)活動進行了研究。Chen等[4]采用局部一致性(regional homogeneity，ReHo)和低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)分析方法，發(fā)現(xiàn)IBS-D患者雙側(cè)額上回和右側(cè)中央后回等腦區(qū)的ReHo 值增加，左側(cè)眶額回和右側(cè)輔助運動區(qū)的ReHo 值降低；右側(cè)島葉和右側(cè)海馬等腦區(qū)ALFF 值降低，而右側(cè)中央后回和右側(cè)額上回等腦區(qū)ALFF值升高。Ao等[5]采用比率低頻振幅方法(fractional amplitude of low-frequency fluctuation，fALFF)，發(fā)現(xiàn)IBS-D 患者左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回的fALFF 值降低，左側(cè)海馬和右側(cè)楔前葉fALFF值升高，且癥狀持續(xù)時間評分與右側(cè)楔前葉fALFF 值呈正相關。以上研究表明，IBS-D 患者與疼痛、情緒調(diào)節(jié)和軀體感覺相關的腦區(qū)自發(fā)神經(jīng)活動存在異常。然而，這些研究使用的是靜態(tài)分析方法，假設大腦的BOLD信號是持續(xù)不變的，缺少對自發(fā)神經(jīng)活動動態(tài)特性的關注。實際上，大腦的自發(fā)神經(jīng)活動是隨著時間的推移而變化的[6]。因此，運用動態(tài)分析方法可捕獲一些靜態(tài)分析方法無法獲得的自發(fā)神經(jīng)活動。動態(tài)低頻振幅(dynamic amplitude of low-frequency fluctuation，dALFF)是分析隨時間變化的自發(fā)神經(jīng)活動的重要方法之一，已被廣泛應用于抑郁、焦慮等情緒相關疾病的研究中[7]。Cui 等[8]的研究表明，dALFF 變異性有助于更準確地區(qū)分焦慮癥患者與健康對照者。Li 等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，抑郁癥中dALFF變異性可用于預測患者的自殺傾向。目前，尚缺乏IBS-D患者自發(fā)神經(jīng)活動動態(tài)特征的研究，并且IBS-D也是一種與情緒變化緊密相關的疾病。因此，有必要基于動態(tài)分析方法來探索IBS-D 患者的腦功能異常動態(tài)特征，加深對IBS-D 神經(jīng)病理學機制的理解。

綜上所述，本研究提出研究假說，IBS-D 患者靜息狀態(tài)下的自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性與健康人相比可能存在差異，dALFF 可能會捕獲一些靜態(tài)分析方法無法獲得的異常腦功能活動，并且這種異常的時間變異性可能與IBS-D的臨床癥狀相關。因此，本研究以IBS-D 患者為研究對象，擬通過dALFF 分析方法探索IBS-D患者與健康人的自發(fā)神經(jīng)活動動態(tài)差異，并進行相關性分析以確定改變的dALFF 值與IBS-D患者臨床癥狀的相關性。旨在對既往基于靜態(tài)分析方法的研究進行補充，豐富對IBS-D病理生理機制的認識，為IBS-D 研究提供新的見解，也為IBS-D 的臨床診斷和療效評價提供更加全面的參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性研究，2021年7月至2021年12月從成都中醫(yī)藥大學及其附屬醫(yī)院招募IBS-D患者及與之年齡、受教育程度匹配的健康對照者(healthy controls，HC)。共納入IBS-D 患者24 例，男17 例，女7例，年齡(27.42±5.45)歲；HC 20例，男10例，女10例，年齡(26.05±3.02)歲。本研究已通過成都中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院倫理委員會批準(倫理審批號：2021KL 007)。所有受試者均簽署知情同意書，自愿參加本項研究。

1.1.1 IBS-D組

納入標準：(1)符合羅馬Ⅳ腹瀉型腸易激綜合征亞型診斷標準，診斷前相關癥狀需出現(xiàn)至少6 個月，且近3 個月符合診斷標準；(2) 18 歲≤年齡≤50 歲，右利手，男女不限；(3)近2周排便日記Bristol糞便性狀6型或7型至少4天，且1型或2型少于4天；(4) 2周內(nèi)未服用對腸易激綜合征癥狀有治療作用的藥物；(5)右利手，體內(nèi)無金屬植入物，無功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)掃描禁忌。排除標準：(1)炎性腸病/顯微鏡下結(jié)腸炎/乳糜瀉等器質(zhì)性腸病患者；(2)糖尿病、甲狀腺功能異常者；(3)患有嚴重的急/慢性器質(zhì)性疾病及腎病或肝病者；(4)孕期或哺乳期婦女；(5)有酒精、藥物濫用史者。

所有IBS-D患者在掃描前均需填寫腹痛視覺模擬評分量表(Visual Analogue Scale，VAS)[10]評估腹痛嚴重程度，IBS 癥狀嚴重程度量表[11](irritable bowel syndrome symptom severity scale，IBS-SSS)評估病情嚴重程度，IBS專用生活質(zhì)量測試問卷[12](irritable bowel syndrome quality of life questionnaire，IBS-QOL)評估患者生活質(zhì)量。腹痛程度通過患者每日填寫的排便日記卡上的VAS 評分進行評價并計算每周腹痛平均值。具體方法為在一條長十厘米的橫線上做出標記，橫線兩端分別注明0 分和10 分，代表無痛和最嚴重的腹痛。IBS-SSS 量表對病情程度和病情改變情況的評價較為全面和直觀。包括條目如下：腹痛程度、腹痛天數(shù)、腹脹程度、排便滿意度、對患者生活干擾程度。每個條目100 積分，總計500 分。計算方法為各個條目的分數(shù)相加，分數(shù)越高提示病情越重。IBS-QOL 量表由八個維度組成，每個條目分別計1、2、3、4、5分，最后將每個維度的得分通過公式進行換算，分數(shù)與患者整體生活質(zhì)量成正比。

1.1.2 HC組

納入標準：(1) 18 歲≤年齡≤50 歲，右利手，男女不限；(2)納入該研究前1 年無腹痛、腹脹、排便頻率及大便性狀改變等癥狀；(3)無器質(zhì)性或功能性消化道疾病，且無具有臨床意義的生理指標改變。排除標準：(1)有fMRI 檢查禁忌證者；(2)有酒精、藥物濫用史者；(3)存在神經(jīng)性癥狀或精神疾病者；(4)孕期或哺乳期婦女。

1.2 rs-fMRI掃描

所有受試者均在成都中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院核磁共振室GE MR750 3.0 T 成像系統(tǒng)下完成rs-fMRI 數(shù)據(jù)采集，由同一名具有5年以上臨床經(jīng)驗的影像科主治醫(yī)師完成操作。掃描前，受試者戴好防噪耳塞，以降低掃描過程中噪音的干擾。采用32通道靶線圈固定頭部。并囑咐受試者全身放松、自然呼吸，盡量保持頭部固定不動，如有任何不適癥狀而無法繼續(xù)掃描時可使用手中緊急報警器通知操作者。采用梯度回波單次激發(fā)平面回波成像。掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 30 ms，視野240 mm×240 mm，層厚4 mm，層數(shù)40，矩陣64×64，翻轉(zhuǎn)角90°，共240 個時間點，掃描耗時約8 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

1.3.1 數(shù)據(jù)預處理

使用MRIcron 軟件(https://www.nitrc.org/projects/mricron/)檢查原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，剔除具有較大質(zhì)量問題的圖像后(如偽影和缺損)，將圖像導入dcm2nii 程序，并將其從DICOM 格式轉(zhuǎn)換為NII 格式進行分析。然后在Matlab 平臺上(r2015b，美國MathWorks 公司)使用DPABI (V4.3，http://rfmri.org/dpabi)軟件包對rs-fMRI圖像進行預處理。數(shù)據(jù)預處理流程如下：(1)去除前10 個時間點；(2)時間層校正；(3)空間校正：所有被試的最大頭動小于3 mm 或者3°，IBS-D患者和HC之間的平均頭動差異無統(tǒng)計學意義，采用雙樣本t檢驗，P=0.102；(4)配準到蒙特利爾神經(jīng)研究所解剖模板(Montreal Neurological Institute，MNI)并重新采樣至3 mm×3 mm×3 mm；(5)采用半高全寬6 mm 的高斯平滑核進行空間平滑處理；(6)回歸白質(zhì)、腦脊液信號以及24 頭動參數(shù)；(7)濾波(0.01～0.1 Hz)：去除受試者因呼吸和心跳等生理情況產(chǎn)生的低頻噪聲和系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的高頻噪聲。

1.3.2 dALFF的計算

使用Matlab (r2015b，美國MathWorks公司)平臺的Dynamic BC 工具包(V2.2，http://restfmri.net/DynamicBC)[13]進行dALFF的計算。參考同類研究[14-15]，50 TR的窗寬可能是在捕捉快速變化的動態(tài)關系和獲得區(qū)域相關性的可靠估計之間保持平衡的最佳參數(shù)。因此，本研究選擇的窗寬為50 TRs (100 s)，步長為5 TRs (10 s)。我們對每個被試計算了每個窗下的ALFF，接著計算每個體素在所有窗下ALFF值的方差獲得了每個體素ALFF值的變異性。最后，利用雙樣本t檢驗計算了病人和健康對照dALFF變異性的差異。

1.3.3 統(tǒng)計學分析

本研究使用SPSS 25.0進行統(tǒng)計分析。(1)一般資料：計量資料符合正態(tài)分布的用均數(shù)±標準差表示，組間比較采用雙樣本t檢驗；不符合正態(tài)分布的用中位數(shù)±四分位數(shù)表示，組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗。計數(shù)資料采用卡方檢驗。(2) rs-fMRI 數(shù)據(jù)：在IBD-D和HC組中，對每個受試者體素的dALFF 變異性值進行平均，以獲得dALFF 變異性分布，然后采用雙樣本t檢驗來評估兩組之間dALFF 變異性的組間差異(AlphaSim 校正，校正采用DPABI，閾值設置為voxelP＜0.01，cluster size＞65)。

2 結(jié)果

按照頭動排除標準，排除2 例健康對照者，最終納入24例IBS-D患者及20例健康對照者進行分析。

2.1 基本資料

IBS-D組與HC組基本資料比較，見表1。

表1 IBS-D組與HC組基本資料比較Tab.1 Comparison of general data between IBS-D group and HC group

2.2 dALFF變異性差異

與HC 組相比，IBS-D 組患者左側(cè)小腦(t=3.95)及右側(cè)殼核(t=3.13) dALFF 變異性增高(Alphasim 校正，P＜0.01)。腦區(qū)是根據(jù)解剖自動標記模板進行描述。結(jié)果見表2及圖1。

表2 兩組間dALFF變異性差異Tab.2 Brain regions showing differences in dynamic ALFF between groups

圖1 IBS-D 組-對照組dALFF 比較結(jié)果。紅色區(qū)域為與對照組相比，IBS-D 患者左側(cè)小腦和右側(cè)殼核的dALFF 升高。注：IBS-D：腹瀉型腸易激綜合征；dALFF：動態(tài)低頻振幅值。Fig. 1 Significant differences in dALFF betwwen IBS-D patients and healthy controls. Compared with controls, IBS-D patients exhibited increased dALFF value in left cerebellum and right putamen. Note: IBS-D: irritable bowel syndrome with diarrhea; dALFF:dynamic amplitude of low-frequency fluctuation.

2.3 相關性分析

dALFF 變異性與IBS-D 患者臨床指標的相關性結(jié)果顯示，IBS-D患者右側(cè)殼核的dALFF變異性與腹痛分數(shù)呈邊緣正相關(r=0.398，P=0.054)，具體見圖2。而左側(cè)小腦dALFF變異性與腹痛分數(shù)(r=-0.027，P=0.902)、IBS-SSS (r=0.022，P=0.921)和IBS-QOL (r=-0.046，P=0.839)無顯著相關。右側(cè)殼核dALFF變異性與IBS-SSS(r=0.246，P=0.259)和IBS-QOL (r=-0.245，P=0.272)無顯著相關。

圖2 IBS-D患者右側(cè)殼核與腹痛視覺模擬分數(shù)的相關性。Fig. 2 The correlation analysis result of the right putamen and VAS scores.

3 討論

dALFF 分析方法通過能量消耗的可變性反映了大腦自發(fā)活動的可塑性和靈活性[16]。本研究創(chuàng)新性地使用dALFF 分析法探索IBS-D 患者局部腦功能活動的動態(tài)特征。研究結(jié)果表明，與健康受試者相比，IBS-D 患者組左側(cè)小腦和右側(cè)殼核的dALFF 值升高。表明這兩個腦區(qū)出現(xiàn)大腦局部自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性異常。

3.1 IBS-D患者自發(fā)神經(jīng)活動時間變異性異常腦區(qū)

(1)小腦本研究中，IBS-D患者組左側(cè)小腦自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性明顯升高。小腦是調(diào)節(jié)情緒和運動功能的腦網(wǎng)絡的一部分，可參與情緒調(diào)節(jié)、疼痛感知和處理[17]。在情緒調(diào)節(jié)方面，小腦是皮質(zhì)-皮質(zhì)下網(wǎng)絡中情緒感知和傳導的關鍵中樞，與邊緣系統(tǒng)、前額葉皮層有廣泛的聯(lián)系，因此為小腦參與情緒和情感行為提供了解剖學基礎[18]。小腦可接受內(nèi)臟傳入信息，所以IBS-D患者腸道功能異常信息可能通過小腦匯聚至邊緣系統(tǒng)和前額葉皮層，進而引起患者情緒失調(diào)。在疼痛處理方面，小腦是疼痛機制的組成部分之一，可通過與大腦皮層的纖維連接向上傳遞疼痛信息，并通過影響腦干傷害性感受的下行抑制通路參與痛覺調(diào)節(jié)[19-20]。Rosenberger等[21]發(fā)現(xiàn)，IBS 患者小腦前葉和小腦后葉都包含疼痛處理相關的區(qū)域。因此，IBS-D 常伴隨的抑郁、焦慮情緒和腹痛癥狀都可通過小腦自發(fā)神經(jīng)活動反映出來。

(2)殼核本研究亦發(fā)現(xiàn)右側(cè)殼核自發(fā)神經(jīng)活動變異性地增加。殼核是基底神經(jīng)節(jié)-丘腦-皮質(zhì)回路的重要節(jié)點，可向基底神經(jīng)節(jié)其他區(qū)域發(fā)送信息以調(diào)節(jié)各種活動，并能接收大腦皮層的信息，在軀體疼痛處理、疼痛相關的運動反應、記憶和學習行為中發(fā)揮重要作用[22-23]。Song等[24]發(fā)現(xiàn)基底神經(jīng)節(jié)在IBS腹痛中發(fā)揮重要作用，可調(diào)節(jié)內(nèi)源性疼痛的抑制機制。而Bingel 等[25]的研究表明在急性和慢性疼痛時殼核會被激活。本研究則發(fā)現(xiàn)了殼核與IBS-D 腹痛癥狀的相關性。

在以往研究中，Chen等[4]研究發(fā)現(xiàn)IBS-D患者右側(cè)小腦后葉的自發(fā)神經(jīng)活動較健康人增高。Zheng等[26]發(fā)現(xiàn)抑郁患者小腦-丘腦-皮質(zhì)回路的自發(fā)神經(jīng)活動異常，小腦-丘腦-皮質(zhì)回路與情緒及認知功能有關。其情緒障礙與IBS-D 患者存在的抑郁情緒有相似性。Erdeniz等[27]發(fā)現(xiàn)殼核相關的腦網(wǎng)絡功能異常與認知障礙相關。一項納入了335 名IBS 患者的系統(tǒng)評價表明，IBS 患者右側(cè)殼核局部自發(fā)神經(jīng)活動異常[28]。Labus 等[29]應用圖論，比較了IBS 患者和HC 大規(guī)模結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡的整體和局部特征，發(fā)現(xiàn)女性IBS患者殼核中灰質(zhì)體積較健康人低。這些研究均在一定程度上反映了IBS-D患者腦功能活動的特征，表明小腦和殼核與IBS-D可能存在潛在關聯(lián)，但他們應用的分析方法都是靜態(tài)的，忽略了大腦內(nèi)在神經(jīng)活動的動態(tài)特征，即大腦會根據(jù)內(nèi)外部刺激在多個時間尺度上不斷調(diào)整[30-31]，存在一定局限性。本研究運用動態(tài)分析方法來捕捉大腦內(nèi)在神經(jīng)活動的動態(tài)特征，有助于更加準確、全面地反映IBS-D患者大腦功能活動狀態(tài)，是靜態(tài)分析方法的有力補充。

3.2 自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性與臨床癥狀相關性分析

本研究結(jié)果顯示，IBS-D 患者右側(cè)殼核的自發(fā)神經(jīng)活動時間變異性與IBS-D 患者的腹痛程度呈正相關。說明右側(cè)殼核可能參與了IBS-D的發(fā)生發(fā)展，且與患者的腹痛密切相關。右側(cè)殼核的自發(fā)神經(jīng)活動隨時間變化而產(chǎn)生的改變也可能是IBS-D 腹痛的繼發(fā)性結(jié)果。腹痛是診斷IBS-D 的重要癥狀，大多數(shù)IBS 患者存在內(nèi)臟感覺異常、疼痛閾值降低。異常的dALFF 僅與患者腹痛相關，與IBS-SSS、IBS-QOL 無顯著相關。可能是因為IBS-SSS 和IBS-QOL 的評價維度較多，患者的整體癥狀涉及到腦網(wǎng)絡功能，與多個腦區(qū)功能整合相關。

3.3 不足與展望

本研究還存在一些不足：(1)研究中的樣本量相對較小，今后的研究需增大樣本量進行驗證和比較，可在大樣本的基礎上進行分層研究。(2)采用的是50 TR 的窗寬來計算局部大腦活動的動態(tài)，其他窗寬可能會顯示不同的模式結(jié)果，可進一步進行驗證分析。(3)目前的研究結(jié)果是橫斷面的，需要縱向研究來深入挖掘IBS-D患者自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性，下一步研究可納入治療后的IBS-D患者進行分析。

綜上所述，本研究創(chuàng)新性地利用dALFF方法分析了IBS-D 患者自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性。結(jié)果表明，IBS-D 患者的左側(cè)小腦、右側(cè)殼核自發(fā)神經(jīng)活動的時間變異性增加，兩者的改變與情緒異常，疼痛感受有著密切聯(lián)系。這和IBS-D 患者表現(xiàn)出的臨床癥狀所對應，即患者存在情緒異常(如抑郁)與腹痛癥狀。此外，右側(cè)殼核自發(fā)神經(jīng)活動時間變異性與IBS-D 患者腹痛程度呈正相關，說明殼核可能是調(diào)控IBS-D 患者腹痛的主要腦區(qū)，這有助于為以后IBS-D腹痛相關機制研究提供方向。總之，本研究利用新的分析方法為IBS-D的病理生理機制提供了新認識，希望能為IBS-D的臨床診療提供一定參考。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。