終末期腎病患者腦區(qū)局部一致性及功能連接改變的fMRI研究

白迪，馬馳，王成健，周彤，王家臣，畢玉珍，任延德*

終末期腎病(end-stage renal disease，ESRD)是指各種慢性腎病的終末階段，患者常伴有多種神經(jīng)系統(tǒng)并發(fā)癥，如急性腦血管病、認(rèn)知功能損傷等，其中認(rèn)知功能損傷以抽象思維和執(zhí)行功能受損為主[1-2]。認(rèn)知功能受損影響患者的生活質(zhì)量及治療的依從性，嚴(yán)重時(shí)患者出現(xiàn)焦慮、抑郁甚至死亡的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加[3]。因此，我們迫切需要了解ESRD患者出現(xiàn)腦損傷背后的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制。

局部一致性(regional homogeneity，ReHo)作為靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)的算法之一，用于量化區(qū)域內(nèi)局部神經(jīng)元活動(dòng)的一致性，已經(jīng)逐漸成為探究ESRD患者認(rèn)知功能損傷的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制的重要工具[4-5]。Li等[4]通過ReHo算法研究發(fā)現(xiàn)ESRD患者出現(xiàn)異常的大腦活動(dòng)主要分布在與記憶和認(rèn)知相關(guān)的皮質(zhì)。雖然ReHo算法可以反映局部大腦神經(jīng)元之間的協(xié)調(diào)和一致性，卻無法評估局部腦活動(dòng)異常是否伴有不同腦區(qū)之間功能整合的損害。功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)通過評估遠(yuǎn)距離體素或感興趣區(qū)域間時(shí)間序列的相關(guān)性，反映大腦不同區(qū)域之間神經(jīng)元活動(dòng)的協(xié)調(diào)和相互作用[6]。Chen等[7]使用ReHo和FC算法發(fā)現(xiàn)ESRD患者在多個(gè)腦區(qū)的ReHo值顯著降低，且與未進(jìn)行血液透析的ESRD患者相比，血液透析患者在某些區(qū)域顯示出更低的ReHo值，區(qū)域間FC增強(qiáng)，提示血液透析患者的功能障礙更嚴(yán)重，腦功能重組更普遍。然而Chen的研究主要集中于評估血液透析對ESRD患者腦功能的影響，并未就ESRD患者出現(xiàn)腦損傷的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制進(jìn)行深入探究。因此，本研究選取ReHo值改變的區(qū)域作為感興趣區(qū)(regions of interest，ROI)進(jìn)行FC分析，探究ESRD患者腦局部神經(jīng)元功能活動(dòng)的變化及其與實(shí)驗(yàn)室檢查之間的相關(guān)性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

選取自2018年8月至2019年12月于青島大學(xué)附屬醫(yī)院腎內(nèi)科收治的終末期腎病患者38例，納入ESRD組。同期在青島市市南區(qū)招募年齡和性別匹配的38例健康志愿者納入健康對照組。本研究通過青島大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批注文號(hào)：QYFYWZLL26750)，所有受試者均已簽署知情同意書。

ESRD組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)經(jīng)青島大學(xué)附屬醫(yī)院確診為慢性腎臟病5期，腎小球?yàn)V過率低于15 mL/(min·1.73 m2)[8]；(2)年齡18～70歲；(3)無磁共振檢查禁忌證、幽閉恐懼癥。

排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)重度腦外傷病史；(2)顱內(nèi)器質(zhì)性病變，如腫瘤、梗死、出血等；(3)腦血管病如腦動(dòng)靜脈畸形、煙霧病等；(4)精神疾病史；(5)藥物濫用史(藥物、乙醇或香煙)；(6)高血壓病、糖尿病、冠心病、心力衰竭、肝腎功能衰竭等嚴(yán)重系統(tǒng)性疾病；(7)對試驗(yàn)不配合或無法有效完成磁共振掃描的受試者。2 名ESRD患者和2 名健康受試者因腔隙性梗死灶被排除，4 名健康受試者因頭動(dòng)幅度較大而被排除。最終，36 名ESRD 患 者(男21 例，女15 例)和32 名 健 康 受 試 者(男19例，女13例)被納入本次研究。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)室檢查

ESRD組患者在進(jìn)行磁共振成像前24 h內(nèi)均完成實(shí)驗(yàn)室檢查，包括血清肌酐、尿素、血紅蛋白、紅細(xì)胞比容、血清鉀、血清鈉和血清鈣水平。

1.2.2 采集磁共振數(shù)據(jù)

使用美國GE Signa HDX 3.0 T磁共振掃描儀和標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。掃描過程中，患者仰臥，使用泡沫板以減少頭動(dòng)，并戴有防噪耳機(jī)。患者閉上眼睛但保持清醒，保持放松狀態(tài)，避免做任何特定的思考活動(dòng)。首先獲取所有受試者的常規(guī)T2 加權(quán)像(T2-weighted images，T2WI)以及T2-液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(fluid-attenuated inversion recovery，F(xiàn)LAIR)圖像，以避免患者存在任何器質(zhì)性病變。其次掃描患者的三維T1加權(quán)像(three-dimensional T1-weighted images，3D-T1WI)以及rs-fMRI圖像。所有掃描均由一名有3年及以上放射操作工作經(jīng)驗(yàn)的技師完成，器質(zhì)性病變的診斷由一名有5年及以上放射診斷工作經(jīng)驗(yàn)的中級(jí)職稱醫(yī)師完成。

采用單次激發(fā)梯度回波-平面回波成像序列采集rs-fMRI圖像，掃描參數(shù)如下：TR/TE 3000 ms/40 ms，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，矩陣96×96，層厚5 mm，層間隔0 mm。每個(gè)時(shí)間點(diǎn)掃描25層，共采集125個(gè)時(shí)間點(diǎn)，掃描時(shí)間約6 min。采用三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列獲取3D T1WI 圖像，掃描參數(shù)如下：TR/TE 5600 ms/1.7 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1.2 mm，層間隔0 mm，掃描時(shí)間約5 min。

1.2.3 rs-fMRI數(shù)據(jù)處理

借助dcm2niix 軟件(https://www.nitrc.org/projects/dcm2nii/)將原始數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為NFITI格式。使用基于MATALAB 2014A 平臺(tái)的RESTplus_V1.22 版本軟件包進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。步驟如下：(1)去除前10 個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)所掃描的圖像，以排除最初不穩(wěn)定的信號(hào)；(2)去除在任意方向移動(dòng)超過3 mm 或者旋轉(zhuǎn)角度超過3°的圖像；(3)針對受試者腦組織的大小、形狀不同進(jìn)行圖像配準(zhǔn)；(4)將所有研究對象的圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；(5)以大小為3 mm×3 mm×3 mm 體積單元對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重新采樣；(6)對預(yù)處理后的rs-fMRI 數(shù)據(jù)進(jìn)行去線性漂移、低頻濾波(0.01～0.08 Hz)處理，減少低頻線性漂移和高頻生理性噪音如呼吸聲和心跳聲造成的影響；(7)去除全腦協(xié)變量、頭動(dòng)信號(hào)、腦白質(zhì)信號(hào)及腦脊液信號(hào)。

ReHo分析：使用RESTplus_V1.22軟件計(jì)算每個(gè)體素的肯德爾和諧系數(shù)(Kendall's Concordance Coefficient，KCC)，將每個(gè)體素的ReHo 值除以全腦ReHo 均值，得到標(biāo)準(zhǔn)化的ReHo 圖，再對標(biāo)準(zhǔn)化的ReHo 圖進(jìn)行平滑校準(zhǔn)，用于后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。

FC 分析：根據(jù)ReHo 結(jié)果，選取ESRD 組與對照組ReHo 值存在顯著差異的腦區(qū)作為ROI 進(jìn)行FC 分析，構(gòu)建ROI 兩兩之間的連接矩陣。計(jì)算受試者每對ROI 的時(shí)間相關(guān)性，使用GRENA 軟件(https://www.nitrc.org/projects/gretna)分析ESRD 組與對照組之間FC 值的差異[9]。使用BrainNet Viewer 軟件包(https://www.nitrc.org/projects/bnv)將兩組間FC 差異的區(qū)域映射到皮層表面，并進(jìn)行可視化處理[10]。

1.3 相關(guān)性分析

為探究ESRD患者腦自發(fā)性腦活動(dòng)的變化，并分析其與臨床變量之間的關(guān)系，提取兩組存在差異性腦區(qū)的ReHo值、FC值與實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 22.0 軟件分析受試者的一般臨床資料，數(shù)值用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，確定顯著水平為P＜0.05。使用RESTplus1.22 軟件對ESRD 組和對照組的ReHo 值及FC 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，AlphaSim 校正，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計(jì)資料及臨床資料

ESRD 組和對照組的性別構(gòu)成、年齡、受教育年限的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，結(jié)果見表1。

表1 ESRD組與對照組基本資料的比較Tab.1 Comparison of clinical data between ESRD patients and control group

2.2 ReHo分析

與健康對照組相比，ESRD 組的ReHo 值在左側(cè)顳極區(qū)、右眶部額下回、雙側(cè)直回ReHo 值顯著升高(P＜0.001，AlphaSim 校正)，在雙側(cè)距狀裂周圍皮層、左側(cè)額下回、右側(cè)顳上回、右側(cè)緣上回ReHo值顯著降低(P＜0.001，AlphaSim校正)，結(jié)果見圖1、表2。

表2 ESRD組與對照組ReHo值顯著差異的腦區(qū)Tab.2 Differences in ReHo values between ESRD patients and control group

圖1 ESRD 組與對照組ReHo值差異比較圖(P＜0.001，AlphaSim 校正)。橙色區(qū)域：ESRD 組＞對照組，藍(lán)色區(qū)域：ESRD 組＜對照組。ESRD：終末期腎病。Fig. 1 Differences in ReHo values between end-stage renal disease patients and healthy control group.The orange area：end-stage renal disease patients group＞healthy control group, the blue area：end-stage renal disease patients group＜healthy control group.

2.3 基于ROI的FC分析

與健康對照組相比，ERSD 患者右側(cè)距狀裂周圍皮層與左側(cè)額下回、右側(cè)緣上回的FC 減弱，右側(cè)緣上回與右側(cè)顳上回的FC 減弱[基于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)分析(network-based statistic，NBS)校正[11]，P均＜0.05]，結(jié)果見圖2、表3。

圖2 ESRD組與對照組基于感興趣區(qū)的功能連接差異(NBS校正，P均＜0.05)。TPO.L：左側(cè)顳極；IFG.L：左側(cè)額下回；CAL.R：右側(cè)距狀裂周圍皮層；REC：雙側(cè)直回；ORBinf.R：右眶部額下回；SMG.R：右側(cè)緣上回；STG.R：右側(cè)顳上回；ESRD：終末期腎病；NBS：基于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)分析。Fig. 2 ROI-based FC abnormalities between end-stage renal disease patients and healthy control group (P＜0.05). ROI: regions of interest; FC: functional connectivity; TPO.L: left temporal pole; IFG.L: left inferior frontal gyrus;CAL.R: right calcarine sulcus; REC: rectus gyrus; ORBinf.R: right orbital inferior frontal gyrus; SMG. R: right supramarginal gyrus; STG. R: right superior temporal gyrus; ESRD: end-stage renal disease; HC: healthy control;NBS:network-based statistic.

表3 ESRD組較HC組功能連接異常的腦區(qū)Tab.3 ROI-based FC abnormalities between ESRD patients and control group

2.4 相關(guān)性分析

右側(cè)距狀裂周圍皮層ReHo值與血紅蛋白水平(r=0.347，P=0.048)及紅細(xì)胞比容呈正比(r=0.357，P=0.041)，結(jié)果見圖3。

圖3 終末期腎病組腦區(qū)ReHo 值變化與臨床變量間血紅蛋白水平(3A)及紅細(xì)胞比容(3B)相關(guān)關(guān)系的散點(diǎn)圖。ReHo：局部一致性。Fig. 3 Scatter plot of correlation between changes in ReHo value of brain region and hemoglobin levels (3A) and erythrocyte volume (3B) in end-stage renal disease patients.ReHo:regional homogeneity.

3 討論

本研究采用ReHo及FC算法發(fā)現(xiàn)ESRD患者在額葉、顳葉、頂葉及枕葉多個(gè)腦區(qū)存在自發(fā)腦活動(dòng)異常，且在部分腦區(qū)出現(xiàn)FC損傷，提示ESRD患者存在局部及遠(yuǎn)程大腦功能活動(dòng)同步障礙，為進(jìn)一步理解ESRD患者腦損傷的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制提供了新的思路。

3.1 本研究中ReHo值及FC改變的意義

ReHo 使用KCC 評估給定體素的時(shí)間序列及其相鄰區(qū)域之間的相似性，可以反映其神經(jīng)同步性。大腦皮層中的同步活動(dòng)對于跨解剖分布但功能相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)的空間和時(shí)間進(jìn)行協(xié)調(diào)和整合[11-12]。本研究發(fā)現(xiàn)ESRD 患者在多個(gè)腦區(qū)出現(xiàn)ReHo 值升高或降低，其異常表明區(qū)域神經(jīng)元之間協(xié)調(diào)和整合的能力減弱，暗示腦神經(jīng)功能受損并可能引發(fā)相關(guān)疾病。

本研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，ESRD 患者在雙側(cè)距狀裂周圍皮層、左側(cè)額下回、右側(cè)顳上回、右側(cè)緣上回的ReHo值顯著降低。距狀裂周圍皮層位于枕葉內(nèi)側(cè)面，是視皮層的重要組成部分，涉及視覺信息的初步加工及整合，并且與視覺記憶、注意等神經(jīng)心理活動(dòng)密切相關(guān)。額葉主要與隨意運(yùn)動(dòng)和高級(jí)精神活動(dòng)有關(guān)，額葉功能障礙主要表現(xiàn)為自發(fā)性、洞察力、判斷力和反應(yīng)抑制能力降低[13]。陳佩娜等[14]使用ReHo算法研究發(fā)現(xiàn)ESRD患者在多個(gè)腦區(qū)ReHo值顯著降低，其中包括額下回，并且額下回的ReHo值與認(rèn)知功能損害具有較好的相關(guān)性。緣上回是頂下小葉的重要組成部分，頂葉通常被認(rèn)為具有不同的注意力功能，如注意轉(zhuǎn)移、視覺空間注意、工作記憶和超模態(tài)控制等[15-16]。顳葉與記憶、情感以及語言理解有關(guān)，參與認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)[17]。Peng等[18]研究發(fā)現(xiàn)與健康受試者相比，ESRD患者在顳葉的大腦固有活動(dòng)受到損害，且與神經(jīng)心理測試評分具有相關(guān)性，提示顳葉是ESRD患者功能損傷的腦區(qū)。Liang等[19]研究也發(fā)現(xiàn)ESRD患者在額葉、顳葉、頂葉的ReHo 值顯著降低，且與認(rèn)知功能損傷有關(guān)，這與我們的研究結(jié)果一致，提示額葉、顳葉、頂葉神經(jīng)同步性降低可能與ESRD患者的注意力、記憶力以及高級(jí)精神活動(dòng)異常有關(guān)，可以作為ESRD患者神經(jīng)功能異常的特殊標(biāo)志。此外，本研究發(fā)現(xiàn)ESRD患者在雙側(cè)直回、左側(cè)顳極以及右眶部額下回的ReHo值顯著升高，這可能是腦損傷早期區(qū)域內(nèi)代償所致。

在本研究中，ESRD患者ReHo值出現(xiàn)異常升高或降低的區(qū)域多位于默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)。DMN腦區(qū)包括后扣帶回皮質(zhì)、楔前葉、內(nèi)側(cè)前額葉皮層、頂下小葉等，主要參與多種認(rèn)知功能處理，涉及廣泛的視覺、聽覺、語言、記憶和運(yùn)動(dòng)等方面[20-21]。此前多項(xiàng)基于靜息態(tài)功能磁共振的研究證實(shí)ESRD患者在DMN腦區(qū)的ReHo、ALFF值以及FC發(fā)生改變，提示ESRD患者在DMN腦區(qū)的自發(fā)性腦活動(dòng)異常具有良好的可重復(fù)性[22-26]。因此本研究選擇ReHo值異常的區(qū)域作為ROI進(jìn)行FC分析得到的結(jié)果是可靠的。

本研究另一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是右側(cè)距狀裂周圍皮層與左側(cè)額下回、右側(cè)緣上回的FC減弱，右側(cè)緣上回與右側(cè)顳上回的FC 減弱，腦區(qū)之間連接性下降可能是大腦網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元連接中斷及功能整合障礙所致[27-28]。值得注意的是ESRD 患者FC 減弱的腦區(qū)與ReHo 值顯著降低的區(qū)域一致，與先前研究相比，本研究進(jìn)一步揭示ESRD患者可能存在局部及遠(yuǎn)程大腦功能活動(dòng)的同步障礙。

3.2 相關(guān)性結(jié)果的討論

相關(guān)性分析顯示ESRD患者在右側(cè)距狀裂周圍皮層的ReHo值與血紅蛋白水平、紅細(xì)胞壓積成正比，推測貧血狀態(tài)可能與右側(cè)距狀裂周圍皮層自發(fā)性腦活動(dòng)異常有關(guān)。終末期腎病透析治療患者腎性貧血的發(fā)生率為74.29%[29]，低血紅蛋白或低紅細(xì)胞壓積會(huì)減少大腦氧合，增加神經(jīng)元退化風(fēng)險(xiǎn)[30]，提示臨床需及時(shí)糾正患者的貧血狀態(tài)來預(yù)防ESRD患者腦損傷的進(jìn)展[31]。

3.3 局限性

本研究尚存在一些不足之處。首先，沒有對受試者進(jìn)行認(rèn)知功能測試。其次，本研究的樣本量偏小，需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量對比透析方式、透析持續(xù)時(shí)間對ESRD患者ReHo值與FC值的影響。最后，我們的研究是一項(xiàng)橫斷面研究，無法縱向比較ESRD患者處于疾病不同階段各個(gè)腦區(qū)出現(xiàn)腦活動(dòng)異常的動(dòng)態(tài)變化。

綜上所述，本研究將ReHo 和FC 兩種算法相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)ESRD 患者在多個(gè)腦區(qū)存在局部功能活動(dòng)同步性異常，主要累及DMN 區(qū)域，且在部分腦區(qū)表現(xiàn)出局部及遠(yuǎn)程大腦功能活動(dòng)同步障礙，有助于進(jìn)一步理解ESRD患者腦損傷的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。