基于動態低頻振幅的急性基底節區腦梗死后神經功能重塑性研究*

陳小玲，李文美△，梁志堅

（廣西醫科大學第一附屬醫院 1.放射科；2.神經內科,南寧 530021）

急性腦梗死是由于血栓或栓子的阻塞引起的供血突然中斷而導致的大腦缺血性損傷[1]。基底節區腦梗死是腦梗死中常見的一種類型，通常認為與運動功能障礙、感覺障礙、情緒遲鈍、卒中后抑郁和失語等有關[2-5]。靜息態功能磁共振（resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）是指被試者在清醒、靜止不動、平靜呼吸、避免任何思維活動的情況下進行的磁共振成像，該技術作為一種研究大腦生理活動的無創方法廣泛應用于腦卒中的研究[6]。目前已有研究利用低頻振幅（ALFF）分析基底節區腦梗死的大腦功能，發現基底節區腦梗死患者存在固有腦活動改變[7]。有證據表明，大腦的活動是高度快速動態變化的，而急性基底節區腦梗死大腦自發腦活動的時間變異性目前尚不清楚。本研究應用動態ALFF（dALFF）分析方法，比較健康志愿者與急性基底節區腦梗死患者腦局部功能區域活動的時間變異性，并進一步研究其對神經功能重塑的意義。

1 對象與方法

1.1 研究對象 收集2019年8月至2020年12月在廣西醫科大學第一附屬醫院神經內科接受住院治療的34例急性基底節區梗死患者（梗死組），其中男25例，女9例，年齡34～84歲，平均（56.5±11.0）歲，受教育年限（11.50±3.59）年，其中受教育程度小學學歷4 例（12%），初中學歷11 例（32%），高中學歷6 例（18%），大學學歷13 例（38%）。34 例中，左側基底節區20 例，右側基底節區14 例。病例納入標準：（1）頭顱CT或磁共振確診為急性腦梗死7 d內的患者；（2）首發梗死，患者有神經功能缺損的表現；（3）單發基底節區病灶：（4）無任何其他神經或精神類疾病。排除標準：（1）復發性梗死或繼發性出血；（2）合并其他顱內疾病；（3）合并神經精神類疾病。采用美國國立衛生研究員卒中評分（national institutes of health stroke scale，NIHSS）評估急性基底節區腦梗死患者梗死嚴重程度及神經功能缺損，Fugl-Meyer 運動功能評分量表（Fugl-Meyer motor function assessment,FMA）評估患者上肢、下肢運動功能并計算總得分，NIHSS 評分為3.25（1.75,5.75）分，FMA 上下肢運動功能總分為82.5（64,87.67）分，FMA 上肢得分54（40,58.89）分，FMA 下肢得分27.1（24.2,29.5）分。

同期招募年齡及受教育程度相匹配的44 例志愿者為健康對照組。其中男19 例，女25 例，年齡28～77 歲，平均（55.34±11.49）歲，受教育年限（12.23±3.06）年,其中受教育程度小學學歷1 例（3%）,初中學歷13例（29%），高中學歷18例（41%），大學學歷12例（27%）。健康對照組無顱腦外傷史，無顱內疾病及精神疾病病史，神經功能、神經心理評估、語言、認知功能等均正常。梗死組和健康對照組在年齡、受教育程度上比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）；兩組性別比較，差異有統計學意義（χ2=7.184，P＜0.05）。

1.2 磁共振數據采集 采用Siemens Prisma 3.0T超導型磁共振儀和64通道頭頸聯合線圈，掃描開始前囑咐所有被試者閉眼、保持清醒、掃描過程中盡量不要思考。仰臥位頭先進，在頭部周圍塞入海綿泡沫以減少頭部運動。用耳塞填塞雙側外耳道以減少掃描產生的噪聲對腦功能數據的影響。靜息態功能磁共振成像利用血氧水平依賴（BOLD）序列，掃描參數：TR 2 000 ms，TE 35 ms，體素大小2.6mm×2.6 mm×3.0 mm，層厚3 mm，層數40 層，FOV 240 mm×240 mm，時間點186，翻轉角90°；結構像采用3D BRAVO 序列采集全腦高分辨率三維矢狀位T1 加權成像，掃描參數：TR 2 300 ms，TE 2.98 ms，體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，層厚1 mm，層數176層，FOV 256 mm×256 mm。

1.3 rs-fMRI數據預處理 Matlab（2017b）平臺上使用RESTplus v1.24 軟件進行預處理，步驟為：（1）將DICOM 格式轉換為NIFTI格式；（2）去除前10 個時間點；（3）時間層校正；（4）頭動校正；（5）應用DARTEL（Diffeomorphic anatomical registration thr-ough exponentiated lie algebra）模板標準化，將個體腦影像配準到蒙特利爾神經研究所（montreal neurological institute,MNI）標準人腦模板的空間坐標上，并進行3 mm×3 mm×3 mm 體素大小的重采樣；（6）使用Friston24 調整頭動參數，對全局信號、腦脊液信號、腦灰白質信號進行線性回歸；（7）采用6 mm 高斯半高寬的核函數進行平滑；（8）去線性漂移。

1.4 dALFF 分析 采用滑動窗方法進行動態分析，定義時間序列的最小頻率fmin，選取50 TRs（100 s）的最佳窗寬、步長1 TR 的窗口對fMRI時間信號進行動態截取。首先利用快速傅立葉變換（FFT）對時間序列進行頻率轉換后，在頻帶（0.01～0.08 Hz）計算每個頻率下的功率譜求平方根，在0.01～0.08 Hz內計算平均值，得到平均ALFF 值。計算所有體素在時間窗中的ALFF后，每個參與者將得到基于窗口的ALFF圖。然后計算每個受試者在所有基于窗口的ALFF圖上的每個體素的均值和標準差，最后用標準差除以均值得到相應的變異系數（CV）。為了更好地測量不同個體之間局部腦活動的動態變化，本研究使用CV 作為dALFF，它代表了低頻局部腦活動中絕對能量消耗的時間變異性。動態ALFF 在RESTplus v1.24 的temporal dynamic analysis（TDA）模塊計算。在SPM12 工具包對梗死組及健康對照組的dALFF 值進行兩樣本t檢驗，使用高斯隨機場（GRF）理論進行多重比較校正（體素水平P＜0.05，團塊水平P＜0.05，雙尾），以年齡、性別、受教育程度作為協變量。在Xjview10 工具包對兩組顯著差異腦區的dALFF值進行提取。

1.5 統計學方法 采用SPSS 23.0統計軟件分析數據。服從正態分布的計量資料以均數±標準差（）表示，組間比較采用t檢驗；不服從正態分布的計量資料以中位數（四分位數）[M（P25～P75）]表示，組間比較采用非參數檢驗。計數資料以百分率（%）表示，組間比較采用χ2檢驗。對梗死組顯著差異腦區的dALFF值與NIHSS評分、Fugl-Meyer運動功能評分進行Spearman相關分析。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩組dALFF結果比較 與健康對照組比較，梗死組在左側顳極、海馬旁回、枕中回、背側額上回、內側和旁扣帶回及右側直回、楔前葉dALFF 值增高（均P＜0.05），見表1、圖1。

表1 急性基底節區梗死組與健康對照組dALFF值差異腦區統計結果

圖1 急性基底節區腦梗死患者dALFF 時間變異性顯著的腦區

2.2 急性基底節區腦梗死患者腦區dALFF值與NI-HSS、FMA評分的Spearman相關分析結果

右側直回區域的dALFF 值與急性基底節區梗死患者NIHSS 評分呈負相關關系（r=-0.458，P=0.007），與FMA 下肢得分呈正相關關系（r=0.499，P=0.003），見圖2、圖3。

圖2 急性基底節區梗死患者右側直回的dALFF 值與NI-HSS得分相關分析散點圖

圖3 急性基底節區梗死患者右側直回的dALFF值與FMA下肢得分相關分析散點圖

3 討論

ALFF是檢測靜息狀態下與疾病相關的腦灰質局部自發神經活動的有效方法，能直接提示神經元自發活動，進而反映大腦各區域神經代謝活動的強弱。大腦動態圖反映了大腦活動的時間變異性[8]，因此只計算整個BOLD 信號時間序列的平均腦活動可能會損失許多大腦波動的細微信息[9]。在精神活動不受限制的靜息狀態下，檢測腦活動動態特征尤其重要。因此，本研究采用滑動窗口技術獲取短時間內ALFF的時間變化信息并探討其對神經功能重塑的意義。本研究結果顯示，梗死組多個腦功能區域dALFF 值增加，主要分布在左側顳上回、海馬旁回、枕中回、背側額上回、扣帶回中部及右側直回、楔前葉，提示這些區域腦部神經元自發活動變異性增加、活躍。

背側額上回是輔助運動區（supplementary moter area,SMA）的組成部分。SMA是運動序列管理的主要大腦區域[10]。縱向研究發現，梗死早期此區域的激活與運動功能恢復有關，在梗死后亞急性期和慢性期激活減少[11]。扣帶回參與軀體運動功能[12]。枕中回是進行視覺信息的感覺處理中心，肢體運動嚴重依賴視覺指導[13]。本研究中急性基底節區梗死患者FMA評分低于健康對照組，表明患者運動功能受損。在背側額上回、扣帶回中部與枕中回區域的dALFF值增加，提示急性基底節區梗死患者在神經功能恢復期間具有運動功能重組的潛力。楔前葉是默認模式網絡的關鍵區域。既往研究發現，基底節區腦梗死度中心度（DC）[14]和ALFF[15]的研究均發現楔前葉區域的功能異常。本研究也發現急性基底節區梗死患者右側楔前葉區域dALFF值增高，這表明楔前葉腦區在基底節區腦梗死后腦功能重構發揮著重要作用。直回、顳極和海馬旁回是邊緣系統的組成部分，是一組涉及情緒、動機、學習和記憶的大腦結構。這些腦區的dALFF值增高提示，急性基底節區梗死患者在神經功能恢復過程中涉及多個腦區代償性激活。

本研究結果顯示，右側直回區域的自發性神經元活動的變異性增加與NIHSS評分呈負相關關系，與FMA下肢運動功能評分呈正相關關系。FMA 評分越高，運動能力越強，NIHSS評分越高，梗死神經功能損害越嚴重，提示右側直回區域dALFF 值增高，可能是與急性基底節區梗死患者神經功能恢復相關的一個指標。既往研究發現，較高認知和學習能力可能介導梗死患者更好的運動功能恢復[16]，本研究結果與上述研究一致。右側直回與人類認知功能相關，該區域dALFF值增高，且與FMA下肢運動功能評分呈正相關關系，提示右側直回自發活動波動增加在急性基底節區梗死患者的運動功能重塑機制發揮著重要作用。

綜上所述，本研究應用dALFF方法分析基底節區急性腦梗死患者區域神經活動的時域動態特征發現，腦區自發性神經活動的動態性顯著增高主要集中在情緒、認知和運動相關的功能區域，提示dALFF 能捕捉到基底節區梗死后腦功能重塑的存在。右側直回區域的自發性神經元活動的動態變化與急性基底節區腦梗死患者神經功能恢復存在相關性。

本研究也存在以下局限：（1）進一步的縱向研究可能會豐富和提高對梗死恢復期大腦結構皮層自發神經元活動的動態特征的理解。（2）研究樣本相對較小，后續研究需要增加樣本量以得到更加可靠及有效的統計結果。