額顳葉和小腦及感覺運動區局部的度中心度值異常與帕金森患者凍結步態有關

湯偉，徐倩，高婷婷，董遼，楊光，杜小霞，陳偉*

帕金森病（Parkinson's disease, PD）是一種中老年人常見的神經退行性疾病，中晚期患者常常合并有凍結步態（freezing of gait, FOG）[1]，作為一種發作性步態障礙[2]，FOG 主要表現為行走時雙足有粘地感，常在起步、轉身、經過狹窄空間時誘發，患者的跌倒風險明顯增加[3]，患者生活質量顯著下降[4]。伴有FOG 的PD 患者運動功能受損更明顯，往往合并有認知及情感障礙。然而，有關PD 患者中FOG 發生的病理生理學機制至今尚不明了[5]，需要進一步探究。

靜息態功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）測量靜息狀態下大腦局部的功能活動以及腦區之間的功能相互作用，能夠非侵入性評估大腦的功能連接[6]，其常用于腦疾病和腦認知的研究。前人rs-fMRI 研究揭示PD 伴有FOG（PD with FOG, FOG+）的患者額葉區域的網絡結構和功能發生了變化[7-8]。也有研究發現FOG+的PD 患者小腦結構的結構和功能變化[9-11]。此外，負責視覺空間功能的額頂網絡在FOG的研究中也備受關注[12]。綜述文獻發現FOG+的研究發現廣泛的皮質和皮質下區域存在功能性連接障礙，然而詳細的PD 伴FOG 亞型還需要進一步闡明當前的發現[13]。近年來，越來越多的研究應用圖論的方法對神經精神疾病進行腦功能網絡的分析[14]。在這些圖論方法中，基于體素的度中心度（degree centrality, DC）是一種常用的一種方法，它能夠觀測每一個體素（節點）在網絡中的重要性和中心性[15]。DC 通過計算單個節點與全腦功能網絡內的其他節點的連邊總數來衡量這個節點的重要性，可以較高敏感性、特異性和再現性繪制大腦中樞。與其他方法相比，它的優點是基于數據驅動，不需要先驗經驗定義感興趣區域，其結果的可靠性和可重復性較好[16]。

目前關于FOG+病理機制尚不明確，相關的靜息態DC研究仍然較少。Guo等[17]通過DC觀測，發現與PD不伴有FOG（PD without FOG, FOG-）組相比，FOG+組右側額中回的DC值顯著增加。Jin等[18]分別觀測FOG+，FOG-和健康對照（healthy controls, HC）三組被試，采用雙樣本t檢驗比較各組間的DC，發現各組間DC值差異具有統計學意義。目前關于FOG亞型的研究還十分有限，前人的研究結果不一致且沒有從主效應的角度分析FOG+，FOG-和HC 差異[17-18]，此外DC 值變化與臨床評分的相關性需要進一步探究。

本研究采用了rs-fMRI 的DC 值指標探究FOG+的局部腦功能變化，同時應用凍結步態問卷[19]評估FOG情況，FOG 問卷第三項得分大于等于1 分，認為患者存在FOG；分別采用簡易精神狀態評估量表（Mini Mental State Examination, MMSE）及17 項漢密爾頓抑郁量表（17-item Hamilton Rating Scale for Depression, HAMD-17）評估患者的認知及抑郁狀態，探索DC 值顯著變化的腦區與FOG 嚴重程度以及認知功能的相關性。首先通過主效應分析，探測三組被試主要差異，然后進一步進行雙樣本分析差異的來源和亞型特征。本文旨在進一步探究FOG 產生的病理機制，提供有價值的影像學依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

招募2017 年1 月至2019 年11 月期間在上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院神經內科門診診斷為原發性PD 的患者53 例，其中17 例為FOG+，36 例FOG-，44例HC作為對照組，三組被試性別和年齡經過統計檢驗差異無統計學意義，并均為右利手，具體信息見表1。HC組納入標準：（1）右利手且母語為漢語；（2）認知功能正常，無焦慮抑郁；（3）無三高，無服藥史；（4）無金屬植入，無手術史；（5）無偏頭痛、中風等神經系統疾病。PD 組納入標準：（1）PD 的診斷符合2015 年國際運動障礙病協會提出的PD 臨床診斷標準[20]；（2）年齡40～75 歲；（3）右利手且母語為漢語；PD 組排除標準如下：（1）服用非用于PD 治療的藥物；（2）有其他神經系統疾病；（3）有金屬植入物。除了基本人口學資料外，對PD患者進行額外的神經心理學評估，采用Hoehn-Yahr分期評估運動功能；應用FOG問卷評估FOG情況，FOG問卷第三項得分大于等于1分，認為患者存在FOG，以此將PD組分為FOG+和FOG-組；分別采用MMSE及HAMD-17評估患者的認知及抑郁狀態。該研究屬于前瞻性研究，已通過上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院（2016-44-T1）和華東師范大學倫理委員會的倫理審批（批準文號：HR 062-2018）。所有被試均按照流程簽署了知情同意書。

表1 帕金森病伴有凍結步態、不伴有凍結步態和對照組的人口學和主要臨床資料Tab.1 Demographic and key clinical data among PD with FOG,PD without FOG,and control group

1.2 磁共振掃描

所有磁共振數據在德國西門子公司生產的3.0 T Prisma 磁共振成像系統上完成，掃描使用西門子64通道頭頸線圈。為減少被試頭動，掃描前使用海綿固定被試頭部。本項目所有被試均接受了rs-fMRI和高分辨T1加權結構像的掃描。高分辨T1加權結構像的掃描使用的是磁化強度預備梯度回波（magnetization prepared rapid acquisition gradient echo,MPRAGE）序列，掃描參數如下：TR 2530 ms，TE 2.34 ms，反轉時間（inversion time, TI）1100 ms，反轉角（flip anglem, FA）7°，層數192，層厚1 mm，FOV 256 mm×256 mm，矢狀位采集，層間距為50%，采集矩陣256×256。rs-fMRI 的掃描使用的是血氧水平依賴（blood oxygen level dependent, BOLD）對比平面回波脈沖序列，掃描參數如下：TR 2000 ms，TE 30 ms，FA 90°，橫斷位掃描共33 層，層厚3.5 mm，FOV 220 mm×220 mm，采集矩陣64×64，240 幀。靜息態數據采集時要求被試閉眼且保持放松狀態。

1.3 數據分析

使用基于Matlab平臺的SPM 12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12）及DPABI 5.3 軟件（http://www.rfmri.org/dpabi）對rs-fMRI 圖像和高分辨T1加權結構像的原始數據進行處理。流程如下：去除rs-fMRI 圖像的前10 個時間點；進行時間層校正和頭部運動校正，如果被試數據的任意方向平動大于等于2 mm或者轉動大于等于2°則排除于后續分析；將T1 加權像與rs-fMRI 圖像進行線性對齊，6 個頭動參數以及白質腦脊液信號作為協變量進行回歸；再將對齊后的rs-fMRI 圖像標準化到蒙特利爾神經研究所（Montreal Neurological Institute,MNI）的標準腦空間，以3 mm×3 mm×3 mm 的分辨率進行重采樣；經時域濾波（0.01 Hz＜f＜0.1 Hz）來減少低頻和高頻的呼吸影響帶來的噪聲。完成數據預處理之后計算全腦DC指標。

參照前人研究采用的DC 值計算方法[15]，本研究DC 的計算采用二值化的度中心度方法，即納入計算的mask 內所有體素時間序列構成的連接組矩陣，在特定閾值（默認r=0.25）下體素水平的正連接連邊數。因為負的功能連接可重復性不高，因此未計入DC值[21]。DC值計算完成后除以全腦的平均DC值得到的便是標準化DC 值，進行Z 變換再用6 mm 半高全寬（fullwidth at half-maximum, FWHM）的高斯平滑核對其進行空間平滑處理，全腦信號作為協變量去除。

1.4 統計學分析

使用SPM 12軟件對三組被試者的DC圖進行F檢驗，年齡和性別作為回歸協變量，得到三組之間的主效應腦區。統計閾值在體素水平上為P＜0.001，團塊水平再經過整體誤差（familywise error rate,FWE）多重比較校正（P＜0.05，體素數＞20）即結果有統計學意義，最終統計F值大于等于7.44。然后進行事后雙樣本t檢驗。DC 圖的雙樣本t檢驗中年齡和性別作為回歸協變量，分別得到兩組之間的DC 值差異有統計學意義的腦區。其中對DC 圖雙樣本t檢驗閾值為：體素水平上P＜0.001，團塊水平FWE 多重比較校正P＜0.05，體素數＞20。

使用SPSS 23.0 軟件將被試者的臨床相關量表評分分值與差異有統計學意義改變腦區的DC值進行相關性分析，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 三組F檢驗結果

F檢驗結果表明，三組間的主效應在右側中央前回，右側中央后回，右側島葉，右側額內側回，右側頂上小葉，右側額葉Sub-Gyral（表2，圖1）。

圖1 帕金森病不伴有凍結步態（FOG-)組、帕金森病伴有凍結步態（FOG+）組和健康對照（HC)組度中心度值差異有統計學意義的腦區圖。R：右側。Fig. 1 Brain area map with statistically significant difference in DC values among the three groups,R:right.

表2 FOG-組、FOG+組和HC組DC值差異有統計學意義的腦區Tab.2 Brain regions with statistically significant difference in DC values among PD without FOG,PD with FOG and HC group

2.2 FOG+與HC相比

雙樣本t檢驗表明，FOG+組在右側額內側回，左側中央前回，右側顳上回的DC值顯著低于HC組，在左側額上回、右側額上回的DC 值顯著高于HC 組（圖2）。DC值差異有統計學意義的腦區詳見表3。

圖2 帕金森病患者伴凍結步態與健康對照組度中心度值差異有統計學意義腦區圖，黃色表示升高，藍色表示降低，R：右側。Fig. 2 Brain area map with statistically significant difference in DC value between Parkinson's disease patients with freezing of gait and healthy controls groups,yellow indicates increase,and blue indicates decrease,R:right.

2.3 FOG-與HC相比

雙樣本t檢驗表明，FOG-組在左側額上回，右側小腦Ⅸ小葉區的DC 值顯著高于HC 組，在右側中央后回、左側中央后回、右側額上回、左側中央前回、左側外核的DC值顯著低于HC組（圖3）。DC值差異有統計學意義的腦區詳見表3。

表3 FOG+、FOG-和HC組的DC組間差異有統計學意義的腦區Tab.3 Significant within-group of DC value in PD without FOG,PD with FOG group and HC

圖3 帕金森病患者不伴有凍結步態與健康對照組度中心度值差異有統計學意義腦區圖，黃色表示升高，藍色表示降低，R：右側。Fig. 3 Brain area map with statistically significant difference in DC value between Parkinson's disease patients without freezing of gait and healthy controls groups,yellow indicates increase,and blue indicates decrease,R:right.

2.4 相關性分析

相關性分析顯示FOG+組的FOG 問卷得分與左側中央前回、右側顳上回DC 值呈正相關（r=0.574，P=0.020；r=0.506，P=0.046）；右側額內側回與HAMD-17得分呈正相關（r=0.547，P=0.028），見表4。

表4 FOG+組DC分析差異腦區個體DC平均值與臨床評分相關性Tab.4 Correlation between individual DC mean value and clinical score in different brain regions of FOG+group

3 討論

本文對比分析FOG+、FOG-和HC 三組DC 值，探測PD患者腦功能活動的特征及FOG特異性腦區，試圖探索FOG 發生的病理生理學機制。在本研究中采用嚴格的統計閾值，首先觀測三組主效應差異然后進一步分析雙樣本之間的差異。在前人的研究中未見主效應的報道。在本研究中沒有觀察到FOG-和FOG+兩組之間差異有統計學意義。而Jin 等[18]研究發現與FOG-相比，FOG+在額葉中回和顳下回中的DC 降低。Guo 等[17]研究發現與FOG-組相比，PD-FOG+組右側額葉中回的DC 值顯著增加，而其他灰質區域差異無統計學意義。與前人報道中研究結果不一致。

3.1 三組主效應

主效應F檢驗發現FOG+、FOG-和HC 三組間的主效應腦區主要在右側半球，包括右側中央前回，右側中央后回，右側島葉，右側額內側回，右側頂上小葉，右側額葉Sub-Gyral。有研究提示PD 的主要左側癥狀（右半球）與較慢的步態和較差的狹窄門路判斷有關[22]；左半球優先參與言語處理和運動控制，而右半球在空間認知、身體模式和行動抑制方面起著更大的作用[23]。本研究的結果也提示PD 患者主要受損的部位在右半球，和前人的研究結果一致[22]。

3.2 FOG+局部腦功能改變

進一步雙樣本分析發現，相比HC組，FOG+組在右側額內側回，左側中央前回，右側顳上回的DC值顯著降低；而在左側額上回、右側額上回的DC 值顯著升高。Jin等[18]研究發現與HC相比，FOG+患者的額葉中回、顳上回、海馬旁回、顳下回和顳中回DC降低，與本研究結果部分一致。有研究提示額葉區域的結構和功能變化是FOG 產生的關鍵病理生理機制[24]。右側額內側回、左側中央前回、左側額上回和右側額上回位于額葉，額葉與運動中認知功能有關，當步態需要注意資源時需要更多的額葉參與，例如在陌生環境中行走[25]。FOG+額葉局部的DC 值的改變提示額葉執行注意力功能的異常，這可能和FOG的發生有密切關系。右側顳上回位于顳葉的外側，如果該腦區出現損傷，那么記憶、情感和感覺中樞的功能將會受到影響，此外患者的平衡能力可能也會發生障礙[26]。有研究提示PD 中的FOG 與皮質-小腦通路以及參與視覺加工的視覺顳區異常有關[27]。因此本文觀察到FOG+顳上回的DC 值的降低可能和FOG+平衡能力障礙有關。

3.3 FOG-局部腦功能改變

雙樣本比較發現，與HC組相比，FOG-組在左側額上回，右側小腦Ⅸ小葉區的DC值顯著升高；而在右側中央后回、左側中央后回、右側額上回、左側中央前回、左側外核的DC 值顯著降低。有研究提示小腦參與了多種運動功能，包括內部姿勢模型、身體運動的感知、運動計劃和對環境變化的運動適應[28]。小腦與額葉網絡存在協同作用[29]。FOG+右半球額葉和頂葉區域的新陳代謝低下[30-31]。前額葉皮層可能在控制步態方面發揮關鍵作用[32]。本研究觀測到額葉和小腦局部DC 值升高，可能提示在FOG-患者在步態能力下降時（步態凍結即將發生初期）額葉和小腦發揮了代償作用以維持FOG-正常的步態。而FOG-組在右側中央后回、左側中央后回、右側額上回、左側中央前回、左側外核的DC值顯著降低提示其功能受損，這些腦區主要和體感及運動功能相關，可能和PD 其他運動障礙，如感覺運動障礙有關[33]。

3.4 局部腦功能變化與臨床評分相關

FOG 問卷得分表明了步態凍結嚴重程度[19]，進一步相關分析發現FOG 問卷得分與FOG+組左側中央前回、右側顳上回DC值呈正相關（r=0.574，P=0.020；r=0.506，P=0.046）；HAMD-17 得分與FOG+組右側額內側回呈正相關（r=0.547，P=0.028）。本研究表明FOG+的臨床癥狀與左側中央前回、右側顳上回的腦區活動有比較強的相關性。前人的研究也發現中央前回和顳上回的功能與FOG 有關[24-26]，本研究進一步證實PD患者FOG癥狀可能與中央前回、顳上回的腦功能障礙有關。本研究還提示FOG+組右側額內側回的功能的異常可能與抑郁癥狀密切相關[34-36]。有研究提示，焦慮和抑郁是FOG+中常見的非運動特征，與FOG的發生有關[37-39]。這種焦慮和抑郁的發生可能會減少FOG+的注意力資源，從而導致步態功能的障礙[40]。本研究進一步證實右側額內側回的功能異常可能與抑郁癥相關，而且可能和步態凍結的發生也有關。

3.5 本研究的局限性

本研究為橫斷面研究，在單個時間點觀測到FOG不同亞型的腦功能活動特征，然而FOG隨著病情的發展而動態變化，因此縱向的跟蹤研究將能更好地觀測捕捉FOG 發生前后的影像學特征。其次雖然本文研究結果有統計學意義，但是FOG+組患者樣本量相對有限，可能降低了統計能力，使結果產生一定的偏倚。未來我們將納入更多的FOG+患者，以便更好地了解PD 患者中FOG 的神經影像學特征，前瞻性隊列跟蹤研究將有助于探討PD 患者FOG 產生的病理機制。

綜上所述，本研究通過rs-fMRI 的DC 研究結果提示PD 患者額葉、中央前回、中央后回、顳葉和小腦的局部自發性腦活動異常可能與PD 患者FOG 的發生密切相關。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。