功能磁共振成像在青少年肌陣攣性癲癇中的腦網絡及內表型研究進展

張馨，任潔釧，暴軍香*

青少年肌陣攣性癲癇（juvenile myoclonic epilepsy,JME）是在兒童晚期至青少年時期出現的一種常見的遺傳性全身性癲癇綜合征，具有多基因病因，占所有癲癇的10%[1-4]。三分之一的JME 患者患有藥物難治性強直肌陣攣抽搐，若停用抗癲癇藥物，70%～80%的患者會復發[5-6]。各種刺激可誘發癲癇發作，如疲勞、酒精攝入、壓力或復雜的認知任務[7]。JME 的神經心理學評估顯示患者認知水平下降[8]，在工作記憶、前瞻記憶、決策等任務中的表現均受損[9-10]。功能網絡可以幫助無創地進行癲癇綜合征病理生理變化評估及分析認知功能障礙的原因[11]?；诠δ艽殴舱癯上瘢╢unctional magnetic resonance imaging, fMRI）的JME研究對探究大腦功能網絡異常及分析患者認知功能障礙具有極大價值，在解釋JME 病理生理方面具有重大潛力[12-14]。關于JME 患者功能網絡連接方面的研究，不僅在靜態功能連接上獲得了大量研究成果，而且部分研究還采用動態功能連接，從另一個新穎角度挖掘到更多有價值的信息。非傳統的腦電-功能磁共振成像（electroencephalography-functional magnetic resonance imaging, EEG-fMRI）聯合探究JME 患者EEG 的動態網絡特征與血氧水平依賴（blood oxygen level dependent, BOLD）之間的關系，為JME 的病理生理研究提供了新的參考依據。由于JME 復雜的多基因病因及高遺傳性，基于fMRI 的JME 內表型研究也具有重大意義。因此，本文對fMRI 在JME 疾病中的腦網絡及內表型研究進展進行綜述。

1 fMRI的JME功能網絡連接研究

有大量證據表明JME患者的腦網絡受到破壞，包括丘腦-皮質、額葉-島葉、默認模式網絡（default mode network, DMN）、基底神經節網絡、感覺運動網絡等[15-17]，且腦功能連接的改變影響JME患者的臨床特征。fMRI研究已提供了JME患者腦異常連接的重大研究成果，可以幫助更清晰揭示JME的發病機制。目前關于JME 腦功能連接的研究不僅基于靜態功能連接，還有一些研究采用動態連接方法探究腦功能連接。

1.1 靜態功能網絡連接研究

靜態功能連接通常采用整個靜息狀態的fMRI時間序列，通過大腦區域間信號的時間相關性得到[18]。功能網絡的破壞與JME特定的神經病理行為之間的聯系一直是研究的重點。部分JME患者存在著運動、認知功能和情緒異常[19-20]，靜態功能連接研究可以幫助理解產生這些變化的神經機制。Zhong等[21]通過分析JME 患者與健康被試間灰質體積的差異確定種子點，進行靜態功能連接研究，發現JME 患者功能連接的改變主要出現在運動和認知相關區域，小腦在JME 患者的運動控制和認知調節中起重要作用，也對枕葉的活動有一定影響，這些功能連接的變化與JME 患者的臨床特征具有相關性。Jiang 等[22]研究JME 患者丘腦亞區的功能連接對臨床特征的影響。該研究通過纖維束追蹤和對丘腦相關的功能連接圖進行獨立成分分析，將丘腦分為八個亞區。研究發現JME 患者丘腦亞區與額上回的功能連接減少，與丘腦后側輔助運動區的功能連接增強，與突顯網絡的功能連接增加，與默認網絡的功能連接減少。丘腦-前額皮質網絡的異?？赡芘cJME 患者額中央的尖波傳播有關，JME的情緒和認知缺陷可能與突顯網絡和默認網絡的連接改變相關。JME 也與丘腦亞區功能連接增強以及基底神經節和小腦有關。此外，蒼白球功能連接的增加與疾病發病時間呈正相關。該研究為了解JME 患者特定的丘腦亞區-皮質的網絡異常提供了新證據，后丘腦可能在JME 的全身性癲癇活動中發揮關鍵作用。JME 患者的腦區間連接會發生一定的改變，但是某些腦區異常對JME 患者腦網絡變化的影響很大。探討JME的核心腦區的相關問題，對JME神經機制研究具有重要意義。有研究基于格蘭杰因果分析模型分析JME患者的腦功能有效連接及核心腦區[23]。結果顯示JME 患者組右側額中回到左側楔前葉、右側額中回到左側海馬旁回的格蘭杰因果關系均為負激活。該研究認為右側額中回對JME 患者的腦功能網絡的異常影響很大，右側額中回對于左側楔前葉和左側海馬旁回兩個腦區的負激活是造成局部通路異常的關鍵，進一步可能擴展到更大范圍的區域，甚至可能會影響全腦。以后在JME 的發病機制和干預治療研究中，右側額中回可能是一個重要的關注點?？裸懙萚24]利用相繼故障模型研究JME患者腦功能網絡紊亂，發現右側頂下小葉尾區在信息傳輸與腦區間連接上可能發揮重要作用，可能是引起JME 患者腦功能紊亂的重要腦區之一。相繼故障模型為攻擊健康被試所對應的JME 患者的異常腦區節點，即在健康被試腦網絡中移除該腦區節點，觀察健康被試受到攻擊處理后其網絡變化與JME 患者的腦功能網絡屬性的相似性。JME 發病于兒童和青少年中，其發作對兒童和青少年大腦的發育可能會產生一定的影響。Garcia-Ramos 等[25]對兒童JME 患者癲癇發作對大腦發育變化的影響進行研究。結果顯示，正常發育的兒童表現出模塊化的皮質發育和皮質與皮質下區域間的網絡整合。然而，JME 兒童則發展為高度相關且模塊化程度較低的皮層網絡，且皮層網絡與皮層下網絡非典型地分離。此外，JME 兒童還表現出更高的聚類和更低的模塊化指數，表明模塊較弱。JME 兒童的網絡核心節點數量減少，且主要集中在皮層下，但大部分皮質節點的局部效率增高。該研究認為患有JME 的兒童在癲癇發作后的前2 年出現了一個高度相關的皮質區域網絡，且這些區域與皮質下區域相互分離。JME的典型特征是覺醒后肌陣攣發作[26]，另一個特征是光刺激誘發的肌陣攣發作[27]。Oz?elik 等[28]研究患有和不患有光敏癥的JME 患者的上升網狀激活系統、丘腦和視覺皮層的核團的功能連接。與健康對照組相比，光敏JME 組的藍斑核種子點與雙側舌回、距內皮質、枕極和左枕梭狀回表現出顯著的強連接。與非光敏JME組相比，光敏JME 組的藍斑核種子點表現出顯著的強連接，聚類在雙側舌回和右側內距狀裂皮質。與健康對照組相比，光敏JME 組在右后側丘腦核與右上外側枕葉皮層的連接顯著增強。該研究認為喚醒網絡功能連接的改變可能與JME 覺醒后肌陣攣有關，而后丘腦的連接增加可能引起光敏性。

靜態功能網絡連接已經成為理解JME神經機制的一個有用工具。目前用于JME研究的靜態功能網絡連接最常用的方法是皮爾遜相關。雖然基于皮爾遜相關的功能網絡連接研究已經取得很多成果，但是皮爾遜相關只進行了低階統計，通過計算成對腦區之間的相關性，不能捕捉到的功能網絡連接中高階的信息（如網絡中不同邊之間的相關性、不同時間點對網絡的具體貢獻及多個腦區間的時間同步）。應用和研發更多的高階功能網絡連接算法，可以幫助進一步深入探究JME神經機制。

1.2 動態功能網絡連接研究

許多研究發現大腦的功能交互是高度動態的[29-31]。因此，動態功能連接被認為是揭示健康和疾病特定功能特性的更有效的方法[32-33]。動態功能連接分析已被用于探索JME 靜息狀態網絡的時變異常，不同頻段的網絡連接研究提供了更多的特征信息[34]。Zhang等[35]發現JME中靜息狀態子網絡內部和靜息狀態子網絡之間的動態功能連接異常發生在多個頻段，其中在低頻段（0.0095～0.0195 Hz）更易檢測出JME 引起的動態功能連接異常。與健康對照組相比，JME患者不僅在多個靜息狀態子網絡內表現出頻率依賴的動態性變化，而且在不同頻段的多個靜息狀態子網絡間也表現出動態性的改變，特別是在腹/背注意網絡和皮質下網絡。此外，在低頻段（0.0095～0.0195 Hz）上疾病的嚴重程度與皮層下網絡的靜息狀態子網絡的動態性和皮層下網絡與默認網絡間的靜息狀態子網絡的動態性呈顯著負相關。頻率的細分和選擇可能有助于檢測JME 中動態功能連接的特殊變化。之前靜態功能網絡連接研究發現JME 與DMN 中的連接改變有關，但是JME 與DMN動態連接之間的關系尚不清楚。Zhang等[36]采用了滑動窗口與多元格蘭杰因果分析相結合的方法，首次研究JME 患者DMN 的動態有效連接重組。經研究發現動態有效連接模式存在兩種不同狀態，即頻率較低的強連接狀態和頻率更高的弱連接狀態?；颊咴谌踹B接狀態中的DMN 子網絡中呈現出變化的有效連接，而在強連接狀態中DMN 子網中呈現出異常的有效連接。此外，內側前額葉皮層和角回的因果作用以一種特異性的狀態方式被改變，并與患者的疾病嚴重程度相關。該研究將JME 中的異常連接研究從靜態因果功能連接擴展到動態因果功能連接，并證明異常的動態有效連接可能是JME 疾病早期腦功能異常的原因。動態或靜態功能網絡研究分別從不同的角度揭示JME 患者網絡連接情況，采用動態網絡與靜態網絡同時開展研究可以更全面地揭示JME 患者的神經機制。Wang 等[16]使用定量數據驅動分析方法分析JME 患者的靜態和動態功能連接特征。采用定量數據驅動分析得到靜態功能連接指標，結果顯示在JME 患者的雙側背外側前額葉皮層、背側紋狀體、中央前回和顳中回顯著增強。研究還采用2 min滑動窗口的定量數據驅動分析得到動態功能連接指標，結果顯示背外側前額葉皮層、顳中回和背側紋狀體具有顯著的超動態功能連接性。同時獲取靜態和動態連接強度指標可以更全面地檢測功能網絡的連接異常，并發現靜態和動態功能連接結果之間的重疊。該研究證實2 min 滑動窗口定量數據驅動分析可以揭示靜息狀態人腦隨時間變化的功能網絡的額外信息，表明在JME 患者中的背外側前額葉皮層的靜息狀態功能網絡具有時間變化的超動態特征。

靜態與動態功能網絡連接從不同側重點解釋JME 神經機制。目前大部分研究將這兩類方法分開應用。以后的研究可以將這兩類方法結合起來，同時可以在同一研究中采用多種動態功能網絡分析方法，從不同角度更全面揭示JME 神經機制。雖然目前不同的分析方法構建出多種功能網絡連接，且已經幫助從不同角度理解JME 神經機制。但是不同的方法構建的功能網絡，尤其是動態功能網絡，仍然很難進行比較和評價，也沒有標準化的評價方法，在這一方面還需要繼進行研究。

2 EEG-fMRI聯合的JME研究

EEG-fMRI 是研究與癲癇放電相關的BOLD 活動的有效方法[37]。癲癇的特點是神經元活動的超同步爆發，癲癇發作可以不同程度地傳播到任何區域，導致大腦網絡動態地組織，EEG的動態腦網絡研究可以幫助揭示這一現象[38]。然而，癲癇領域的傳統EEG-fMRI聯合尚未充分探索EEG的時間特征以及在EEG 電極間可能提供重要的時空動態性功能網絡。因此，探究與EEG的動態網絡相關聯的BOLD活動可能會進一步擴展之前傳統的與癲癇放電相關的fMRI 研究。Qin 等[39]分析頭皮EEG 的動態網絡特征與癲癇患者BOLD響應之間的關系。該研究采用自適應定向傳遞函數計算EEG 電極之間的時變網絡。滑動窗口內網絡信息的變化被用作fMRI 分析中的時間回歸量，預測BOLD 響應。為了研究BOLD 響應區域之間依賴于EEG的功能耦合，分析了EEG 的網絡變化和BOLD 時間序列的相互調節作用。結果表明與EEG高網絡變化相關的BOLD激活區主要位于丘腦、小腦、楔前葉、顳下葉和感覺運動相關區域，包括中扣帶皮層、輔助運動區和中央旁小葉。與EEG 中等網絡變化相關的BOLD 失活區位于額葉、頂葉和枕葉區域。此外，丘腦、小腦、額葉和感覺運動相關區域之間主要存在定向負調節效應。該研究認為丘腦、額葉、小腦和感覺運動相關區域之間的功能耦合可能特定地參與了癲癇的產生和傳播，這為JME的病理生理研究和干預目標選取提供了新的參考。丘腦與皮層區域相互作用，產生以其節律和同步水平為特征的波動[40]。然而，對節律性動態在丘腦與皮層耦合中可能起到的作用知之甚少。有研究探究節律性的EEG的腦網絡對JME患者丘腦-額葉耦合的調節作用[41]。該研究利用適應性定向傳遞函數構建EEG 的時變節律網絡，然后將其作為一種調制器應用于fMRI的丘腦皮質功能耦合。結果表明，EEG腦網絡調制的丘腦皮質耦合具有頻率依賴性特征。JME中增強的丘腦-感覺運動網絡連接和丘腦-DMN 耦合受α 波段調節。丘腦-感覺運動網絡耦合與感覺運動網絡相關的皮質連接呈現更強的關聯性。這項研究提出了節律調節和丘腦皮質耦合之間的相互聯系。在皮質下-皮質回路中感覺運動網絡和丘腦-額頂網絡起關鍵作用，這可能對JME的干預具有重要意義。

研究JME 患者EEG 的動態網絡特征與BOLD 響應之間的關系，是對傳統EEG-fMRI 研究的拓展，從另一個新穎角度揭示JME 神經機制。這些研究中EEG 的動態網絡分析方法主要為無方向的網絡分析方法，而腦區間信號的傳遞方向和作用關系對揭示JME 神經機制意義重大。以后可以將因效性的動態網絡分析方法應用于這類研究，幫助揭示腦區間的作用關系，提供更多有用的信息。

3 fMRI的JME內表型研究

鑒于多基因病因的特點以及相關證據表明JME 患者和未受影響的兄弟姐妹在影像學和神經行為特征方面存在重疊現象[13,42]。對JME 患者和未受影響的兄弟姐妹開展研究為解決性狀遺傳性提供了一個富有潛力的解決思路。采用影像學方法探究與JME 相關的內表型，即與疾病相關的遺傳性狀，獨立于癲癇活動或藥物治療的疾病特征，在受JME 影響的成員的家庭中共分離[43-45]。腦影像內表型可以為JME 提供臨床特征和潛在遺傳結構之間的聯系，更進一步地闡明介導神經系統的機制，并幫助識別疾病相關的遺傳變異[46-47]。fMRI 在解釋腦功能障礙的神經機制上具有重要價值，基于fMRI 的JME 內表型研究對揭示JME 病理機制具有巨大潛力[48-49]。有研究發現JME患者和未受影響的兄弟姐妹的額皮質形態異常、海馬體積減小和錯位，前瞻記憶和執行功能均受損[34]。Caciagli等[48]圍繞JME患者海馬異常和相關記憶缺陷進行了深入研究。使用形態學標準自動化測量海馬體積，檢測海馬旋轉不良，并假設其為神經發育標志物。語言和視覺空間學習的神經心理學測量及事件相關的語言和視覺記憶的fMRI 模式解釋顳葉內側功能。研究發現患者及其未受影響的兄弟姐妹的左側海馬體積均減小。51%的患者和50%的兄弟姐妹存在單側或雙側海馬旋轉不良，而健康對照組為15%。神經心理學測試未發現語言和視覺記憶明顯受損。功能激活圖反映了海馬體激活不是典型的模式，表明患者及其兄弟姐妹在語言編碼過程中出現異常。旋轉不良的患者表現出額葉區語言記憶減少，左后側海馬更明顯地參與了視覺記憶。該研究表明海馬定位的形態學標記與海馬激活的語言項之間存在顯著關聯；證明了JME患者及其兄弟姐妹的海馬體積、形狀和位置異常，這與功能重組有關，并提示潛在的產前階段神經發育機制表達。患者及其兄弟姐妹中異常海馬形態的共分離，可以作為一種新的JME內表型。肌陣攣是JME 的一個特異性病征，肌陣攣可能與運動系統過度興奮有關，并且由認知活動誘發。有研究分析JME患者及其未受影響的兄弟姐妹在不同認知任務中的運動系統的激活圖，探究其是否為JME的內表型[49]。該研究分析了情景記憶編碼和動詞生成的fMRI 任務期間運動系統激活的模式。結果顯示在這兩項任務中，患者及其兄弟姐妹表現出運動系統區域的激活增加，在記憶編碼期間激活增加更顯著。研究發現與無癲癇發作的患者相比，持續性發作癲癇的JME患者的運動皮層激活更強。運動激活測量的受試者工作特征（receiver operating characteristic curve, ROC）曲線準確地將JME 患者及其兄弟姐妹與健康對照組區分開。該研究證明了JME 患者及其兄弟姐妹在不同的認知任務中運動系統過度激活，暗示了這一特質的遺傳性，認為運動系統過度激活代表了JME的一種認知的內表型，為今后研究JME異常的遺傳結構提供依據。

目前關于JME內表型研究主要基于MRI技術，且大部分是分別對腦結構或腦功能進行內表型研究，少部分結合腦灰質和腦功能進行研究，很少對腦灰質、白質和腦功能綜合進行研究。關于腦功能的研究不僅有fMRI，還有EEG和腦磁圖（magnetoencephalography, MEG）。以后的研究可以基于MRI、EEG 和腦磁圖等多種腦影像技術，從腦白質、灰質和腦功能多個角度，綜合全面地揭示JME內表型。

4 小結與展望

JME 是青少年最常見的特發全身性癲癇且遺傳性高。異常的網絡連接被認為是引起認知功能障礙的原因。fMRI研究幫助反映JME 異常的腦功能網絡連接及認知功能障礙。大量的fMRI研究從不同角度闡明JME的生理病理情況。基于fMRI的整個時間序列的靜態功能連接反映靜態功能連接性，即空間上的功能整合關系。動態功能連接不但可以反映功能連接情況，還能呈現出隨時間變化的JME 網絡動態信息。非傳統的EEG-fMRI 聯合研究探究JME 患者EEG 的動態網絡特征與BOLD 響應間的關系，為JME 的病理生理學研究提供了新的參考依據。基于fMRI的JME內表型研究提供了一個解決性狀遺傳性研究的有價值的思路，并幫助識別疾病相關的遺傳變異，更進一步地推進了JME 生理病理研究。未來基于多種模態的影像學結合更先進的分析算法的內表型研究具有進一步推進JME生理病理探索研究的巨大潛力。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。