缺血性中風患者腦功能活動局部一致性改變與認知功能障礙的研究

丁菊容，李原，華波，奉晨宇，唐智靈，楊呈浩，丁鑫

0 前言

中風是全球范圍內第二大致死原因，也是第三大致死和致殘的綜合原因，其中缺血性中風（ischemic stroke, IS）約占所有中風事件的70%[1]，中國每年預計新增超過200 萬IS 患者[2]。IS 是一種主要由大腦中動脈短暫性或永久性的血栓堵塞造成的異質性疾病，較高的病死率、致殘率和復發率是其主要的特點[3-4]。認知功能障礙是IS 患者最常見的殘疾癥狀，嚴重的患者極大概率會發展為癡呆[5]，造成患者缺乏生活獨立性，生活質量受到嚴重的影響。因此，探究患者認知功能障礙的大腦機制，對患者的治療和預后評估具有非常重要的臨床意義，但IS 患者認知功能障礙潛在的病理生理機制尚不明確。

靜息態功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）技術通過血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent, BOLD）信號可間接顯示出活體大腦內受激活的腦區，具有非侵入性、無電離輻射、高空間分辨率和對采集對象低要求等特點[6]，已被廣泛應用于腦疾病研究。近期，MIN 等[7]基于rs-fMRI 技術發現患者受損傷大腦的代償機制有助于促進認知功能的恢復。ZHU等[8]的研究表明患者發作后的首月是改善認知功能的關鍵階段，而前三個月是視覺、注意力機制恢復的關鍵時期。因此，這些研究表明rs-fMRI技術在探索認知功能相關的腦功能活動方面具有較大潛力，有助于對疾病的全面認識。

局部一致性（regional homogeneity, ReHo）[9]是一種基于rs-fMRI 測量自發性腦功能活動的分析方法，通過肯德爾一致性系數（Kendall's coefficient concordance, KCC）來測量目標體素與其最近鄰居體素的時間序列之間的一致性。ReHo 可以反映自發性大腦功能活動的局部特征，其值的異常降低或增高均反映了大腦局部功能活動的同步性或協調性異常，這可能是致使患者產生認知功能障礙的主要內在原因[10]。由于IS 患者存在認知功能障礙，我們推測IS 患者可能存在ReHo 改變，并且這種改變可能與患者認知功能相關。因此，本研究采用rs-fMRI技術和ReHo 方法探究IS 患者的局部腦功能活動改變和認知功能障礙潛在的病理生理機制，以期為患者的臨床診療和預后評估提供神經影像學依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本前瞻性研究嚴格遵守《赫爾辛基宣言》的原則，經成都市第二人民醫院醫學倫理委員會評估批準（批準文號：2023202），所有被試或其家屬簽署了書面知情同意書。2021 年12 月至2022 年11 月期間于成都市第二人民醫院共招募20例IS患者被試[均為右利手，男15 例，女5 例，年齡48～86（66.45±12.92）歲]和27 例健康對照被試[均為右利手，男12 例，女15 例，年齡50～70（61.00±6.58）歲]。IS 的診斷標準如下：（1）急性起病；（2）局灶神經功能缺失（一側面部或肢體無力或麻木，語言障礙等），少數為全面神經功能缺損；（3）影像學出現責任病灶或癥狀/體征持續24 h 以上；（4）排除非血管性病因；（5）腦CT/磁共振成像排除腦出血。

本研究IS患者的納入標準如下：（1）神經科醫生診斷為IS；（2）均為首發IS；（3）發病后24～72 h 內完成影像學評估；（4）患者能配合rs-fMRI 掃描。排除標準如下：（1）被試者具有顱腦手術史、顱腦損傷史或者顱內占位性病變史等；（2）其他可能會引起大腦組織結構異常的疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病或局灶性癲癇等；（3）大概率會影響被試者當前認知狀態的疾病或行為，如流感、中毒及酗酒等；（4）有磁共振成像掃描禁忌，如體內具有植入式金屬醫療設備或幽閉恐懼癥等。

此外，從成都市第二人民醫院的醫務工作人員中招募的27名健康對照者，納入標準如下：（1）年齡和性別與IS患者被試匹配；（2）右利手；（3）影像資料完整。排除標準如下：（1）具有顱腦損傷和手術史；（2）任何醫學、神經或精神病史；（3）存在長期藥物或酒精濫用或依賴史；（4）有磁共振成像掃描禁忌。由兩名經驗豐富的臨床放射科醫生對所有被試進行常規的腦磁共振掃描和目視檢查，并進行全面的臨床檢查報告。采用簡易精神 狀 態 檢 查 量 表（Mini-Mental State Examination,MMSE）和蒙特利爾認知評估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）評分評估本次研究中所有被試者當前的認知狀態。

1.2 掃描方法及技術參數

rs-fMRI影像數據的采集均在成都市第二人民醫院飛利浦Ingenia 3.0 T 全數字磁共振掃描儀（Philips Ingenia 3.0 T Medical Systems,Philips Healthcare, Best, Netherlands）上進行，該掃描儀配備有64 通道頭顱線圈。在rs-fMRI 掃描之前，被試者被簡單地叮囑在數據采集過程中平躺身體，盡量保持身心放松，閉上眼睛休息且不要有強烈的意向性思維活動。醫生給所有被試者提供泡沫填充物和軟耳塞等輔助物品，以減少被試頭部旋動或平動，并盡可能隔絕掃描儀和環境噪聲。利用單次激發梯度回波 平 面 成 像（gradient-recalled echo planar imaging, GRE-EPI）脈沖序列獲取覆蓋全腦的fMRI影像學數據，磁共振掃描儀掃描時沿著平行于前后聯合軸位進行。掃描參數包括：（1）功能數據，TR/TE 2000 ms/30 ms，翻轉角90°，視野240 mm×240 mm，矩陣80×80，體素3 mm×3 mm×3.6 mm，層厚3.6 mm，層間距0.7 mm，共245個時間點，為了提高采集功能數據的信噪比，GRE-EPI脈沖序列對被試重復掃描兩次；（2）高分辨T1 加權結構圖像，TR/TE 5.2 ms/2.2 ms，翻轉角10°，矩 陣230×230，體 素0.57 mm×0.57 mm×0.5 mm，306層，圖像數據通過3DSPGR序列進行采集。

1.3 數據預處理

利用腦成像數據處理與分析（DPABI_V6.1_220101；http://rfmri.org/dpabi）[11]工具包對rs-fMRI影像數據進行預處理。處理步驟如下：（1）格式轉換；（2）去除前10個時間點；（3）時間層校正；（4）頭動校正，排除頭部平動參數超過2.5 mm 或旋動參數大于2.5°的被試，本步驟共排除4 名IS 患者和5 名健康對照；（5）空間標準化，采用回波平面成像模板對頭動校正后的數據匹配到蒙特利爾神經研究所標準空間，并將體素重采樣為3 mm×3 mm×3 mm；（6）回歸協變量（Friston-24頭部運動參數、線性趨勢、腦白質和腦脊液信號）和帶通濾波（0.01 Hz＜f＜0.08 Hz）處理。

ReHo參數的計算：使用DPABI工具包對預處理后的影像數據進行ReHo分析[9,11]。具體步驟如下：（1）計算單個被試的ReHo圖，即目標體素與其相鄰26個體素在時間序列上的KCC值；（2）標準化ReHo圖像，ReHo圖中單個體素KCC值除以全腦總體素的KCC均值，以減少個體化差異；（3）運用半高寬（full width at half maximum, FWHM）為4 mm的高斯核進行空間平滑處理，以減少空間噪聲，并增強ReHo圖像的信噪比。

1.4 統計分析

人口統計學與認知量表采用SPSS 25.0（https://www.ibm.com/spss）軟件進行統計分析，統計表中連續變量除另有說明外，均以均值±標準差的方式來表示，P＜0.05 表示差異具有統計學意義。年齡和性別分別采用雙樣本t檢驗和卡方檢驗進行組間比較。

基于MATLAB軟件中的DPABI工具包進行ReHo的統計分析。采用單樣本t檢驗和無閾值聚類增強（threshold-free cluster enhancement, TFCE）校正以分析和顯示兩組被試各自的標準化ReHo圖像在大腦激活的空間分布模式，P＜0.05 表示差異具有統計學意義。在具有激活意義的大腦區域內，進行雙樣本t檢驗以揭示IS 患者組和健康對照組之間的顯著差異腦區，基于靜息態功能磁共振數據處理（resting-state functional magnetic resonance imaging data analysis toolkit, REST,http://www.restfmri.net/forum/REST_V1.8）工具包來對組分析結果進行AlphaSim 多重比較校正，其中Monte Carlo 算法迭代模擬次數為1000 次。AlphaSim 校正前單個體素顯著性閾值水平P設置為0.01，經過AlphaSim 校正后得到最小的集群團塊體素數量為23，對應AlphaSim 校正后的顯著性閾值水平P為0.001。最后，采用Pearson 相關分析評估患者中有顯著差異腦區的ReHo 值與認知量表的相關性，顯著性水平設為P＜0.05。

2 結果

2.1 人口統計學與認知量表分析結果

經過頭動校正后共排除了9 例頭部平動參數超過2.5 mm 或旋動參數大于2.5°的被試數據，包括4 例IS 患者，5 例健康對照。因此，后續共有16 例IS患者[男12例，女4例，年齡48～86（64.75±12.57）歲]和22 例 健 康 對 照[男9 例，女13 例，年 齡50～70（59.32±6.07）歲]參與研究。兩組被試在年齡（P＞0.05，雙樣本t檢驗）和性別（P＞0.05，雙側Fisher精確檢驗）上差異均無統計學意義。IS 患者組的MMSE和MoCA評分均顯著低于健康對照組（P＜0.001，雙樣本t檢驗），見表1。

表1 IS患者組和健康對照組的人口統計學與認知量表分析Tab.1 Analysis of demographic and cognitive scales in patients with IS and healthy controls

2.2 ReHo空間分布結果

兩組被試ReHo圖像在大腦激活的空間分布模式見圖1 和圖2（P＜0.05，TFCE 校正）。目視檢查可以發現，兩組被試雙側大腦區域的ReHo 值顯著高于其他區域。激活區域包括輔助運動區、內側和旁扣帶回、中央后回以及額中回等大腦部分區域，激活在統計學上是具有意義的。

圖1 健康對照組局部一致性空間分布結果。 圖2 缺血性中風患者組局部一致性空間分布結果。 圖3 局部一致性組分析結果。暖色和冷色分別代表IS患者局部一致性顯著大于和低于健康對照被試。每幅圖像左上角的數字代表蒙特利爾神經學研究所空間層數。L：左側；R：右側；IS：缺血性中風。Fig.1 Results of regional homogeneity spatial distribution in the healthy control group.Fig.2 Results of regional homogeneity spatial distribution in the ischemic stroke patient group.Fig.3 Results of group analysis of regional homogeneity.Hot and cold colors indicate significantly greater and lower regional homogeneity in IS patients than in healthy controls, respectively.The number in the upper left corner of each image represents the number of Montreal Neurological Institute spatial layers.L: left; R: right; IS: ischemic stroke.

2.3 ReHo組分析結果

兩組被試組間雙樣本t檢驗結果見圖3 和表2（P＜0.001，AlphaSim 校正）。相較于健康對照組，IS 患者組在雙側輔助運動區、內側和旁扣帶回、左側頂上回、楔前葉和中央旁小葉區域的ReHo 值顯著升高，而右側額中回、中央后回、顳中回和左側三角部額下回區域的ReHo值顯著降低。

表2 缺血性中風患者ReHo顯著升高/降低腦區Tab.2 Regional homogeneity increased/decreased significantly in patients with ischemic stroke

2.4 與認知量表分析結果

選取IS患者顯著升高和降低的腦區作為感興趣目標區域，并提取這些感興趣目標區域內的ReHo 值分別與IS 患者的MMSE 和MoCA 評分進行Pearson 相關性分析（年齡和性別作為協變量）。相關性分析結果顯示雙側輔助運動區和左側頂上回的ReHo值增高與MMSE 評分呈現顯著的負相關性（r=-0.640，P=0.014；r=-0.541，P=0.046；r=-0.563，P=0.036），見圖4。其余感興趣目標區域腦區ReHo 值與認知量表之間無顯著相關性（P＞0.05）。

圖4 缺血性中風患者ReHo 值與MMSE 評分之間的相關性結果。ReHo：局部一致性；MMSE：簡易精神狀態檢查量表。Fig.4 Results of the correlation between ReHo values and MMSE scores in patients with ischemic stroke.ReHo: regional homogeneity; MMSE:Mini-Mental State Examination.

3 討論

本研究基于rs-fMRI技術和ReHo分析了IS患者與健康對照者之間的腦功能活動改變，結果顯示IS患者異常腦區主要涉及默認網絡（default mode network, DMN）和 感 覺 運 動 網 絡（sensorimotor network, SMN）。IS 患者在雙側輔助運動區、內側和旁扣帶回、左側頂上回、楔前葉和中央旁小葉的腦功能活動ReHo 值顯著增強，而在右側額中回、中央后回、顳中回和左側三角部額下回的腦功能活動ReHo值顯著降低。此外，雙側輔助運動區和左側頂上回的ReHo 值增高與MMSE 評分呈現顯著的負相關性。ReHo 分析能反映靜息態下大腦區域內部神經元活動異常情況，即自發性大腦功能活動的局部特征[10]，ReHo 值的顯著增高或降低均反映了該區域的腦功能活動的同步性或協調性異常[12]，可揭示大腦功能代償與失代償并存以及認知和行為功能的調控機制[13]。本研究結果表明了ReHo 值異常腦區可能在IS 的發生和發展中起著不可忽視的作用，也間接提示了其在IS患者認知功能障礙病理生理機制中具有極其重要的意義。本研究可能為IS患者認知功能障礙潛在的病理生理機制提供客觀的腦影像學生物標志物，并為IS患者臨床診療和預后評估提供依據。

3.1 涉及DMN網絡的異常腦區

右側額中回、顳中回以及左側三角部額下回（ReHo 值顯著降低）和雙側內側和旁扣帶回、左側頂上回、楔前葉以及中央旁小葉（ReHo 值顯著升高）主要涉及DMN網絡。DMN網絡是神經影像學中至關重要的功能網絡，在內部與外部信息整合和自我認知調節中具有非常重要的作用[14]。DMN 前部的內側額葉皮層包含右側額中回和左側三角部額下回等大腦區域，在社會認知和情緒調節中起著至關重要的作用[15]。額中回作為中線額葉皮層的一部分參與了認知控制，與注意力、執行力和溝通能力息息相關，其功能異常可能會影響IS 患者的語言表現和情緒表現[16]。值得注意的是，額中回腦區具有不對稱特性，其中左側額中回負責識字功能，右側額中回負責識數功能[17]。一項中風后語義和音韻流暢性研究指出，額中回和左側三角部額下回分別在音韻流暢性和語義流暢性中發揮了至關重要的作用[18]，在首發精神分裂癥患者的研究中也發現了類似的結論[19]，均驗證了本研究的發現。右側顳中回區域的ReHo 值顯著降低，表明IS患者該區域的功能活動受到抑制，這可能與聽覺和視覺信息整合[20]和敏感度[21]降低有關。因此，本研究結果中右側額中回、顳中回以及左側三角部額下回的功能活動同步性異常，可能表明IS 患者在認知控制、注意力互補機制、言語記憶等方面的功能受到抑制，這可能解釋了IS患者常出現失語、注意力不集中、記憶缺失、溝通障礙等系列的認知功能障礙癥狀[22]。

此外，在雙側內側和旁扣帶回、左側頂上回和楔前葉的ReHo 值顯著增強，主要涉及DMN 網絡后部。楔前葉作為DMN的功能核心，與頂上回和頂下緣角回構成了DMN的主要后部，與高水平認知和復雜信息整合有關[23]。一項研究表明中風患者的楔前葉區域異常代謝和激活較為活躍[24]，這與本研究的結果基本一致。MA 等[25]研究發現中風患者在運動執行任務時，損傷同側的頂上回被激活。值得注意的是，本研究還發現左側頂上回的ReHo 值與MMSE 評分呈現顯著的負相關性，這可能為IS 患者認知損傷和信息整合異常提供了更多的影像學證據。內側和旁扣帶回是DMN 網絡的關鍵節點，對信息傳遞和認知處理具有很大的貢獻[26]。此前，有學者利用ReHo 分析發現雙側內側和旁扣帶回、額中回和額下回等組成的腦功能網絡與認知功能障礙患者認知逆轉息息相關[27]。本研究結果表明，DMN 后部的代謝增強或過度激活可能是對認知和行為功能下降的補償機制。

3.2 涉及SMN網絡的異常腦區

IS 患者在大腦右側中央后回（ReHo 值顯著降低）、雙側輔助運動區以及左側中央旁小葉（ReHo 值顯著升高）主要涉及SMN網絡的關鍵性節點。中央后回主要由初級軀體感覺皮層構成，負責軀體感覺，如疼痛刺激、溫度變化和觸摸等[28]，同時也包括了次級軀體感覺皮層，在軀體感覺刺激和記憶整合中發揮重要的作用[29]。此外，一項中風研究表明，患者中央后回損傷可能造成運動感知錯覺，即靜止觸覺刺激在呈現時為運動狀態[30]。本研究發現IS 患者右側中央后回的ReHo 顯著降低，可能與IS 患者軀體感覺功能下降相關。SMN 網絡整合了初級運動皮層、前運動區和輔助運動區，負責軀體的自主運動功能[31]。既往研究發現，輔助運動區內側和旁扣帶回作為額葉中重要的區域，主要涉及軀體運動控制功能和廣泛的認知功能，如時間處理和語言處理等[32]。中央旁小葉作為中央前回和中央后回內側的中間區域，除了調控下肢自主運動外，還服務于運動功能和空間注意力[33-34]。值得注意的是，先前關于中風患者的研究表明，患者雙側輔助運動區、中央旁小葉以及枕中回的結構和功能重組與運動功能變化有關[35]，這與本研究的結果基本一致。一項頭部針灸治療后的IS患者研究發現輔助運動區、枕下回、楔前葉、內側和旁扣帶回、中央旁小葉以及前扣帶回等腦區功能增強，這是患者大腦對認知、視覺和運動控制等功能的補償機制[36]。此外，本研究發現雙側輔助運動區ReHo 的改變量與MMSE 評分呈現顯著的負相關性，進一步反映了患者感覺運動功能受損和認知損傷。因此，本研究中IS 患者雙側輔助運動區和左側中央旁小葉的ReHo 顯著增強，表明了IS 患者在以上大腦區域存在過度激活，反映了SMN腦功能活動增強是對感覺運動功能下降的代償與失代償激活機制并存，可能揭示了IS患者對軀體感覺和空間定向功能的調控機制。

3.3 研究的不足與展望

本研究仍存在一定的局限性。首先，本研究樣本數量相對較少且來自單一研究中心，后續研究應增加多研究中心的大樣本數量。但由于兩組被試的性別和年齡均相互匹配，并不會影響本研究結果的穩健性。其次，本研究未進行患者ReHo的縱向研究。未來需要進行多中心、大樣本量數據的縱向追蹤研究，以便全面探究IS患者認知功能障礙的大腦機制。

4 結論

綜上所述，本研究結合rs-fMRI 和ReHo 方法探究了IS 患者腦功能活動與認知功能障礙之間的關系，結果發現IS 患者在額中回、三角部額下回、中央后回、顳中回、輔助運動區、內側和旁扣帶回、頂上回、楔前葉以及中央旁小葉存在腦功能活動同步性自發改變，部分異常改變與患者認知量表有關。本文研究結果提示ReHo 值異常改變可能在IS 患者認知功能障礙發生和發展中具有非常重要的作用，表明異常大腦區域的ReHo 值可能是IS 中潛在的影像學生物標志物。本研究將有助于解釋IS患者存在認知功能障礙的原因，為患者的臨床診療和預后評估提供神經影像學證據。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：丁菊容直接參與包括醞釀和設計實驗、實施研究、分析/解釋數據，文章撰寫包括起草文章、對文章的知識性內容作批評性審閱，且負責數據統計分析、技術/材料支持；李原直接參與包括醞釀和設計實驗、實施研究、分析/解釋數據，文章撰寫包括起草文章、對文章的知識性內容作批評性審閱，工作支持包括統計分析、技術或材料支持、指導；華波直接參與分析/解釋數據，對文章的知識性內容作批評性審閱，統計分析、指導；奉晨宇、唐智靈直接參與分析/解釋數據，起草文章，統計分析；楊呈浩直接參與分析/解釋數據，對文章的知識性內容作批評性審閱；丁鑫直接參與分析/解釋數據，對文章的知識性內容作批評性審閱。丁菊容獲得國家自然科學基金資助；楊呈浩獲得人工智能四川省重點實驗室開放基金資助；丁鑫獲得成都市衛生健康委員會基金資助。全體作者都同意發表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負責，確保本研究的準確性和誠信。