OSAHS患者的腦功能異常改變：基于VMHC的靜息態(tài)fMRI研究

伋立榮，王二磊，陳銳，王婧，亞洋，蘇桐，程超虹，范國華*

0 前言

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征（obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome, OSAHS）是一種主要與認知功能損害相關的睡眠障礙，影響注意力、記憶力、執(zhí)行功能和視覺空間能力等多方面。目前全球近10 億人患有OSAHS，我國患病人數(shù)位居首位[1]。最近有研究表明OSAHS 是阿爾茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的重要危險因素[2]。此外，由于白天嗜睡和注意力分散，OSAHS 患者交通事故發(fā)生頻次較高[3]。OSAHS引起的認知功能損害嚴重影響了患者的生命健康，然而其發(fā)生機制尚未得到證實。

靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）根據(jù)腦血氧水平即可無創(chuàng)且敏感地揭示大腦皮層的異常自發(fā)活動，應用前景廣闊。既往rs-fMRI 研究表明OSAHS 患者存在多個腦區(qū)功能異常以及中樞神經(jīng)重組[4-6]，但關于OSAHS患者認知損害的確切神經(jīng)機制尚無定論。鏡像同倫連接（voxel-mirrored homotopic connectivity, VMHC）是一種基于靜息態(tài)功能連接（functional connection, FC）技術的新方法，通過量化兩半球?qū)ΨQ腦區(qū)間自發(fā)神經(jīng)活動的同步性，可以反映兩半球間信息交流及整合模式。VMHC在AD、抑郁癥、精神分裂癥等認知疾病和精神疾病中應用廣泛[7-9]，而在OSAHS及其認知障礙中的研究非常少見[10]。基于此，本研究擬采用VMHC 方法探討OSAHS 患者的腦功能改變，并進一步探討其與認知狀態(tài)之間的關系，旨在為OSAHS的發(fā)生機制及認知損害的神經(jīng)機制探索提供影像學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對象

前瞻性招募2020 年9 月至2021 年9 月于蘇州大學附屬第二醫(yī)院睡眠中心行多導睡眠圖（polysomnography, PSG）監(jiān)測的被試135 例，其中20 例因頭動過大或存在顱腦病變而被剔除，最終納入115 例。以AHI=15 次/h 為界值，將68 例中或重度被 試 歸 為OSAHS 組[AHI=（46.32±21.39）次/h]及47 例正常或輕度被試歸為對照組[AHI=（5.94±4.07）次/h]。本研究所有被試（包括OSAHS 組和對照組）納入標準：（1）男性，右利手；（2）年齡20～65 歲；（3）行整夜多導睡眠監(jiān)測（AHI＞15 次/h 歸為OSAHS組，AHI≤15次/h歸為對照組），且臨床資料及磁共振數(shù)據(jù)完整；（4）所有OSAHS患者均為首次確診，未接受藥物、手術及呼吸機治療。排除標準：（1）存在其他睡眠障礙性疾病（如失眠）；（2）存在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病（如腦腫瘤、腦外傷、腦卒中、癲癇等）；（3）存在神經(jīng)退行性疾病（如阿爾茨海默病、帕金森病等）及精神疾病（如焦慮、抑郁等）；（4）存在長期煙酒及藥物依賴；（5）磁共振掃描期間因頭動過大致磁共振圖像不符合要求者。本研究經(jīng)蘇州大學附屬第二醫(yī)院倫理委員會批準（批準文號：JD-LK-2018-004-02），且遵守《赫爾辛基宣言》。所有被試均簽署知情同意書。

1.2 PSG監(jiān)測

采用Sandman Elit多導睡眠監(jiān)測儀（Compumedice E系列，澳大利亞）。PSG 監(jiān)測均在磁共振掃描前1～2 周完成，且監(jiān)測時間不少于7 h。要求檢查前24 h內(nèi)禁止飲酒、濃茶、咖啡及服用鎮(zhèn)靜催眠藥物。記錄AHI、最低SaO2、ODI、SIT90等指標。

1.3 神經(jīng)認知評估

采用劍橋神經(jīng)心理自動化成套測試。這是一種涵蓋多個認知領域的自動化評估方法，其在評估成年人的腦行為關系中已經(jīng)得到了廣泛的驗證[11-12]。本研究采用三項子測試，包括：空間再認記憶（spatial recognition memory, SRM）、空間廣度（space span,SSP）和空間工作記憶（spatial working memory,SWM），分別評估被試者視覺記憶、工作記憶和執(zhí)行功能情況。與傳統(tǒng)的紙質(zhì)認知量表相比，它有如下優(yōu)勢：（1）基于非語言性任務操作，不受語言及學歷差異的影響；（2）所有測試分數(shù)均由計算機自動生成，具有較高的準確性、敏感度及特異度。

1.4 數(shù)據(jù)采集

采用3.0 T 磁共振掃描儀（Siemens, Prisma，德國）和配備的64 通道頭部線圈進行rs-fMRI 圖像采集。所有被試者均被要求平躺、閉眼，保持放松清醒，避免思考。rs-fMRI 采用梯度回波-回波平面成像序列，掃描參數(shù)：TR 1240 ms，TE 32 ms，F(xiàn)OV 215 mm×215 mm，翻轉(zhuǎn)角67°，矩陣86×86，層數(shù)57，層厚2.5 mm，層間距0 mm，掃描時間6 min 24 s，共采集300 個時相。三維矢狀面高分辨率結(jié)構(gòu)像采用快速梯度回波序列，掃描參數(shù)為：TR 2300 ms，TE 2.34 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，翻轉(zhuǎn)角8°，矩陣256×256，層厚1.0 mm，層間距0 mm，體素1 mm×1 mm×1 mm，掃描時間3 min 54 s，共采集240 幅圖像。所有被試均行軸位液體衰減反轉(zhuǎn)恢復序列掃描以排除顱腦病變。所有被試在掃描完成后均被詢問整個檢查過程中是否入睡，本研究僅納入未入睡的被試。

1.5 rs-fMRI數(shù)據(jù)預處理及VMHC計算

基于Statistical Parametric Mapping（SPM12，http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）的Data Processing& Analysis of Brain Imaging（DPABI_V6.0，http://www.rfmri.org/dpabi）軟件包對rs-fMRI 數(shù)據(jù)進行下述預處理：（1）去除前10個時間點；（2）時間層校正；（3）頭動校正，剔除三個方向上（x，y 和z 軸）平移＞2 mm 或轉(zhuǎn)動＞2°或平均幀位移（mean frame-wise displacement, FD）＞0.2 的被試；（4）配準、空間標準化，先將功能像配準到高分辨T1WI 圖像上，然后再配準至標準蒙特利爾標準空間坐標系統(tǒng)（montreal neurological institute, MNI）（3×3×3 mm3）；（5）空間平滑，使用6 mm 全寬半高高斯核進行空間平滑；（6）去除協(xié)變量，回歸24 個頭動參數(shù)、腦白質(zhì)和腦脊液等信號；（7）去線性漂移；（8）濾波，采用0.01～0.08 Hz 進行濾波；（9）VMHC 計算，計算大腦半球間每對鏡像體素時間序列之間的皮爾遜相關系數(shù)，然后通過Fisher-z 變換得到VMHC的z 圖譜。

1.6 統(tǒng)計分析

人口學及臨床數(shù)據(jù)使用SPSS 26.0軟件分析，本研究所有資料均為計量資料，滿足正態(tài)分布的變量采用雙樣本t檢驗，以均值±標準差表示，非正態(tài)分布的變量采用非參數(shù)檢驗，以中位數(shù)（四分位間距）表示。采用DPABI 統(tǒng)計模塊對兩組被試的全腦VMHC圖進行雙樣本t檢驗，將年齡、受教育年限、BMI 及平均FD 值作為協(xié)變量，統(tǒng)計結(jié)果采用GRF 校正（體素水平P＜0.001，團塊水平P＜0.05，雙尾）。最后，提取異常腦區(qū)的VMHC 值，與PSG 指標和劍橋認知指標進行偏相關分析，以年齡、受教育年限及BMI 為控制變量。

2 結(jié)果

2.1 人口學及臨床資料

OSAHS 組與對照組的人口學、PSG 結(jié)果及劍橋認知結(jié)果見表1。

2.2 VMHC結(jié)果

與對照組相比，OSAHS 組在雙側(cè)后扣帶回、島葉和顳上回的VMHC 值顯著升高（GRF 校正，體素水平P＜0.001，團塊水平P＜0.05，雙尾）（圖1，表2），未發(fā)現(xiàn)VMHC值顯著降低的腦區(qū)。

圖1 OSAHS組與對照組VMHC 值差異比較圖，紅色代表VMHC 值增高腦區(qū)。OSAHS：阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征；VMHC：鏡像同倫連接。Fig.1 Differences in VMHC values between OSAHS group and control group.Red indicates the significance of higher VMHC values for the group comparisons.OSAHS: obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome;VMHC: voxel-mirrored homotopic connectivity.

表2 OSAHS組較對照組VMHC值增高的腦區(qū)Tab.2 The brain regions with increased VMHC value in OSAHS group compared with control group

2.3 偏相關分析結(jié)果

后扣帶回和島葉的VMHC 值與SRM 選擇時間呈正相關（r=0.318，P=0.010；r=0.437，P＜0.001）（圖2，圖3）。未發(fā)現(xiàn)任何異常腦區(qū)的VMHC 值與SRM 正確率、SSP、SSP 反應時間、SWM 總錯誤數(shù)及SWM 完成總時間存在相關性。未發(fā)現(xiàn)任何異常腦區(qū)的VMHC 值與PSG指標間存在相關性。

圖2 后扣帶回VMHC 值與SRM 選擇時間的偏相關分析。 圖3 島葉VMHC 值與SRM 選擇時間的偏相關分析。VMHC：鏡像同倫連接；SRM：空間再認記憶。Fig.2 Partial correlation analysis between VMHC value in posterior cingulate cortex and the selection time of SRM.Fig.3 Partial correlation analysis between VMHC value in insular and the selection time of SRM.VMHC: voxel-mirrored homotopic connectivity; SRM: spatial recognition memory.

3 討論

靜息狀態(tài)下，OSAHS 患者存在廣泛腦區(qū)功能異常，而基于VMHC 方法的研究卻非常少見。并且，以往研究大多采用的是傳統(tǒng)的紙質(zhì)量表，這對患者認知損害的評估可能不夠精確及敏感。本研究基于VMHC 分析及先進的劍橋認知評估發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，OSAHS 患者雙側(cè)后扣帶回、島葉和顳上回的VMHC值顯著增加，并且后扣帶回和島葉的VMHC 值均與SRM 選擇時間呈正相關。以上發(fā)現(xiàn)為OSAHS 的發(fā)生機制及認知損害的神經(jīng)機制探索提供了影像學依據(jù)。

3.1 VMHC增強的適應性代償機制

本研究發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者存在多個腦區(qū)的VMHC 值顯著增加，而未發(fā)現(xiàn)VMHC 值顯著降低的腦區(qū)。VMHC值增加意味著相應腦區(qū)半球間FC 增強，連接更加緊密。之前僅有的一項VMHC研究針對29名OSAHS患者和20 名正常對照，同樣發(fā)現(xiàn)了患者部分腦區(qū)的VMHC值顯著增加[10]。CABEZA 等[13]提出腦區(qū)過度激活是一種補償機制，且與認知表現(xiàn)呈正相關。再結(jié)合既往結(jié)構(gòu)及fMRI 研究均有發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者部分腦區(qū)的皮層厚度增加或功能活動增強的現(xiàn)象[14-16]，我們推測VMHC 增強可能也是一種適應性代償反應，即大腦試圖通過加強與自身對稱腦區(qū)的聯(lián)系以維持正常的功能。事實上，代償現(xiàn)象在睡眠研究中常有報道，例如，ZHU等[17]研究證實睡眠剝奪后多個腦區(qū)的VMHC值顯著增加，該研究同樣認為這可能是大腦的一種功能代償，即大腦通過加強半球間的FC 來維持睡眠剝奪后低喚醒時的認知能力。

3.2 OSAHS組在雙側(cè)后扣帶回同倫連接增強

本研究通過劍橋神經(jīng)認知測試發(fā)現(xiàn)，OSAHS 患者SRM 正確率明顯減低，SSP 反應時間和SWM 完成總時間明顯增加，這表明OSAHS患者涉及多個領域的認知損害，包括視覺記憶、工作記憶和執(zhí)行功能方面。此前OSAHS相關的認知損害也頻繁被報道，目前認為間歇性缺氧和睡眠片段化可能是主要原因，但其確切神經(jīng)機制尚不清楚[18]。本研究發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者雙側(cè)后扣帶回的VMHC 值顯著高于對照組，既往多個研究已證實OSAHS患者后扣帶回灰質(zhì)體積減小、白質(zhì)完整性破壞和功能活動異常[19-22]，均在一定程度上支持本研究的結(jié)果。后扣帶回作為默認網(wǎng)絡（default mode network, DMN）的關鍵節(jié)點，在支持內(nèi)部導向認知、調(diào)節(jié)注意焦點和記憶提取過程中扮演重要作用[23]。有學者采用種子點FC 方法發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者后扣帶回與多個腦區(qū)間存在FC 異常，提示后扣帶回的網(wǎng)絡樞紐作用被破壞，推測這可能進一步導致疾病加重和認知功能受損[21]。本研究結(jié)果顯示雙側(cè)后扣帶回的VMHC 值與SRM 選擇時間呈正相關，筆者推測后扣帶回的半球間協(xié)調(diào)障礙可能與OSAHS 患者的視覺記憶損害密切相關。類似研究也發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者兩側(cè)后扣帶回的功能活動異常，并且與認知評分顯著相關[22]。遺憾的是，本研究并未發(fā)現(xiàn)異常腦區(qū)的VMHC 值與反映工作記憶（SSP、SSP 反映時間）和執(zhí)行功能（SWM 總錯誤數(shù)、SWM 完成總時間）的認知指標間存在顯著相關性，我們推測樣本量相對較小可能是原因之一；另一方面，OSAHS 患者的認知功能可能在一定程度上存在代償空間。眾所周知，AD 的認知能力下降與tau 病理密切相關，最近有文獻指出睡眠障礙也與tau 病理有關，睡眠異常被認為是AD 病理和認知損害的潛在風險因素[24]。同時以往研究表明以后扣帶回為核心的默認網(wǎng)絡功能異常被認為是AD的重要發(fā)病機制[25]，我們推測OSAHS 可能與AD 具有類似的神經(jīng)機制，雙側(cè)后扣帶回的功能異常在OSAHS患者認知功能損害的發(fā)生過程中可能具有重要意義。

3.3 OSAHS組在雙側(cè)島葉和顳上回同倫連接增強

最初認為島葉與情感體驗、疼痛和感覺運動有關，作為突顯網(wǎng)絡的重要區(qū)域，近年來越來越多的研究證實島葉還參與高級認知和決策過程。既往研究報道OSAHS 患者表現(xiàn)為島葉皮層厚度、灰質(zhì)密度下降[19,26]，提示島葉是一個脆弱且敏感的腦區(qū)。本研究結(jié)果顯示雙側(cè)島葉VMHC 異常，偏相關分析進一步發(fā)現(xiàn)其與SRM選擇時間呈正相關，表明島葉可能參與了OSAHS 患者的認知功能損害過程。與本研究結(jié)果相似，有學者發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者右島葉和DMN 之間的靜息態(tài)FC 異常，并且與工作記憶顯著相關[6]。此外，還有研究采用磁共振波譜技術發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者存在島葉代謝產(chǎn)物異常，提示島葉的神經(jīng)元損傷，同時指出這可能是OSAHS 患者產(chǎn)生焦慮、抑郁的原因[27]。最后，本研究還發(fā)現(xiàn)了顳上回的VMHC 異常。顳葉主要負責調(diào)控記憶、情感和聽覺等高級神經(jīng)活動，其中顳上回與認知和記憶有關。以往研究發(fā)現(xiàn)OSAHS患者存在顳上回ALFF 值及Reho 值減低，提示顳上回 功 能 受 損[28-29]。LI 等[30]對21 名 中 重 度OSAHS 患 者持續(xù)氣道正壓通氣（continuous positive airway pressure, CPAP）治療前后進行對比研究，發(fā)現(xiàn)基線時OSAHS 患者顳上回ReHo 值較正常對照者減低，經(jīng)CPAP 治療后這種情況可逆轉(zhuǎn)，表明顳上回在OSAHS的發(fā)病機制中可能具有重要作用，這與本研究結(jié)果相一致。

3.4 研究的不足及展望

本研究尚存在以下不足：首先，由于OSAHS 在廣大人群中較高的發(fā)病率，本研究在執(zhí)行過程中AHI值正常者的招募存在一定困難（共21 例），為了增大樣本量及統(tǒng)計力度，本研究參照以往文獻[31]將輕度OSAHS 患者和AHI 值正常者一起納入了對照組，中重度OSAHS 患者歸為患者組，盡管如此，兩組間AHI 仍存在顯著差異，因此本研究認為該分組方式能夠反映OSAHS的致病機制。其次，本研究中對照組受教育年限略高于OSAHS組，盡管我們將受教育年限作為協(xié)變量納入統(tǒng)計模型，但是受教育年限可能仍對結(jié)果存在影響，后續(xù)我們將繼續(xù)擴大AHI值正常者的招募來完善匹配研究。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究通過VMHC 分析發(fā)現(xiàn)OSAHS 患者表現(xiàn)為特定腦區(qū)（后扣帶回、島葉和顳上回）的半球間FC增強，并與認知功能損害存在一定的相關性，這可能有助于了解OSAHS 的發(fā)生機制及OSAHS 導致認知損害的潛在神經(jīng)影像學機制。

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：伋立榮起草和撰寫稿件，獲取、分析及解釋本研究的數(shù)據(jù)；范國華設計本研究的方案，對稿件重要內(nèi)容進行了批判性審閱及關鍵性修改，對最終發(fā)表的論文進行了全面把關；王二磊參與文章選題和設計，參與磁共振成像數(shù)據(jù)的分析與解釋，對稿件相關內(nèi)容提供修改意見；陳銳提供研究經(jīng)費支持，提供PSG 數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制及分析指導等技術支持；王婧、蘇桐、程超虹參與PSG 數(shù)據(jù)及劍橋認知數(shù)據(jù)的采集及分析解釋；亞洋參與磁共振成像數(shù)據(jù)的采集及分析解釋。陳銳獲得了國家自然科學基金的資助；范國華獲得了蘇州市科技發(fā)展計劃、江蘇省老年健康科研項目的資助；伋立榮獲得了蘇州大學附屬第二醫(yī)院青年職工預研基金項目的資助；王二磊獲得了蘇州市醫(yī)學會“影像醫(yī)星”科技立項項目的資助。全體作者都同意發(fā)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。