急性輕度創傷性腦損傷患者靜息態功能MRI多模式研究

曾哲，羅琳*，陳強，侯斯琦

0 引言

創傷性腦損傷（traumatic brain injury, TBI）是一種創傷性腦結構損傷或由外力引起的其他腦功能改變的損傷，全球每年有超過1 000 萬人死亡和住院，其中80%～90%的TBI患者為輕度[1-2]。輕度創傷性腦損傷（mild TBI, mTBI）特征是在受傷后幾周內出現認知和情緒缺陷，大多數患者的癥狀會在3～6個月后消退，而有研究發現20%～30%的患者存在有腦震蕩后綜合征（post concussion syndrome, PCs）[3]。由于mTBI 患者的腦組織微結構受損，使用傳統的影像學技術，如計算機體層成像（computed tomography, CT）和常規MRI 進行評估時，通常沒有陽性表現[4-5]。功能MRI（functional MRI, fMRI）技術在mTBI 損傷檢測和預后預測方面具有巨大的潛力，即使結構成像沒有明顯異常，fMRI 也可以檢測mTBI 患者腦功能的變化，并可能具有預測未來認知功能下降的能力[6-7]。根據掃描過程中是否執行具體任務fMRI可劃分為任務態fMRI 和靜息態功能MRI（resting-state fMRI, rs-fMRI）。rs-fMRI 的分析一類是基于自發血氧水平依賴（blood oxygen level dependent, BOLD）信號局部特征，包括低頻振幅（amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF）、分數低頻振幅（fractional ALFF, fALFF）及局部一致性（regional homogeneity, ReHo）的測量；另一類是測量不同大腦區域之間的功能關系，也稱為功能連接（functional connectivity, FC）[8]。迄今為止，相對較少的研究探討了mTBI 患者的認知表現及其與rs-fMRI指標的相關性，并且mTBI 研究中關于rs-fMRI 指標的發現不完全一致[9-12]。CHURCHILL 等[10]通過多變量分析證明mTBI 對整個大腦FC 的降低具有主效應，尤其是在顳葉和頂葉區域。MEIER 等[12]在一項前瞻性縱向研究發現，運動員在24 小時的檢查中，右額中上回的ReHo 升高，在無癥狀就診和重返賽場后就診時，關于rs-fMRI 的指標沒有觀察到顯著差異。此外，mTBI 患者在區分損傷部位方面的研究少見報道，為此，本研究采用rs-fMRI 測量單側顱腦損傷的急性mTBI 患者與健康對照者（health comparison, HC）基于體素的指標，觀察mTBI 患者腦功能是否發生變化及其與蒙特利爾認知評估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）量表評分之間是否存在相關性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

2022 年4 月至2023 年10 月，前瞻性納入內蒙古科技大學包頭醫學院第一附屬醫院急診科及蒙醫骨傷科就診的急性mTBI患者。急性mTBI患者納入標準[13-14]：（1）18～60 歲；（2）右利手；（3）單側閉合性顱腦損傷；（4）創傷后失憶＜24 小時或意識喪失＜30 分鐘；（5）格拉斯哥昏迷評分（Glasgow Coma Scale, GCS）為13～15分；（6）急診頭顱CT檢查無明顯異常。排除標準：（1）除當前發作外的腦損傷史；（2）神經或精神疾病史；（3）藥物或酒精濫用史；（4）有MRI 檢查禁忌。HC 通過社區招募，納入標準：（1）18～60 歲；（2）右利手；（3）既往無閉合性顱腦損傷病史；（4）常規CT檢查無明顯異常。排除標準：（1）神經或精神疾病史；（2）藥物或酒精濫用史；（3）有MRI檢查禁忌。共有31例單側顱腦損傷的急性mTBI患者及31例性別、年齡和受教育年限相匹配的HC 被納入。本研究遵循《赫爾辛基宣言》，并經內蒙古科技大學包頭醫學院第一附屬醫院審查委員會的批準，批準文號：2023026，全體受試者均簽署了知情同意書。

1.2 MoCA量表

MoCA量表包括12個單獨的任務，分為7個認知領域，完成量表大約需要10分鐘[15]。總分為30分，≥26分屬于正常，得分越低，表明認知缺陷越大[16]。MoCA量表與MRI圖像在同一天采集。

1.3 圖像采集

MRI數據在Philips Achieva 3.0 T（飛利浦醫療公司，荷蘭）掃描儀上收集，使用8 通道頭部專用線圈，受試者的頭部被泡沫墊固定以限制運動。掃描前機器已預熱，靜息狀態功能成像是使用平面回波成像（echo planar imaging, EPI）序列執行以下成像參數：TR 2 000 ms，TE 35 ms，切片厚度5 mm，FA 90°，FOV 240 mm×240 mm，矩陣大小80×78，體素大小3 mm×3 mm×5 mm，共185 卷全腦圖像，采集時間為376 s。此 外，采 用TR 8 ms，TE 4 ms，切 片 厚 度2 mm，FA 8°，FOV 240 mm×240 mm，矩陣大小240×240，體素大小1 mm×1 mm×2 mm 的磁化強度預備梯度回波序列進行結構高分辨率T1加權成像掃描。在圖像采集過程中，所有受試者需要閉上眼睛，保持頭部不動，安靜地休息，不思考任何事情[17-18]。此外，兩名影像科醫生（具有5 年以上經驗）獨立審查MRI 圖像。這兩名醫生之間的任何分歧都以協商的方式解決。

1.4 數據預處理

使用SPM 12 和DPABI（dpabi，v6.1_220101）軟件對圖像進行預處理，上述軟件基于MATLAB R2018b。預處理步驟如下：對185 卷全腦圖像進行切片時間和頭部運動校正，任何頭部運動超過2 mm或X、Y 或Z 方向旋轉超過2°的參與者均被排除在外。隨后，對每個受試者，將T1加權結構圖像與重新對齊的EPI圖像的平均值共同配準。然后，將所有靜息狀態數據空間歸一化為蒙特利爾神經學研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）空間的EPI 模板，重采樣體素大小為2 mm×2 mm ×2 mm。最后，對噪聲進行了回歸，并用 0.01～0.10 Hz 的帶通濾波，以減少低頻漂移和高頻呼吸及心臟噪聲的影響。

1.4.1 ALFF的計算

ALFF 的計算需要先從預處理數據中去除線性漂移，通過帶通濾波器濾波出低頻信號，將每個體素的時間序列變換到頻域，然后得到功率譜；再通過對變換后的功率譜進行平方根和傅里葉變換（Fourier transform, FT）來處理低頻信號，每個頻率的較低振幅平均值代表每個腦區自發活動的強度。

1.4.2 分數低頻振幅計算

在計算fALFF 之前，進行空間平滑[全寬半最大值（full width at half maxima, FWHM）=6 mm 的高斯核]。然后，利用快速FT（fast FT, FFT）將rs-fMRI 信號的時間過程轉換到頻域，測量功率譜的平方根，并在0.01～0.10 Hz 范圍內取平均值。最后測量體素水平的fALFF 值，即低頻頻段（0.01～0.10 Hz）與全頻段（0.00～0.55 Hz）功率的比值。為了保證標準化，對于每個參與者，將每個體素的fALFF 除以全球平均fALFF，得到標準化的fALFF圖。

1.4.3 ReHo的計算

經帶通濾波（0.01～0.10 Hz）后進行區域均勻性測量。這是在基于體素的基礎上完成的，通過計算給定時間序列的Kendall 一致性系數，該時間序列被分配為與其最近的27個相鄰體素的中心體素。為了標準化，將每個體素的ReHo 值除以ReHo 的全局平均值，生成標準化的ReHo 地圖。然后，在ReHo 計算后，采用6 mm FWHM的高斯核進行空間平滑。

1.4.4 FC的計算

在0.01～0.10 Hz的帶通濾波后，進行基于種子的體素FC 分析。為了減弱rs-fMRI 信號時間序列的線性漂移，對線性趨勢進行了去除。根據ALFF、fALFF和ReHo結果，將mTBI組和HC組之間表現出顯著差異的區域定義為種子。種子區被創建為圍繞質量坐標中心的球形5 mm 感興趣區（region of interest,ROI）。然后，使用種子時間序列與灰質區域其余時間序列之間的Pearson 相關系數來測量FC。為了標準化，應用Fisher 的z變換將FC 轉換為z值，得到標準化的FC映射圖。

1.5 統計學分析

使用DPABI-V6.1軟件中的統計分析模塊進行基于體素的雙樣本t檢驗，探討兩組之間ALFF、fALFF、ReHo和基于種子的FC是否存在差異。在所有的雙樣本t檢驗中，均使用年齡、性別和受教育年限作為協變量。使用高斯隨機場（Gaussian random-field, GRF）校正，對多次比較得出的統計圖進行校正，達到體素P＜0.005 的顯著水平。根據自動解剖標記（automated anatomy labeling, AAL）圖譜記錄重要腦區名稱。采用卡方檢驗估計兩組性別構成的分布，兩組間年齡的影響采用雙樣本t檢驗，兩組間受教育年限的影響采用U檢驗。此外，對mTBI組損傷后納入研究的時間及臨床評分采用單樣本t檢驗。在控制年齡、性別和受教育年限作為協變量的情況下，對mTBI隊列中所有患者生成ALFF、fALFF、ReHo 和基于種子的FC的值與臨床評估量表之間的Spearman相關系數。使用雙尾確定顯著性值，P＜0.05認為線性相關性顯著。

2 結果

2.1 人口統計學和臨床特征

所有參與者的人口學和臨床特征見表1。mTBI組與HC 組年齡、性別和受教育年限差異無統計學意義（P＞0.05）。

表1 mTBI患者與HC之間人口統計學和臨床特征Tab.1 Demographic and clinical characteristics between mTBI patients and HC

2.2 急性mTBI 患者與HC 基于體素的指標差異顯著的區域

雙樣本t檢驗顯示，與HC 相比，急性mTBI 患者在左側腦島、左側中央后回和左側中央前回的ALFF增加（體素P＜0.005，GRF校正）；急性mTBI患者在右側中央后回和右側中央前回的fALFF 增加（體素P＜0.005，GRF 校正）；急性mTBI 患者在右側楔葉和左側中央后回的ReHo升高（體素P＜0.005，GRF 校正）。上述指標通過雙樣本t檢驗確定的顯著簇列表如圖1和表2所示。

圖1 mTBI 患者基于自發BOLD 信號局部特征發生改變的腦區圖。1A：ALFF 值差異區域，第一行左側腦島，第二行左側中央后回，第三行左側中央前回；1B：fALFF值差異區域，第一行右側中央后回，第二行右側中央前回；1C：ReHo 值差異區域，第一行右側楔葉，第二行左側中央后回（體素P 值＜0.005，GRF 校正）。t 值的范圍由顏色條表示，熱色與mTBI組中增加的ALFF、fALFF和ReHo值相對應。所顯示的圖像的左側是人的左側。mTBI：輕度創傷性腦損傷；BOLD：血氧水平依賴；ALFF：低頻振幅；fALFF：分數低頻振幅；ReHo：局部一致性。Fig.1 Map of brain regions with changes based on local features of spontaneous BOLD signals in mTBI patients.1A: ALFF value difference area, left insula in the first row, left posterior central gyrus in the second row,left anterior central gyrus in the third row; 1B: fALFF value difference area,the first-row right center back, the second-row right front center back; 1C:ReHo value difference area, right cuneus in the first row, left posterior central gyrus in the second row (voxel P value＜0.005, GRF correction).The range of t values is represented by a color bar, and the thermal color corresponds to the added ALFF, fALFF, and ReHo values in the mTBI group.The left side of the image shown is the left side of the person.mTBI: mild traumatic brain injury;BOLD: blood oxygen level dependence; ALFF: amplitude of low-frequency fluctuations; fALFF: fractional amplitude of low-frequency fluctuations;ReHo: regional homogeneity.

表2 mTBI患者與HC之間基于自發BOLD信號局部特征差異顯著的區域Tab.2 Regions with significant differences in local features based on spontaneous BOLD signals between mTBI patients and HC

如上所述，以mTBI 與HC 之間ALFF、fALFF 和ReHo 值有顯著差異的腦區t值峰值中心點定義為球形種子（半徑=5 mm），在這7 個種子和大腦灰質區域的其他部分之間估計基于種子的FC。其中FC 發生改變的腦區包括右側中央后回和右側楔葉。與HC相比，右側中央后回與右側枕中回和右側楔葉的FC增強；右側楔葉與右側楔前葉的FC 增強，右側楔葉與右側尾狀核的FC 減弱（體素P＜0.005，GRF 校正）。通過雙樣本t檢驗測量的基于種子的FC 組間差異顯著列表如圖2和表3所示。

圖2 mTBI 和HC 之間基于種子的FC 差異顯著的腦區圖。種子點包括：右側中央后回（2A）、右側楔葉（2B）；FC 差異腦區包括右側枕中回（2C）、右側楔葉（2D）、右側楔前葉（2E）、右側尾狀核（2F，體素P 值＜0.005，GRF 校正）。t值的范圍由顏色條表示，熱色與mTBI 組中增加的FC值相對應。所顯示的圖像左側是人的左側。mTBI：輕度創傷性腦損傷；HC：健康對照；FC：功能連接。Fig.2 Brain regions with significant differences in seed-based FC between mTBI and HC.Seed points include: right posterior central gyrus(2A), right cuneus (2B); FC differential brain areas include: right middle occipital gyrus (2C), right cuneus (2D), right anterior cuneus (2E), right caudate nucleus (2F, voxel P value＜0.005, GRF correction).The range of t values is represented by a color bar, and the thermal color corresponds to the added FC value in the mTBI group.The left side of the image shown is the left side of the person.mTBI: mild traumatic brain injury; HC: healthy control; FC: functional connection.

表3 mTBI和HC之間基于種子的FC差異顯著的區域Tab.3 Regions with significant seed-based FC differences between mTBI and HC

2.3 rs-fMRI 指標與MoCA 量表評分之間的相關性分析

使用Spearman 相關估計mTBI 隊列中的ALFF、fALFF、ReHo 和基于種子的FC 值的臨床狀況。從7 個差異顯著腦區提取區域的ALFF、fALFF 和ReHo值。在控制年齡、性別和受教育年限的情況下，在mTBI 隊列中，相關分析結果顯示，mTBI 患者基于自發BOLD 信號局部特征差異顯著的區域與MoCA 量表評分無相關性。同樣，對基于種子的FC 和MoCA量表進行相關性分析。mTBI 隊列中，相關分析顯示右側中央后回和右側枕中回之間FC 改變與MoCA量表評分呈負相關（r=-0.427，P=0.016），右側中央后回和右側楔葉之間FC 改變與MoCA 量表評分呈負相關（r=-0.411，P=0.022），分別如圖3A及3B所示。

圖3 相關分析結果圖。3A：右側中央后回和右側枕中回之間FC 改變與MoCA 量表評分呈負相關；3B：右側中央后回和右側楔葉之間FC 改變與MoCA 量表評分呈負相關。FC：功能連接；MoCA 為蒙特利爾認知評估。Fig.3 Graph of correlation analysis results.3A: FC changes between the right posterior central gyrus and the right middle occipital gyrus were negatively correlated with MoCA scale scores; 3B: FC changes between the right posterior central gyrus and the right cuneus were negatively correlated with MoCA scale scores.FC: functional connection; MoCA: Montreal Cognitive Assessment.

3 討論

在本研究中，采用rs-fMRI 測量單側顱腦損傷的急性mTBI患者與HC基于體素的指標，結果表現，與HC 相比，急性mTBI患者的認知功能發生了改變，特別是在默認模式網絡（default mode network, DMN）、顯著網絡（salience network, SAN）和視覺網絡中。另外本研究表明認知表現與MoCA 量表評分之間存在相關性。迄今為止，mTBI 患者在區分損傷部位方面的研究少見報道，而不同部位的損傷可能導致不同的神經生物學后果以及不同的補償和恢復機制。區分mTBI患者損傷部位能夠控制混淆變量，這將為研究mTBI患者的神經生理學機制提供更好的佐證，并對mTBI 患者的診斷和預后提供新方向。

3.1 急性mTBI 患者與HC 基于指標ALFF 差異顯著的區域

在本研究結果中，左側腦島的ALFF 值增加。越來越多的研究結果表明，腦島在突出事件的反應和調節認知控制中起著至關重要的作用[4]。眾所周知，腦島在功能和解剖上與其他幾個皮層和皮層下區域相關。另一方面，島葉是SAN 中非常重要的節點；SAN 可能在腦震蕩風險中起關鍵作用，因為它在定位威脅動態平衡的刺激、在存在歧義時分配突出度以及監測內部身體狀態方面發揮關鍵作用[19]。這強調了SAN 在腦震蕩風險的組成部分中的潛在重要性，包括損傷避免、功能適應和癥狀自我評估。腦島同時也是額頂網絡（frontoparietal network, FPN）的關鍵節點，FPN 參與執行功能，如注意力分配、工作記憶、性能監控和計劃。新出現的證據表明，腦島皮層是跨多個感覺和認知領域的顯著處理中心[16]。因此，腦島在大腦功能中的重要性使得對其損傷的研究和治療變得至關重要。

3.2 急性mTBI患者與HC基于指標fALFF差異顯著的區域

有研究表明，相對于皮層下區域，皮層區域的fALFF 通常較高，fALFF 也與皮質區代謝增加有關[20]。與HC 組相比，急性mTBI 患者中央前回和中央后回的自發神經活動增加。中央前回和中央后回分別是初級運動皮層和初級體感皮層的所在地。皮層區域較高的fALFF 和代謝可被解釋為創傷患者對損傷的潛在代償反應[20]。中央前回除了負責控制身體對側的隨意運動，還包含輔助運動皮質的一部分，該皮質參與規劃肢體的自主運動[21]。對于mTBI 患者，中央后回失調與認知功能有關，中央后回被認為是負責軀體感覺輸入和反饋的主要區域[22]。中央后回主要接收對側肢體痛、溫、壓及位置覺和運動覺信息[23]。本研究的結果顯示急性mTBI 組中央后回的ALFF、fALFF 及ReHo 三項指標均增加，表明創傷后疼痛引起大腦皮質功能區反饋性代償激活[24]。因此，這些區域自發神經活動的變化可能與認知功能障礙有關。

3.3 急性mTBI 患者與HC 基于指標ReHo 差異顯著的區域

ReHo 是研究各種神經心理障礙病理生理的常用分析方法[25-27]。與HC組對比，急性mTBI組右側楔葉的ReHo 增加。先前的研究表明，楔葉主要負責視覺聯想和處理視覺圖像[28]。因此，靜息狀態下急性mTBI 患者楔葉的自發神經元活動增加，可能表明患者在這種狀態下無意識地經歷創傷的心理圖像[28-29]。有研究認為，mTBI 組較高的ReHo 值可能是由更大的神經活動引起的，這種現象可能是由于神經可塑性和損傷補償機制，這與認知能力下降有關，反映了疾病進展中的損傷和適應不良[9]。因此，楔葉的ReHo 增加可能導致視覺聯想和圖像處理能力的下降，進而影響認知功能和心理健康。

3.4 急性mTBI 患者與HC 基于指標FC 差異顯著的區域

從FC 方面來看，與HC 相比，本研究急性mTBI組右側楔葉與右側楔前葉的FC 增強。楔前葉在視覺記憶體驗的產生中起著重要作用，多項研究已經表明，mTBI 組在DMN 表現出增加的FC，特別是在楔前葉[30]。在靜息狀態和認知活動中，楔前葉在持續的認知過程中起著重要作用[31]。此外，楔前葉是DMN 中非常重要的節點，來自DMN 子系統的信息被認為是在這里收集的。DMN 負責審查休息狀態下的精神狀態，在這種狀態下，人是警覺和有意識的，因此，DMN 節點前后之間的FC 解耦可以解釋為靜息狀態時意識的喪失[32-33]。mTBI 組休息時FC 增加可能與對外部環境的意識增強和過度認知疲勞有關。據報道，急性mTBI患者中DMN 節點過度活躍，并被發現與認知需求期間的工作記憶功能障礙和注意轉換有關[34]。本研究的結果顯示，右側楔葉與右側楔前葉的FC 增加與MoCA 評分不存在相關性，這與之前的研究不一致，LU 等[16]的研究顯示楔前葉連接性增加與腦震蕩后主訴的程度呈負相關。這意味著所選的特定分析方法對報告的結果有很大影響，并且必須始終在特定方法的背景下解釋結果。綜上所述，FC 的持續變化，特別是DMN、SAN 和視覺網絡節點的持續變化，可能通過認知表現來調節大腦網絡的反應能力，從而影響行為。

3.5 局限性

在解釋本研究的結果時，有幾個限制需要考慮。首先，雖然納入研究的mTBI 患者損傷部位為單側，但損傷的原因存在有異質性，未來的研究需要進一步細分。此外，本研究樣本量較小，未來的試驗建議包含更大的樣本量。最后，僅對mTBI組進行了臨床評分，希望未來的研究能夠考慮到這一點。

4 結論

本研究采用rs-fMRI 測量單側顱腦損傷的急性mTBI患者與HC 基于體素的指標，研究結果表明，在腦損傷后的急性階段，患者的認知功能發生了改變，并且這種改變與MoCA 量表評分之間存在相關性，特別是在DMN、SAN 和視覺網絡中。因此，聯合rs-fMRI 技術與MoCA 量表對腦損傷后的重要網絡進行探索是非常必要的。此外，本研究納入的mTBI患者損傷部位為單側，區分損傷部位能夠控制混淆變量，這將為研究mTBI患者的神經生理學機制提供更好的佐證，并為臨床醫生對mTBI患者的診斷和預后提供新方向。希望未來的研究能在區分損傷部位的前提下將納入的mTBI 患者損傷的原因進一步細分。

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：羅琳設計本文章的框架，對稿件重要內容進行了修改，獲得了內蒙古自治區教育廳基金項目的資助；曾哲起草和撰寫稿件，獲取、分析和解釋本研究的文獻及數據；陳強分析本研究的文獻及數據，對稿件重要內容進行了修改；侯斯琦參與分析本研究的數據，指導患者臨床用藥，對稿件部分重要內容進行了修改；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。