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      帕金森病認(rèn)知功能障礙的靜息態(tài)腦功能連接模式改變

      2014-03-16 01:23:52陳博宇CHENBoyu
      關(guān)鍵詞:靜息小腦腦區(qū)

      陳博宇CHEN Boyu

      范國光1FAN Guoguang

      劉 虎1LIU Hu

      商秀麗2SHANG Xiuli

      論著 Original Research

      帕金森病認(rèn)知功能障礙的靜息態(tài)腦功能連接模式改變

      陳博宇1CHEN Boyu

      范國光1FAN Guoguang

      劉 虎1LIU Hu

      商秀麗2SHANG Xiuli

      目的探討帕金森病認(rèn)知功能障礙患者扣帶回后部(PCC)的腦功能連接模式改變及其病理意義。資料與方法收集29例帕金森?。≒D)患者,包括10例認(rèn)知功能正?;颊撸≒D-CN組)和19例認(rèn)知功能障礙患者(PD-CI組),以23例健康志愿者(HC組)作對照,對其進(jìn)行功能MRI掃描,并用功能連接方法對結(jié)果進(jìn)行分析。得到組間及患者亞組間全腦中與PCC功能連接改變的區(qū)域,并分析PD組的功能連接強度與蒙特利爾認(rèn)知評估量表(MoCA)評分的相關(guān)性。結(jié)果與PD-CN組相比,PD-CI組與PCC連接減弱的腦區(qū)分布在右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回及雙側(cè)頂下小葉,連接增強的腦區(qū)主要分布在小腦、右側(cè)額上回及右側(cè)枕葉舌回(P<0.05)。PD組PCC與雙側(cè)頂下小葉(右:r=0.838,P<0.05;左:r=0.776,P<0.05)、右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回(r=0.839,P<0.05)及顳上回(r=0.840,P<0.05)的功能連接強度與MoCA評分呈正相關(guān),而PCC與右側(cè)背外側(cè)額上回(r=-0.785,P<0.05)的功能連接強度與MoCA評分呈負(fù)相關(guān)。結(jié)論PD-CI患者靜息狀態(tài)下PCC與右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、雙側(cè)頂下小葉、右側(cè)顳葉功能連接受損,而右側(cè)背外側(cè)額上回、右側(cè)舌回及小腦可能參與了代償,這些功能連接模式改變可能與帕金森病癡呆的發(fā)生相關(guān)。

      帕金森?。徽J(rèn)知障礙;磁共振成像;靜息狀態(tài);腦功能連接

      帕金森?。≒arkinson's disease,PD)是一種以運動障礙為主要表現(xiàn)的退行性疾病,但在疾病的早中期,25%的患者滿足輕度認(rèn)知功能障礙的診斷標(biāo)準(zhǔn),隨著疾病發(fā)展,癡呆的累計患病率逐步增加[1]。靜息態(tài)功能磁共振(resting state functional MRI,RS-fMRI)目前已經(jīng)成為研究腦功能的重要方法[2],該技術(shù)在癡呆及輕度認(rèn)知功能障礙性疾病中得到廣泛應(yīng)用[3]。既往有學(xué)者將RS-fMRI技術(shù)用于研究PD患者[4],但在PD認(rèn)知功能障礙領(lǐng)域研究較少[5]。本研究擬應(yīng)用功能連接(functional connectivity,F(xiàn)C)方法觀察帕金森病認(rèn)知功能障礙(Parkinson's disease with cognitive impairment,PD-CI)患者與帕金森病認(rèn)知功能正常(Parkinson's disease with cognitive normal,PD-CN)患者全腦與扣帶回后部(posterior cingulate cortex,PCC)的功能連接模式改變,以及連接強度與認(rèn)知評分的相關(guān)性,為探討帕金森病癡呆的神經(jīng)生理機制提供依據(jù)。

      1 資料與方法

      1.1 研究對象 收集2013-06~2014-01在中國醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院門診就診的29例原發(fā)性PD患者,經(jīng)臨床神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師確診,診斷標(biāo)準(zhǔn)參照中華醫(yī)學(xué)會帕金森病診斷指南[6]。正在接受治療者檢查前停用所有抗PD藥物至少12 h。同期收集23例年齡、性別及受教育程度與PD患者相匹配的健康人,實驗前未攝入咖啡、巧克力等刺激性食品。所有受試者均為右利手,母語為漢語。排除卒中、癲癇、抑郁、焦慮等神經(jīng)精神疾病、結(jié)構(gòu)MRI檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性病變及嚴(yán)重的心、肝、腎等全身疾病者。以蒙特利爾認(rèn)知評估量表(Montreal cognitive assessment,MoCA)評分26分為界,將PD患者分成PD-CN組和PD-CI組。PD患者的運動癥狀采用帕金森綜合評分量表(UPDRS-III)[7]評估,其病情嚴(yán)重程度采用Hoehn-Yahr分級[7]評估并進(jìn)行MRI掃描。PD組與HC組、PD-CI組與PD-CN組兩兩比較,受試者性別、年齡、受教育年限差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),各組受試者基本資料比較見表1。本研究經(jīng)中國醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)研究倫理委員會批準(zhǔn),所有受試者均簽署知情同意書。

      1.2 臨床資料收集 了解患者的病程、發(fā)病年齡等一般情況,所有受試者完成MoCA、簡易智能精神狀態(tài)檢查量表(mini mental state examination,MMSE)、帕金森綜合評分量表(unifed Parkinson's disease rating scale,UPDRS)、Hoehn-Yahr分級評估。量表評分由2名神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師完成。

      1.3 MRI數(shù)據(jù)采集 采用GE Signa 3.0T MRI掃描儀,8通道相控陣頭顱正交線圈進(jìn)行頭部掃描。掃描前向受試者說明掃描過程及注意事項,掃描過程中受試者保持安靜、閉眼且眼球固定、盡量不思考的靜息狀態(tài)。RS-fMRI采用梯度回波平面成像(ehco planar imaging,EPI)序列:TR 3000 ms,TE 30 ms,層厚3.0 mm,層間距0,層數(shù)60層,翻轉(zhuǎn)角(fip angle,F(xiàn)A)為90°,掃描時間8 min。3D結(jié)構(gòu)像采用三維快速擾相梯度翻轉(zhuǎn)恢復(fù)序列:TR 7.1 ms,TE 3.2 ms,層數(shù)172,F(xiàn)A為15°,視野240 mm×240mm,矩陣256×256,層厚1.8 mm,間隔0。血氧水平依賴圖像定位線平行于前聯(lián)合-后聯(lián)合AC-PC連線。

      1.4 數(shù)據(jù)分析

      1.4.1 MRI數(shù)據(jù)預(yù)處理 所有數(shù)據(jù)均在Matlab 12.0平臺上用SPM8進(jìn)行預(yù)處理。去除前10個時間點以排除被試適應(yīng)環(huán)境及機器穩(wěn)定性的影響,然后進(jìn)行時間校正、頭動校正,應(yīng)用結(jié)構(gòu)像分割后配入亞洲腦模板進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化,最后應(yīng)用RS-fMRI數(shù)據(jù)分析工具包REST軟件(http://www.restfmti.net)去除其線性趨勢,提取低頻(0.01~0.08 Hz)振蕩信號部分以減少生理噪聲。

      1.4.2 功能連接分析 雙側(cè)PCC種子區(qū)應(yīng)用WFU PickAtlas軟件(http://www.ansir.wfubmc.edu)取得。利用REST軟件,定義PCC為種子區(qū),利用體素-體素的方式(voxel-wise)通過對種子區(qū)的參考時程與全腦其余體素的時程進(jìn)行相關(guān)分析,得到相關(guān)系數(shù)r,將其轉(zhuǎn)換為符合正態(tài)分布的Z值后進(jìn)一步進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。

      1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 20.0軟件,PD組與HC組受試者性別比較采用χ2檢驗,年齡、受教育年限、MMSE、MoCA評分比較采用成組t檢驗。采用REST分別對PD-CI組與PD-CN組、PD組與HC組計量資料進(jìn)行成組t檢驗;采用REST軟件對PD組的Z值與MoCA評分行Pearson相關(guān)分析,最終結(jié)果應(yīng)用Alphasim方法進(jìn)行多重比較校正,P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

      2 結(jié)果

      2.1 各組受試者臨床量表評分比較 PD組MMSE及MoCA評分低于HC組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-4.504、-5.454,P<0.01)。PD-CI組MoCA評分顯著低于PD-CN組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(t=-6.988,P<0.01)。見表1。

      2.2 組間z-map比較結(jié)果 與PD-CN組相比,PD-CI組與PCC連接減弱的腦區(qū)分布在右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、雙側(cè)頂下小葉,連接增強的腦區(qū)主要分布在雙側(cè)小腦前葉、右側(cè)小腦后葉、右側(cè)枕葉舌回及小腦蚓部、右側(cè)額上回(圖1、表2)。與HC組相比,PD組PCC與左側(cè)顳中回、右側(cè)頂下小葉(右側(cè)角回)、左側(cè)頂下小葉、左側(cè)扣帶前回及扣帶回峽的功能連接增強;而與右側(cè)顳中回、右側(cè)島葉、右側(cè)中央前回的功能連接減弱。

      2.3 PD組的Z值與MoCA評分的相關(guān)性分析 PD組PCC與右側(cè)眶部額下回、雙側(cè)頂下小葉、右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、右側(cè)顳上回的功能連接強度與MoCA評分呈顯著正相關(guān),與右側(cè)額上回(背外側(cè))、右側(cè)中央后回的功能連接強度與MoCA評分呈顯著負(fù)相關(guān),見圖2及表3。

      表1 HC組與PD組受試者基本資料及臨床量表評分比較

      圖1 PD-CI與PD-CN兩樣本t檢驗結(jié)果。紅色和黃色區(qū)域表示PD-CI組功能連接增強區(qū),藍(lán)色和綠色區(qū)域表示PD-CI組功能連接減弱區(qū)

      表2 PD-CI組相比PD-CN組與PCC功能連接強度改變腦區(qū)

      3 討論

      癡呆是帕金森病的一種常見且嚴(yán)重的并發(fā)癥,PD患者發(fā)生癡呆的危險性為同齡人的6倍[8]。盡管PD患者的MMSE及MoCA評分與HC組間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義,但其MMSE評分多在正常范圍內(nèi)(初中及以上學(xué)歷者≥24分),而MoCA評分低于正常(校正后評分<26分),與既往研究[9,10]結(jié)果一致,即MoCA較MMSE更敏感且適用于PD患者,故本研究采用MoCA評分進(jìn)行相關(guān)性分析。PD患者的認(rèn)知功能損害主要表現(xiàn)在視空間、注意力、執(zhí)行功能、記憶力方面,但這些臨床表現(xiàn)并無診斷特異性。目前關(guān)于PD認(rèn)知功能障礙的發(fā)生機制尚不明確,早期發(fā)現(xiàn)、適時干預(yù)有助于改善PD患者的生活質(zhì)量。

      圖2 PD組與MoCA評分相關(guān)分析。紅色及黃色區(qū)域表示PD組功能連接強度與MoCA呈正相關(guān)的腦區(qū),藍(lán)色和綠色區(qū)域表示PD組功能連接強度與MoCA呈負(fù)相關(guān)的腦區(qū)

      表3 PD患者M(jìn)oCA評分相關(guān)的與PCC功能連接改變腦區(qū)

      靜息態(tài)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(DMN)是靜息狀態(tài)激活而任務(wù)狀態(tài)失活的網(wǎng)絡(luò),其在空間定位、內(nèi)部監(jiān)測、記憶過程中起關(guān)鍵作用。PCC是DMN的關(guān)鍵點[11],是測定認(rèn)知功能下降的標(biāo)志性腦區(qū)。Mattila等[12]的尸檢研究發(fā)現(xiàn),扣帶回Lewy小體密度與PD患者認(rèn)知損傷程度有關(guān)。既往影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn),PD-CI患者存在扣帶回白質(zhì)微結(jié)構(gòu)及代謝改變。Matsui等[13]對PDD和PD-CN患者進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),PDD組雙側(cè)后扣帶束FA值較PD-CN患者明顯減低。關(guān)于PD認(rèn)知損傷的1H-MRS研究也將感興趣區(qū)置于PCC:Griffth等[14]發(fā)現(xiàn)PDD患者的NAA/Cr值低于HC組及PD-NC組,且NAA/Cr值與患者的MMSE評分相關(guān)(r=0.56,P<0.05),同時該方法具有鑒別PDD與AD的意義[15]。基于以上病理學(xué)及影像學(xué)研究結(jié)果,本研究將FC的種子點設(shè)在PCC。

      本研究發(fā)現(xiàn),PD-CI相對于PD-CN的PCC與右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回及雙側(cè)頂下小葉功能連接減弱,且連接強度與MoCA評分呈正相關(guān),可見這些腦區(qū)在PD患者的認(rèn)知損傷中發(fā)揮重要作用。PD-CI與PD-CN相比,PCC與右側(cè)背外側(cè)額上回的功能連接增強,且連接強度與MoCA評分呈負(fù)相關(guān),與吳學(xué)敏等[5]的研究結(jié)果一致,提示右側(cè)背外側(cè)額上回參與了PD患者的認(rèn)知功能代償。PD的特征性病理改變?yōu)楹谫|(zhì)及紋狀體內(nèi)多巴胺能神經(jīng)元變性[16],而背側(cè)和腹側(cè)紋狀體的功能不同[17]。背側(cè)及腹側(cè)紋狀體分別連接到背外側(cè)前額葉、腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層,它們來自不同的皮質(zhì)紋狀體回路[18],帕金森病導(dǎo)致的多巴胺能神經(jīng)元變性對不同的額葉紋狀體回路產(chǎn)生不同的影響[19]。故依據(jù)本研究結(jié)果推測,腹內(nèi)側(cè)額上回-腹側(cè)紋狀體回路功能損傷與PD-CI的發(fā)生及發(fā)展有關(guān),而背外側(cè)額上回-背側(cè)紋狀體環(huán)路可能參與了代償作用。本研究還發(fā)現(xiàn)與HC組比較,PD組PCC與右側(cè)顳中回的功能連接強度減弱,且連接強度與MoCA評分呈正相關(guān),這與其他功能[5]及結(jié)構(gòu)[20]MRI研究結(jié)果一致,提示右側(cè)顳中回的功能與PD患者的認(rèn)知障礙相關(guān)。PD患者的MoCA評分與PCC和右側(cè)額下回的功能連接強度呈正相關(guān),這與Rektorova等[21]的研究結(jié)果一致。本研究發(fā)現(xiàn),PD-CI相對于PD-CN存在枕葉舌回、部分小腦結(jié)構(gòu)與PCC的功能連接增強;劉波等[4]也發(fā)現(xiàn)了PD患者小腦半球與PCC的連接增強,提示小腦參與了PD患者的認(rèn)知代償。大腦-小腦回路的傳入纖維包括前額背外側(cè)及內(nèi)側(cè)部皮質(zhì)、額葉言語區(qū)、頂葉的后下及上區(qū)、上丘及顳上回皮質(zhì),小腦通過與大腦的協(xié)調(diào)作用參與較高級的認(rèn)知行為[22],推測小腦通過此回路參與PD的認(rèn)知代償。

      本研究的不足之處為:①本研究的樣本例數(shù)較少,可能存在統(tǒng)計學(xué)誤差;②本研究為覆蓋全腦而采用較大TR,掃描層數(shù)增加,但也增加了掃描時間;③盡管要求受試者在掃描時保持閉眼狀態(tài),盡量減少眼球運動和由此產(chǎn)生的個體差異,然而本研究結(jié)果的可靠性在一定程度上與受試者是否能很好地遵守醫(yī)囑有關(guān),在以后的研究中加入眼球追蹤設(shè)備或者攝像監(jiān)控設(shè)備將有助于解決此問題。

      總之,本研究發(fā)現(xiàn)PD-CI患者PCC與右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、雙側(cè)頂下小葉、右側(cè)顳葉功能連接受損,而右側(cè)背外側(cè)額上回、右側(cè)舌回及小腦部分結(jié)構(gòu)可能參與了代償,提示靜息態(tài)的FC技術(shù)可以作為研究PD患者認(rèn)知損傷機制的一種有效手段,PCC可以作為PD患者認(rèn)知損傷研究的一個重要靶點,本研究為從功能影像學(xué)上早期診斷PD患者認(rèn)知損傷狀態(tài)以及臨床早期干預(yù)治療提供了一定的參考信息。然而該方法作為早期診斷PD-CI患者以及監(jiān)測疾病進(jìn)展、療效的客觀指標(biāo),其可信度及有效性等還需要進(jìn)一步大樣本數(shù)據(jù)的驗證。

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      (本文編輯 張春輝)

      Resting State Functional Connectivity Patterns of Cognitive Impairment in Patients with Parkinson's Disease

      Purpose To investigate the change of functional connectivity (FC) patterns of posterior cingulate cortex (PCC) in cognitive dysfunction patients caused by Parkinson's disease (PD) and its pathological significance.Materials and MethodsTwenty-nine PD patients and 23 health controls (HC) were enrolled, PD subjects were divided into 10 cases of Parkinson's disease with cognitive normal (PD-CN) group and 19 cases of Parkinson's disease with cognitive impaired (PD-CI) group, functional MRI images data were acquired and FC were analyzed. Regions with changed connectivity with PCC within the whole brain between groups and subgroups were detected, correlation of intensity of FC and the Montreal cognitive assessment (MoCA) scale score of PD group was analyzed.ResultsPD-CI group showed a decreased function connectivity of posterior cingulate and the right frontal gyrus and bilateral inferior parietal lobule compared with PD-CN group, while posterior cingulate showed increased function connectivity with bilateral cerebellar hemispheres, right frontal gyrus, right occipital lingual gyrus, and cerebellar vermis in the same comparison (P<0.05). In addition, PD patients' connectivity strengthened between posterior cingulate and bilateral inferior parietal lobule (right: r=0.838, P<0.05; left: r=0.776, P<0.05), right medial frontal gyrus (r=0.839, P<0.05), right superior temporal gyrus (r=0.840, P<0.05) was positively correlated with MoCA score, while the connectivity strength between posterior cingulate and right superior frontal gyrus (dorsolateral) (r=-0.785, P<0.05) was negatively correlated with MoCA score.ConclusionPD-CI patients' resting state FC of posterior cingulate may be damaged in the right medial frontal gyrus, bilateral inferior parietal lobule, and right temporal lobe. Whereas the cerebellum, right superior frontal gyrus (dorsolateral), and right lingual gyrus may be involved in compensatory mechanism. These changed FC patterns may be associated with the occurence of Parkinson's disease dementia.

      Parkinson's disease; Cognition disorders; Magnetic resonance imaging; Resting state; Brain functional connectivity

      1. 中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一臨床醫(yī)院放射科遼寧沈陽 110001

      2. 中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一臨床醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科遼寧沈陽 110001

      范國光

      Department of Radiology, the First Hospital of China Medical University, Shenyang 110001, China

      Address Correspondence to: FAN Guoguang E-mail: cjr.fanguoguang@vip.163.com

      國家自然科學(xué)基金項目(81171327)。

      R742.5;R445.2

      2014-06-02

      修回日期:2014-11-21

      中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

      2014年 第22卷 第12期:881-884,890

      Chinese Journal of Medical Imaging 2014 Volume 22(12): 881-884, 890

      10.3969/j.issn.1005-5185.2014.12.001

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