原發(fā)性失眠患者默認網(wǎng)絡神經(jīng)功能的靜息態(tài)MRI研究

李永麗 LI Yongli

王恩鋒 WANG Enfeng

張紅菊 ZHANG Hongju

張曉琪 ZHANG Xiaoqi

賈艷艷 JIA Yanyan

張 斌 ZHANG Bin

竇社偉 DOU Shewei

賈武林 JIA Wulin

失眠易導致日間認知功能障礙[1-3]。原發(fā)性失眠（primary insomnia, PI）在慢性失眠患者中發(fā)病率高達25%[4]，是一種尤為常見的睡眠障礙。PI的病因及發(fā)病機制并不明確，臨床治療針對性不強。既往研究發(fā)現(xiàn)腦默認網(wǎng)絡（default mode network, DMN）的存在，主要包括后扣帶回（posterior cingulate cortex, PPC）皮質、楔前葉、前扣帶回腹側、內側前額葉、角回、雙側側頂葉皮層、海馬旁回及雙側顳葉皮質等腦區(qū)，這些結構是一種相互聯(lián)系的大腦系統(tǒng)，維持著人腦在靜息狀態(tài)下的一些最基本的認知活動[5-8]。關于PI對DMN的影響目前研究較少，本實驗利用磁共振腦功能成像技術（fMRI），通過種子點相關分子方法，選取雙側PCC為種子點，分析PI患者DMN腦功能連接是否存在特異性改變及其發(fā)生機制，為PI臨床認知功能障礙的診療提供可能的客觀依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對象 選擇2013-07～12鄭州大學人民醫(yī)院神經(jīng)內科門診20例腦部結構正常的PI患者作為PI組，其中男7例，女13例；年齡23～48歲，平均（38.50±8.57）歲，選擇20名健康者作為對照組，性別和年齡與PI組匹配，對照組年齡21～54歲，平均（35.40±10.41）歲。所有受試者均為右利手。實驗前，所有受試者均簽署知情同意書，并進行匹茲堡睡眠質量指數(shù)量表（Pittsburgh sleep quality index,PSQI）、漢密爾頓抑郁量表（Hamilton depression scale, HAMD）、漢密爾頓焦慮量表（Hamilton anxiety scale, HAMA）測量。

1.2 試驗入組標準

1.2.1 PI組入組標準 ①符合美國DSM-IV（diagnostic and statistical manual of mental disorders-4th ed, DSM-IV）[9]關于PI和中國精神障礙分類與診斷標準（Chinese classif i cation of mental disorders-3, CCMD-3）PI診斷標準；②PI組PSQI＞5分，HAMD＜14分；③排除其他精神疾病及全身器質性病變；④MRI常規(guī)掃描腦部結構圖檢查正常；⑤年齡18～55歲；⑥近1周無服用抗焦慮、抑郁及睡眠藥物史；⑦右利手。

1.2.2 對照組入組標準 ①排除家族疾病、全身器質性疾??；②MRI常規(guī)掃描腦部結構圖檢查正常；③無酗酒、吸煙不良習慣；④PSQI＜5分，HAMD＜7分，HAMA＜7分；⑤1周內無熬夜史；⑥年齡18～55歲；⑦右利手。

1.3 研究方法 所有符合入組條件者提前30 min到MR室，由2名實驗課題組研究生向受試者訓練靜息態(tài)腦功能成像實驗流程。所有受試者在掃描前休息約10 min，盡量安靜閉目不思考問題。數(shù)據(jù)采集均采用Siemens Tim Trio 3.0T超導MRI儀，頭顱12通道專用線圈，進行腦部常規(guī)結構像、靜息態(tài)腦功能像數(shù)據(jù)采集，掃描時以泡沫固定受試者頭部以減少頭動，使用棉球和耳塞以減少噪聲。腦部結構異常及腦功能數(shù)據(jù)不符合標準者提前舍棄不用。

1.3.1 常規(guī)MRI掃描序列參數(shù) 首先進行常規(guī)腦部結構圖掃描，掃描序列包括軸位T1WI、T2WI、FLAIR、DWI序列，層厚5 mm，間隔1 mm，視野230 mm×230 mm，矩陣128×128；T1WI：TR 400 ms，TE 15 m s；T2WI：TR 3500 m s， TE 105 m s；FLAIR ：TR 10 000 ms，TE 175 ms，TI 2200 ms；DWI：TR 5000 ms，TE 97 ms， 激 勵 次 數(shù) 1，b=0、1000 s/mm2。

1.3.2 靜息態(tài)腦功能成像掃描序列參數(shù)[10,11]靜息態(tài)掃描時囑受試者靜息平臥，安靜閉目，盡量不思考。采用梯度回波-平面回波（GRE-EPI）序列：TR 3000 ms，TE 30 ms，矩陣 64×64，層厚5 mm，層間隔0.5 mm；共36層，視野320 mm×320 mm。高分辨率T1 3D-MPRAGE序列：TR 1950 ms，TE 2.30 ms，TI 900 ms，矩 陣 248×256；層厚1 mm；無間隔，視野244 mm×252 mm， 掃描時間 4.24 min。

1.4 腦功能成像數(shù)據(jù)處理

1.4.1 圖像預處理 使用MRIcron進行DICOM數(shù)據(jù)轉換，數(shù)據(jù)使用SPM8進行預處理過程，對每個受試者的EPI圖像首先進行時間校正，然后進行頭部校正，舍棄頭動三維平衡超過1.5 mm或三維旋轉超過1.5°的數(shù)據(jù)。然后將靜息態(tài)數(shù)據(jù)前10個TR時間的數(shù)據(jù)去除，重排：即運動校正，找一個最接近定位像的點作為參照點，把其他點與其對應，將同一受試者不同采樣時間點上的三維腦對齊。配準：將受試者的功能像與解剖定位像進行配準以消除功能像的集合變形?？臻g標準化和平滑處理：使不同受試者腦圖像中的同一像素代表相同的解剖位置，將每個個體腦放進一個公共的標準腦空間-Talairach坐標系，空間平滑處理使殘差項更符合高斯分布假設，減少標準化后剩余的個體間差異，提高信噪比。

1.4.2 DMN功能連接分析 以PCC為種子點。因為PCC與腦DMN的其他腦區(qū)連接，故常被選為種子點[5,12]。使用WFU_PickAtlas tool生成種子點，然后進行重采樣，使之與試驗數(shù)據(jù)匹配。使用Rest軟件進行數(shù)據(jù)分析，其計算過程為：首先提取PCC時間序列的平均值，然后與大腦其余的體素進行相關分析，相關系數(shù)經(jīng)過Fisher Z值轉換，得到每個被試的Z值圖，首先分別進行PI組、對照組單樣本t檢驗，顯著閾值設為P＜0.001，體素簇≥1350 mm3（校正閾值根據(jù)AlphaSim設定）。然后進行兩樣本t檢驗，顯著閾值設為P＜0.01，體素簇≥513 mm3（校正閾值根據(jù)AlphaSim設定）。使用BrainNet Viewer生成三維圖像，使用xjview自動識別功能連接異常腦區(qū)。

1.5 統(tǒng)計學方法 采用Rest 軟件及SPSS 12.0軟件，PI組與對照組腦DMN、腦區(qū)計量資料比較采用單樣本t檢驗，以P＜0.001為差異有統(tǒng)計學意義，得出有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)。PI組與對照組年齡、PSQI、HAMA、HAMD比較采用兩樣本t檢驗，以P＜0.01為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 PI與對照組PSQI、HAMA、HAMD評分比較

PI組PSQI、HAMD、HAMA評分均顯著高于對照組（t= －11.332、－13.629、－10.840, P＜0.001），PI組與對照組年齡差異無統(tǒng)計學意義（t=－0.937, P＞0.01），見表1。

2.2 以PCC為種子點，PI組與對照組靜息態(tài)腦DMN功能連接結果

2.2.1 對照組與PCC功能連接腦區(qū) 包括左側顳極/顳圖1 對照組靜息態(tài)腦DMN與PCC為種子點功能連接圖，A、B分別為MRI圖像和采用BrainNet Viewer生成的三維圖像。功能連接腦區(qū)主要包括雙側前額葉、扣帶回、頂葉、顳葉等腦區(qū)。顯著閾值設為P＜0.001，體素簇≥1350 mm3（校正閾值根據(jù)AlphaSim設定），紅色區(qū)域代表功能連接腦區(qū)上回/額上回/島葉、右側顳上回/島葉、右側枕下回/梭狀回、右側額下回/額下回眶部、雙側楔前葉/后扣帶回/中間扣帶回、左側顳上回/顳橫回、右側枕中回/楔前葉/頂上小葉、右側額上回（表2、圖1）。

2.2.2 PI組與PCC功能連接腦區(qū) 包括左側額下回眶部/顳上回/額中回、雙側楔前葉/后扣帶回/中間扣帶回、右側顳中回/枕中回/楔前葉/角回、左側額中回/額上回、右側中央前回、右側額上回（表3、圖2）。

2.2.3 PI組DMN功能連接異常腦區(qū) PI組與PCC功能連接增強腦區(qū)包括雙側額上回、雙側中間扣帶回（表4、圖3）；PI組與PCC連接減弱腦區(qū)包括左側枕葉舌回/海馬旁回/梭狀回、右側顳上回/顳極、右側顳中回/枕中回、左側枕葉/顳中回（表5、圖3）。

圖2 PI組靜息態(tài)腦DMN與PCC為種子點功能連接圖，A、B分別為MRI圖像和采用BrainNet Viewer生成的三維圖像。功能連接腦區(qū)主要包括雙側前額葉、扣帶回、頂葉、顳葉等。顯著閾值設為P＜0.001，體素簇≥1350 mm3（校正閾值根據(jù)AlphaSim設定），紅色區(qū)域代表功能連接腦區(qū)

表1 PI組與對照組PSQI、HAMD、HAMA臨床量表比較

表2 對照組靜息態(tài)腦DMN 與PCC功能連接腦區(qū)

表3 PI組靜息態(tài)腦DMN 與PCC功能連接腦區(qū)

圖3 與對照組對比，PI組與PCC連接異常腦功能圖，A、B分別為MRI圖像和采用BrainNet Viewer生成的三維圖像。PI組與PCC功能連接增強腦區(qū)為雙側額上回和中間扣帶回；減弱腦區(qū)為左側枕葉舌回、海馬旁回、梭狀回、右側顳上回、顳極、顳中回、枕中回。顯著閾值設為P＜0.01，體素簇≥513 mm3（校正閾值根據(jù)AlphaSim設定），紅色代表連接增強區(qū)域，藍色代表連接減弱區(qū)域

3 討論

人腦在清醒靜息狀態(tài)下，腦內有自發(fā)的、連續(xù)的神經(jīng)元功能活動，即DMN的存在[13]，這一網(wǎng)絡維持著人腦在靜息狀態(tài)下的一些最基本的認知活動。DMN的確切功能及機制尚不清楚，但可以肯定的是DMN提示大腦存在靜息狀態(tài)下的內在“思考”[14]。以往許多研究均發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病、自閉癥和精神分裂癥患者腦DMN發(fā)生改變。本實驗以雙側PCC為種子點，采用靜息態(tài)fMRI分析PI患者DMN腦功能連接是否存在特異性改變，為PI認知功能障礙的診療提供可能的影像學客觀依據(jù)。

表4 PI組DMN與PCC功能連接增強區(qū)域

表5 PI組DMN與PCC功能連接減弱區(qū)域

本研究結果顯示，PI組、對照組與雙側PCC功能連接主要腦區(qū)，如楔前葉、雙側額中回、雙側扣帶回等屬于DMN固有的腦區(qū)，與以往靜息態(tài)DMN研究一致，提示PI組與對照組在靜息狀態(tài)下DMN連接的存在。

與對照組相比，PI組雙側額上回、中間扣帶回與PCC的功能連接增強。前額葉是腦的重要結構之一，不僅參與人腦對內外環(huán)境信息的整合、情緒整合及情景記憶提取等功能，還與腦內其他腦區(qū)相互協(xié)同作用，共同維持人腦在靜息狀態(tài)下的基本功能。fMRI研究表明，前額葉中內側背側與自我意識密切相關，是大腦自發(fā)產生自我意識及內察性意識活動所必須的腦區(qū)，至少參與了能夠體現(xiàn)自我意識某一方面的認知加工過程，這些區(qū)域活動增加提示PI患者存在自我意識過度覺醒、情緒調節(jié)異常等方面的認知障礙。根據(jù)Beck負性認知理論[15]，失眠患者過度關注失眠狀態(tài)，這種負性認知障礙不僅引起失眠之前的焦慮，也使患者更加難以入睡，長期在失眠焦慮影響下會引起抑郁，17%的PI患者在隨后的6年內發(fā)生抑郁[16]，這也與本研究中PI患者存在抑郁、焦慮一致。中間扣帶回的過度激活是重度抑郁癥的標志[17]，PI組可見其與PCC功能連接增強，與PI組臨床HAMD指數(shù)增高相匹配。DMN功能連接異常揭示PI組HAMD、HAMA評分明顯高于對照組的病理損害機制，與臨床表現(xiàn)一致。

本研究發(fā)現(xiàn)左側枕葉舌回、海馬旁回、梭狀回、右側顳葉皮層（顳上回、顳極、顳中回）、枕中回與PCC功能連接降低。枕葉主要負責處理視覺信息，屬于大腦的視覺中樞，同時又負責部分語言、動作及抽象概念等功能，枕葉損傷的患者不僅會產生視覺障礙，還可能出現(xiàn)記憶功能下降或運動知覺障礙等癥狀。Bilo等[18]研究發(fā)現(xiàn)在無癥狀枕葉癲癇患者中，除出現(xiàn)明顯視覺空間認知障礙外，患者的執(zhí)行功能也較正常人下降，從而進一步證實了枕葉的功能。本研究結果顯示，左側枕葉舌回與PCC連接功能降低，提示PI患者負責短期記憶及社交溝通的部分腦區(qū)出現(xiàn)異常，尤其是日間的社交溝通能力下降，提示大腦枕葉部分區(qū)域發(fā)生功能損傷。海馬、海馬周邊區(qū)域及相鄰的皮質結構（顳角、島葉、枕葉齒狀回等）均屬于邊緣系統(tǒng)，接收來自額葉、頂葉、枕葉等皮質的信息，是人腦記憶功能的中樞，邊緣系統(tǒng)也是情緒調節(jié)的主要區(qū)域。Nofzinger等[19]應用PET研究PI患者，發(fā)現(xiàn)與情緒及認知相關的腦區(qū)代謝下降程度相對較低，這些腦區(qū)包括杏仁體、海馬及海馬旁回等結構。睡眠剝奪后的正常人也會出現(xiàn)精神運動系統(tǒng)損害，包括記憶損害、反應遲緩、警覺下降等[20]；海馬有參與記憶的儲存和加固功能，長期失眠患者其日間陳述性記憶功能明顯低于健康人[21]；以上結果均表明失眠會使海馬、海馬旁回、杏仁體等結構功能受損，同時海馬與其他區(qū)域的連接性也會發(fā)生改變。海馬在進行記憶等信息的輸入時，還與下丘腦-垂體-腎上腺軸的喚醒調節(jié)機制有關，本研究發(fā)現(xiàn)左側海馬旁回與PCC連接功能降低，可能是由于長期處于失眠狀態(tài)的PI患者處于過度應激狀態(tài)，從而引起下丘腦-垂體-腎上腺軸功能亢進，出現(xiàn)記憶損害、執(zhí)行功能下降等認知功能障礙，產生記憶力下降、焦慮、抑郁情緒調節(jié)障礙。

失眠是一個極其復雜的過程，可能涉及多個腦區(qū)、神經(jīng)網(wǎng)絡及神經(jīng)內分泌機制，隨著PI患者病情發(fā)展，這種靜息狀態(tài)下的功能異常也會發(fā)生某種改變，原發(fā)性患者靜息態(tài)DMN的活動變化規(guī)律仍有待進一步隨訪證實。

（志謝：感謝解放軍信息工程大學閆斌博士、童莉博士在數(shù)據(jù)處理方面做出的貢獻）

[1] Buysse DJ, Thompson W, Scott J, et al. Daytime symptoms in primary insomnia: a prospective analysis using ecological momentary assessment. Sleep Med, 2007, 8(3): 198-208.

[2] Shekleton JA, Rogers NL, Rajaratnam SM. Searching for the daytime impairments of primary insomnia. Sleep Med Rev,2010, 14(1): 47-60.

[3] Shekleton JA, Flynn-Evans EE, Miller B, et al.Neurobehavioral performance impairment in insomnia:relationships with self-reported sleep and daytime functioning.Sleep, 2014, 37(1): 107-116.

[4] Krystal AD. Insomnia in women. Clin Cornerstone, 2003, 5(3):41-50.

[5] Bluhm RL, Osuch EA, Lanius RA, et al. Default mode network connectivity: effects of age sex, and analytic approach.Neuroreport, 2008, 19(8): 887-891.

[6] 葉恩茂, 邵永聰, 畢國華, 等. 睡眠剝奪對靜息態(tài)腦功能默認模式網(wǎng)絡的影響. 南方醫(yī)科大學學報, 2009, 29(12):2523-2526, 2532.

[7] Buckner RL, Andrews-Hanna JR, Schacter DL. The brain's default network: anatomy, function, and relevance to disease.Ann N Y Acad Sci, 2008, 1124: 1-38.

[8] 堯蘭, 夏陽, 賴永秀, 等. 聽覺重復啟動時默認模式網(wǎng)絡變化的磁共振研究. 生物物理學報, 2011, 27(10): 849-858.

[9] Association AP. The diagnostic and statistical manual of mental disorders. 4th ed. Washington, D.C.: American Psychiatric Press, 1999: 240-241.

[10] 謝洪武, 羅天友, 陳日新, 等. 慢性疼痛患者靜息態(tài)腦功能磁共振的默認網(wǎng)絡研究. 生命科學研究, 2011, 15(6): 502-506.

[11] De Havas JA, Parimal S, Soon CS, et al. Sleep deprivation reduces default mode network connectivity and anti-correlation during rest and task performance. Neuroimage, 2012, 59(2):1745-1751.

[12] Liu Peng, Zhang Yi, Zhou Guangyu, et al. Partial correlation investigation on the default mode network involved in acupuncture: an fMRI study. Neurosci Lett, 2009, 462(3): 183-187.

[13] Raichle ME, MacLeod AM, Snyder AZ, et al. A default mode of brain function. Proc Natl Acad Sci U S A, 2001, 98(2): 676-682.

[14] Shu SY, Wu YM, Bao XM, et al. A new area in the human brain associated with learning and memory:immunohistochemical and functional MRI analysis. Mol Psychiatry, 2002, 7(9): 1018-1022.

[15] Beck AT, Weissman A, Lester D, et al. The measurement of pessimism: the hopelessness scale. J Consult Clin Psychol,1974, 42(6): 861-865.

[16] Fong SY, Wing YK. Longitudinal follow up of primary insomnia patients in a psychiatric clinic. Aust N Z J Psychiatry,2007, 41(7): 611-617.

[17] Lisiecka D, Carballedo A, Fagan AJ, et al. Overactivation of the middle cingulate cortex and the caudate nucleus as neural correlates of the familial liability to major depressive disorder.European Psychiatry, 2011, 26(Supplement 1): 648.

[18] Bilo L, Santangelo G, Improta I, et al. Neuropsychological profile of adult patients with nonsymptomatic occipital lobe epilepsies. J Neurol, 2013, 260(2): 445-453.

[19] Nofzinger EA, Buysse DJ, Germain A, et al. Functional neuroimaging evidence for hyperarousal in insomnia. Am J Psychiatry, 2004, 161(11): 2126-2128.

[20] Vgontzas AN, Zoumakis E, Bixler EO, et al. Adverse effects of modest sleep restriction on sleepiness, performance, and inf l ammatory cytokines. J Clin Endocrinol Metab, 2004, 89(5):2119-2126.

[21] Riemann D, Berger M, Voderholzer U. Sleep and depression--results from psychobiological studies: an overview. Biol Psychol, 2001,57(1-3): 67-103.