慢性腰背痛患者前扣帶回功能連接的fMRI研究＊

廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院放射科(廣東 廣州 510120)

陳 俊 劉 波 劉 峴 黃 燕

論 著

慢性腰背痛患者前扣帶回功能連接的fMRI研究＊

廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院放射科(廣東 廣州 510120)

陳 俊 劉 波 劉 峴 黃 燕

目的利用功能磁共振成像技術(shù)(function magnetic resonance imaging，fMRI)，探討慢性腰背痛患者在靜息狀態(tài)下腦內(nèi)功能連接情況。方法對(duì)15例慢性腰背痛患者在靜息狀態(tài)下進(jìn)行MR掃描，選擇雙側(cè)前扣帶回后部(posterior anterior cingulated cortex，pACC)作為種子點(diǎn)，分析其腦內(nèi)功能連接情況，采用兩樣本t檢驗(yàn)方法與年齡分布相同的健康對(duì)照組進(jìn)行比較。結(jié)果與正常對(duì)照組相比，慢性腰背痛患者在靜息狀態(tài)下多個(gè)腦區(qū)與pACC的功能連接存在異常：雙側(cè)距狀回及鄰近后扣帶回、前額葉中內(nèi)側(cè)及鄰近前扣帶回、左側(cè)中央前回及鄰近中央后回、右側(cè)扣帶回中后部的功能連接減弱；右側(cè)島葉后部、左側(cè)額下回(眶部、三角部)及鄰近左側(cè)島葉前部、左側(cè)顳上回的功能連接增強(qiáng)。結(jié)論靜息狀態(tài)下慢性腰背痛患者多個(gè)腦區(qū)與pACC的功能連接存在異常。

慢性疼痛；靜息狀態(tài)；功能性磁共振；功能連接

前扣帶回(anterior cingulated cortex, ACC)是痛覺(jué)傳導(dǎo)通路中的一個(gè)重要組成部分，與前額葉皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)、杏仁核、下丘腦和島葉等痛覺(jué)處理相關(guān)腦區(qū)具有復(fù)雜的纖維聯(lián)系。研究發(fā)現(xiàn)前部ACC(anterior ACC, aACC)和后部ACC(posterior ACC, pACC)對(duì)外部刺激的反應(yīng)并不完全相同，pACC主要是被傷害性刺激所激活，而aACC的激活是非特異性的，可以被傷害性刺激激活也可以被非傷害性刺激激活。電生理研究也證實(shí)傷害性神經(jīng)元主要分布于pACC[1]。我們團(tuán)隊(duì)此前的研究發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，慢性腰背痛患者pACC局部腦區(qū)活動(dòng)的一致性降低[2]，但pACC與腦內(nèi)其它腦區(qū)之間的功能連接是否存在異常尚不得而知。為了更好地了解慢性腰背痛患者的腦功能活動(dòng)特點(diǎn)，本研究選擇pACC作為種子點(diǎn)，計(jì)算其與腦內(nèi)其它腦區(qū)的功能連接強(qiáng)度，以健康對(duì)照組作為對(duì)照，對(duì)慢性腰背痛患者的腦內(nèi)功能連接情況進(jìn)行進(jìn)一步研究。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象選取廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院門(mén)診的15名腰椎間盤(pán)突出患者，癥狀為持續(xù)的腰背部疼痛，影像學(xué)檢查(CT或MR掃描)結(jié)果為腰4/5椎間盤(pán)膨出壓迫雙側(cè)神經(jīng)根，病程持續(xù)3～6個(gè)月。所有患者中男性5名，女性10名，年齡為35歲～69歲，平均年齡為(50.9±9.2)歲，所有患者起病后均接受過(guò)鎮(zhèn)痛藥物或物理治療，在行磁共振掃描前所有患者停用藥物或物理治療至少24小時(shí)，并接受目測(cè)類(lèi)比疼痛評(píng)分法(即標(biāo)尺法，簡(jiǎn)稱(chēng)VAS評(píng)分)進(jìn)行疼痛評(píng)分，分?jǐn)?shù)為4～10分，平均為(6.47±2.10)分。所有患者母語(yǔ)均為漢語(yǔ)，右利手，既往無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)疾病或精神障礙。

健康對(duì)照組16名，其中男性6名，女性10名，年齡為38～70歲，平均年齡為(53.1±8.7)歲，性別和年齡與慢性疼痛組無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；母語(yǔ)均為漢語(yǔ)，右利手，無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)疾患及腰腿痛病史。

1.2 數(shù)據(jù)采集MR數(shù)據(jù)采集均在廣州中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院磁共振室完成，儀器為Siemens Avanto 1.5TMR機(jī)型，標(biāo)準(zhǔn)正交頭顱線圈。研究被試平臥，臉朝上，頭部擺放至舒適位置并固定，使用橡皮耳塞降低噪音。解剖圖像采用3D-SPGR序列，詳細(xì)參數(shù)為：TR=24ms，TE=6ms，flip angle=35°，層厚=0.9mm，F(xiàn)OV=24cm×24cm，矩陣=256×256；功能圖像采用 T2*-EPI-GRE序列，詳細(xì)參數(shù)為：TR=2000ms，TE=30ms，flip angle=90°，層厚=4mm，間隔=1mm，F(xiàn)OV=24cm×24cm，矩陣=64×64，180個(gè)時(shí)間點(diǎn)，總掃描時(shí)間為6分鐘。

1.3 數(shù)據(jù)處理本研究采用北京師范大學(xué)研發(fā)的靜息態(tài)腦功能磁共振數(shù)據(jù)分析工具包(REST)和靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)處理助手(DPARSF)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，DPARSF軟件是建立在SPM軟件(http://www.fil.ion.ucl. ac.uk/spm)一些功能基礎(chǔ)上的，可以對(duì)功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行批量處理?？紤]到機(jī)器的磁場(chǎng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)以及受試者對(duì)環(huán)境的適應(yīng)需要一定的時(shí)間，靜息態(tài)前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)被剔除掉，剩余的170個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成為Analyze格式后進(jìn)行常規(guī)的預(yù)處理：時(shí)間校正、頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化、高斯模糊、去線性漂移、低頻濾波。首先將數(shù)據(jù)在時(shí)間上對(duì)齊，然后進(jìn)行頭動(dòng)校正，如果受試者頭動(dòng)幅度在X、Y、Z軸的平動(dòng)超過(guò)1.5mm或旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)1.5°將被剔除；接著將每個(gè)個(gè)體的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化配準(zhǔn)到MNI空間，并重新采樣為3mm×3mm×3mm的體素；隨后以4mm×4mm×4mm半高全寬的高斯核對(duì)圖像進(jìn)行空間平滑處理，確保個(gè)體圖像數(shù)據(jù)具有隨機(jī)高斯場(chǎng)的性質(zhì)以滿足SPM的統(tǒng)計(jì)假設(shè)及提高信噪比；然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去線性漂移及低頻濾波，提取0.01～0.8Hz頻率范圍的低頻振蕩信號(hào)，以消除生理噪聲。

功能連接分析：本研究采用種子點(diǎn)腦功能連接分析方法，選取我們此前研究中慢性腰背痛患者異常腦活動(dòng)的pACC為種子點(diǎn)[2]，以MNI坐標(biāo)x：-42，y：6，z：12為圓心，球體半徑為3mm，提取種子點(diǎn)區(qū)域的時(shí)間序列并進(jìn)行平均，得到平均時(shí)間序列，計(jì)算種子點(diǎn)平均時(shí)間序列與全腦所有體素的時(shí)間序列的相關(guān)性。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析組間統(tǒng)計(jì)采用獨(dú)立雙樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05，并選用連續(xù)體素大于50個(gè)體素作為最小簇塊進(jìn)行多重比較校正。

圖1 慢性腰背痛組與健康對(duì)照組比較圖(獨(dú)立雙樣本t檢驗(yàn)，單體素閾值P＜0.05，簇塊體積閾值為1350mm3；暖色調(diào)為正的T值，代表慢性疼痛組功能連接較對(duì)照組高的腦區(qū)；冷色調(diào)為負(fù)的T值，代表慢性疼痛組功能連接較對(duì)照組低的腦區(qū))

2 結(jié) 果

與健康對(duì)照組相比，慢性腰背痛患者pACC與多個(gè)腦區(qū)的功能連接存在異常(表1，圖1)。

1.與pACC連接減弱：雙側(cè)距狀回及鄰近后扣帶回、前額葉中內(nèi)側(cè)及鄰近前扣帶回、左側(cè)中央前回及鄰近中央后回、右側(cè)扣帶回中后部。

2.與pACC連接增強(qiáng)：右側(cè)島葉后部、左側(cè)額下回(眶部、三角部)及鄰近左側(cè)島葉前部、左側(cè)顳上回。

3 討 論

fMRI常被用于檢測(cè)被研究對(duì)象對(duì)于特定的任務(wù)實(shí)驗(yàn)刺激的大腦活動(dòng)變化，相對(duì)于執(zhí)行任務(wù)前的無(wú)刺激狀態(tài)，任務(wù)刺激后某個(gè)或幾個(gè)腦區(qū)的血氧水平依賴(lài)性(Blood Oxygen Level Dependent,BOLD)信號(hào)會(huì)增加或降低，這種信號(hào)的改變反映了局部腦區(qū)的活動(dòng)改變。研究發(fā)現(xiàn)[3]，盡管沒(méi)有明顯的運(yùn)動(dòng)，人腦左右半球的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層BOLD信號(hào)波動(dòng)存在顯著的相關(guān)性，這被認(rèn)為是遠(yuǎn)距離的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層之間存在功能連接(functional connectivity)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)語(yǔ)言、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等相關(guān)的不同腦區(qū)之間也廣泛地存在功能連接，這種“空間上遠(yuǎn)離的神經(jīng)生理活動(dòng)之間在時(shí)間上的相關(guān)性”[4]可能是腦皮層中不同腦區(qū)之間完成某種任務(wù)時(shí)的協(xié)調(diào)反應(yīng)機(jī)制。當(dāng)機(jī)體處于疾病狀態(tài)時(shí)相應(yīng)腦區(qū)之間的功能連接也會(huì)出現(xiàn)異常，對(duì)阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)患者的腦研究發(fā)現(xiàn)，AD患者的扣帶回后部、海馬區(qū)域的活動(dòng)強(qiáng)度減弱[5]。謝洪武等發(fā)現(xiàn)，膝骨性關(guān)節(jié)炎慢性疼痛患者后扣帶回與與多個(gè)腦區(qū)的功能連接異常增高或減低[6]；本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)慢性腰背痛患者腦內(nèi)多個(gè)腦區(qū)與pACC的功能連接存在異常，提示慢性疼痛患者腦內(nèi)存在異常的功能連接。

本研究發(fā)現(xiàn)健康對(duì)照組、慢性腰背痛患者腦內(nèi)pACC與多個(gè)腦區(qū)存在顯著地功能連接，這些腦區(qū)之間的連接可能在痛覺(jué)相關(guān)信息中的處理中起著協(xié)調(diào)反應(yīng)作用。疼痛是一種多維度的復(fù)合感覺(jué)，包括了感覺(jué)、情緒和認(rèn)知三方面的成份，痛覺(jué)信息從外周傳導(dǎo)到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的過(guò)程中，大腦內(nèi)廣泛的腦區(qū)結(jié)構(gòu)參與了這些不同成分傳導(dǎo)、整合處理。研究發(fā)現(xiàn)不同痛覺(jué)成分上傳至中樞神經(jīng)系統(tǒng)的通路是分離的，痛覺(jué)的普通感覺(jué)成分(刺激位置、持續(xù)長(zhǎng)度等)主要經(jīng)由脊髓背角的廣動(dòng)力神經(jīng)元上傳至丘腦外側(cè)核群，再投射到初級(jí)軀體感覺(jué)皮層、次級(jí)軀體感覺(jué)皮層等腦區(qū)對(duì)其進(jìn)行處理，而痛覺(jué)的情緒成分則主要經(jīng)由脊髓背角的特異性傷害感受性神經(jīng)元上傳至丘腦內(nèi)側(cè)核群，再投射到前扣帶回、島葉皮層等腦區(qū)對(duì)其進(jìn)行處理，此外前額葉皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)、杏仁核、海馬、下丘腦等多個(gè)腦結(jié)構(gòu)參與了對(duì)不同痛覺(jué)成分的整合、認(rèn)知等處理[7-8]。在這些參與痛覺(jué)信息處理的腦結(jié)構(gòu)中，ACC被發(fā)現(xiàn)在痛覺(jué)調(diào)制中占有重要的地位，與大腦皮層及皮層下許多核團(tuán)存在廣泛的直接或間接地纖維聯(lián)系，可能在痛覺(jué)的不同成分整合以及對(duì)疼痛的反應(yīng)選擇、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行以及記憶認(rèn)知中扮演了重要的角色[9]。本研究還發(fā)現(xiàn)與健康組相比，慢性腰背痛患者多個(gè)腦區(qū)與pACC的功能連接出現(xiàn)異常，這些連接的異常可能與持續(xù)的慢性疼痛刺激有關(guān)。

表1 慢性腰背痛組與健康對(duì)照組t-test表（獨(dú)立雙樣本t檢驗(yàn)，單體素閾值P＜0.05，簇塊體積閾值為1350mm3）

本研究發(fā)現(xiàn)慢性腰背痛患者pACC與前額葉中內(nèi)側(cè)皮層、后扣帶回皮層的連接強(qiáng)度減弱。根據(jù)以往學(xué)者的研究成果，上述區(qū)域均屬于靜息狀態(tài)下腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一部分。Raichle等[10]在對(duì)大腦靜息狀態(tài)的發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)，前額葉中內(nèi)側(cè)部、扣帶回前部、扣帶回后部以及頂下小葉等區(qū)域的BOLD信號(hào)具有較高的時(shí)間相關(guān)性，提出了默認(rèn)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的概念，認(rèn)為大腦在無(wú)任務(wù)的安靜、清醒狀態(tài)下存在有組織的功能活動(dòng)。這些腦區(qū)有著重要的生理功能，與情景記憶的提取、對(duì)周?chē)h(huán)境與自我內(nèi)省狀態(tài)檢測(cè)以及持續(xù)進(jìn)行的認(rèn)知和情感的相互作用過(guò)程有關(guān)。我們的結(jié)果提示慢性腰背痛患者pACC與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的連接減弱，這可能導(dǎo)致機(jī)體相應(yīng)的功能受損。

本研究還發(fā)現(xiàn)提示慢性腰背痛患者pACC與中央前回及及鄰近中央后回皮層的連接強(qiáng)度減弱。既往研究[11]發(fā)現(xiàn)扣帶回和前額葉可能共同參與了軀體面臨傷害性刺激信息的回避反應(yīng)，而扣帶回在其中起著重要的聯(lián)系作用，ACC與前額葉皮層的運(yùn)動(dòng)區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)之間存在大量的往返纖維聯(lián)系，這種聯(lián)系將中央后回(初級(jí)軀體感覺(jué)皮層)整合后的傷害性信息傳遞給前額葉皮層及輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)，再進(jìn)一步啟動(dòng)與痛覺(jué)相關(guān)的行為反應(yīng)。我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)pACC與軀體感覺(jué)皮層、運(yùn)動(dòng)皮層的連接減弱，可能與機(jī)體面臨長(zhǎng)期的慢性疼痛刺激的適應(yīng)性有關(guān)，導(dǎo)致機(jī)體的回避反應(yīng)減弱。

此外，我們還發(fā)現(xiàn)慢性腰背痛患者pACC與右側(cè)島葉后部、左側(cè)島葉前部的功能連接增強(qiáng)。島葉是內(nèi)側(cè)痛覺(jué)系統(tǒng)一個(gè)重要的組成腦區(qū)，既往研究發(fā)現(xiàn)島葉的前部、后部分別介導(dǎo)痛覺(jué)的不同成份[12]，島葉前部可能與痛覺(jué)的情感動(dòng)機(jī)、注意和記憶功能有關(guān)，而島葉后部則與軀體感覺(jué)的辨別和整合處理功能有關(guān)。臨床研究發(fā)現(xiàn)島葉損傷后出現(xiàn)痛感知的不平衡，導(dǎo)致回避行為和生理反應(yīng)減弱。我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)前扣帶回與島葉之間的功能連接增強(qiáng)，可能提示慢性腰背部疼痛患者對(duì)疼痛情緒成份處理增強(qiáng)。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)下健康對(duì)照組、慢性腰背痛患者腦內(nèi)pACC與多個(gè)腦區(qū)存在顯著地功能連接，這些腦區(qū)之間的連接可能在痛覺(jué)相關(guān)信息中的處理中起著協(xié)調(diào)反應(yīng)作用，而且與健康對(duì)照組比較，慢性腰背部疼痛患者多個(gè)腦區(qū)與pACC的功能連接存在異常，這些連接的異常可能與持續(xù)的慢性疼痛刺激有關(guān)。

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(本文編輯: 劉龍平)

The fMRI Study of Functional Connectivity in Chronic Low Back Pain*

CHEN Jun, LIU Bo, LIU Xian, HUANG Yan． Department of Radiology, the Second Affiliated hospital of Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, Guangzhou 510120, China

ObjectiveTo investigate functional connectivity changes in chronic low back pain in the resting brain by using magnetic resonance imaging．MethodsFifteen patients with chronic low back pain and sixteen healthy volunteers participated in the experiment．MR data acquired in the resting state were analyzed to investigate functional connectivity changes in chronic low back pain patients and controls, while bilateral posterior anterior cingulated cortex were chosen as seed point．ResultsCompared to control group, functional connectivity in chronic low back pain patients is abnormal, including decreased functional connectivity and increased functional connectivity． The brain area of decreased functional connectivity includes bilateral calcarine, bilateral medial frontal gyrus, left precentral gyrus and postcentral gyrus, right middle and posterior cingulate gyrus． The brain area of increased functional connectivity includes right insula, left inferior frontal gyrus and left superior temporal gyrus．ConclusionFunctional connectivity between some brain areas with posterior anterior cingulated cortex is abnormal in chronic low back pain patients．

Chronic Pain; Resting State; fMRI; Functional Connectivity

R323.3; R323.4+1

A

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)2010B080701025);廣東省中醫(yī)藥管理局課題(編號(hào)2011 2113);廣州中醫(yī)藥大學(xué)青年英才項(xiàng)目(編號(hào)20120105)；廣東省中醫(yī)院朝陽(yáng)人才專(zhuān)項(xiàng)

10.3969/j.issn.1672-5131.2015.05.001

2015-03-26

劉 波