視神經(jīng)脊髓炎患者功能連接密度變化的靜息態(tài)fMRI研究

韓永良，李詠梅，羅琦，付佳亮，孔麗娜，向雅蕓，陳曉婭，顧瑤

重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院放射科，重慶 400016

視神經(jīng)脊髓炎(neuromyelitis optica，NMO)是一種主要累及視神經(jīng)和脊髓的中樞神經(jīng)系統(tǒng)特發(fā)性炎性脫髓鞘疾病[1]，常以急性脊髓炎和/或視神經(jīng)炎起病，呈進行性加重，復發(fā)率和致殘率高。NMO最初被認為是僅累及視神經(jīng)和脊髓的脫髓鞘疾病，隨著對其發(fā)病機制的深入研究，越來越多證據(jù)表明NMO是一種針對水通道蛋白4 (aquaporin-4，AQP4)的自身免疫性星形膠質(zhì)細胞病[2-3]，可累及大腦半球，導致記憶力減退、信息處理速度下降、執(zhí)行功能障礙等一系列認知障礙癥狀[4-6]。隨后，利用結構MRI(structure MRI，sMRI)及彌散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)方法的研究[7-9]發(fā)現(xiàn)伴有認知功能障礙的NMO患者多個腦區(qū)灰質(zhì)尤其是深部灰質(zhì)核團體積明顯萎縮、白質(zhì)纖維束完整性受損、徑向擴散率增大，這些研究均表明NMO患者存在廣泛而隱匿的大腦損傷?；隗w素的功能連接密度(functional connectivity density，F(xiàn)CD)計算是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動方法，可以全面、客觀地反映每個體素(節(jié)點)與其他所有體素(節(jié)點)平均功能連接強度，間接反映某一腦區(qū)在全腦功能網(wǎng)絡中的作用和地位，是描述網(wǎng)絡節(jié)點重要性的度量指標[10]。筆者旨在期望從各腦區(qū)重要性改變的角度，探討NMO患者肢體及認知功能障礙發(fā)生發(fā)展的病理生理機制。

1 材料與方法

1.1 研究對象

搜集2014年12月至2016年12月期間就診于重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院的23例NMO患者，其中男性2例，女性21例，年齡20～74歲，平均(40.1±12.73)歲，病程3～322個月，平均(84.45±82.1)個月，EDSS評分為1.5～5分，平均(2.74±1.65)分。同期招募20名(男性3名，女性17名)年齡、性別相匹配的健康志愿者，年齡21～67歲，平均(37.4±13.88)歲，作為對照。NMO患者納入標準[11]：(1)必要條件：以視神經(jīng)炎和急性脊髓炎起?。?2)支持條件(至少滿足兩項)：頭顱MRI表現(xiàn)不符合MS診斷標準；脊髓MRI長T2信號病灶連續(xù)達到3個或3個以上椎體節(jié)段；血清NMO-IgG陽性。排除標準：(1)既往有腦梗死、出血、外傷、腫瘤等疾?。?2)患有高血壓、糖尿病、冠心病等；(3)有酗酒或藥物濫用史。

所有受試者均無MR檢查禁忌證，均為右利手。檢查前告知所有受試者研究目的及詳細方法，所有受試者自愿參加并簽署知情同意書；本研究經(jīng)我院生物醫(yī)學倫理委員會批準。

1.2 MRI數(shù)據(jù)采集

利用Signa HDxt 3.0 T MRI掃描儀(美國GE公司)，8通道頭線圈及脊柱專用線圈分別采集頭顱及脊髓MRI數(shù)據(jù)，掃描過程中受試者安靜、清醒、閉目仰臥。掃描序列：(1)頭顱MRI常規(guī)序列：軸位T1WI、T2WI、T2WI-FLAIR，層厚5.0 mm，層數(shù)20層；(2)靜息態(tài)BOLD序列：GREEPI序列，TR 2000 ms，TE 30 ms，F(xiàn)A 90o，層厚3 mm，層間距1 mm，層數(shù)33，矩陣64×64，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm，240個時間點；(3)全腦高分辨率3D T1WI：TR 8.3 ms，TE 3.3 ms，F(xiàn)A 12o，層厚1 mm，層間距0 mm，層數(shù)156，矩陣256×256，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm；(4)脊髓MRI常規(guī)序列：矢狀位T1WI、T2WI、STIR，軸位T2WI。

1.3 MRI數(shù)據(jù)處理

靜息態(tài)BOLD數(shù)據(jù)采用DPARSFA (v2.3，http: //www.restfmri.net)軟件進行圖像預處理，步驟如下[12-13]：(1)去除前10時間點數(shù)據(jù)(排除受試者環(huán)境干擾的影響)、時間層及頭動校正；(2)空間標準化，將數(shù)據(jù)轉換到標準蒙特利爾神經(jīng)學研究所(montreal neurological institute，MNI)空間，重采樣為3 mm×3 mm×3 mm大小的體素；(3)選用0.01～0.08 Hz頻率進行濾波，以去除高頻噪聲；(4)使用多元線性回歸分析方法去除協(xié)變量，包括6個頭動參數(shù)[排除3例NMO患者頭動(平動＞2 mm和(或)轉動＞2°)，最后20例患者納入統(tǒng)計]及全腦白質(zhì)及腦脊液信號。

利用DPARSFA軟件中的degree centrality工具選項計算FCD值，相關系數(shù)r取值0.25，再利用SPM8軟件對FCD值進行平滑，平滑核選擇全寬半高(full width at half maximum，F(xiàn)WHM) 8 mm高斯平滑核，得到二值化平均FCD值用于進行統(tǒng)計分析。用xjview軟件查看圖像，提取差異腦區(qū)做為mask，用于事后比較。

1.4 統(tǒng)計學分析

利用SPM8軟件對兩組分別行單樣本t檢驗(P＜0.05，F(xiàn)DR校正，體素＞30)及雙樣本t檢驗(P＜0.001，未校正，體素＞30)，分析組間各腦區(qū)FCD值的變化。利用REST軟件(v1.9, http: //www.restfmri.net)提取有組間差異腦區(qū)的FCD值，采用SPSS 20.0軟件對有差異腦區(qū)FCD值與EDSS評分、病程行Pearson相關分析，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 組間比較連接密度差異腦區(qū)

兩組間比較分析顯示，與健康對照組比較，NMO患者組FCD減弱的腦區(qū)包括雙側額葉(BA11)、左側舌回、雙側小腦半球(方形小葉后部)，F(xiàn)CD增加的腦區(qū)以左側小腦半球(下半月小葉)為主(表1，圖1)。

2.2 FCD差異腦區(qū)與EDSS及病程的相關性

提取有組間差異腦區(qū)的FCD值，與EDSS評分、病程分別進行相關性分析，發(fā)現(xiàn)NMO患者的病程與左側小腦半球(下半月小葉) FCD值呈正相關(r=0.6，P=0.005) (圖2)。

圖1 兩組FCD有差異的腦區(qū)分布圖(P＜0.01，未校正，體素＞30) NMO組FCD減弱的腦區(qū)包括雙側額葉(BA 11)、左側舌回、雙側小腦半球(方形小葉后部)，F(xiàn)CD增加的腦區(qū)以左側小腦半球(下半月小葉)為主 圖2 兩組差異腦區(qū)FCD值與病程的相關性。左側小腦半球(下半月小葉) FCD值與病程呈正相關(r= 0.6，P=0.005)Fig. 1 The FCD values difference between the NMO group and the control group (P＜0.01,uncorrected, the cluster size was greater than 30 voxels) compared with the control group,patients with NMO showed signi ficantly decreased FCD in the bilateral frontal lobe (BA 11),left lingual gyrus and bilateral cerebellum-6, increased FCD in the left cerebellum-crus. The color bar represents the t values. Fig. 2 The correlations between the duration and FCD values.Signi ficant correlation were found between the left cerebellum-crus FCD scores and duration in NMO patients (r=0.6, P=0.005).

3 討論

NMO是一種主要由體液免疫介導的、侵犯視神經(jīng)和脊髓為主的炎性脫髓鞘和壞死性疾病[3]。隨著水通道蛋白4 (aquaporin-4，AQP4)的發(fā)現(xiàn)，其特異性抗體的表達在視神經(jīng)脊髓炎、復發(fā)性視神經(jīng)炎(recurrent optic neuritis，RON)、縱向延伸橫貫性脊髓炎(longitudinally extensive transverse myelitis lesions，LETM)及視神經(jīng)脊髓型多發(fā)性硬化(optic spinal multiple sclerosis，OSMS)患者的腦脊液和血清中均可檢測到。據(jù)此特點，Wingerchuk等[14]將視神經(jīng)脊髓炎和上述其他疾病合并統(tǒng)稱為視神經(jīng)脊髓炎譜系疾病(NMO spectrum disorders，NMOSDs)。NMO好發(fā)于中青年女性，平均發(fā)病年齡35～45歲，臨床表現(xiàn)主要有視力下降及失明、脊髓病灶平面以下感覺運動功能障礙、自主神經(jīng)功能紊亂等癥狀。越來越多的證據(jù)表明，NMO-IgG通過與星形細胞表面AQP4結合，引起補體依賴性細胞毒作用(complement dependent cytotoxicity，CDC)，導致白細胞浸潤、血腦屏障破壞、細胞因子釋放，進一步導致髓鞘丟失、少突膠質(zhì)細胞和神經(jīng)元凋亡，最終出現(xiàn)神經(jīng)功能障礙[15-16]。

最近有研究利用獨立成分分析的方法發(fā)現(xiàn)NMO患者靜息狀態(tài)下默認網(wǎng)絡、額頂網(wǎng)絡存在廣泛的功能連接異常改變[17]，但該方法只分析了大腦部分功能網(wǎng)絡的變化，未能反映全腦的大尺度的功能網(wǎng)絡連接改變情況。本研究采用的功能連接密度分析是近年提出的一種基于體素水平的功能連接新算法，與傳統(tǒng)圖論復雜網(wǎng)絡分析不同，通過FCD值加權連接密度圖方法，間接反映功能網(wǎng)絡中某區(qū)域的作用和地位[18-20]。

本研究結果顯示，與對照組相比，NMO組雙側額葉FCD減弱，而額葉BA 11區(qū)屬于前額葉皮層的重要組成部分，與認知功能尤其是感覺、知覺等功能密切相關[21]，該區(qū)域FCD減弱，推測可能與患者認知功能下降有關，與既往的研究發(fā)現(xiàn)NMO患者默認網(wǎng)絡額葉功能連接下降相一致[17]。舌回主要功能是參與視覺信息加工，左側舌回FCD減低可能與患者視神經(jīng)炎所致視力障礙有關[22]，證明了舌回在視覺加工過程中的重要作用。

與皮層功能樞紐區(qū)長程連接不同，皮層下功能樞紐以短程功能連接為主。Tomasi等[23]發(fā)現(xiàn)小腦是皮層下主要功能樞紐之一，與視覺、邊緣系統(tǒng)、運動皮層、島葉及紋狀體等存在廣泛的功能連接，參與調(diào)節(jié)肌張力、維持身體姿勢平衡，同時也參與某些高級認知活動。本研究結果顯示，小腦半球既存在FCD增加的腦區(qū)(左側下半月小葉)，又存在FCD減低的腦區(qū)(雙側方形小葉后部)，而其均屬于新小腦的重要組成部分，與空間認知功能、情感及執(zhí)行功能密切相關[24]，增加與減低的腦區(qū)并存，推測可能有兩種原因：一是腦區(qū)間的神經(jīng)代償作用，二是研究樣本量不足所致的誤差。另外，我們還發(fā)現(xiàn)NMO患者左側小腦半球(下半月小葉) FCD值增加與病程呈正相關，患者總體病程較短且殘疾程度較低，推測可能仍處于腦功能代償范圍內(nèi)，尚未發(fā)展到嚴重失代償階段。

本研究主要存在以下不足：FCD方法僅呈現(xiàn)了功能連接改變的區(qū)域，無法度量異常功能連接的路徑及區(qū)域間功能連接的方向性；未能采集所有患者認知、記憶等評分，故未納入統(tǒng)計資料，尚不能準確評價差異腦區(qū)FCD值與認知、記憶等功能的相互影響；樣本量偏少。未來可繼續(xù)搜集相關病例擴大樣本量、聯(lián)合擴散張量成像及各功能亞區(qū)結構成像等方法，探索功能連接改變的結構基礎，進一步了解NMO隨病程發(fā)生、發(fā)展的機制。

總之，基于體素的FCD方法初步反映了NMO患者腦功能網(wǎng)絡樞紐的分布，其異常FCD值區(qū)域在大腦及小腦功能網(wǎng)絡內(nèi)具有重要作用，這些區(qū)域可不同程度影響正常神經(jīng)功能作用的發(fā)揮，且左側小腦半球(下半月小葉) FCD值與病程相關，進一步證實了異常FCD值與臨床癥狀存在相關性的假設。

表1 NMO組FCD有明顯差異的腦區(qū)Tab. 1 Areas showing signi ficantly changed FCD in NMO patients

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