靜息態(tài)功能磁共振觀察基底節(jié)區(qū)腦梗死后不同頻段低頻振幅變化

阮杏林， 車春暉， 林海龍， 陳華俊， 潘曉東

基底節(jié)區(qū)腦梗死是腦梗死中常見的一種類型，是由顱內(nèi)深穿支動(dòng)脈堵塞造成，患者常表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)功能障礙[1-2]。靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是讓被試者在清醒、靜止不動(dòng)、平靜呼吸、避免任何思維活動(dòng)的情況下進(jìn)行磁共振掃描，臨床上容易實(shí)施，廣泛應(yīng)用于腦卒中的研究[3-6]。低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)是rs-fMRI檢查的重要指標(biāo)之一，反映大腦自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度的變化[7-8]。ALFF經(jīng)典頻段為0.01～0.08 Hz，大部分ALFF的研究基于這一頻段[3, 9-10]。ALFF根據(jù)不同頻段可以細(xì)分為slow-6(0～0.01 Hz)，slow-5(0.01～0.027 Hz)，slow-4(0.027～0.073 Hz)，slow-3(0.073～0.198 Hz)和slow-2(0.198～0.25 Hz)[11]。<0.01 Hz的slow-6被認(rèn)為是噪聲[12]，slow-4和slow-5頻段反映灰質(zhì)信號的變化，而slow-2和slow-3頻段反映白質(zhì)信號的變化[11]。

目前對于腦梗死ALFF的研究大部分是基于經(jīng)典頻段[10,13]，基于slow-4和slow-5頻段的研究比較少[14]，并且較少關(guān)注腦梗死的嚴(yán)重程度與ALFF的關(guān)系。本研究通過分析經(jīng)典頻段、slow-4和slow-5頻段ALFF，觀察急性基底節(jié)區(qū)腦梗死后自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)情況，分析差別腦區(qū)ALFF值與NIHSS評分的相關(guān)性，探討急性基底節(jié)區(qū)腦梗死的嚴(yán)重程度與自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)的關(guān)系，為臨床急性基底節(jié)區(qū)腦梗死的評估提供幫助。

1 對象與方法

1.1對象

1.1.1腦梗死組 收集2015年1月—2017年1月于筆者醫(yī)院住院的13例急性基底節(jié)區(qū)腦梗死患者。其中，7例病灶位于左側(cè)基底節(jié)區(qū)，6例位于右側(cè)基底節(jié)區(qū)。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)根據(jù)國際疾病分類(International Classification of Diseases，ICD-10)和電子計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)及磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)標(biāo)準(zhǔn)診斷為急性腦梗死(發(fā)病起7 d內(nèi))，病灶位于單側(cè)基底節(jié)區(qū)，無其他病灶；(2)第1次發(fā)??；(3)無其他神經(jīng)精神疾病；(4)右利手；(5)意識清楚、病情穩(wěn)定、檢查合作；(6)無MRI檢查禁忌證。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)意識障礙、精神分裂癥、嚴(yán)重焦慮抑郁等神經(jīng)精神疾病史；(2)嚴(yán)重的心肺疾患及多臟器功能衰竭。

1.1.2對照組 同期招募年齡、性別相匹配的健康志愿者14例。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)無嚴(yán)重的精神及軀體疾病史、無酒精和藥物依賴史、無外傷史及腦部疾病史；(2)常規(guī)頭顱MRI 檢查未發(fā)現(xiàn)任何器質(zhì)性病變；(3)右利手。

本研究經(jīng)筆者醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1磁共振數(shù)據(jù)采集 采用MR750 3.0T磁共振掃描儀(美國通用電氣公司)進(jìn)行磁共振掃描。Rs-fMRI掃描過程中，囑受試者平臥、閉目、平靜呼吸，固定頭部，最大限度減少頭部和其他部位的運(yùn)動(dòng)，要求受試者盡量不要進(jìn)行任何思維活動(dòng)，自然放松，意識保持清醒。采用梯度回波單次激發(fā)回波平面成像(single shot gradient echo type echo planar imaging，GRE-EPI)序列進(jìn)行rs-fMRI掃描，重復(fù)時(shí)間2 000 ms，回波時(shí)間26 ms，反轉(zhuǎn)角90°，分辨率3.75 mm×3.75 mm，視野240 mm×240 mm，矩陣64×64，層厚3.2 mm，間隔0，掃描層數(shù)43層，掃描時(shí)間8 min，前20 s不做數(shù)據(jù)采集，共230個(gè)時(shí)相。采用三維快速擾相梯度回波(three-dimensional spoiled gradient recalled，3D-SPGR)序列獲取解剖圖像：重復(fù)時(shí)間為24 ms，回波時(shí)間為6 ms，視野為220 mm×220 mm，矩陣256×256，反轉(zhuǎn)角35°，層厚0.9 mm。

1.2.2數(shù)據(jù)處理 在Matlab R2010a平臺上運(yùn)用靜息態(tài)功能數(shù)據(jù)處理助手(data processing assistant for rs-fMRI，DPARSF)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理計(jì)算，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、剔除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)、時(shí)間校正、頭動(dòng)校正(剔除旋轉(zhuǎn)范圍超過2.5°或者平移范圍超過2.5 mm的數(shù)據(jù))、功能圖像空間標(biāo)準(zhǔn)化、重采樣(體素3 mm×3 mm×3 mm)、平滑(半高全寬為8 mm)、去線性漂移、濾波(經(jīng)典頻段設(shè)定為0.01～0.08 Hz，slow-4頻段設(shè)定為0.027～0.073 Hz，slow-5頻段設(shè)定為0.010～0.027 Hz)。濾波后的數(shù)據(jù)做傅立葉變換計(jì)算每個(gè)頻率的平方根，在經(jīng)典頻段、slow-4和slow-5頻段內(nèi)對上述平方根求平均得到ALFF值，再進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)z轉(zhuǎn)換。

1.3統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 采用REST軟件(resting-state fMRI data analysis toolkit)做ALFF分析：雙樣本t檢驗(yàn)分析急性基底節(jié)區(qū)腦梗死組和對照組的組間差別(校正前單體素閾值設(shè)為P<0.001，AlphaSim校正后得到最小體素23，對應(yīng)校正后P<0.05)。采用REST軟件中Sliceviewer進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)，確定對應(yīng)蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)坐標(biāo)上有顯著差別腦區(qū)的具體解剖位置采用Spearman等級相關(guān)分析。ALFF值與美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表(national institutes of health stroke scale，NIHSS)評分的相關(guān)性。P<0.05為差別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1一般資料 基底節(jié)區(qū)腦梗死組13例，其中男性10例，女性3例，年齡(65.69±9.11)歲(50～82歲)，NIHSS評分(4.08±2.63)分(1～8分)；對照組14例，其中男性7例，女性7例，年齡(66.21±10.53)歲(46～84歲)。兩組患者的年齡、性別比較，差別無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(均P>0.05)。

2.2不同頻段ALFF值比較

2.2.1經(jīng)典頻段ALFF值比較 與對照組比較，腦梗死組的ALFF值顯著增高區(qū)域?yàn)橛覀?cè)額葉，顯著降低區(qū)域?yàn)橛覀?cè)小腦后葉(均P<0.001，表1，圖1)。

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.圖1 基底節(jié)區(qū)腦梗死組和對照組經(jīng)典頻段ALFF值存在差別的腦區(qū)Fig.1 Differences of ALFF value according to the brain regions in conventional frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

2.2.2slow-4頻段ALFF值比較 與對照組比較，腦梗死組的ALFF值顯著增高區(qū)域?yàn)橛覀?cè)額葉，顯著降低區(qū)域?yàn)橛覀?cè)小腦后葉(均P<0.001，表1，圖2)。

2.2.3slow-5頻段ALFF值比較 與對照組比較，腦梗死組的ALFF值顯著降低區(qū)域?yàn)橛覀?cè)小腦后葉(P<0.001，表1，圖3)。

2.2.4腦梗死組NIHSS評分與ALFF值的相關(guān)性分析 在經(jīng)典頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側(cè)額葉和右側(cè)小腦后葉的平均ALFF值均無顯著相關(guān)(P值分別為0.885,0.493及0.104)；在slow-4頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側(cè)額葉和右側(cè)小腦后葉的平均ALFF值均無顯著相關(guān)(P值分別為0.442,0.690)；在slow-5頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側(cè)小腦后葉的平均ALFF值呈負(fù)相關(guān)(r=-0.649，P=0.016，圖4)。

表1 經(jīng)典頻段、slow-4頻段和slow-5頻段兩組基底節(jié)區(qū)腦ALFF值的差別

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.圖2 基底節(jié)區(qū)腦梗死組和對照組slow-4頻段ALFF值存在差別的腦區(qū)Fig.2 Differences of ALFF value according to the brain regions in slow-4 frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

3 討 論

本研究通過觀察基底節(jié)區(qū)腦梗死患者經(jīng)典頻段、slow-4和slow-5頻段的靜息態(tài)自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)信號的變化，計(jì)算ALFF值后發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)典頻段和slow-4頻段，基底節(jié)區(qū)腦梗死患者的右側(cè)額葉ALFF值增高，右側(cè)小腦后葉ALFF值降低；在slow-5頻段，基底節(jié)區(qū)腦梗死患者的右側(cè)小腦后葉ALFF值降低，且與NIHSS評分呈負(fù)相關(guān)。ALFF值反映大腦自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度，提示基底節(jié)區(qū)腦梗死后右側(cè)額葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度增高，而右側(cè)小腦后葉自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度減弱，并且右側(cè)小腦后葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度與NIHSS評分存在相關(guān)性。

基底節(jié)區(qū)有重要的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)功能，并且參與精細(xì)運(yùn)動(dòng)的形成[15-16]。額葉是控制運(yùn)動(dòng)的主要腦區(qū)之一。小腦后葉通過調(diào)節(jié)隨意運(yùn)動(dòng)的力量、方向和穩(wěn)定度來協(xié)調(diào)大腦皮質(zhì)發(fā)動(dòng)的隨意運(yùn)動(dòng)?；坠?jié)區(qū)、額葉、小腦組成多個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互作用，對于運(yùn)動(dòng)技能的獲取起到重要作用[17-18]。Modroo等[19]發(fā)現(xiàn)，額葉、基底節(jié)區(qū)、小腦一起參與控制手眼運(yùn)動(dòng)。本研究發(fā)現(xiàn)，基底節(jié)區(qū)腦梗死后額葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度增高，而小腦后葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度減弱，進(jìn)一步提示額葉、小腦與基底節(jié)區(qū)聯(lián)系密切，可能與腦梗死后功能恢復(fù)有關(guān)。本研究中，自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)變化的區(qū)域主要在右側(cè)額葉皮質(zhì)下區(qū)域和小腦后葉，考慮可能與皮質(zhì)-基底節(jié)-小腦神經(jīng)環(huán)路有關(guān)。經(jīng)典頻段和slow-4頻段的差別腦區(qū)在額葉及小腦，slow-5頻段的差別腦區(qū)在小腦，提示可能與基底節(jié)區(qū)腦梗死聯(lián)系更密切。Li等[20]和Fu等[21]對基底節(jié)區(qū)腦梗死患者運(yùn)動(dòng)康復(fù)的任務(wù)態(tài)功能磁共振的縱向研究也發(fā)現(xiàn)，小腦與基底節(jié)區(qū)腦梗死的恢復(fù)關(guān)系最密切。小腦后葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度與NIHSS評分呈負(fù)相關(guān)，提示小腦后葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)強(qiáng)度與基底節(jié)區(qū)腦梗死后功能缺失的嚴(yán)重程度有關(guān)。通過功能鍛煉激活額葉及小腦相應(yīng)區(qū)域，或者通過顱內(nèi)或顱外刺激額葉及小腦相應(yīng)區(qū)域，可能對基底節(jié)區(qū)腦梗死后功能的恢復(fù)起到重要作用。

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.圖3 基底節(jié)區(qū)腦梗死組和對照組slow-5頻段ALFF值存在差別的腦區(qū)Fig.3 Differences of ALFF value according to the brain regions in slow-5 frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

NIHSS：美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表；ALFF：低頻振幅.圖4 基底節(jié)區(qū)腦梗死患者NIHSS評分與ALFF值的相關(guān)性Fig.4 The correlation of NIHSS score and ALFF value in slow-5 frequency in patients with acute basal ganglia region infarction

ALFF是通過計(jì)算每個(gè)頻率功率譜的平方根，然后在某一頻帶上對平方根求平均而得到，可用于描述局部自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)的強(qiáng)度[7]。一些研究認(rèn)為，在檢測患者大腦的異常神經(jīng)活性方面，slow-4和slow-5頻段比經(jīng)典頻段更敏感[14,22]。Hu等[22]發(fā)現(xiàn)，帕金森病患者在slow-5頻段下殼核的ALFF值存在異常，在slow-4頻段下額中回的ALFF值存在異常，而在經(jīng)典頻段下均未檢測到，并且用額中回和顳下回的slow-4頻段評估帕金森病患者的凍結(jié)步態(tài)，其準(zhǔn)確性最高。Zhu等[14]對腦卒中患者的研究發(fā)現(xiàn)，ALFF值在Slow-5頻段下異常變化區(qū)域更廣泛。本研究發(fā)現(xiàn)，在slow-5頻段，腦梗死組NIHSS評分與右側(cè)小腦后葉的ALFF值呈負(fù)相關(guān)，提示右側(cè)小腦后葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)與腦梗死功能損害有關(guān)，可能可以用slow-5頻段下右側(cè)小腦后葉的ALFF值來評估腦梗死的嚴(yán)重程度。因此，在測量腦內(nèi)在活動(dòng)時(shí)，rs-fMRI研究應(yīng)該考慮頻率效應(yīng)，如果單純檢測經(jīng)典頻段，有可能會遺漏一些有意義的信息。

綜上所述，本研究通過觀察經(jīng)典頻段、slow-4和slow-5頻段下的ALFF值，發(fā)現(xiàn)基底節(jié)區(qū)腦梗死患者的右側(cè)額葉及小腦后葉自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)發(fā)生變化，右側(cè)小腦后葉的自發(fā)性神經(jīng)元活動(dòng)與腦梗死功能損害存在相關(guān)性，這加深了對基底節(jié)、額葉、小腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系的認(rèn)識，為基底節(jié)區(qū)腦梗死患者功能損害的客觀評估提供了新的方法，也為靶向刺激相應(yīng)腦區(qū)從而達(dá)到功能恢復(fù)提供了更多的信息。