基于Group ICA 探究認知障礙患者靜息態(tài)腦網(wǎng)絡異常

趙杰 趙凡 河北大學電子信息工程學院 門國尊 河北大學經(jīng)濟學院

1 引言

輕度認知功能障礙（Mild Cognitive Impairment，MCI）屬于一種神經(jīng)系統(tǒng)慢性退行性疾病，是指介于正常老化和癡呆之間的一種認知缺損狀態(tài)。但是，確診為MCI 的患者轉化為阿爾茲海默癥的危險率極高，許多臨床病例都表明中晚期治療效果狀況不佳，因此近幾年研究者們將方向轉向了對其早期診斷和預防干預。

探究分析MCI 患者與健康老年人（HC）的靜息態(tài)腦網(wǎng)絡（RSN）的特點及差異可以有效判斷MCI 的病變區(qū)域，從而進行MCI 的診斷治療。本文采用了成組獨立成分分析方法（Group ICA）對MCI 患者和健康老年人的靜息態(tài)腦功能磁共振成像（fMRI）數(shù)據(jù)進行處理分析，并對其默認網(wǎng)絡（Default Mode Network，DMN）和中央執(zhí)行網(wǎng)絡（Central Executive Network，CEN）進行詳細的對比判斷，以期可以對兩個網(wǎng)絡的功能連接性進行統(tǒng)計學分析，從而達到有助于對MCI 的診斷和預防。

2 材料與方法

2.1 研究對象

本研究的實驗數(shù)據(jù)來自開放式數(shù)據(jù)庫阿爾茨海默病神經(jīng)影像學倡議（ADNI）。本研究使用了該數(shù)據(jù)庫中MCI 患者和HC的功能性MRI 數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)的掃描參數(shù)如下：結構圖像回波時間TE=30ms，重復時間TR=3s，翻轉角FA=8°，分辨率為64×64；功能圖像層厚3.3mm；圖像維度64×64×48；體素大小3.31×3.31×3.31mm3。

2.2 統(tǒng)計學分析

GroupICA 是一種無監(jiān)督的盲源分離技術，可以有效的進行組數(shù)據(jù)的處理，有利于進行組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學分析。同時GroupICA 算法可以避免將傳統(tǒng)獨立成分方法直接應用到多個被試者的fMRI 數(shù)據(jù)處理時出現(xiàn)的計算量大、耗時多、數(shù)據(jù)處理效率低等問題。Group ICA方法的改進，使其應用更加廣泛，它減少了繁復的計算可以避免我們在處理數(shù)據(jù)時由于計算而產(chǎn)生的不必要的錯誤，這使得我們的研究可以更加快捷且準確。圖1 是基于Group ICA 算法的實驗流程，可以分為五個階段：預處理、數(shù)據(jù)降維、獨立成分估計、數(shù)據(jù)重建、統(tǒng)計分析。

使用數(shù)據(jù)處理軟件包spm12 (http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software)，對圖像數(shù)據(jù)進行預處理，涉及時間層矯正、頭動矯正、空間標準化、高斯平滑。其中將數(shù)據(jù)中平移超過1.5mm 和旋轉超過2°的數(shù)據(jù)進行排除，將每個被試者的圖像配準到標準的蒙特利爾神經(jīng)研究所模板，以3*3*3mm3的體素進行重采樣，采用半高全寬的6mm*6mm*6mm 高斯核函數(shù)進行空間平滑。

使用GIFT（group ICA of fMRI toolbox）軟件對預處理后的數(shù)據(jù)進行獨立成分分析，包括數(shù)據(jù)壓縮、ICA 估計和數(shù)據(jù)反重構。其中數(shù)據(jù)降維后使用MDL 標準運算識別獨立成分（IC）。對每個被試者的IC 進行重建，并進行Fisher Z 轉換。本實驗中MCI 患者和HC 中IC 的估計數(shù)量均為113，選擇infomax 算法，運算次數(shù)為140 次。

采用單樣本t 檢驗（Alphasim 校正，以P ＜0.05 為檢驗水準），根據(jù)最大空間相關原理計算MCI 患者和HC 被試者數(shù)據(jù)的RSN。在本實驗中我們著重對DMN 和CEN 進行分析，進而我們使用雙樣本t 檢驗來比較RSN 的功能連接（functional connectivity，F(xiàn)C）差異。

圖1 基于Group ICA 的fMRI 數(shù)據(jù)的處理流程圖

3 結果

3.1 研究對象的基本資料

如表1，經(jīng)卡方檢驗，兩組性別、年齡差異無統(tǒng)計學意義。其中CDR 為臨床癡呆分級量表。

表1 兩組研究對象的基本資料

3.2 MCI 與HC 靜息態(tài)腦網(wǎng)絡的功能連接比較

對DMN 和CMN 進行統(tǒng)計學分析得到圖2 和圖3，分別為MCI 組與HC 組的腦網(wǎng)絡激活差異區(qū)域分布情況和腦網(wǎng)絡激活差異區(qū)域對比圖。使用REST 軟件提取組間差異性腦區(qū)的功能連接值，再使用SPSS 軟件進行pearson 相關性分析，得到如表2 的結果。

在我們結果圖中可以看到DMN 中的異常腦區(qū)為左側顳 中 回（left middle temporal gyrus，MTG.L）、左 舌 回（left lingual gyrus，ING.L）和左側眼眶部額下回（Inferior frontal gyrus，ORBinf.L）；在CEN 中的為左側背外側額上回（left dorsolateral superior frontal gyrus，SFGdor.L）、左側額中回（left middle frontal gyrus，MFG.L）、右側顳上回（right superior temporal gyrus，STG.R）和右側顳中回（right middle temporal gyrus，MTG.R）。并且左舌回、左側眼眶部額下回、左側額中回和左側背外側額上回的功能連接減弱，在左側顳中回、右側顳上回和右側顳中回的功能連接增強。

圖2 MCI 與HC 的RSN 激活區(qū)域

圖3 MCI 與HC 的RSN 差異

表2 兩組間的功能連接異常腦區(qū)

4 討論

阿爾茨海默癥的產(chǎn)生與發(fā)展是一個緩慢并持續(xù)的過程，MCI 經(jīng)過多年可能會發(fā)展成為AD，也有可能并不發(fā)生變化。因此，對MCI 的準確診斷對阿爾茲海默癥的治療具有十分重要的意義。腦功能連接的改變是認知功能障礙較敏感的指標，默認網(wǎng)絡及中央執(zhí)行網(wǎng)絡被認為是維持高級認知功能重要的功能連接, 是神經(jīng)認知的核心。

對比MCI 與HC 的腦網(wǎng)絡可以更加有效的判斷出現(xiàn)差異的區(qū)域，本研究采用Group ICA 方法，在不需要先驗知識的前提下，應用于MCI 患者的fMRI 數(shù)據(jù)，而fMRI 因其無創(chuàng), 可作為該類疾病診斷的輔助技術。這可以使得我們的數(shù)據(jù)處理的更加具有科學性，降低實驗誤差，同時對MCI 患者的腦網(wǎng)絡及網(wǎng)絡內(nèi)功能連接性進行分析，客觀而全面地反映出患者靜息態(tài)腦網(wǎng)絡的變化，并努力探討患者可能存在的神經(jīng)生物學機制。

默認網(wǎng)絡是目前研究最為廣泛和深入的、最重要的靜息態(tài)腦網(wǎng)絡。本研究發(fā)現(xiàn)輕度認知障礙患者在默認網(wǎng)絡中的左側顳中回、左舌回和左側眼眶部額下回分區(qū)域的功能連接的異常，這與我們目前發(fā)現(xiàn)的患者病變區(qū)域一致。并且在圖3 中可以發(fā)現(xiàn)左舌回和左側眼眶部額下回區(qū)域的功能連接降低，ING.L 腦區(qū)主要負責視覺處理，患者該區(qū)域及其周圍皮質的異常會使得視覺感官出現(xiàn)明顯的差異性；患者額下回的區(qū)域出現(xiàn)異常已經(jīng)可以在解剖學中得以印證。在左側顳中回區(qū)域的功能連接增加，表明患者存在補償連接機制。而MTG 腦區(qū)與我們?nèi)粘５拈喿x功能有關，MCI 患者該區(qū)域FC 的異常使得患者在其閱讀過程反應受限，使其功能受損。

中央執(zhí)行網(wǎng)絡是與人類認知控制有關的腦網(wǎng)絡，并且其額葉區(qū)與情景記憶有關。在圖4 中可以發(fā)現(xiàn)MCI 患者中左側背外側額上回和左側額中回的功能連接減少，這也就為MCI 患者的記憶障礙提供了可能的解釋；并且在右側顳上回和右側額中回的功能連接增加，表明患者存在補償連接機制，這部分區(qū)域的異常是與患者記憶的缺失有關。中央執(zhí)行網(wǎng)絡中四個區(qū)域的功能連接的異常使得MCI 患者的記憶功能出現(xiàn)問題，對于該網(wǎng)絡的探究使我們對MCI 患者的記憶功能異常區(qū)域更加明確，有助于我們對于MCI 患者腦網(wǎng)絡的監(jiān)測。

綜上所述，使用GroupICA 及其統(tǒng)計學分析方法能夠敏感地檢測到異常的腦結構區(qū)域，從而更全面地理解MCI 的病理生理機制。本實驗實現(xiàn)了對MCI 患者與健康老年人兩個腦網(wǎng)絡的對比，并且發(fā)現(xiàn)了MCI 患者在DMN 和CEN 中的FC 發(fā)生異常的區(qū)域，從而更全面地理解MCI 的病理生理機制。這就使得我們可以在早期診斷過程中便于識別病癥的變化，以輔助預判MCI 向AD 轉化的程度，從而達到AD 的階段性治療。