原發(fā)性痛經(jīng)患者半球間鏡像同倫功能連接的靜息態(tài)fMRI研究

張亞男，劉妮，郝瑛，吳俊辰，張冰月，夏晶，黃怡然*，霍健偉*

原發(fā)性痛經(jīng)(primary dysmenorrhea，PDM)是指與月經(jīng)相關(guān)的下腹部周期性痙攣性疼痛，需要排除盆腔病變所致的繼發(fā)性痛經(jīng)[1]。主要好發(fā)于青春期及育齡期女性。中國在校女生PDM的流行病學(xué)調(diào)查顯示其發(fā)病率從41.7%～80.0%不等，其中一半以上女生遭受了中重度疼痛，嚴(yán)重干擾了生活和學(xué)習(xí)[2-3]。長期反復(fù)的疼痛還影響了中樞神經(jīng)系統(tǒng)，造成了大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變[4-7]，而這些變化又使PDM加重，形成惡性循環(huán)。因此，研究PDM的中樞機(jī)制十分必要，有望在以后的臨床治療中發(fā)揮指導(dǎo)作用。

靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是腦功能臨床研究中應(yīng)用最廣的方法，其無電離輻射，時間及空間分辨力較高，研究重復(fù)性好。rs-fMRI可反映靜息狀態(tài)下大腦神經(jīng)元的活動情況。體素-鏡像同倫功能連接(voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC)是2010年提出的一種評價雙側(cè)大腦半球間功能連接強(qiáng)度的rs-fMRI方法，起初用來研究神經(jīng)退行性疾病及精神類疾病的功能同倫的病理機(jī)制[8]。VMHC主要是通過對左右大腦半球?qū)ΨQ區(qū)域自發(fā)性活動高度同步性的描述(即功能同倫)，反映大腦半球間信息溝通和協(xié)調(diào)功能。關(guān)于PDM的既往研究為特定腦區(qū)與全腦之間的功能連接，未考慮大腦半球內(nèi)對稱腦區(qū)的協(xié)調(diào)作用，本文推測PDM患者的VMHC存在異常。目前已有一些關(guān)于疼痛相關(guān)rs-fMRI的研究報道表明偏頭痛[9]、帶狀皰疹后神經(jīng)痛[10]、急性眼痛[11]等疾病中存在同倫連接的異常改變，而PDM患者中VMHC的改變未見闡釋。本研究首次運用VMHC的方法探討PDM患者雙側(cè)大腦半球間同倫功能連接的變化，進(jìn)而研究患者半球間的功能信息交流及整合模式。

1 材料與方法

1.1 一般材料

選取2016年12月至2018年1月于北京各大高校內(nèi)招募的PDM患者32例，同期招募的健康女性志愿者38例為研究對象。所有受試者均為在校大學(xué)生或研究生，試驗前被告知研究內(nèi)容，并自愿簽署知情同意。本研究已經(jīng)通過北京中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)與實驗動物倫理委員會的審查批準(zhǔn)，倫理批號為2015BZHYLL0112，研究中涉及人類的醫(yī)學(xué)研究符合《赫爾辛基宣言》。

PDM患者的入組標(biāo)準(zhǔn)：①符合No.345原發(fā)性痛經(jīng)共識指南中的PDM診斷標(biāo)準(zhǔn)[1]；②年齡16～30歲，未育女性，右利手；③月經(jīng)周期規(guī)律，一般為(28±7) d；④痛經(jīng)的病程至少持續(xù)6個月；⑤近1個月未服用任何治療痛經(jīng)的藥物或使用其他方法；⑥最近3個月經(jīng)周期的視覺模擬疼痛評分(visual analogue scale for pain，VAS-P)≥40 mm。排除標(biāo)準(zhǔn)：①經(jīng)婦科B型超聲檢查確診的子宮內(nèi)膜異位癥、盆腔炎癥及子宮腺肌癥等疾病所致的繼發(fā)性痛經(jīng)；②嚴(yán)重危及生命的疾病、哮喘及精神障礙等；③近6個月內(nèi)使用口服避孕藥、鎮(zhèn)痛藥及抗抑郁藥的受試者；④具有MRI檢查絕對及相對禁忌證者的受試者；⑤基線MRI檢查中受試者頭部解剖結(jié)構(gòu)明顯不對稱或發(fā)現(xiàn)器質(zhì)性病變；符合以上任意一條排除標(biāo)準(zhǔn)，均不能納入研究。健康對照組除了沒有痛經(jīng)癥狀外，余納入排除標(biāo)準(zhǔn)與PDM患者相同。

所有PDM患者均有下腹部疼痛，其他癥狀包括惡心、嘔吐、頭痛、背痛、腿痛、頭暈及乏力等。所有PDM患者的痛經(jīng)均發(fā)生在經(jīng)期中，疼痛及痛經(jīng)相關(guān)癥狀評估時間為月經(jīng)期第1～3天。本研究采用國際常用的VAS-P對所有PDM患者近3個月經(jīng)周期的疼痛程度進(jìn)行評分。將疼痛程度用0～100 mm表示，0 mm代表感受不到疼痛，100 mm則指難以忍受的最大程度的疼痛，受試者需要根據(jù)自身感受選擇一個最能代表疼痛感受的刻度[12]。另外應(yīng)用焦慮視覺模擬評分法(VAS for anxiety，VAS-A)對患者產(chǎn)生的焦慮情緒予以評估。痛經(jīng)的伴隨癥狀運用回顧性癥狀量表評價，該量表分為持續(xù)時間量表(COX1)和嚴(yán)重程度量表(COX2)。

1.2 MRI檢查方法

所有受試者在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院放射科完成頭部MRI檢查，使用機(jī)器為德國西門子skyra 3.0 T超導(dǎo)磁共振掃描儀(德國，埃爾朗根，西門子醫(yī)療系統(tǒng))。fMRI數(shù)據(jù)的采集在受試者月經(jīng)期的第1～3天完成。掃描過程中給受試者使用彈形耳塞減少噪音，雙側(cè)塞以海綿墊固定頭部，線圈為頭/頸20通道線圈。檢查過程中要求受試者放松，閉眼，但保持清醒，不主動思考問題。首先采集T2加權(quán)成像以排除顱腦器質(zhì)性病變，然后是高分辨三維T1結(jié)構(gòu)像，接下來進(jìn)行勻場，最后應(yīng)用平面回波成像(echo-planar imaging，EPI)序列完成rs-fMRI的數(shù)據(jù)收集，具體參數(shù)見表1。

1.3 rs-fMRI數(shù)據(jù)處理

在Matlab R2013b平臺基礎(chǔ)上，采用rs-fMRI處理輔助軟件DPABI 3.0和SPM 8對所有受試者的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及計算。rs-fMRI序列的預(yù)處理包括：①將圖像的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可供識別的NIFTI格式；②去掉第1～10時間點的數(shù)據(jù)；③完成時間層校正；④進(jìn)行頭動校正，刪除各方向平動大于2 mm，和(或)旋轉(zhuǎn)超過2°的被試者；⑤做完頭動校正的功能像使用DARTEL (diffeomorphic anatomical registration using exponentiatedlie algebra，DARTEL)方法[13]配準(zhǔn)到三維T1結(jié)構(gòu)像上，把配準(zhǔn)后的結(jié)構(gòu)像分割成腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)及腦脊液三部分，為了結(jié)果的穩(wěn)定，繼續(xù)對分割后的腦脊液及腦白質(zhì)信號、Friston 24頭動參數(shù)進(jìn)行線性回歸分析去除協(xié)變量。通過DARTEL估計的參數(shù)將功能像配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)科研研究所(montreal neurological institute，MNI)標(biāo)準(zhǔn)空間，并以3 mm各向同性體素進(jìn)行重新采樣；⑥采用4 mm半高寬的高斯核函數(shù)進(jìn)行平滑，以降低空間噪聲、減少過程中所產(chǎn)生的誤差；⑦最后步驟為去線性漂移并應(yīng)用0.01～0.1 Hz帶通濾波去噪，以降低低頻數(shù)據(jù)引起的漂移和高頻的生理性噪聲造成的影響。

表1 磁共振掃描主要參數(shù)Tab. 1 The main parameters of magnetic resonance scanning

表2 受試者的人口統(tǒng)計學(xué)及臨床特征Tab. 2 The demographic and clinical characteristics of subjects

預(yù)處理結(jié)束后，本研究剔除了圖像質(zhì)量差、頭動較大的受試者共17例，包括11例PDM患者和6例健康對照組。應(yīng)用DPABI 3.0軟件計算VMHC值。對所有受試者腦內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的每個體素的時間序列進(jìn)行提取，計算雙側(cè)對稱位置體素之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，即VMHC值[8]。最后將此相關(guān)系數(shù)運用Fisher z變化的方式轉(zhuǎn)換為z值，所得結(jié)果被進(jìn)一步進(jìn)行組間分析。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 22.0軟件分析人口統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)和臨床資料，包括年齡、月經(jīng)周期、行經(jīng)天數(shù)、首次痛經(jīng)發(fā)病年齡、病程、VAS-A、VAS-P、COX1和COX2。行經(jīng)天數(shù)用最大值和最小值來描述，余均以均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示(符合正態(tài)分布)；兩組受試者的年齡、月經(jīng)周期及行經(jīng)天數(shù)采用兩獨立樣本t檢驗，P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

應(yīng)用DPABI 3.0工具包及SPSS 22.0統(tǒng)計軟件分析PDM組和健康對照組之間VMHC值的差異，檢驗方法為兩獨立樣本t檢驗，其中年齡作為協(xié)變量，多重比較校正采用高斯隨機(jī)場理論(Gaussian random field，GRF)(體素水平P＜0.001，組水平P＜0.05，雙側(cè))。提取兩組t檢驗具有顯著差異腦區(qū)的VMHC值，然后與PDM患者的臨床資料進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析(P＜0.05)。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計及臨床資料

最終入組受試者70例，包括PDM患者32例和健康對照組38例。兩組患者的年齡、月經(jīng)周期及行經(jīng)天數(shù)差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P＞0.05)，見表2。

2.2 原發(fā)性痛經(jīng)患者與健康對照組VMHC值的組間差異

PDM患者較健康對照組VMHC值顯著增加的腦區(qū)位于雙側(cè)膝下皮層和眶額區(qū)(峰值=5.5541，體素大小=42)，見圖1，而未發(fā)現(xiàn)VMHC值顯著降低的腦區(qū)。

2.3 兩組顯著差異腦區(qū)的VMHC值和PDM患者臨床參數(shù)的相關(guān)分析

PDM患者與健康對照組顯著差異腦區(qū)的VMHC值與PDM患者臨床參數(shù)未見明顯相關(guān)性，臨床資料包括痛經(jīng)發(fā)病年齡、病程、VAS-P、VAS-A、COX1及COX2。

3 討論

本研究基于rs-fMRI技術(shù)，首次應(yīng)用VMHC的分析方法，證實了PDM患者的雙側(cè)大腦半球間同倫功能連接出現(xiàn)異常。與健康對照組相比，PDM患者在雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū)的VMHC值顯著增加。

3.1 PDM患者雙側(cè)膝下皮層同倫功能連接同步性增強(qiáng)

膝下皮層位于顱底、眼球正后方，屬于Brodmann大腦皮層分區(qū)的25腦區(qū)，被認(rèn)為是腹內(nèi)側(cè)前額葉(ventromedial prefrontal cortex，vmPFC)的一部分。vmPFC主要與獎賞價值決策、負(fù)面情緒管理及社會認(rèn)知等多方面相關(guān)[14]。針對vmPFC損傷患者的研究，國外學(xué)者Damasio提出了“軀體標(biāo)記假說”，認(rèn)為情緒、情感的變化可以產(chǎn)生軀體狀態(tài)的改變，進(jìn)而通過軀體感覺皮層激活模式產(chǎn)生中樞表象，指導(dǎo)決策的實施，vmPFC損傷的患者不能被引導(dǎo)向著有利于個體的方向發(fā)展[15]。先前的腦功能和結(jié)構(gòu)研究表明了膝下前扣帶回與內(nèi)側(cè)前額葉皮層參與了多種慢性疼痛的疾病[16-17]。有學(xué)者分析了48例PDM患者和38例健康對照組的前扣帶回亞區(qū)功能連接變化，結(jié)果表明PDM患者膝下前扣帶回與內(nèi)側(cè)前額葉皮層的功能連接增強(qiáng)，提示PDM可能通過情感過程抑制疼痛調(diào)節(jié)[18]。本研究與上述研究相似，發(fā)現(xiàn)了PDM患者雙側(cè)膝下皮層同倫功能連接的增強(qiáng)，提示PDM患者可能需要同步增強(qiáng)雙側(cè)膝下皮層間的協(xié)調(diào)性以抑制痛經(jīng)的調(diào)節(jié)，這個疼痛處理調(diào)節(jié)過程可能有情緒、情感的參與介入。

3.2 PDM患者雙側(cè)眶額皮層同倫功能連接同步性增強(qiáng)

眶額皮層又稱Brodmann 11腦區(qū)，位于前額葉皮層腹側(cè)表面，是感覺整合、自我控制、情感表達(dá)的重要腦區(qū)[19]，同時也是參與獎賞、懲罰的關(guān)鍵腦區(qū)[20]。動物實驗研究證實眶額皮層與前額葉其他區(qū)域、邊緣系統(tǒng)、感覺區(qū)域及運動前區(qū)存在廣泛連接。與眶額皮層存在連接的感覺皮層包括嗅覺、味覺、軀體感覺、聽覺及視覺處理的皮層[21]。多項關(guān)于疼痛的研究均表明眶額皮層與疼痛的加工處理有關(guān)。一項針對青少年腸易激綜合征的實驗證實了眶額皮層參與了疼痛的調(diào)節(jié)，其區(qū)域的皮質(zhì)明顯增厚，并且與腹部疼痛的嚴(yán)重程度具有顯著相關(guān)性[22]。纖維肌痛患者的腦磁圖研究也發(fā)現(xiàn)了眶額皮層增強(qiáng)的高頻振蕩活動與疼痛評分相關(guān)[23]?？纛~皮層在適應(yīng)性地應(yīng)對PDM月經(jīng)周期的生理變化、調(diào)節(jié)情感狀態(tài)和疼痛至關(guān)重要。首先是結(jié)構(gòu)改變，PDM患者的眶額皮層皮質(zhì)增厚，且與痛經(jīng)持續(xù)時間呈顯著正相關(guān)[7]。其次是功能的異常，有學(xué)者觀察患者與健康人月經(jīng)期及卵泡期局部一致性(regional homogeneity，ReHo)的變化情況，結(jié)果表明在月經(jīng)期，PDM患者左側(cè)背外側(cè)前額葉和右側(cè)mPFC的ReHo減低，而非月經(jīng)期PDM患者眶額皮層的ReHo減低，而第一、二軀體感覺皮層ReHo活動增強(qiáng)[5]。上述區(qū)域神經(jīng)元的自發(fā)活動變化可能與痛覺過敏、異常疼痛，甚至疼痛缺失有關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)了雙側(cè)眶額區(qū)的同倫功能連接同步性增強(qiáng)，推測雙側(cè)眶額區(qū)相同來源的神經(jīng)元過度激活可能與疼痛反復(fù)或過度的刺激有關(guān)，更加證實了眶額區(qū)參與疼痛的調(diào)節(jié)過程。

3.3 vmPFC去抑制化可能參與PDM的產(chǎn)生

雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū)均屬于vmPFC的一部分。額葉是大腦發(fā)育的高級中樞，與認(rèn)知、執(zhí)行決策功能、情緒自我加工等有關(guān)。多項疼痛相關(guān)VMHC值的研究證實了雙側(cè)額葉同倫連接功能出現(xiàn)異常。帶狀皰疹后神經(jīng)痛病人相比健康人在雙側(cè)背外側(cè)前額葉VMHC值降低，說明此區(qū)域兩大腦半球間的連通性出現(xiàn)了損害，影響了對疼痛的評估及反應(yīng)決策[10]。在對月經(jīng)性偏頭痛VMHC的研究中，作者發(fā)現(xiàn)患者雙側(cè)額中回協(xié)調(diào)性增強(qiáng)，認(rèn)為偏頭痛患者通過激活額中回來抑制自身功能失調(diào)[9]。相比正常人，急性眼痛患者雙側(cè)內(nèi)側(cè)額葉VHMC值增高，說明可能導(dǎo)致認(rèn)知功能受損[11]。本研究中PDM患者雙側(cè)vmPFC (雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū))協(xié)調(diào)性增強(qiáng)，其去抑制化可能參與了痛經(jīng)的產(chǎn)生。一項PDM患者月經(jīng)期腦代謝的文章認(rèn)為丘腦-眶額-前額葉網(wǎng)絡(luò)的去抑制化可能通過維持脊髓和丘腦的敏化作用，同時增加負(fù)性效應(yīng)，從而參與PDM患者疼痛和痛覺過敏的產(chǎn)生[24]。很遺憾的是未發(fā)現(xiàn)PDM患者雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū)的VMHC值與疼痛程度及痛經(jīng)相關(guān)癥狀具有相關(guān)性，希望在以后的研究中進(jìn)一步探討。

3.4 研究的局限性

雖然本研究首次應(yīng)用了VMHC的計算方法研究PDM患者的功能連接變化，但仍然存在一些不足。首先是VMHC值異常區(qū)域僅出現(xiàn)在雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū)，其他腦區(qū)是否存在異常需要通過擴(kuò)大樣本量，重復(fù)研究進(jìn)一步證實；其次，本研究收集的數(shù)據(jù)來自在校學(xué)生，若將研究范圍擴(kuò)大到社會各種人群、不同年齡段，結(jié)果可能會不同，筆者會在后面的研究中關(guān)注此方面；最后，本研究對受試者的疼痛及焦慮評估需要根據(jù)自身感受選擇程度，受主觀因素影響較大，希望在以后的研究能夠有客觀的評估標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)了PDM患者與健康人比較，存在雙側(cè)膝下皮層/眶額區(qū)功能連接協(xié)調(diào)性的增強(qiáng)，上述區(qū)域的去抑制化可能參與了PDM患者疼痛的產(chǎn)生及調(diào)節(jié)，為其中樞機(jī)制的闡明提供了一定的理解及新的角度。

利益沖突：無。