静息态fMRI 在急性桥脑梗死研究中的应用*

管伶娜，刘良卿，许建兴

（江苏大学附属武进医院/徐州医科大学武进临床学院放射科，江苏 213002）

急性桥脑梗死是较常见的脑血管疾病[1],多数患者出现认知和运动功能障碍,病死率及致残率较高,预后较差。研究急性桥脑梗死的发生机制及其发生发展规律,有助于为临床治疗方案的制定提供依据。急性桥脑梗死后激活脑组织许多修复途径,最主要的是细胞组织修复和神经网络重构。静息态功能磁共振（resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）是一种无创安全、简便易行的神经影像学方法,为研究人脑功能连接及神经网络提供非常有价值的数据,而且还衍生出大量后处理分析方法,其中低频振幅（ampltitude of low-frequency fluctuation,ALFF）和度中心度（degree centrality,DC）应用较多,可用于观察大脑自发神经活动和功能连接程度[2]。ALFF 可反映脑神经元自发神经活动的强弱,广泛用于重度抑郁症、阿尔茨海默病等疾病以及早产儿研究[3-6]。DC 是基于体素水平体现节点属性的分析方法,刻画节点的中心程度,反映脑网络中信息流通的属性[7],已广泛用于研究患者脑网络属性的改变[8-9]。本文选择我院2018 年6 月—2019 年12 月确诊的急性桥脑梗死患者30 例,研究静息状态下患者DC和ALFF 的变化特点,探讨rs-fMRI 是否能为研究急性桥脑梗死后脑网络功能的改变提供新的思路,从而为临床康复治疗提供帮助。

1 资料与方法

1.1 一般资料 急性桥脑梗死患者30 例为急性桥脑梗死组,其中女性12 例,男性18 例,平均年龄64.3±8.9 岁,美国国立卫生研究院卒中量表（the nation institutes of health stroke scale,NIHSS）评分4.2±1.6 分。纳入标准:（1）首次桥脑单发急性病灶,发病7 天内经MR 及临床确诊;（2）NIHSS 评分≤14 分;（3）MR 检查无其他部位脑梗死灶、软化灶及脑实质病变;（4）自愿参加本研究。招募健康志愿者30 例为对照组,其中女性19 例,男性11 例,平均年龄63.1±9.3 岁。本研究通过医院伦理委员会审核批准。

1.2 方法 采用西门子Avanto 1.5 T 磁共振系统,8通道头颅线圈,扫描时被检查者配带耳塞,安静仰卧于扫描床上,清醒、闭眼、头部固定,不执行任何特定的认知任务,不做动作和思维活动。静息态fMRI 采用平面回波序列（EPI）,参数如下:FOV24 cm×24 cm,矩阵64×24,TR 2 000 ms,TE 40 ms,层厚6.0 mm,间距1.2 mm,翻转角90°,激励次数为1。共采集180个时间点,每个时间点获取18 层轴位图像,扫描时间为360 s。所有受试者均行头颅常规MRI 扫描以除外脑内其他疾病。

获得原始数据后在Matlab 平台上应用DPARSF软件将DICOM 格式转换为NIFTI 格式,去除功能成像前10 个时间点,再进行时间矫正、头动矫正以及空间对齐。应用3 mm×3 mm×3 mm 重采样,在蒙特利尔神经病学研究所（MNI）标准空间进行6 mm 高斯核平滑,对图像进行（0.01 Hz ＜f＜0.1 Hz）带通滤波,去线性漂移,选择头动平移≤3 mm、旋转≤3°的图像进入后续分析。

1.3 ALFF 值和DC 值计算 ALFF 值:利用DPARSF软件对0.01～0.10 Hz 信号的功率谱进行开方,完成ALFF 计算,然后进行费舍尔Z 值转换（Fisher Zscore）,得到Z 值化加权ALFF 值脑图。DC 值:利用DPARSF 软件计算任意体素间的功能连接,阈值r=0.4,计算每个体素相关性权重的DC 值,再除以全脑DC 平均值得到标准化DC 值,然后进行费舍尔Z 值转换,得到Z 值化加权DC 值脑图。

1.4 统计学处理 应用REST 软件包,采用两独立样本t 检验对两组标准化后的ALFF 值脑图及DC值脑图进行差异性比较,并对检验结果进行Alphaism矫正,阈值设置为P＜0.05,体素体积≥228 mm3,最后将结果图叠加到MRIcron 看图软件的标准脑结构模板2（Colin Holmes2,Ch2 模板）上进行查看。

2 结果

2.1 两组脑区ALFF 值比较 急性桥脑梗死组左前额叶、左小脑后叶和右小脑后叶ALFF 值低于对照组相应区域,差异均具有统计学意义（P＜0.05）。见表1。

表1 急性桥脑梗死组较对照组ALFF 值变化的脑区

2.2 两组脑区DC 值比较 急性桥脑梗死组左小脑后叶DC 值低于对照组,右前额叶及右顶叶DC 值高于对照组,差异均有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

表2 急性桥脑梗死组较对照组DC 值变化的脑区

2.3 两组ALFF 样本差异效果图 将两组ALFF 样本t 检验结果图叠加在Ch2 模板上,可见蓝色区域为左侧前额叶、左侧小脑后叶及右侧小脑后叶,表明急性桥脑梗死患者这些脑区的脑神经自发活动低于对照组。见图1。

图1 急性桥脑梗死组较对照组ALFF 值变化的脑区

2.4 两组DC 样本差异效果图 将两组DC 样本t检验结果图叠加在Ch2 模板上,可见红色区域为右前额叶及右顶叶,表明急性桥脑梗死组患者这些脑区代谢功能活跃,脑网络连接强度及完整性增加,见图2;蓝色为左小脑后叶,表明急性桥脑梗死患者该脑区脑网络连接速度及完整性有所下降,信息利用率降低,见图2。

3 讨论

桥脑是上行网状激活系统[10],内含有大量交错的神经纤维,位于脊髓和间脑之间,是传递大脑皮层信息的中转站,因此桥脑梗死灶虽然距离大脑功能皮层区较远,但患者仍可出现昏迷、偏瘫、语言障碍甚至瘫痪等大脑皮层功能受损的多样化临床表现[11-13]。

本研究结果显示,与对照组比较,急性桥脑梗死组双侧小脑后叶ALFF 值及左侧小脑后叶DC 值减低,表明小脑后叶参与大脑认知功能活动,与有关报道指出的小脑后叶Crus1 和Crus2 分别与默认网络（defauct mode network,DMN）和额顶网络（frontoparietal network,FPN）存在交互关系相一致[14]。这可能是由于急性桥脑梗死后双侧小脑后叶神经元活动程度降低,合并左侧小脑后叶节点属性改变,引起网络功能紊乱,从而导致患者认知功能障碍。

前额叶属于脑默认网络,在脑网络中占有重要地位,对大脑认知活动和认知能力具有重大影响[15-17]。本研究发现,急性桥脑梗死组患者左侧前额叶ALFF值减低,提示该脑区神经元活动减弱,导致DMN 功能改变,大脑觉醒阈值升高,这可能是患者出现肢体乏力和反应迟钝等临床表现的主要原因。而急性桥脑梗死组右侧前额叶DC 值增高,提示该脑区自身连接功能增强,可能是为了代偿神经元活动减低,在短期内维持大脑部分功能,如大脑的觉醒状态和反应速度。

本研究显示,急性桥脑梗死组右侧顶叶DC 值也增高,这可能是机体为了防止患者进入昏迷状态,增强右侧顶叶的中心地位,使其功能连接增多,代偿性增加信息流通。表明脑梗死后不仅损伤部分的脑神经元活动能力发生改变,同时也影响脑网络之间的功能连接。

本研究发现急性桥脑梗死后左侧前额叶及双侧小脑后叶Crus1 的ALFF 值降低,提示梗死后该脑区神经元活动减弱,引起大脑DMN 相关脑区脑网络协调性改变,可能是梗死直接损伤脑组织导致神经冲动传导至远隔区域减少;右侧小脑后叶Crus2 的ALFF 值降低,提示梗死后部分神经冲动未能传导至右侧小脑Crus2,影响了大脑FPN 网络。急性桥脑梗死后左小脑后叶DC 值降低,右前额叶及右顶叶DC值升高,提示左侧小脑后叶的节点属性发生改变,中心程度降低,连接功能减弱,而右侧前额叶及右侧顶叶为了代偿受损脑区与认知相关的FPN 和DMN 功能,提高了自身在功能连接中的中心地位,与有关报道符合[18]。

综上所述,本研究应用神经影像学新技术rsfMRI,选择ALFF 和DC 处理方法对急性桥脑梗死患者进行网络节点和神经元活动度研究,显示急性桥脑梗死患者在静息状态下大脑功能活动发生改变,DC 和ALFF 分析方法是研究脑功能和脑网络属性改变的新途径。