脑静息态功能磁共振局部一致性分析在老年人脑白质病变相关性跌倒中的初步研究

李正然，沈慧聪，林梅影，詹亚峰，张玮艺，张宁，王春雪，马军

1. 首都医科大学附属北京天坛医院放射科，北京 100050

2. 内蒙古国际蒙医医院影像中心，呼和浩特 010020

3. 中国科学院自动化研究所脑网络组中心，北京 100190

4. 首都医科大学附属北京天坛医院神经精神与临床心理科，北京 100050

5. 国家神经系统疾病临床医学研究中心，北京 100050

跌倒是老年人常见的伤害之一，65岁以上老年人每年跌倒发生率约30%[1-2]。老年人跌倒常会导致外伤，严重者甚至危及生命，给家庭和社会带来巨大负担。老年人跌倒的危险因素很多，例如认知功能障碍、平衡步态异常、视觉障碍、慢性疾病、体位性低血压等[3-4]。有研究发现年龄相关性脑白质病变与跌倒的发生具有显著的相关性[5-6]。目前跌倒相关的临床研究很多，但跌倒风险患者脑功能改变的相关研究还未深入进行，临床-影像的相关性研究较少。静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是指被试者在清醒、闭眼、放松、平静呼吸、静止不动并且避免任何有系统性思维活动的状态下进行功能磁共振扫描[7]，无需任务设计，操作简便。本研究通过rs-fMRI探究老年人脑白质病变(white matter lesions, WMLs)相关性跌倒患者的脑局部一致性改变以及与认知功能改变的相关性，以期能为跌倒风险提供早期预警。

1 材料与方法

1.1 研究对象

研究对象来自2015年6月至2016年1月首都医科大学附属北京天坛医院门诊及住院患者。根据Tinetti平衡和步态量表分为两组[8]：跌倒风险组(Tinetti＜25，11例)，其中男性4例，女性7例，平均(70.7±8.5)岁；对照组(Tinetti≥25，29例)，其中男性11例，女性18例，平均(71.6±5.2)岁。入组标准：60岁以上的WMLs患者，无明显认知及运动功能障碍，无脑肿瘤、脑卒中、感染、免疫代谢病等中枢神经系统病变，无前庭功能及严重视力异常，无癫痫或特殊药物服用史，无MRI检查禁忌。向受试者说明本研究目的及相关内容，并签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 量表评定

选用Tinetti平衡及步态量表对患者的平衡及步态功能进行评定并作为分组依据[9]，选用简易智力状态检查(mini mental state exam，MMSE)及蒙特利尔认知评估(Montreal cognitive assessment，MoCA)量表对患者的认知功能进行评定[10-11]。以上量表均广泛应用于临床及科研，信度及效度良好。

1.2.2 MRI检查

所有患者均采用Siemens Trio Tim 3.0 T超导磁共振扫描仪，使用头部8通道相控阵头线圈。受试者仰卧于扫描床，嘱患者在扫描过程中保持闭目静止不动、放松且清醒的状态，尽量避免任何系统性思考，用棉球堵塞外耳道减小噪音影响。采用梯度回波-平面回波序列，TE 30 ms，TR 2000 ms， FOV 240 mm×240 mm，矩阵64×64，反转角75º，层数32，层间距0，层厚5 mm。

1.2.3 MRI数据处理

采用SPM8软件，首先将原始静息态数据格式DICOM转化为NIFTI格式，去除每名受试者数据的前10个时间点，并进行时间校正及头动校正，去除头动位移＞2.5 mm，旋转＞2.5°的患者，空间标准化采用DARTEL算法，进行去线性漂移。对每个体素的时间序列进行带通滤波(带宽0.01～0.08 Hz)后计算局部一致性(regional homogeneity，ReHo)值，并以半高全宽4 mm高斯核滤波器对功能图像进行空间平滑。

1.3 统计分析

两组患者的年龄、受教育时间、MMSE及MoCA量表评分采用SPSS 21.0统计软件进行双样本t检验，性别组成采用卡方检验，P＜0.05认为存在统计学差异。采用SPM8软件对两组受试者的ReHo值进行双样本t检验。以年龄、性别为回归协变量，获得两组平均ReHo值存在显著差异的脑区。采用AlphaSim多重比较法(P＜0.001，cluster size＞350 mm3)对ReHo统计图t检验结果进行校正。提取存在ReHo值显著差异脑区的时间序列信号与MMSE及MoCA量表做Pearson相关性分析。

2 结果

对照组与跌倒风险组年龄(t=0.375，P=0.709)、性别(χ2=0.008，P=0.972)以及受教育时间(t=2.016，P=0.051)均无显著差异。跌倒风险组患者的MMSE (t=4.041，P＜0.01)及MoCA (t=3.881，P＜0.01)评分均低于对照组。

跌倒风险组的左额上回、右额中回、右额下回的平均ReHo值低于对照组(图1，表1)。右额中回、右额下回的ReHo值与MMSE及MOCA量表呈正相关，左额上回的ReHo值与MMSE量表呈正相关(表2)。跌倒风险组的右侧补充运动区、左侧初级运动皮层、左背侧后扣带皮层、左梭状回、左侧小脑3区、4区、5区、6区，右侧小脑10区平均ReHo值增加(图1，表3)。所有被试ReHo值增加区域的平均 ReHo值与MMSE及MOCA量表呈负相关(表4)。

表1 跌倒风险组平均ReHo值减低的脑区分布Tab. 1 Compared with the control group, the fall risk group shows decreased mean ReHo value in these brain regions

3 讨论

目前我国已进入老龄化阶段，老年人口比率快速升高，老年人跌倒已成为重要的公共卫生问题[12]。因此，选择一种无创、可行性高的辅助检查手段尤为重要。ReHo通过分析同一时间序列中相邻体素之间BOLD信号波动的相似性，反映全脑的自发性活动特点，反映局部神经元活动的一致性，ReHo异常可能提示局部神经元同步性活动异常或协调机制异常[13]。

3.1 脑白质病变相关性跌倒患者的脑局部一致性改变

图1 与跌倒风险组相比，对照组平均ReHo值异常的脑区；红色为正激活，蓝色为负激活Fig. 1 Compared with the fall risk group, the control group shows changed ReHo value in these brain regions. Red represents positive activation, blue represents negative activation.

本研究采用ReHo对伴跌倒风险WHLs患者的脑静息态功能进行分析，探测到了多个脑区的异常活动，提示跌倒风险患者存在脑局部一致性改变。跌倒风险组的左额上回，右额中回，右额下回的平均ReHo值低于对照组，说明其神经元活动的同步性降低。这些脑区可能存在功能异常，有可能是神经元之间的相互活动联系发生紊乱[13]。跌倒风险组的右侧补充运动区、左侧初级运动皮层、左背侧后扣带皮层、左梭状回、左侧小脑3区、4、5区、6区，右侧小脑10区平均ReHo值增加，提示局部神经元自发性活动的同步性增加。研究认为激活增强的脑区是对激活降低脑区进行功能补偿[14]。Wu等[15]在研究年龄对运动相关性脑区局部一致性影响的研究中发现老年人的初级运动皮层、运动前区、辅助运动区、扣带皮层运动区、小脑等广泛的运动区局部一致性显著减低，表明在脑老化过程中会破坏静息状态下的运动皮层，导致老年人运动能力下降，跌倒风险增加，与本研究结果具有部分一致性。

表2 跌倒风险组及对照组ReHo减低脑区的平均ReHo值与MMSE、MOCA量表的相关性Tab .2 The correlation between decreased mean ReHo value and MMSE、MoCA scores in the fall risk group and contrast group

表3 跌倒风险组平均ReHo值增加的脑区分布Tab. 3 Compared with the control group, the fall risk group shows increased mean ReHo value in these brain regions

表4 跌倒风险组及对照组ReHo增加脑区的平均ReHo值与MMSE、MOCA量表的相关性Tab. 4 The correlation between increased mean ReHo value and MMSE、MoCA scores in the fall risk group and contrast group

3.2 脑白质病变相关性跌倒患者脑局部一致性改变与认知功能的相关性

WHLs与跌倒发生具有显著的相关性，WHLs的范围越大，跌倒风险增加[5-6]。跌倒的相关危险因素很多，包括年龄、认知功能障碍、平衡及步态异常、视觉功能障碍、心理、环境、药物等，其中，认知功能减退与跌倒具有显著的相关性[16-17]。认知功能障碍引起执行功能减低，执行功能在跌倒风险的认知及姿势控制中起着重要作用[18]。沈慧聪等[19]研究发现，跌倒风险患者的脑白质结构改变与认知功能改变存在相关性。我们之前的研究也表明跌倒风险患者存在脑网络内及网络间的功能连接改变，并与认知功能改变存在相关性[20]。本研究发现，与认知功能相关的MMSE、MoCA量表评分跌倒风险组患者均低于对照组，表明跌倒风险患者的认知功能减低，跌倒风险组及对照组的左额上回，右额中回，右额下回的ReHo值与MMSE及MOCA量表存在一定的相关性，表明跌倒风险患者存在神经元活动同步性降低的脑区，这些脑区ReHo值改变与其认知功能减低有关 。这三个脑区均属于背外侧前额叶皮层，主要参与执行功能，如工作记忆、认知的灵活性、制定计划、抽象推理等[21]。研究发现，所有复杂的认知活动都需要背外侧前额叶皮层和皮层下连接的参与，另外该区域还参与了运动的规划和管理[22-23]。额叶皮质下环路损害是导致WHLs患者整体认知、行为学和神经心理学特征改变的重要影响因素，与跌倒具有相关性[5]，与本研究结果一致。此外，本研究显示跌倒风险组存在多个ReHo值增加的脑区，其平均ReHo值与MMSE及MOCA量表呈负相关，跌倒风险组ReHo值增加区域表明局部神经元自发性活动的同步性增加，是对激活降低脑区进行功能补偿，表明这种功能补偿也与认知功能改变相关。

3.3 结论

综上所述，本研究发现伴有跌倒风险的WHLs患者存在多个脑区的局部一致性异常改变，表明跌倒风险患者脑组织存在局部神经元同步性活动异常或协调机制异常，并且存在多个脑区的代偿性改变。另外，跌倒风险患者的认知功能普遍减低，脑组织局部一致性的改变与认知功能下降具有相关性。老年人跌倒的发生率高、后果严重，本研究利用功能磁共振技术初步探讨老年人WHLs相关性跌倒的脑功能改变，有助于早期识别、评估跌倒风险患者，减少不必要的跌倒发生，对提高老年患者的生存质量具有重要意义。

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