宋赣军, 徐高强, 刘军委, 周知微, 吴 琼

(遵义医科大学附属医院 1.放射科;2.神经内科;3.护理学院,贵州 遵义 563099)

缺血性脑卒中(cerebral ischemic stroke,CIS)是一种急性发作的脑部血液循环障碍疾病,具有发病率高、死亡率高、易致残等特点,降低了患者的生活质量,增加了社会负担[1]。卒中后大脑会通过多种不同机制以及脑组织移位,使局部功能缺陷延伸到远程连接的大脑区域[2]。静息态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)是一项非侵入性、无创的技术[3],通过分析不同大脑区域间信号的相关性来推断它们之间的功能连接(functional connectivity,FC)。这种方法在CIS研究中具有重要价值,已广泛应用于CIS后神经血管损伤及感觉运动康复机制研究中[4-5]。先前的FC研究表明,CIS患者感觉运动皮层 (sensory-motor cortex,SMC) 参与CIS后的功能康复[6]。还有研究发现,CIS患者初级运动皮层、辅助运动区、额上回和顶下小叶等脑区的FC与正常对照组不同[7-9]。然而,这类研究主要采用手动选择种子点的方法来进行FC分析,无法在全脑体素水平充分揭示功能连接的特征[10]。功能连接强度(functional connectivity strength,FCS)则采用基于图论的分析方法,它的测量过程不需要先验定义的种子[11],可以探索节点加权中心性并反映其在全脑网络内的功能连接[12],能全面地评估大脑内在功能连接特性。本研究旨在利用FCS分析方法探讨CIS偏瘫患者脑网络水平的变化,通过基于体素的全脑分析,深入研究静息状态下CIS患者大脑功能连接强度的异常。

1 资料与方法

1.1 对象 本研究选取2021年6月至2022年12月遵义医科大学附属医院神经内科、脑血管科住院治疗的30例CIS偏瘫患者,符合颅脑CT或MRI的诊断标准。所有患者都是初次发病且基本稳定,无意识障碍,MR扫描前进行神经功能缺损 (national Institute of health stroke scale, NIHSS)评分和Fugl-Meyer运动功能评分 (Fugl-Meyer assessment, FMA)。所有入组患者都符合以下标准：(1)部分前循环梗死,病灶以右侧基底节和放射冠为主;(2)左侧肢体偏瘫;(3)右利手;(4)未见其他神经系统疾病或各类精神疾病。同时,在社区和大学招募30名健康志愿者组成健康对照组,两组在年龄、性别和受教育程度方面相匹配。本研究已获得医院伦理委员会的批准(编号：KLL-2021-047),所有参与者均被告知相应的权利和责任,并签署了研究知情同意书。

1.2 数据采集 使用美国GE公司 3.0T磁共振扫描仪(Signa HDxt)采集脑功能影像数据。采用原厂配备的8通道相控阵头颈联合线圈,仰卧位,头先进。患者和志愿者在采集图像的过程中要求保持闭眼状态,不进行特定的任务或系统思维活动。头部使用泡沫固定,同时配戴耳塞以降低MRI噪音对实验的影响。(1)静息态功能磁共振数据采集：使用单次激发平面回波成像(SE-EPI)技术进行采集,重复时间(TR)=2 s,回波时间(TE)=30 ms,视野(FOV)=24 cm×24 cm,扫描矩阵=64×64,扫描层数=33层,每层厚度=4 mm,层间距=0 mm,翻转角度=90°,采集时间点=210。 (2)3DT1WI结构像： 视野(FOV)= 25.6 cm×25.6 cm,扫描矩阵=320×320;重复时间/回波时间7.8/3.0 ms,翻转时间(TI)=450 ms,翻转角(FA)=15°,层厚=1 mm,层间隔=0,横断面扫描,共获得146幅图像。

1.3 创建病变掩模 纳入研究的CIS患者大脑存在基底节区和放射冠区病变,功能磁共振数据空间标准化预处理时,由于梗死病灶区的信号异常,进行配准计算时与标准脑模板不匹配,标准化过程中可能会引起图像的扭曲和变形,影响图像的空间一致性,导致功能激活区的定位错误,从而影响对脑区功能的解释。为了消除病变部位的影响,使用代价函数掩模法来掩盖配准过程中的病变[13-14],准确地将单个病变大脑标准化为通用模板,而不受病变的潜在影响。使用MRIcron在个体3D T1WI图像上手动追踪病变轮廓,从而为每位CIS患者创建病变掩模,将每位患者的病变掩模在空间上标准化为标准大脑模板,将所有患者病变掩模的叠加用于后续的数据配准及统计分析中。

1.4 数据预处理 采用基于Matlab平台(https：//ww2.mathworks.cn/)的统计参数图软件SPM12 (https：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/) 和脑成像数据处理和分析工具箱(http：//www.rfmri.org/dpabi)DPABI V7.0对采集的图像数据进行预处理,主要分析步骤包含：(1)DICOM格式图像数据转换NIFTI格式并去除前面10个时间点;(2)扫描时间层校正;(3)头部运动校正;(4)配准至标准化空间,采用病变掩模将数据配准至 MNI 标准空间并采样至3 mm体素大小;(5)回归协变量,消除与感兴趣信号无关的变化或噪声;(6)带通滤波,突显频率范围为 0.01～0.08 Hz的脑活动信号。

1.5 功能连接强度(FCS)分析 为每个受试者构建一个全脑功能连接矩阵,该矩阵通过计算任意2个体素对之间fMRI信号时空相关性得到。获得每位受试者的功能连接矩阵后,为了改善数据分布的正态性,对计算得到的相关系数进行z-score标准化处理。对于数据图像中每个体素的FCS值,是通过计算其与全脑其他灰质体素的连接总和来生成,同时将有效连接的相系数阈值设定为r=0.2,以消除噪声信号导致的弱相关性[15]。最后,使用8 mm高斯平滑核对分析得到的所有FCS图像数据进行空间平滑处理。

1.6 统计学分析 受试者一般资料采用SPSS 29.0软件进行统计分析,年龄和受教育程度采用两独立样本t检验,性别差异采用卡方检验。两组标准化后的FCS值差异在DPABI软件进行分析,采用两独立样本t检验,将年龄、性别以及受教育程度作为协变量纳入分析。采用AlphaSim校正方法进行多重比较校正,团块水平P<0.05。将两组FCS有统计学差异的脑区作为感兴趣区(ROI),提取CIS患者组中ROI内所有体素的平均FCS值与NIHSS和FMA进行Spearman相关分析。

2 结果

2.1 人口统计学及临床相关信息 CIS组与健康组性别、年龄、受教育程度差异均无统计学意义(P>0.05,表1)。

表1 CIS组及健康组人口统计学数据及临床信息

2.2 CIS患者与健康组FCS组间差异 如图1和表2所示,与健康组相比,卒中偏瘫患者右中央前回、双侧中央后回、右缘上回、双侧辅助运动区、双侧额上回、右中央沟盖FCS值降低(alphasim校正,团块水平P<0.05)。

表2 卒中偏瘫患者与健康组之间FCS具有显著差异的脑区

CIS偏瘫患者FCS差异的脑区(AlphaSim校正, P<0.05),蓝色条带表示CIS偏瘫患者FCS值统计学差异。图1 CIS患者与健康组FCS组间比较

2.3 两组FCS差异脑区与临床变量NIHSS、Fugl-Meyer相关性 两组组间比较后CIS患者具有显著差异脑区FCS与NIHSS、Fugl-Meyer评分之间的相关性(P<0.05,表3)。CIS患者右中央前回FCS与NIHSS评分呈负相关(图2),与Fugl-Meyer评分呈正相关(图3);右内侧额上回和右缘上回FCS与NIHSS评分呈负相关(图4～5),其余脑区FCS与NIHSS和Fugl-Meyer评分相关性无统计学意义。

图2 中央前回FCS与NIHSS评分相关性

图3 中央前回FCS与Fugl-Meyer评分相关

图4 右内侧额上回FCS与NIHSS评分相关性

图5 右缘上回FCS与NIHSS评分相关性

表3 FCS差异脑区与临床变量NIHSS、Fugl-Meyer相关性

3 讨论

人类大脑高度整合,各脑区之间紧密相连,在实现认知、感知、运动等多方面功能的过程中,几乎所有的脑区都参与到相互协同合作的活动中。静息态功能连接主要侧重于探究不同脑区之间低频血氧水平依赖信号的时间同步程度,以反映脑区功能整合的程度[5]。常见的静息状态时间序列相关分析方法基于特定感兴趣区(即种子点),通过对BOLD信号进行相关分析来确定与种子点功能相关的其他大脑区域[16]。此外,聚类分析方法也常用来评估不同种子区域之间的功能连接水平[17]。大脑是高端复杂的网络系统,基于种子点的分析方法往往会将大脑简化为相互关联的节点,忽略了脑网络内部的复杂结构,可能导致对整体网络的理解不足。同时也受到先验模板的制约,因此结果可能具有一定程度的偏倚。FCS是一种较新的数据处理方法,用于评估每个体素与大脑中所有其他体素的连接性,从而全面了解大脑的内在功能连通性[18-19]。

本研究使用FCS方法探讨了CIS 患者运动功能损伤的神经基础,发现 CIS 患者多个与感觉和运动功能相关脑区的FCS改变,CIS患者右中央前回、双侧中央后回、右缘上回、右背外侧额上回、右中央沟盖、双侧内侧额上回、双侧辅助运动区FCS值显著低于健康对照组。此外,CIS患者FCS值还与神经功能评分相关。中央前回负责控制运动、整合感觉信息以及与其他大脑区域进行信息传递,使大脑能够进行复杂的行为和认知活动。有研究者[20]对卒中后感觉运动皮层的跨模态功能连接进行研究,发现感觉运动皮层和其他非运动区域是卒中后大脑重组过程中的重要节点。还有一些研究者采用功能连接方法探索CIS患者认知功能障碍,这些研究中发现双侧中央前回、右侧中央后回、右侧额上回、缘上回等脑区功能连接异常[15]。在CIS患者语言障碍的研究中,发现卒中后整个大脑半球表现出不对称的FC变化[21]。还有研究 一致报道单侧皮质下卒中后同侧中央前回和对侧感觉运动皮质、辅助运动区之间的连接性降低,与顶叶和额叶的连通性也降低[9,22]。辅助运动区参与运动执行网络内的功能重组,在运动控制的复杂性和协调性方面起到了关键作用[23]。右中央沟盖包括了感觉皮质和运动皮质的部分区域,主要对感觉和运动之间的互动进行协调,还与卒中后语言障碍[24-25]、卒中后抑郁症涉及谱系症状(如冷漠、抑郁、焦虑和压力等)相关[26]。本研究结果与先前的研究具有一致性,不仅揭示了同侧和对侧感觉运动皮质功能连接的异常,还有更广泛的双侧辅助运动区、额上回和缘上回也发生功能连接的改变,这进一步表明由同侧病变引起的双侧半球之间相互作用的破坏。这些研究发现卒中后远离病变的脑区大脑神经活动和功能连接异常,从一个新的角度为卒中偏瘫后脑功能重塑机制提供更多的信息,为卒中偏瘫患者的康复治疗选择、预后评估提供新的思路。

中央前回负责运动补充功能,并在执行和协调功能中发挥关键作用[27]。有研究报道,中风患者中央前回体素镜像同伦连接与NIHSS评分负相关[28]。本研究中也发现,CIS患者右侧中央前回的FCS与NIHSS评分呈负相关,与Fugl-Meyer评分呈正相关。另外,右侧缘上回和右侧内额上回的FCS值与NIHSS评分皆呈负相关。额上回是控制决策和行为的重要区域,这个脑区对规划和执行行动具有控制作用,而且它也是集中注意力和决策的主要区域,在多种认知任务中都扮演了重要的角色[29]。缘上回在感知整合、空间感知、运动控制和注意力分配等方面起着重要作用,为精确的运动和认知任务提供必要支持。有研究表明卒中患者缘上回功能的下降可能与本体感觉的下降有关[30],推测本体感觉功能损伤可能是由于基底节损伤导致缘上回功能连通性下降所致。此外,缘上回是顶下小叶的一部分,顶下小叶是大脑中与动作规划、模拟和想象紧密相关的区域之一,在运动功能恢复和康复过程中都起到了重要的作用,缘上回功能连接异常可能预示着CIS患者存储和调用运动信息的能力受损[31]。

本研究有一些值得注意的局限性。首先,虽然筛查了基底神经节和放射冠病变的患者,尽可能去除病变脑区对结果的影响,但卒中的同质性依旧是一个挑战。其次,样本量较小,还需要更大样本量的进一步研究来验证目前的研究结果。第三,大脑感觉运动和认知功能可以采用多种功能磁共振参数来间接评估,各种方法之间的内在关联以及重复性需要进一步研究。

综上所述,本研究采用FCS方法探讨CIS偏瘫患者的感觉运动功能连通性改变,发现中央前回、中央后回、辅助运动区、顶叶等脑区的FCS出现异常,这些脑区正是感觉运动网络的重要组成部分。研究结果为CIS偏瘫患者的感觉运动障碍提供了初步证据,FCS指标可作为评估CIS偏瘫患者感觉运动障碍的神经影像标志物,为CIS偏瘫后脑功能重塑机制提供新的见解,为CIS偏瘫患者的康复治疗选择、预后评估提供新的思路。