引用本文: 楊天華, 鄢波, 羅程, 任潔釧, 龔啟勇, 堯德中, 周東. 結節性硬化癲癇感知網絡改變的靜息態功能磁共振研究. 華西醫學, 2014, 29(8): 1402-1406. doi: 10.7507/1002-0179.20140431 復制
結節性硬化是遺傳性疾病,約60%患者發生癲癇,且伴發一系列神經心理問題如智力障礙、認知缺損、自閉癥和多動癥等[1, 2]。結節性硬化癲癇伴發神經精神功能障礙的病理生理機制不明,因此研究導致神經認知功能障礙的病理生理機制具有重要意義。
功能磁共振(fMRI)功能連接分析已經廣泛應用于靜息態腦網絡的研究以及與不同認知障礙相關的網絡改變[3]。感知網絡包括感覺運動網絡(SMN)、視覺網絡(VN)和聽覺網絡(AN),這些功能網絡在正常健康人群普遍存在[4]。結節性硬化患者執行神經心理注意任務功能明顯減低。定量MRI研究發現結節性硬化患者大腦皮質容量降低[5, 6],皮質下灰質區域及雙側大腦半球連接通道白質減少[7]。另一磁共振彌散張量成像(DTI)研究發現,結節性硬化患者視覺及社會認知系統被不同程度累及[8]。目前的資料提示,結節性硬化具有異常的神經功能網絡[9],靜息態功能網絡可能被選擇性累及。目前為止,尚未有結節性硬化癲癇感知網絡研究的報道。
為了研究這個問題,我們利用靜息態fMRI研究結節性硬化癲癇患者感知功能網絡的改變,包括SMN、VN和AN,以期探究結節性硬化癲癇患者認知功能障礙等一系列神經心理問題的病理生理機制。
1 資料與方法
1.1 一般資料
納入2010年6月-2012年6月在四川大學華西醫院神經內科癲癇中心診治的結節性硬化癲癇患者9例,其中男2例,女7例;年齡5~20歲,平均13.67歲。所有患者均接受臨床評估和磁共振檢查,試驗前均停服抗癲癇藥物8 h。納入標準:① 符合1999年國際結節性硬化學會制訂的診斷標準[10];② 行頭部影像學檢查排除非鈣化病灶者;③ 磁共振掃描時無頭部或肢體活動的癇性發作。
另納入9例健康者作為對照組(與患者年齡和性別匹配)進行相應檢查。患者及對照均簽署知情同意書,本研究獲四川大學倫理委員會批準。
1.2 fMRI數據采集
使用GE EXCITE 3 T MRI掃描儀(美國通用公司)進行血氧水平依賴(BOLD)敏感回波平面圖像采集。圖像采集之前在被試頭部放置泡沫襯墊,用以保護被試的頭部安全、最小化頭動并且可以增加被試的舒適程度。同時要求被試用棉球塞住耳朵,并在采集過程中保持閉目靜息狀態。梯度回波平面采集序列參數如下:重復時間(TR) 2 000 ms,回波時間(TE) 30 ms,視野24 cm×24 cm,翻轉角90°,圖像矩陣64×64,層厚5 mm,全腦無間隔掃描30層,200個時間點,平面分辨率2 mm×2 mm。3D高分辨T1結構像采集參數:TR 8.5 ms,TE 3.4 ms,視野24 cm×24 cm,翻轉角12°,圖像矩陣512×512,層厚1 mm,全腦無間隔掃描156層。BOLD fMRI數據在6 min 40 s的時間內連續采集。
1.3 數據處理與統計學方法
1.3.1 數據處理及感興趣區選擇
使用SPM 8軟件包對fMRI數據進行預處理分析,預處理過程主要包括以下幾個方面:時間校正,3D頭動檢測和校正,使用SPM 8提供的模板將圖像標準化到MNI模板,使用高斯半高寬為8 mm的高斯核對圖像進行空間平滑處理。之后采用以下步驟去除每個體素時間序列中可能存在的干擾。① 利用對相位不敏感的濾波器對每個像素點信號進行時域帶通濾波,帶通頻段為0.01~0.10 Hz;② 通過線性回歸的方法消除采集過程中存在的頭動干擾以及腦脊液和白質信號的影響。使用GIFT軟件(http://icatb.sourceforge.net/,version 2.0a)[
1.3.2 靜息態功能網絡的數據統計分析
從所有受試者數據提取出對應視覺、聽覺及軀體感覺的獨立成分,進而用SPM 8作雙樣本t檢驗,定量比較這兩組數據的網絡。用雙樣本t檢驗對兩組網絡進行統計檢驗,取閾值為P<0.05(FDR校正),并去除聚類少于8個體素的區域,得出兩組網絡的統計差異。
1.3.3 Z值和發病年齡及病程的相關性分析
為研究病程、發病年齡等臨床特征與靜息態功能網絡改變之間的潛在關系,我們對在對比中存在顯著變化的功能網絡和一些臨床特征進行了析因Pearson相關性分析。對于Z值,根據雙樣本t檢驗的結果,我們分別在右側丘腦、右側額下回、左側顳葉和第一視覺區確定出患者組和對照組統計差異最大的體素坐標,并以這些坐標為中心選取含有27個體素的感興趣區,對每個被試計算出感興趣區內27個體素中Z值的均值,最后就Z值和癲癇病程、癲癇發病年齡之間分別進行Pearson相關性分析。
2 結果
2.1 感知網絡功能連接
2.1.1 VN網絡功能連接
兩組功能網絡正負相關連接的模式肉眼觀察相似,見圖 1a、1b。與對照組相比,結節性硬化癲癇患者VN網絡第一視覺區功能連接減低,無功能連接增強區域(P<0.05),見圖 1c。

2.1.2 AN網絡功能連接
盡管兩組功能網絡模式相近(圖 2a、2b),仍存在明顯差別區域(圖 2c、2d),組間比較發現AN網絡差異。與對照組比較,結節性硬化癲癇患者左側顳中回和顳下回功能連接增強,而右側額下回功能連接減低(P<0.05)。

2.1.3 SMN網絡功能連接
SMN網絡和組間差異如圖 3。與對照組比較,結節性硬化癲癇患者右側額下回功能連接減低,而右側丘腦功能連接增強(P<0.05)。

2.2 感興趣區Z值和癲癇病程和發病年齡相關性
選取3個網絡中變化最明顯的5個感興趣區域,包括3個功能網絡中2個功能連接增強區域(SMN右丘腦和AN左顳葉)及3個功能連接減低的區域(VN第一視覺區、AN右額葉、SMN右額葉),與感興趣區的Z值進行Pearson相關分析。結果顯示VN第一視覺區Z值與癲癇病程(r=0.45,P=0.22)及發病年齡(r=0.14,P=0.71)無相關性;AN右額葉Z值與癲癇病程(r=0.03,P=0.94)及發病年齡(r=0.21,P=0.58)無相關性;AN左顳葉Z值與癲癇病程(r=0.26,P=0.49)及發病年齡(r=0.01,P=0.98)無相關性;SMN右額葉Z值與癲癇病程(r=0.15,P=0.70)及發病年齡(r=0.32,P=0.40)無相關性;SMN右丘腦Z值與癲癇病程(r=0.39,P=0.30)及發病年齡(r=0.10,P=0.80)無相關性。
3 討論
研究大腦靜息態功能網絡可以揭示疾病狀態時腦功能連接的輕微改變[16]。在全面性癲癇和部分性癲癇研究發現功能網絡改變,且改變與神經活動表現相關[17, 18]。通過靜息態fMRI研究發現異常的感知功能網絡存在于顳葉癲癇[15]。我們的研究發現結節性硬化癲癇患者VN網絡第一視覺區功能連接減低,沒有功能連接增強區域;與此一致,一項DTI研究發現與視覺信息明顯相關的胼胝體膝部和視輻射區域DTI參數異常[8]。這些結果表明結節性硬化癲癇患者VN功能網絡存在結構和功能異常。而這些異常可能源于TSC2-Rheb-mTOR信號通路和ephrin-Eph受體系統功能聯系異常,其控制視覺系統軸突發育導向,可以導致視網膜膝狀體輻射異常[19]。
聽覺信息處理異常和自動記憶功能異常存在于結節性硬化伴自閉癥的患者,而且研究發現長聽覺反應潛伏期的第一個成分明顯延長且波幅減低[20]。額下回區域參與聽覺和聽視覺語言理解[21],而右側額下回調節聽覺偏移檢測,以防感覺性記憶和聽覺輸入的混淆[22]。我們的研究發現右側額下回功能連接減低,提示結節性硬化癲癇患者聽覺特定功能受損。然而,另有研究發現,結節性硬化患者對音樂刺激具有高反應性,盡管其他發育遲滯存在(如語言認知和運動功能等)[23]。本研究結果表明,左側顳中回和顳下回功能連接增強;而左側顳中回可以被語言和音樂刺激激活,其在音韻/語義方面以及語言性語義方面具有重要作用[24]。因此,AN網絡增強的功能連接可能導致結節性硬化患者對音樂刺激的高反應性。
軀體感覺功能障礙存在于耐藥性顳葉癲癇,且手術切除癲癇灶后可以恢復[25]。在結節性硬化患者,刺激同側頂葉皮層產生調節運動反應的增強易化,其提示至少在頂葉運動通路皮層聯系增強[26]。與前期研究一致[26],本研究發現右側額下回功能連接減低,而右側丘腦功能連接增強。而且這些區域并沒有完全符合經典SMN區域。另外,DTI研究已經證實在結節性硬化患者丘腦功能連接異常,這可能與結節性硬化丘腦參與神經環路重構有關[27]。這些結果表明結節性硬化癲癇靜息態SMN功能網絡連接改變。結節性硬化患者感知功能異常的病理生理機制不明,我們的研究提示結節性硬化癲癇具有復雜異常的電生理和功能特點,這些特點與控制神經心理功能的皮層功能網絡異常相關,如感知網絡等。結節性硬化結節浸透皮層6層結構,進而導致無序的神經元和神經膠質網絡。因此,結構重構可導致或維持皮層環路功能連接改變[28]。相似地,特定腦區異常發育可影響特定神經心理功能。
在結節性硬化患者結節數量和智商評分間存在負相關,這提示皮質結節數量和位置在精神發育遲滯中具有重要作用[29]。另一項研究發現結節性硬化、灰質密度(丘腦、尾狀核和額葉)與長期工作記憶正相關[7],然而在癇性發作年齡和發育遲滯相關更明顯,提示結節性硬化認知功能更依賴于癇性發作發病年齡而不是結節數量[30]。基于本研究尚不能認為感興趣區Z值和發病年齡、癲癇病程及現年齡具有相關性,然而由于本研究樣本量小,不排除這種相關性可能存在于大樣本量中。
本研究亦存在一定局限性:首先,盡管參加研究的患者試驗前停服抗癲癇藥物8 h,這些藥物仍可能影響患者感知及認知功能。其次,本研究進行磁共振掃描時未同時記錄腦電圖,這不能排除發作間期癇性放電對腦功能的影響。再次,結節性硬化患者本身多伴有認知功能障礙,而本研究未對不伴癲癇的結節性硬化患者進行認知相關的神經量表測定以及fMRI檢查,因此不能排除患者本身認知障礙對感知網絡的影響。另外,本研究納入的患者臨床伴發部分性癲癇或者部分繼發全面性發作,且部分患者顱內有鈣化病灶,這些因素都可能會對研究結果產生影響。最后,關于ICA方法學,目前最優成分個數的選擇算法還沒有達成共識。本研究通過最小長度描述法則,對數據進行維度估計以決定獨立成分的數量。我們選擇分離38個成分。因此,獨立成分數量的選擇是獨立成分分析作為數據驅動的分析方法中普遍的問題。本研究,我們關注3個常用的靜息態網絡,這些網絡在大量研究已經證實。而且,我們應用的最匹配的模板源自已經發表的數據[15]。
綜上所述,本研究發現結節性硬化癲癇患者靜息態腦感知功能網絡存在改變。減低的功能網絡連接可能反映其感知功能減低,而增強的功能連接可能是皮質功能網絡的代償或重構。感知功能網絡異常對神經心理功能具有重要作用,這些網絡異常可能導致患者神經心理功能異常;因此本研究有助于理解結節性硬化癲癇患者神經感知功能異常的病理生理機制。
結節性硬化是遺傳性疾病,約60%患者發生癲癇,且伴發一系列神經心理問題如智力障礙、認知缺損、自閉癥和多動癥等[1, 2]。結節性硬化癲癇伴發神經精神功能障礙的病理生理機制不明,因此研究導致神經認知功能障礙的病理生理機制具有重要意義。
功能磁共振(fMRI)功能連接分析已經廣泛應用于靜息態腦網絡的研究以及與不同認知障礙相關的網絡改變[3]。感知網絡包括感覺運動網絡(SMN)、視覺網絡(VN)和聽覺網絡(AN),這些功能網絡在正常健康人群普遍存在[4]。結節性硬化患者執行神經心理注意任務功能明顯減低。定量MRI研究發現結節性硬化患者大腦皮質容量降低[5, 6],皮質下灰質區域及雙側大腦半球連接通道白質減少[7]。另一磁共振彌散張量成像(DTI)研究發現,結節性硬化患者視覺及社會認知系統被不同程度累及[8]。目前的資料提示,結節性硬化具有異常的神經功能網絡[9],靜息態功能網絡可能被選擇性累及。目前為止,尚未有結節性硬化癲癇感知網絡研究的報道。
為了研究這個問題,我們利用靜息態fMRI研究結節性硬化癲癇患者感知功能網絡的改變,包括SMN、VN和AN,以期探究結節性硬化癲癇患者認知功能障礙等一系列神經心理問題的病理生理機制。
1 資料與方法
1.1 一般資料
納入2010年6月-2012年6月在四川大學華西醫院神經內科癲癇中心診治的結節性硬化癲癇患者9例,其中男2例,女7例;年齡5~20歲,平均13.67歲。所有患者均接受臨床評估和磁共振檢查,試驗前均停服抗癲癇藥物8 h。納入標準:① 符合1999年國際結節性硬化學會制訂的診斷標準[10];② 行頭部影像學檢查排除非鈣化病灶者;③ 磁共振掃描時無頭部或肢體活動的癇性發作。
另納入9例健康者作為對照組(與患者年齡和性別匹配)進行相應檢查。患者及對照均簽署知情同意書,本研究獲四川大學倫理委員會批準。
1.2 fMRI數據采集
使用GE EXCITE 3 T MRI掃描儀(美國通用公司)進行血氧水平依賴(BOLD)敏感回波平面圖像采集。圖像采集之前在被試頭部放置泡沫襯墊,用以保護被試的頭部安全、最小化頭動并且可以增加被試的舒適程度。同時要求被試用棉球塞住耳朵,并在采集過程中保持閉目靜息狀態。梯度回波平面采集序列參數如下:重復時間(TR) 2 000 ms,回波時間(TE) 30 ms,視野24 cm×24 cm,翻轉角90°,圖像矩陣64×64,層厚5 mm,全腦無間隔掃描30層,200個時間點,平面分辨率2 mm×2 mm。3D高分辨T1結構像采集參數:TR 8.5 ms,TE 3.4 ms,視野24 cm×24 cm,翻轉角12°,圖像矩陣512×512,層厚1 mm,全腦無間隔掃描156層。BOLD fMRI數據在6 min 40 s的時間內連續采集。
1.3 數據處理與統計學方法
1.3.1 數據處理及感興趣區選擇
使用SPM 8軟件包對fMRI數據進行預處理分析,預處理過程主要包括以下幾個方面:時間校正,3D頭動檢測和校正,使用SPM 8提供的模板將圖像標準化到MNI模板,使用高斯半高寬為8 mm的高斯核對圖像進行空間平滑處理。之后采用以下步驟去除每個體素時間序列中可能存在的干擾。① 利用對相位不敏感的濾波器對每個像素點信號進行時域帶通濾波,帶通頻段為0.01~0.10 Hz;② 通過線性回歸的方法消除采集過程中存在的頭動干擾以及腦脊液和白質信號的影響。使用GIFT軟件(http://icatb.sourceforge.net/,version 2.0a)[
1.3.2 靜息態功能網絡的數據統計分析
從所有受試者數據提取出對應視覺、聽覺及軀體感覺的獨立成分,進而用SPM 8作雙樣本t檢驗,定量比較這兩組數據的網絡。用雙樣本t檢驗對兩組網絡進行統計檢驗,取閾值為P<0.05(FDR校正),并去除聚類少于8個體素的區域,得出兩組網絡的統計差異。
1.3.3 Z值和發病年齡及病程的相關性分析
為研究病程、發病年齡等臨床特征與靜息態功能網絡改變之間的潛在關系,我們對在對比中存在顯著變化的功能網絡和一些臨床特征進行了析因Pearson相關性分析。對于Z值,根據雙樣本t檢驗的結果,我們分別在右側丘腦、右側額下回、左側顳葉和第一視覺區確定出患者組和對照組統計差異最大的體素坐標,并以這些坐標為中心選取含有27個體素的感興趣區,對每個被試計算出感興趣區內27個體素中Z值的均值,最后就Z值和癲癇病程、癲癇發病年齡之間分別進行Pearson相關性分析。
2 結果
2.1 感知網絡功能連接
2.1.1 VN網絡功能連接
兩組功能網絡正負相關連接的模式肉眼觀察相似,見圖 1a、1b。與對照組相比,結節性硬化癲癇患者VN網絡第一視覺區功能連接減低,無功能連接增強區域(P<0.05),見圖 1c。

2.1.2 AN網絡功能連接
盡管兩組功能網絡模式相近(圖 2a、2b),仍存在明顯差別區域(圖 2c、2d),組間比較發現AN網絡差異。與對照組比較,結節性硬化癲癇患者左側顳中回和顳下回功能連接增強,而右側額下回功能連接減低(P<0.05)。

2.1.3 SMN網絡功能連接
SMN網絡和組間差異如圖 3。與對照組比較,結節性硬化癲癇患者右側額下回功能連接減低,而右側丘腦功能連接增強(P<0.05)。

2.2 感興趣區Z值和癲癇病程和發病年齡相關性
選取3個網絡中變化最明顯的5個感興趣區域,包括3個功能網絡中2個功能連接增強區域(SMN右丘腦和AN左顳葉)及3個功能連接減低的區域(VN第一視覺區、AN右額葉、SMN右額葉),與感興趣區的Z值進行Pearson相關分析。結果顯示VN第一視覺區Z值與癲癇病程(r=0.45,P=0.22)及發病年齡(r=0.14,P=0.71)無相關性;AN右額葉Z值與癲癇病程(r=0.03,P=0.94)及發病年齡(r=0.21,P=0.58)無相關性;AN左顳葉Z值與癲癇病程(r=0.26,P=0.49)及發病年齡(r=0.01,P=0.98)無相關性;SMN右額葉Z值與癲癇病程(r=0.15,P=0.70)及發病年齡(r=0.32,P=0.40)無相關性;SMN右丘腦Z值與癲癇病程(r=0.39,P=0.30)及發病年齡(r=0.10,P=0.80)無相關性。
3 討論
研究大腦靜息態功能網絡可以揭示疾病狀態時腦功能連接的輕微改變[16]。在全面性癲癇和部分性癲癇研究發現功能網絡改變,且改變與神經活動表現相關[17, 18]。通過靜息態fMRI研究發現異常的感知功能網絡存在于顳葉癲癇[15]。我們的研究發現結節性硬化癲癇患者VN網絡第一視覺區功能連接減低,沒有功能連接增強區域;與此一致,一項DTI研究發現與視覺信息明顯相關的胼胝體膝部和視輻射區域DTI參數異常[8]。這些結果表明結節性硬化癲癇患者VN功能網絡存在結構和功能異常。而這些異常可能源于TSC2-Rheb-mTOR信號通路和ephrin-Eph受體系統功能聯系異常,其控制視覺系統軸突發育導向,可以導致視網膜膝狀體輻射異常[19]。
聽覺信息處理異常和自動記憶功能異常存在于結節性硬化伴自閉癥的患者,而且研究發現長聽覺反應潛伏期的第一個成分明顯延長且波幅減低[20]。額下回區域參與聽覺和聽視覺語言理解[21],而右側額下回調節聽覺偏移檢測,以防感覺性記憶和聽覺輸入的混淆[22]。我們的研究發現右側額下回功能連接減低,提示結節性硬化癲癇患者聽覺特定功能受損。然而,另有研究發現,結節性硬化患者對音樂刺激具有高反應性,盡管其他發育遲滯存在(如語言認知和運動功能等)[23]。本研究結果表明,左側顳中回和顳下回功能連接增強;而左側顳中回可以被語言和音樂刺激激活,其在音韻/語義方面以及語言性語義方面具有重要作用[24]。因此,AN網絡增強的功能連接可能導致結節性硬化患者對音樂刺激的高反應性。
軀體感覺功能障礙存在于耐藥性顳葉癲癇,且手術切除癲癇灶后可以恢復[25]。在結節性硬化患者,刺激同側頂葉皮層產生調節運動反應的增強易化,其提示至少在頂葉運動通路皮層聯系增強[26]。與前期研究一致[26],本研究發現右側額下回功能連接減低,而右側丘腦功能連接增強。而且這些區域并沒有完全符合經典SMN區域。另外,DTI研究已經證實在結節性硬化患者丘腦功能連接異常,這可能與結節性硬化丘腦參與神經環路重構有關[27]。這些結果表明結節性硬化癲癇靜息態SMN功能網絡連接改變。結節性硬化患者感知功能異常的病理生理機制不明,我們的研究提示結節性硬化癲癇具有復雜異常的電生理和功能特點,這些特點與控制神經心理功能的皮層功能網絡異常相關,如感知網絡等。結節性硬化結節浸透皮層6層結構,進而導致無序的神經元和神經膠質網絡。因此,結構重構可導致或維持皮層環路功能連接改變[28]。相似地,特定腦區異常發育可影響特定神經心理功能。
在結節性硬化患者結節數量和智商評分間存在負相關,這提示皮質結節數量和位置在精神發育遲滯中具有重要作用[29]。另一項研究發現結節性硬化、灰質密度(丘腦、尾狀核和額葉)與長期工作記憶正相關[7],然而在癇性發作年齡和發育遲滯相關更明顯,提示結節性硬化認知功能更依賴于癇性發作發病年齡而不是結節數量[30]。基于本研究尚不能認為感興趣區Z值和發病年齡、癲癇病程及現年齡具有相關性,然而由于本研究樣本量小,不排除這種相關性可能存在于大樣本量中。
本研究亦存在一定局限性:首先,盡管參加研究的患者試驗前停服抗癲癇藥物8 h,這些藥物仍可能影響患者感知及認知功能。其次,本研究進行磁共振掃描時未同時記錄腦電圖,這不能排除發作間期癇性放電對腦功能的影響。再次,結節性硬化患者本身多伴有認知功能障礙,而本研究未對不伴癲癇的結節性硬化患者進行認知相關的神經量表測定以及fMRI檢查,因此不能排除患者本身認知障礙對感知網絡的影響。另外,本研究納入的患者臨床伴發部分性癲癇或者部分繼發全面性發作,且部分患者顱內有鈣化病灶,這些因素都可能會對研究結果產生影響。最后,關于ICA方法學,目前最優成分個數的選擇算法還沒有達成共識。本研究通過最小長度描述法則,對數據進行維度估計以決定獨立成分的數量。我們選擇分離38個成分。因此,獨立成分數量的選擇是獨立成分分析作為數據驅動的分析方法中普遍的問題。本研究,我們關注3個常用的靜息態網絡,這些網絡在大量研究已經證實。而且,我們應用的最匹配的模板源自已經發表的數據[15]。
綜上所述,本研究發現結節性硬化癲癇患者靜息態腦感知功能網絡存在改變。減低的功能網絡連接可能反映其感知功能減低,而增強的功能連接可能是皮質功能網絡的代償或重構。感知功能網絡異常對神經心理功能具有重要作用,這些網絡異常可能導致患者神經心理功能異常;因此本研究有助于理解結節性硬化癲癇患者神經感知功能異常的病理生理機制。