癲癇患者大腦網絡的功能連接存在特異性改變。然而這種改變是疾病本身或是癲癇發作產生的結果尚不明確。研究為縱向研究,找對難治性顳葉癲癇患者(Temporal lobe epilepsy,TLE)手術前及術后發作得到控制后的標準認知功能網絡連接。該研究納入 17 例手術預后達到 Engel I 級的難治性 TLE 患者作為試驗組,同時納入 17 例匹配的正常受試者作為對照組。在手術前后使用經典認知任務以評估認知網絡的功能連接(含對照組),并使用嚴格的方法消除偽影。TLE 患者在術前與健康對照組相比,功能連接存在顯著差異,這種差異是廣泛而非唯一的,包括默認網絡以及顳葉/聽覺子網絡。然而,接受癲癇手術并且發作得到控制后患者的網絡連接并未得到明顯改善,術后功能網絡的異常與術前幾乎一致。研究結果提示,癲癇對大腦功能連接存在長期而持續的影響,當難治性 TLE 患者進行手術時(一般發生在首次診斷的數年后)此種改變已經不可逆轉。此結果對于頑固性癲癇的治療具有潛在的意義,提示延遲的手術治療可能控制癲癇發作,但不能逆轉疾病所導致的功能性大腦網絡改變。
引用本文: LuigiMaccotta, Mayra A.Lopez, BabatundeAdeyemo, 江欣玥 譯, 熊維希, 慕潔 審. 顳葉癲癇術后癲癇無發作不能使已改變的功能連接正常化. 癲癇雜志, 2018, 4(3): 257-272. doi: 10.7507/2096-0247.20180045 復制
要點
? 與健康人群相比,顳葉癲癇患者在癲癇手術前已出現認知功能網絡連接異常
? 癲癇手術控制發作后,認知功能網絡的異常連接仍不可逆轉
? 認知功能網絡異常連接是顳葉癲癇長期不可逆的結果
癲癇與人類大腦靜息態功能網絡聯結特異性改變有關,主要但不限于默認網絡。目前尚不清楚這種改變是疾病對大腦網絡造成的長期影響還是癇性發作負擔的指標。癲癇手術可幫助藥物難治性癲癇患者顯著減少發作。此外,雖然有部分研究發現術前功能連接是手術預后的預測指標,或者可以幫助術前對癇灶的定位,但是手術對大腦網絡靜息態功能連接的影響卻少有報道(除一例個案研究曾報道 1 例患有嚴重癲癇腦病的兒童在胼胝體離斷術后大腦功能網絡出現正常化)。為了評估癇性發作明顯減少是否對癲癇患者大腦功能非典型功能連接存在影響,我們研究了術后達 Engel I 級(如:術后無發作)的顳葉癲癇(Temporal lobe epilepsy,TLE)患者手術前后的大腦功能連接,尤其是基于正常成人驗證的認知功能網絡,并采用最近驗證的功能磁共振成像(fMRI)時間序列去除偽影的嚴格方法。
1 資料與方法
1.1 受試者
患者來自華盛頓大學醫學院華盛頓大學成人癲癇中心,納入標準為通過視頻腦電圖(VEEG)確診的單側頑固性顳葉癲癇并且癲癇手術預后達 Engel I 級。典型的臨床發作表現包括活動停止、自動癥、知覺或反應性下降。本研究僅納入接受顳葉癲癇手術(選擇性杏仁核海馬切除術或顳葉切除術)的受試者。最初納入的 21 例參與者中,有 17 例術后預后達到 Engel I 級,并被納入最終分析(見表 1)。在相同的成像條件下研究一組在年齡(±2 歲)、性別和利手方面與患者一一匹配的健康受試者(n=17)。健康受試者和術前顳葉癲癇患者的核磁共振(MRI)掃描于 2009 年—2013 年間完成。患者的術后頭部 MRI 掃描在相同的成像條件下于 2012 年—2014 年期間完成。排除標準包括年齡<18 歲、臨床表現或 EEG 顯示雙側或顳外發作、有皮質畸形或結構 MRI 顯示同時伴有其他局灶性病變、MRI 禁忌癥,疑似懷孕、物質或酒精濫用史,以及英語語言不健全者。所有參與者都按照華盛頓大學機構審查委員會的要求提供書面知情同意。
1.2 手術及病理結果
藥物難治性 TLE 患者在 VEEG 和神經放射學確診之后即作為手術候選者。手術以標準方式進行:患者接受以上丘為標記切除的近似平面的選擇性杏仁核海馬切除術(5 例左側,4 例右側),或更廣泛的顳葉前葉切除術(5 例左側,3 例右側)。兩組患者的內側切除范圍相似,但右顳切除組的外側切除范圍更廣泛。病理學結果反映了 TLE 患者的典型橫斷面,14 例患者為顳葉內側硬化,3 例為皮質發育畸形,1 例為海綿狀血管瘤(見表 1)。
1.3 圖像預處理以及偽影去除
MRI 掃描在華盛頓大學臨床成像與研究中心的 3T Siemens Trio MRI 掃描儀(德國,埃朗根)上進行。每例受試者使用高分辨率[(0.42×0.42×90.9)mm] T1 加權磁化準備的快速采集梯度回波結構掃描[反演時間=800ms,回波時間(TE)=3.29 ms]以獲得解剖分區、功能圖像和圖集轉換,同時應用兩個血液氧合水平依賴(Blood oxygenation level dependent, BOLD)靜息狀態功能掃描(Echoplanar,重復時間=2 200 ms,TE=27 ms,翻轉角=90°,4×4×4 mm 體素)。每個功能運行包括 164 全腦容量(持續約 6 min)。掃描時要求受試者放松并將視線固定在屏幕的十字準線上。
根據最近公布的方法,使用嚴格的偽影去除標準對 BOLD 數據進行預處理。步驟包括:① 片段時間校正(在每次體積采集開始時重新排列片段);② 用剛體重排來糾正功能區內的運行和跨功能區的運行;③ 運行內強度標準化;④ 地圖集轉換為 Talairach 3×3mm 標準空間;⑤ 以幀向位移> 0.2 mm 的時間點進行審查/清理;⑥ 每個功能運行中的意義消解和趨勢消解;⑦ 協變量及其初次導數的回歸,包括測試時的運動(三維空間平移和三維空間旋轉)、全腦信號、白質信號和腦室信號;⑧ 利用與所保留時間點相匹配的生成頻譜數據對刪失/排除時間點進行插值;⑨ 帶通濾波(0.009~0.080 Hz);⑩ 空間平滑(6 mm 半高全寬)。使用去偽影時間點計算每位受試者的連通性。
1.4 認知功能網絡
該研究的目的是評估癲癇手術和癲癇無發作是否影響基于參與特定認知功能而非僅基于解剖位置所形成連接區域網絡的連通性。為此,我們使用從華盛頓大學 Petersen 和 Schlaggar 實驗室得到的基于執行常見認知任務期間共同激活的 264 個興趣區域(Region of interest, ROI)。ROI 分布在跨越廣泛的認知領域和功能的 14 個功能網絡上,包括注意力、記憶、認知控制、凸顯、默認和視覺(圖 1,表 2)。ROI 之間的功能連通性以沿著時間維度按 Fisher Z 轉換的 Pearson R 計算。功能子網內和功能子網之間的功能連接以各個子網內和之間的 ROI 之間平均功能連接計算。通過錯誤發現率對多重比較中的節點-節點連接性變化進行校正。
1.5 統計分析
對于 ROI 成對分析,我們設計了統計模型以分析疾病對因變量配對 ROI 之間功能連接強度(即兩個 ROI 時間序列之間的 Fisher Z 轉換的相關性)的影響,每一 ROI 的貢獻值在各功能網絡內平均后得到。首次方差分析(ANOVA)側重于通過對比患者與健康對照者,研究 TLE 對網絡功能連接性的影響,因此該模型包括固定的獨立因素(健康對照組與 TLE 患者術前對比)和功能網絡(編碼為兩個獨立因素以說明其相互作用)以及受試者的隨機獨立因素。第二個 ANOVA 側重于手術和癲癇無發作的影響,用術前/術后狀態的因素代替分組因素,其他因素與首次 ANOVA 相同。事后 t 檢驗(健康受試者與術前 TLE 患者非配對,TLE 患者術前與術后配對比較)在通過錯誤發現率進行多重比較校正后,用于分析 ANOVA 所提示的顯著性。
2 結果
將對照組與試驗組在年齡、性別(每組 8 例男性)和優勢側(每組 2 例左利手)進行一對一匹配。兩組在年齡上并無統計學差異(對照組平均年齡 41.3 歲,范圍 21~58 歲;TLE 患者術前和術后掃描平均年齡=43.2 歲,范圍 22~63 歲;Welcht 檢驗:t=0.44,d.f.=29.9,P=0.66)。患者術前平均手術間隔時間為 8.5 個月(SD=7.1,范圍 0~27),手術和術后平均月數為 23.5 個月(SD=12.5,范圍 5~45)。
如圖 2、3 所示,術前 TLE 患者和對照組之間的網絡內和網絡之間的功能連通性在在某些方面存在不同,這與既往研究一致。默認網絡的連通性以及特定網絡之間的耦合(無論是正連接還是負連接)降低最為明顯,包括默認網絡和帶狀蓋系統任務控制和凸顯網絡之間,以及帶狀蓋系統任務控制和凸顯網絡和視覺網絡之間(圖 3)。通過方差分析發現,對照組與試驗組的功能網絡平均連接受到疾病(F=6.9,d.f.=1,P<0.05)、網絡(F=52,d.f.=11,P<1×10–15)、網絡交互作用(F=70,d.f.=55,P<1×10–11)以及網絡與疾病交互作用(F=2.5,d.f.=11,P<0.005)的影響。模型中最大的變量(43%)可由網絡之間的相互作用來解釋,表明大多數變量是由網絡之間功能連通性的差異造成的。
然而重要的是,功能連接性在很大程度上不受外科手術以及術后無癇性發作的影響,如圖 4 所示。為了消除手術對于所研究的子網絡中特定節點的直接影響,對 TLE 患者術前及術后的比較分析均只在切除區域或緊鄰切除區域以外的地方進行(或在其對側的等效區域內,見圖 1 中的紅色陰影區域)。這種方法有效地去除了雙側顳葉內的 29 個節點,并在該分析中移除了所有受試者數據中的相同的節點。方差分析顯示手術前后 TLE 患者功能連接并沒有統計學上顯著性改變,但網絡(F=47,d.f.=11,P<1×10–15)和網絡之間交互作用(F=62,d.f.=55,P<1×10–15)則存在顯著性差異。TLE 患者在術前和術后相關圖之間的相似性值得注意(圖 4)。手術前后的功能連接經多重比較校正后并不存在差異。最后,在統計學模型中添加年齡、病程、發作頻率、術前與術后掃描時間間隔、術前掃描與手術間隔時間、手術與術后掃描時間間隔等因素后仍無明顯差異。
為了強調子網之間功能連通性的差異,圖 5 為對照組與 TLE 患者術前和術后功能連通性的圓形圖。最驚人的發現之一是癲癇疾病本身導致了默認網絡與背側注意力網絡之間的連接降低。這些網絡在對照組中表現出明顯的反相關性,但是在患者術前和術后似乎均是最低程度的連接。相反,一些交叉網絡連接在對照組和試驗組以及患者之間并沒有受到同樣的影響:例如,帶狀蓋任務控制和凸顯網絡之間的連接非常強,并且在組間及手術前后幾乎無變化,表明并非所有連接模式在健康對照組和 TLE 患者之間都存在差異。單就默認網絡而言(經常被認為受到 TLE 的損害),患者的特定腦網絡與默認網絡的術前連接性明顯不同于健康對照者。然而,顳葉手術后達到無癲癇發作的狀態并沒有使這種改變加劇或正常化(圖 6)。
3 討論
TLE 對特定認知網絡有著顯著影響,包括但不限于默認網絡和顳葉的其他子網絡(語言、記憶和聽覺網絡)。該研究結果與既往術前患者的隊列研究相同。然而令人驚訝的是,針對顳葉內側(有時為外側)病灶部分的癲癇手術以及由此達成的癲癇無發作并未能在術后顯著影響患者的異常功能連接。如果這些網絡的連通性由于疾病而改變,為什么當這種疾病得到控制時,它們不會恢復?一種可能性是異常的功能網絡(樣本在手術后數月至數年內進行評估)至少部分反映了整個生命周期中個體功能網絡的固有穩定性。換句話說,fMRI 檢測到健康個體的功能網絡連接可能反映了多年來形成的認知網絡之間的穩定關系。這些連接的異常反過來可能反映了由多年疾病引起連通性的時間平均或“催毀”效應。另一種可能則是引起癲癇發作的內在病因可能在癲癇發生過程中誘導了功能網絡的變化,網絡變化主要反映了引起癲癇發作的原發誘因,而不是慢性癲癇持續發作的影響。該研究中網絡改變的原因或許與顳葉內側硬化本身的原因一致,即可能是由慢性持續性癲癇發作所造成,或由急性損害(如腦炎或熱性驚厥)所致。這一重要的差異可能只有在 TLE 早期通過前瞻性試驗才能得到可靠的解答。無論異常連接的病因為何,實現癲癇無發作雖使患者生活質量得到提高,但至少在該研究的隨訪期內,似乎不足以使異常連接正常化。未來對無癲癇發作后更長期的隨訪可能會檢測到網絡連接正常化的重大轉變。此外,雖然該研究中術后掃描的時間跨度較大,但這一因素并沒有顯著影響明確檢測時的統計模型。后續更多樣本量的研究可能會觀察到這一效應,這種效應可能是復雜且非線性的,例如短期的變化會在較長時期內發生逆轉。
本研究的第二個發現是觀察到癲癇對認知子網之間連接的典型影響是有害的或破壞性的。無論原始連接是正(耦合)或負(反耦合),TLE 似乎都減少了許多耦合,盡管不是全部。在有些情況下,與正常對照相比,TLE 患者的耦合(如視覺網絡與感覺/軀體運動網絡)或者反耦合(如視覺網絡與凸顯網絡,帶狀蓋系統任務控制網絡或者皮質下網絡)更加緊密。這一結果驗證及擴展了之前癲癇患者除與病理生理過程有生理學聯系的區域連接性相對增加外,連接性普遍降低的發現。通常,既往研究集中在由解剖部位定義的區域,而我們的方法則使用來自明確定義的功能網絡的 ROI,這些網絡涉及一系列特定的認知任務。因此 TLE 破壞認知功能網絡之間的耦合,可直觀地由慢性癲癇在病理生理學上潛在的神經元丟失或功能障礙來解釋。然而神經元丟失或功能障礙似乎不太可能會加強網絡耦合。相反,與對照組相比增加的耦合/反耦合可能反映了局灶性癲癇原發病理生理過程的異常功能連接,如局灶性癲癇發作的異常傳播途徑。在 TLE 發作的典型傳播模式中,涉及到多個顳外腦區代謝,例如包括中央溝周圍的體感區域,其在發作期顯示過度灌注。在結構水平,非常相似的顳外區域顯示 TLE 患者的皮質變薄。除 TLE 外,Xiao 等發現 Rolandic 癲癇患者的原發運動皮層和額下回之間、頂葉和緣上回之間的功能連接異常增加,提示增加的連接可能會影響到局灶性癲癇的發病過程。
這項研究的一個重要警示是術前和術后認知功能和與疾病相關的功能網絡重組不同,在癲癇手術后未能正常化。首先,雖然用于癲癇術前評估的神經心理學量表在不同醫療機構中關鍵特征是一致的,但是甚至在同一機構內部仍相對缺乏測試標準,部分原因是需要對擬評估的個體開展個體化測試。此外,用于癲癇術前評估的神經心理學測試通常使用認知功能測試,這些測試與神經影像學文獻中用于闡明認知功能網絡的測試類型并不一致,即常規臨床神經心理學測試不一定能追蹤到該研究中所探索的功能網絡。總體而言,以后的研究應將認知測試與探索功能網絡進行匹配,或許能夠捕捉到癲癇手術導致的、特別是與認知變化相關的神經影像的細微變化。
更具體地說,該研究的認知功能網絡并未涵蓋及捕捉到通常在癲癇手術后發生的所有認知改變。特別是在 TLE 中,癲癇手術具有對記憶產生不利影響的傾向,而對語言影響程度較低,這取決于手術靶點的解剖結構。然而,僅術后神經心理學測量結果也存在相當大的變異,眾所周知,部分患者在認知功能方面經歷了反常的改善。該研究的目標是評估未被手術直接切除的區域連通的順應性。因此,我們排除了手術中直接切除的顳葉區域,以及有目的地排除雙側以避免混雜效應(圖 1),這導致數個顳葉節點被排除在分析之外。記憶尤其難以用 fMRI 進行評估,包括在癲癇的情況下,部分是由于空氣/薄壁組織或骨/實質界面區域附近顳區的低信噪比的技術限制。不僅術后神經心理學結果存在異質性,fMRI 可能捕獲未被手術切除或未進行常規神經心理學測試的腦區域的變化。
一種相關的局限性是同時納入左側/右側 TLE 患者,這可能降低對亞組患者特有改變的鑒別能力。對于大腦切除區域和對側區域節點的連通性尤其重要,因為在手術前/后比較中明確地消除了這兩者,以避免左/右不匹配。然而因為這部分研究的主要目標是評估認知網絡和非手術區的節點,而我們在術前/術后比較中保留的節點集合大部分在 TLE 手術中通常切除的區域之外(手術切除區域包括原始的 264 組節點中的 29 個)。此外,該研究和其他研究曾經使用過的同時分析 TLE 患者左右兩側大腦半球的策略在這種類型的分析中是不可行的,因為有幾個被測節點在對側半球沒有明確的同源對應節點。一般來說,未來有足夠數量左側和右側 TLE 患者的研究能將 TLE 偏側化明確地作為一個單獨的因素,從而直接解決這一問題。
盡管存在這些不足,該研究仍顯示,與健康對照相比 TLE 患者顳外功能網絡存在巨大而顯著差異,并且這些差異基本上不受手術影響。因此,即使不是非常可能,這些以認知功能障礙為表現的疾病相關網絡異常也或許是該疾病慢性影響的結果。盡管在某些大腦區域的功能連接評估受限于技術原因,部分只能通過常規神經心理測試來評估認知功能的神經關聯。未來直接研究與在此探索的功能網絡相匹配的認知測試可能會更好地檢測特定認知指標和特定網絡變化之間的關系。根據我們研究的發現,預測手術前后狀態的主要效應或趨勢可能基本不變。
另一個考慮則是特定功能網絡在空間分布的個體差異性和疾病差異性可能導致癲癇患者和健康對照之間的顯著差異,這在直接比較基于標準化位置的大腦區域時是至關重要的。換而言之,健康狀態和患病狀態下的連通性有顯著差異,其合理解釋可能是疾病相關的腦網絡重構,或者甚至僅僅因為個體差異,特別是但不限于空間范圍。這與我們的結論特別相關,因為功能網絡的重構可能會在更長的時間段內發生,因此連接性的變化會在患病多年后發生。在該研究中,因為被研究節點是基于已經建立認知功能網絡事先選擇,所以上面提到的疾病特異性效應只能捕獲到反映健康狀態下功能網絡的典型連接模式。但典型認知網絡分布的標準位置可能因疾病而改變,導致與健康狀態的差異,這不僅僅是連接強度的變化,更是反映了特定認知區域的重新分布。這在神經系統疾病中已有報道,例如腦卒中患者背側注意力網絡和軀體感覺網絡異常連接和分布或截肢者感覺運動網絡的重構。因此基于預定位置的 ROI 的研究總是被批判預定義的位置或不能反映個體或疾病相關的皮層功能重構。預定義 ROI 位置的分析未能檢測到重構,那么手術后的連通性也可能將無法捕捉到正常化(或趨于正常化)。因而一種潛在的解決方案就是能夠在個體水平檢測和定義不同的功能網絡,這是一項重要但潛在可行的嘗試,尤其是使用豐富的多模態數據集的最新技術。未來研究可以在個體水平上可靠地描述功能網絡的范圍,因此或可捕獲到使用先驗 ROI 不能檢測術后連通性恢復正常的證據。
綜上所述,本研究的關鍵發現是 TLE 對認知網絡連接的影響具有穩定性,包括術前及術后并達到無癲癇發作的狀態。本文和其他文獻描述的結果不僅反映了該疾病對功能網絡破壞性作用的功能連接性變化,而且還驗證了隨時間導致的生理變化方面的捕獲技術的穩定性。另外,盡管術后無發作改善了患者生活質量,至少在手術后約 2 年內,也并不會使異常功能連接正常化。未來針對癲癇發病早期的縱向研究可能會進一步闡明病理生理過程,因為癲癇一開始就可能已破壞大腦的連接性。
致謝 這項工作得到了美國國立衛生研究院(NIH)國家神經疾病和卒中研究所(1K23NS085028,L.M.)、國家促進轉化科學中心(UL1TR000448 子項目 KL2TR000450,L.M.)以及華盛頓大學臨床和轉化科學研究所(UL1RR024992,R.E.H.)的支持。大腦表面可視化數據部分由人類連接組計劃 WU-Minn Consortium(主要研究人員:David Van Essen 和 Kamil Ugurbil; 1U54MH091657)提供,由 16 個 NIH 研究機構和數個支持 NIH 神經科學研究藍圖的中心以及華盛頓大學麥克唐納系統神經科學中心資助。
聲明 作者申明無利益沖突。我們已經閱讀了貴刊關于倫理的相關準則,并確認本研究與這些準則是一致的。

功能子網由顏色編碼,包括感覺/軀體運動(深藍色)、視覺(藍色)、聽覺(粉紅色)、靜息態(紅色)、帶狀蓋任務控制(紫色)、額頂區任務控制(黃色)、凸顯(黑色)、記憶檢索(棕色)、腹側注意力(青色)、背側注意力(綠色)和不確定分類(白色)。淺紅色陰影表示用于排除患者手術切除區域內或鄰近區域的節點范圍

Fisher 轉換的 Pearson R(色度范圍在 1 和+1 之間)用于表示連接強度。軸標簽表示功能認知子網絡的近似分布。AUD,聽覺;CEREB,小腦;COTC,帶狀蓋任務控制;DATT,背部注意力;DMN,默認網絡;FPTC,額頂區任務控制;MRET,記憶檢索;S/SM,感官/軀體運動;SAL,凸顯;SUBC,皮質下;VATT,腹側注意力;VIS,視覺

a. 在術前顳葉癲癇患者和對照存在顯著差異的點對點連接的

AUD,聽覺;CEREB,小腦;COTC,帶狀蓋任務控制;DATT,背部注意力;DMN,默認網絡;FPTC,額頂區任務控制;MRET,記憶檢索;S/SM,感官/軀體運動;SAL,凸顯;SUBC,皮質下;VATT,腹側注意力;VIS,視覺

線條密度表示超閾值在連接強度上的正(紅)和負(藍)程度。節點按照與之前的數字匹配的認知子網來排序。AUD,聽覺;CEREB,小腦;COTC,帶狀蓋任務控制;DATT,背部注意力;DMN,默認網絡;FPTC,額頂區任務控制;MRET,記憶檢索;S/SM,感官/軀體運動;SAL,凸顯;SUBC,皮質下;VATT,腹側注意力;VIS,視覺

默認網絡(DMN)和 DMN 與其他網絡之間的連接性在健康對照組和術前顳葉癲癇患者之間有顯著差異,但進行顳葉切除手術并達到癲癇無發作對這種差異的改善沒有明顯影響。*表示多重比較校正后 Welch


要點
? 與健康人群相比,顳葉癲癇患者在癲癇手術前已出現認知功能網絡連接異常
? 癲癇手術控制發作后,認知功能網絡的異常連接仍不可逆轉
? 認知功能網絡異常連接是顳葉癲癇長期不可逆的結果
癲癇與人類大腦靜息態功能網絡聯結特異性改變有關,主要但不限于默認網絡。目前尚不清楚這種改變是疾病對大腦網絡造成的長期影響還是癇性發作負擔的指標。癲癇手術可幫助藥物難治性癲癇患者顯著減少發作。此外,雖然有部分研究發現術前功能連接是手術預后的預測指標,或者可以幫助術前對癇灶的定位,但是手術對大腦網絡靜息態功能連接的影響卻少有報道(除一例個案研究曾報道 1 例患有嚴重癲癇腦病的兒童在胼胝體離斷術后大腦功能網絡出現正常化)。為了評估癇性發作明顯減少是否對癲癇患者大腦功能非典型功能連接存在影響,我們研究了術后達 Engel I 級(如:術后無發作)的顳葉癲癇(Temporal lobe epilepsy,TLE)患者手術前后的大腦功能連接,尤其是基于正常成人驗證的認知功能網絡,并采用最近驗證的功能磁共振成像(fMRI)時間序列去除偽影的嚴格方法。
1 資料與方法
1.1 受試者
患者來自華盛頓大學醫學院華盛頓大學成人癲癇中心,納入標準為通過視頻腦電圖(VEEG)確診的單側頑固性顳葉癲癇并且癲癇手術預后達 Engel I 級。典型的臨床發作表現包括活動停止、自動癥、知覺或反應性下降。本研究僅納入接受顳葉癲癇手術(選擇性杏仁核海馬切除術或顳葉切除術)的受試者。最初納入的 21 例參與者中,有 17 例術后預后達到 Engel I 級,并被納入最終分析(見表 1)。在相同的成像條件下研究一組在年齡(±2 歲)、性別和利手方面與患者一一匹配的健康受試者(n=17)。健康受試者和術前顳葉癲癇患者的核磁共振(MRI)掃描于 2009 年—2013 年間完成。患者的術后頭部 MRI 掃描在相同的成像條件下于 2012 年—2014 年期間完成。排除標準包括年齡<18 歲、臨床表現或 EEG 顯示雙側或顳外發作、有皮質畸形或結構 MRI 顯示同時伴有其他局灶性病變、MRI 禁忌癥,疑似懷孕、物質或酒精濫用史,以及英語語言不健全者。所有參與者都按照華盛頓大學機構審查委員會的要求提供書面知情同意。
1.2 手術及病理結果
藥物難治性 TLE 患者在 VEEG 和神經放射學確診之后即作為手術候選者。手術以標準方式進行:患者接受以上丘為標記切除的近似平面的選擇性杏仁核海馬切除術(5 例左側,4 例右側),或更廣泛的顳葉前葉切除術(5 例左側,3 例右側)。兩組患者的內側切除范圍相似,但右顳切除組的外側切除范圍更廣泛。病理學結果反映了 TLE 患者的典型橫斷面,14 例患者為顳葉內側硬化,3 例為皮質發育畸形,1 例為海綿狀血管瘤(見表 1)。
1.3 圖像預處理以及偽影去除
MRI 掃描在華盛頓大學臨床成像與研究中心的 3T Siemens Trio MRI 掃描儀(德國,埃朗根)上進行。每例受試者使用高分辨率[(0.42×0.42×90.9)mm] T1 加權磁化準備的快速采集梯度回波結構掃描[反演時間=800ms,回波時間(TE)=3.29 ms]以獲得解剖分區、功能圖像和圖集轉換,同時應用兩個血液氧合水平依賴(Blood oxygenation level dependent, BOLD)靜息狀態功能掃描(Echoplanar,重復時間=2 200 ms,TE=27 ms,翻轉角=90°,4×4×4 mm 體素)。每個功能運行包括 164 全腦容量(持續約 6 min)。掃描時要求受試者放松并將視線固定在屏幕的十字準線上。
根據最近公布的方法,使用嚴格的偽影去除標準對 BOLD 數據進行預處理。步驟包括:① 片段時間校正(在每次體積采集開始時重新排列片段);② 用剛體重排來糾正功能區內的運行和跨功能區的運行;③ 運行內強度標準化;④ 地圖集轉換為 Talairach 3×3mm 標準空間;⑤ 以幀向位移> 0.2 mm 的時間點進行審查/清理;⑥ 每個功能運行中的意義消解和趨勢消解;⑦ 協變量及其初次導數的回歸,包括測試時的運動(三維空間平移和三維空間旋轉)、全腦信號、白質信號和腦室信號;⑧ 利用與所保留時間點相匹配的生成頻譜數據對刪失/排除時間點進行插值;⑨ 帶通濾波(0.009~0.080 Hz);⑩ 空間平滑(6 mm 半高全寬)。使用去偽影時間點計算每位受試者的連通性。
1.4 認知功能網絡
該研究的目的是評估癲癇手術和癲癇無發作是否影響基于參與特定認知功能而非僅基于解剖位置所形成連接區域網絡的連通性。為此,我們使用從華盛頓大學 Petersen 和 Schlaggar 實驗室得到的基于執行常見認知任務期間共同激活的 264 個興趣區域(Region of interest, ROI)。ROI 分布在跨越廣泛的認知領域和功能的 14 個功能網絡上,包括注意力、記憶、認知控制、凸顯、默認和視覺(圖 1,表 2)。ROI 之間的功能連通性以沿著時間維度按 Fisher Z 轉換的 Pearson R 計算。功能子網內和功能子網之間的功能連接以各個子網內和之間的 ROI 之間平均功能連接計算。通過錯誤發現率對多重比較中的節點-節點連接性變化進行校正。
1.5 統計分析
對于 ROI 成對分析,我們設計了統計模型以分析疾病對因變量配對 ROI 之間功能連接強度(即兩個 ROI 時間序列之間的 Fisher Z 轉換的相關性)的影響,每一 ROI 的貢獻值在各功能網絡內平均后得到。首次方差分析(ANOVA)側重于通過對比患者與健康對照者,研究 TLE 對網絡功能連接性的影響,因此該模型包括固定的獨立因素(健康對照組與 TLE 患者術前對比)和功能網絡(編碼為兩個獨立因素以說明其相互作用)以及受試者的隨機獨立因素。第二個 ANOVA 側重于手術和癲癇無發作的影響,用術前/術后狀態的因素代替分組因素,其他因素與首次 ANOVA 相同。事后 t 檢驗(健康受試者與術前 TLE 患者非配對,TLE 患者術前與術后配對比較)在通過錯誤發現率進行多重比較校正后,用于分析 ANOVA 所提示的顯著性。
2 結果
將對照組與試驗組在年齡、性別(每組 8 例男性)和優勢側(每組 2 例左利手)進行一對一匹配。兩組在年齡上并無統計學差異(對照組平均年齡 41.3 歲,范圍 21~58 歲;TLE 患者術前和術后掃描平均年齡=43.2 歲,范圍 22~63 歲;Welcht 檢驗:t=0.44,d.f.=29.9,P=0.66)。患者術前平均手術間隔時間為 8.5 個月(SD=7.1,范圍 0~27),手術和術后平均月數為 23.5 個月(SD=12.5,范圍 5~45)。
如圖 2、3 所示,術前 TLE 患者和對照組之間的網絡內和網絡之間的功能連通性在在某些方面存在不同,這與既往研究一致。默認網絡的連通性以及特定網絡之間的耦合(無論是正連接還是負連接)降低最為明顯,包括默認網絡和帶狀蓋系統任務控制和凸顯網絡之間,以及帶狀蓋系統任務控制和凸顯網絡和視覺網絡之間(圖 3)。通過方差分析發現,對照組與試驗組的功能網絡平均連接受到疾病(F=6.9,d.f.=1,P<0.05)、網絡(F=52,d.f.=11,P<1×10–15)、網絡交互作用(F=70,d.f.=55,P<1×10–11)以及網絡與疾病交互作用(F=2.5,d.f.=11,P<0.005)的影響。模型中最大的變量(43%)可由網絡之間的相互作用來解釋,表明大多數變量是由網絡之間功能連通性的差異造成的。
然而重要的是,功能連接性在很大程度上不受外科手術以及術后無癇性發作的影響,如圖 4 所示。為了消除手術對于所研究的子網絡中特定節點的直接影響,對 TLE 患者術前及術后的比較分析均只在切除區域或緊鄰切除區域以外的地方進行(或在其對側的等效區域內,見圖 1 中的紅色陰影區域)。這種方法有效地去除了雙側顳葉內的 29 個節點,并在該分析中移除了所有受試者數據中的相同的節點。方差分析顯示手術前后 TLE 患者功能連接并沒有統計學上顯著性改變,但網絡(F=47,d.f.=11,P<1×10–15)和網絡之間交互作用(F=62,d.f.=55,P<1×10–15)則存在顯著性差異。TLE 患者在術前和術后相關圖之間的相似性值得注意(圖 4)。手術前后的功能連接經多重比較校正后并不存在差異。最后,在統計學模型中添加年齡、病程、發作頻率、術前與術后掃描時間間隔、術前掃描與手術間隔時間、手術與術后掃描時間間隔等因素后仍無明顯差異。
為了強調子網之間功能連通性的差異,圖 5 為對照組與 TLE 患者術前和術后功能連通性的圓形圖。最驚人的發現之一是癲癇疾病本身導致了默認網絡與背側注意力網絡之間的連接降低。這些網絡在對照組中表現出明顯的反相關性,但是在患者術前和術后似乎均是最低程度的連接。相反,一些交叉網絡連接在對照組和試驗組以及患者之間并沒有受到同樣的影響:例如,帶狀蓋任務控制和凸顯網絡之間的連接非常強,并且在組間及手術前后幾乎無變化,表明并非所有連接模式在健康對照組和 TLE 患者之間都存在差異。單就默認網絡而言(經常被認為受到 TLE 的損害),患者的特定腦網絡與默認網絡的術前連接性明顯不同于健康對照者。然而,顳葉手術后達到無癲癇發作的狀態并沒有使這種改變加劇或正常化(圖 6)。
3 討論
TLE 對特定認知網絡有著顯著影響,包括但不限于默認網絡和顳葉的其他子網絡(語言、記憶和聽覺網絡)。該研究結果與既往術前患者的隊列研究相同。然而令人驚訝的是,針對顳葉內側(有時為外側)病灶部分的癲癇手術以及由此達成的癲癇無發作并未能在術后顯著影響患者的異常功能連接。如果這些網絡的連通性由于疾病而改變,為什么當這種疾病得到控制時,它們不會恢復?一種可能性是異常的功能網絡(樣本在手術后數月至數年內進行評估)至少部分反映了整個生命周期中個體功能網絡的固有穩定性。換句話說,fMRI 檢測到健康個體的功能網絡連接可能反映了多年來形成的認知網絡之間的穩定關系。這些連接的異常反過來可能反映了由多年疾病引起連通性的時間平均或“催毀”效應。另一種可能則是引起癲癇發作的內在病因可能在癲癇發生過程中誘導了功能網絡的變化,網絡變化主要反映了引起癲癇發作的原發誘因,而不是慢性癲癇持續發作的影響。該研究中網絡改變的原因或許與顳葉內側硬化本身的原因一致,即可能是由慢性持續性癲癇發作所造成,或由急性損害(如腦炎或熱性驚厥)所致。這一重要的差異可能只有在 TLE 早期通過前瞻性試驗才能得到可靠的解答。無論異常連接的病因為何,實現癲癇無發作雖使患者生活質量得到提高,但至少在該研究的隨訪期內,似乎不足以使異常連接正常化。未來對無癲癇發作后更長期的隨訪可能會檢測到網絡連接正常化的重大轉變。此外,雖然該研究中術后掃描的時間跨度較大,但這一因素并沒有顯著影響明確檢測時的統計模型。后續更多樣本量的研究可能會觀察到這一效應,這種效應可能是復雜且非線性的,例如短期的變化會在較長時期內發生逆轉。
本研究的第二個發現是觀察到癲癇對認知子網之間連接的典型影響是有害的或破壞性的。無論原始連接是正(耦合)或負(反耦合),TLE 似乎都減少了許多耦合,盡管不是全部。在有些情況下,與正常對照相比,TLE 患者的耦合(如視覺網絡與感覺/軀體運動網絡)或者反耦合(如視覺網絡與凸顯網絡,帶狀蓋系統任務控制網絡或者皮質下網絡)更加緊密。這一結果驗證及擴展了之前癲癇患者除與病理生理過程有生理學聯系的區域連接性相對增加外,連接性普遍降低的發現。通常,既往研究集中在由解剖部位定義的區域,而我們的方法則使用來自明確定義的功能網絡的 ROI,這些網絡涉及一系列特定的認知任務。因此 TLE 破壞認知功能網絡之間的耦合,可直觀地由慢性癲癇在病理生理學上潛在的神經元丟失或功能障礙來解釋。然而神經元丟失或功能障礙似乎不太可能會加強網絡耦合。相反,與對照組相比增加的耦合/反耦合可能反映了局灶性癲癇原發病理生理過程的異常功能連接,如局灶性癲癇發作的異常傳播途徑。在 TLE 發作的典型傳播模式中,涉及到多個顳外腦區代謝,例如包括中央溝周圍的體感區域,其在發作期顯示過度灌注。在結構水平,非常相似的顳外區域顯示 TLE 患者的皮質變薄。除 TLE 外,Xiao 等發現 Rolandic 癲癇患者的原發運動皮層和額下回之間、頂葉和緣上回之間的功能連接異常增加,提示增加的連接可能會影響到局灶性癲癇的發病過程。
這項研究的一個重要警示是術前和術后認知功能和與疾病相關的功能網絡重組不同,在癲癇手術后未能正常化。首先,雖然用于癲癇術前評估的神經心理學量表在不同醫療機構中關鍵特征是一致的,但是甚至在同一機構內部仍相對缺乏測試標準,部分原因是需要對擬評估的個體開展個體化測試。此外,用于癲癇術前評估的神經心理學測試通常使用認知功能測試,這些測試與神經影像學文獻中用于闡明認知功能網絡的測試類型并不一致,即常規臨床神經心理學測試不一定能追蹤到該研究中所探索的功能網絡。總體而言,以后的研究應將認知測試與探索功能網絡進行匹配,或許能夠捕捉到癲癇手術導致的、特別是與認知變化相關的神經影像的細微變化。
更具體地說,該研究的認知功能網絡并未涵蓋及捕捉到通常在癲癇手術后發生的所有認知改變。特別是在 TLE 中,癲癇手術具有對記憶產生不利影響的傾向,而對語言影響程度較低,這取決于手術靶點的解剖結構。然而,僅術后神經心理學測量結果也存在相當大的變異,眾所周知,部分患者在認知功能方面經歷了反常的改善。該研究的目標是評估未被手術直接切除的區域連通的順應性。因此,我們排除了手術中直接切除的顳葉區域,以及有目的地排除雙側以避免混雜效應(圖 1),這導致數個顳葉節點被排除在分析之外。記憶尤其難以用 fMRI 進行評估,包括在癲癇的情況下,部分是由于空氣/薄壁組織或骨/實質界面區域附近顳區的低信噪比的技術限制。不僅術后神經心理學結果存在異質性,fMRI 可能捕獲未被手術切除或未進行常規神經心理學測試的腦區域的變化。
一種相關的局限性是同時納入左側/右側 TLE 患者,這可能降低對亞組患者特有改變的鑒別能力。對于大腦切除區域和對側區域節點的連通性尤其重要,因為在手術前/后比較中明確地消除了這兩者,以避免左/右不匹配。然而因為這部分研究的主要目標是評估認知網絡和非手術區的節點,而我們在術前/術后比較中保留的節點集合大部分在 TLE 手術中通常切除的區域之外(手術切除區域包括原始的 264 組節點中的 29 個)。此外,該研究和其他研究曾經使用過的同時分析 TLE 患者左右兩側大腦半球的策略在這種類型的分析中是不可行的,因為有幾個被測節點在對側半球沒有明確的同源對應節點。一般來說,未來有足夠數量左側和右側 TLE 患者的研究能將 TLE 偏側化明確地作為一個單獨的因素,從而直接解決這一問題。
盡管存在這些不足,該研究仍顯示,與健康對照相比 TLE 患者顳外功能網絡存在巨大而顯著差異,并且這些差異基本上不受手術影響。因此,即使不是非常可能,這些以認知功能障礙為表現的疾病相關網絡異常也或許是該疾病慢性影響的結果。盡管在某些大腦區域的功能連接評估受限于技術原因,部分只能通過常規神經心理測試來評估認知功能的神經關聯。未來直接研究與在此探索的功能網絡相匹配的認知測試可能會更好地檢測特定認知指標和特定網絡變化之間的關系。根據我們研究的發現,預測手術前后狀態的主要效應或趨勢可能基本不變。
另一個考慮則是特定功能網絡在空間分布的個體差異性和疾病差異性可能導致癲癇患者和健康對照之間的顯著差異,這在直接比較基于標準化位置的大腦區域時是至關重要的。換而言之,健康狀態和患病狀態下的連通性有顯著差異,其合理解釋可能是疾病相關的腦網絡重構,或者甚至僅僅因為個體差異,特別是但不限于空間范圍。這與我們的結論特別相關,因為功能網絡的重構可能會在更長的時間段內發生,因此連接性的變化會在患病多年后發生。在該研究中,因為被研究節點是基于已經建立認知功能網絡事先選擇,所以上面提到的疾病特異性效應只能捕獲到反映健康狀態下功能網絡的典型連接模式。但典型認知網絡分布的標準位置可能因疾病而改變,導致與健康狀態的差異,這不僅僅是連接強度的變化,更是反映了特定認知區域的重新分布。這在神經系統疾病中已有報道,例如腦卒中患者背側注意力網絡和軀體感覺網絡異常連接和分布或截肢者感覺運動網絡的重構。因此基于預定位置的 ROI 的研究總是被批判預定義的位置或不能反映個體或疾病相關的皮層功能重構。預定義 ROI 位置的分析未能檢測到重構,那么手術后的連通性也可能將無法捕捉到正常化(或趨于正常化)。因而一種潛在的解決方案就是能夠在個體水平檢測和定義不同的功能網絡,這是一項重要但潛在可行的嘗試,尤其是使用豐富的多模態數據集的最新技術。未來研究可以在個體水平上可靠地描述功能網絡的范圍,因此或可捕獲到使用先驗 ROI 不能檢測術后連通性恢復正常的證據。
綜上所述,本研究的關鍵發現是 TLE 對認知網絡連接的影響具有穩定性,包括術前及術后并達到無癲癇發作的狀態。本文和其他文獻描述的結果不僅反映了該疾病對功能網絡破壞性作用的功能連接性變化,而且還驗證了隨時間導致的生理變化方面的捕獲技術的穩定性。另外,盡管術后無發作改善了患者生活質量,至少在手術后約 2 年內,也并不會使異常功能連接正常化。未來針對癲癇發病早期的縱向研究可能會進一步闡明病理生理過程,因為癲癇一開始就可能已破壞大腦的連接性。
致謝 這項工作得到了美國國立衛生研究院(NIH)國家神經疾病和卒中研究所(1K23NS085028,L.M.)、國家促進轉化科學中心(UL1TR000448 子項目 KL2TR000450,L.M.)以及華盛頓大學臨床和轉化科學研究所(UL1RR024992,R.E.H.)的支持。大腦表面可視化數據部分由人類連接組計劃 WU-Minn Consortium(主要研究人員:David Van Essen 和 Kamil Ugurbil; 1U54MH091657)提供,由 16 個 NIH 研究機構和數個支持 NIH 神經科學研究藍圖的中心以及華盛頓大學麥克唐納系統神經科學中心資助。
聲明 作者申明無利益沖突。我們已經閱讀了貴刊關于倫理的相關準則,并確認本研究與這些準則是一致的。

功能子網由顏色編碼,包括感覺/軀體運動(深藍色)、視覺(藍色)、聽覺(粉紅色)、靜息態(紅色)、帶狀蓋任務控制(紫色)、額頂區任務控制(黃色)、凸顯(黑色)、記憶檢索(棕色)、腹側注意力(青色)、背側注意力(綠色)和不確定分類(白色)。淺紅色陰影表示用于排除患者手術切除區域內或鄰近區域的節點范圍

Fisher 轉換的 Pearson R(色度范圍在 1 和+1 之間)用于表示連接強度。軸標簽表示功能認知子網絡的近似分布。AUD,聽覺;CEREB,小腦;COTC,帶狀蓋任務控制;DATT,背部注意力;DMN,默認網絡;FPTC,額頂區任務控制;MRET,記憶檢索;S/SM,感官/軀體運動;SAL,凸顯;SUBC,皮質下;VATT,腹側注意力;VIS,視覺

a. 在術前顳葉癲癇患者和對照存在顯著差異的點對點連接的

AUD,聽覺;CEREB,小腦;COTC,帶狀蓋任務控制;DATT,背部注意力;DMN,默認網絡;FPTC,額頂區任務控制;MRET,記憶檢索;S/SM,感官/軀體運動;SAL,凸顯;SUBC,皮質下;VATT,腹側注意力;VIS,視覺

線條密度表示超閾值在連接強度上的正(紅)和負(藍)程度。節點按照與之前的數字匹配的認知子網來排序。AUD,聽覺;CEREB,小腦;COTC,帶狀蓋任務控制;DATT,背部注意力;DMN,默認網絡;FPTC,額頂區任務控制;MRET,記憶檢索;S/SM,感官/軀體運動;SAL,凸顯;SUBC,皮質下;VATT,腹側注意力;VIS,視覺

默認網絡(DMN)和 DMN 與其他網絡之間的連接性在健康對照組和術前顳葉癲癇患者之間有顯著差異,但進行顳葉切除手術并達到癲癇無發作對這種差異的改善沒有明顯影響。*表示多重比較校正后 Welch

