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经验交流
夜间遗尿症儿童丘脑室旁核功能连接的静息态功能磁共振成像研究
张静 邢伟 郑爱斌 江凯华 高敏

Cite this article as: Zhang J, Xing W, Zheng AB, et al. Functional connectivity of paraventricular thalamus in nocturnal enuresis: a rs-fMRI study[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(1): 106-109.本文引用格式:张静, 邢伟, 郑爱斌, 等. 夜间遗尿症儿童丘脑室旁核功能连接的静息态功能磁共振成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 106-109. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.021.


[摘要] 目的 通过分析夜间遗尿症(nocturnal enuresis,NE)儿童两侧丘脑室旁核(paraventricular thalamus,PVT)与全脑体素的功能连接的变化,探索NE儿童觉醒障碍及认知功能缺陷的脑功能机制。材料与方法 回顾性分析22例NE儿童以及33例健康儿童的静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)数据,选取两侧PVT为ROI,通过基于体素的功能连接(voxel-based functional connectivity,voxel-FC)分析方法比较两组受试者的脑功能差异。结果 对比正常对照组,NE组左侧PVT与脑干(t=-3.76,P<0.05)、左侧颞中回(t=-4.35,P<0.05)功能连接下降,与左侧小脑脚Ⅰ区及Ⅱ区(t=4.18,P<0.05)、右侧中央后回(t=3.90,P<0.05)功能连接增加。右侧PVT与左侧颞上回(t=-3.73,P<0.05)功能连接下降,与右侧中央前回(t=4.09,P<0.05)功能连接增加。结论 NE儿童PVT与全脑多个脑区存在自发性功能连接改变,这可能是NE儿童觉醒障碍及认知功能缺陷的中枢神经机制之一。
[Abstract] Objective To find the brain mechanism of awakening disorder and cognitive deficits in children with nocturnal enuresis (NE) by analyzing changes of functional connectivity (FC) between bilateral paraventricular thalamus (PVT) and whole brain voxel.Materials and Methods: In this study, twenty-two children with NE and thirty-three healthy children as the controls were collected. All subjects underwent resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) scanning. Bilateral PVT were selected as the regions of interest after pretreatment. Voxel-based functional connectivity (voxel-FC) analysis were used to evaluate the differences in brain function between the two groups.Results Compared with the children in normal control group, the left PVT of NE group exhibited lower FC with brainstem (t=-3.76, P<0.05) and left middle temporal gyrus (t=-4.35, P<0.05) but higher FC with the left cerebellum crus Ⅰ, Ⅱ (t=4.18, P<0.05) and the right posterior central gyrus (t=3.90, P<0.05). The right PVT of NE group exhibited lower FC with the left superior temporal gyrus (t=-3.73, P<0.05) but higher FC with the right precentral gyrus (t=4.09, P<0.05).Conclusions The present study revealed that there were spontaneous FC changes in bilateral PVT in children with NE, which maybe one of the mechanisms of central nervous system in the occurrence and development of the awakening disorder and cognitive deficits in children with NE.
[关键词] 夜间遗尿症;觉醒;丘脑室旁核;静息态功能磁共振成像
[Keywords] nocturnal enuresis;sleep-wake;paraventricular thalamus;resting state functional magnetic resonance imaging

张静 1, 2   邢伟 1*   郑爱斌 2   江凯华 2   高敏 2  

1 苏州大学附属第三医院放射科,常州 213003

2 南通大学附属常州儿童医院放射科,常州 213000

邢伟,E-mail:suzhxingwei@126.com

全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 常州市第十六批科技计划 CJ20200070
收稿日期:2021-08-20
接受日期:2021-12-21
中图分类号:R445.2  R694.53 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.01.021
本文引用格式:张静, 邢伟, 郑爱斌, 等. 夜间遗尿症儿童丘脑室旁核功能连接的静息态功能磁共振成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 106-109. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.021

       夜间遗尿症(nocturnal enuresis,NE)是指5岁以上儿童夜间不能醒来控制排尿而发生的无意识排尿行为,每周达2次或2次以上[1]。NE是学龄期儿童常见的发育行为性疾病,易伴注意力、记忆力缺陷。更为关键的是NE症状持续高发的时期正好是学龄期,这个时期正是儿童心智健全、人格塑造的重要时期,易造成自卑、抑郁等不可逆的精神损伤,因此及时、有效的治疗非常重要和迫切。

       NE发病是夜间多尿,夜间膀胱功能紊乱及夜间觉醒能力的不匹配所致,患儿在夜间睡眠过程中,不能因感受膀胱充盈的刺激而觉醒是NE发病核心因素[2]。人的睡眠-觉醒状态的转换主要受辅助运动区、前额叶皮质、前扣带皮质、丘脑和脑干等高级中枢的调节,这些部位的异常可能会导致觉醒困难。基因学研究显示多巴胺D4受体基因多态性通过影响丘脑血流量及γ-氨基丁酸的代谢导致NE的发病[3, 4]。以丘脑为ROI的功能磁共振研究发现丘脑与数个大脑皮层区域存在异常的连接[5, 6]。由此可见丘脑的结构及功能异常可能是NE夜间觉醒障碍发生的神经学机制之一。但丘脑核团众多,既往研究并未对觉醒功能相关核团进行针对性研究。

       丘脑包含许多重要的觉醒调控神经元,其中丘脑室旁核(paraventricular thalamus,PVT)不仅是觉醒通路中的关键核团[7],同时也是认知控制的关键节点[8]。本次研究选取PVT作为研究的ROI,通过分析该核团与全脑体素的功能连接情况,旨在更好地理解NE患儿的觉醒障碍及伴发认知功能缺陷的发生机制。

1 资料与方法

1.1 研究对象

       回顾性分析2016年3月至2018年5月NE儿童及对照组儿童资料。NE组病例来源于在常州市儿童医院遗尿门诊,经过高年资发育行为科医生确诊的NE患儿。正常对照组儿童来自本市普通小学。本研究经过常州市儿童医院医学伦理委员会批准(批准文号:2020-007),免除受试者知情同意,对所有患者的影像及临床资料进行隐私处理。

1.1.1 NE组

       纳入标准:(1)确诊NE后进行了头颅常规MRI扫描及静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)扫描;(2)右利手;(3)第四版韦氏智力测试≥80分;(4) 2周前未接受过NE的药物针对性治疗。

       排除标准:(1)以《美国精神障碍诊断和统计手册》第4版(DSM-Ⅳ)的诊断标准,诊断为注意缺陷多动障碍患儿;(2)患有先天性神经系统疾病或其他严重的躯体损害;(3)有严重脑外伤致昏迷史;(4)有情感障碍和精神心理疾病;(5)听力、视力有异常者;

1.1.2 正常对照组

       纳入标准:(1)不符合NE诊断标准;(2)儿童韦氏智力量表筛查智商≥80;(3)右利手。

       排除标准:与NE组排除标准相同。

1.2 磁共振数据采集

       两组被试均接受了头颅常规MRI扫描及rs-fMRI扫描。磁共振数据采集在德国Siemens Avanto 1.5 T磁共振设备上进行,采用头颅矩阵线圈。受试者仰卧于检查床上,嘱咐受试者保持清醒,闭上眼睛,平静呼吸,在扫描过程中避免任何运动或有意识的思考。为保证扫描结果稳定,使用抽真空泡沫塑料头套,将头部固定于线圈内,以减少受试者头部运动。

       扫描序列及参数:T1加权像,重复时间(repetition time,TR)为400 ms,回波时间(echo time,TE)为11 ms,轴位扫描,层厚为6.0 mm,间距为1.2 mm,扫描野为24 cm×24 cm,翻转角为90°。rs-fMRI扫描采用梯度-平面回波序列,TR为2000 ms,TE为40 ms,翻转角为90º,扫描野为24 cm×24 cm,矩阵为64×64,轴位扫描,层厚为6.0 mm,间距为1.2 mm,层数为18层,共采集180个时间点。

1.3 rs-fMRI数据处理

1.3.1 数据预处理

       应用基于通用数学软件包Matlab (R2013b)平台运行的restplus软件对rs-fMRI数据进行预处理,具体步骤如下:(1)格式转换(DICOM转为NIFTI);(2)去除前10个时间点;(3)时间层校正及头动校正,将头动平移>3 mm、旋转>3°的数据剔除;(4)空间标准化:以平面回波成像(echo planar imaging,EPI)模板进行空间标准化;(5)以FWHM为6 mm的平滑核进行空间平滑;(6)去线性漂移:(7)低频滤波:保留0.01~0.08 Hz范围内有生理意义的信号;(8)回归协变量,将头动参数、脑白质信号、脑脊液信号作为协变量进行回归。

1.3.2 制作ROI蒙版(mask)

       提取两侧PVT,分别以MIN坐标(±3,-3,-13)为中心点[9],制作两个半径为5 mm的球形mask。将上述2个mask合并成一个并集mask,运算表达式为:(i1+i2)>0。

1.3.3 计算FC值

       以PVT_L、PVT_R为ROI,提取每个ROI内所有体素的平均时间序列,将该平均时间序列与全脑每个体素的时间序列做皮尔森相关计算,求出RIO与全脑每个体素的皮尔森相关系数r值。然后对r值进行Fisher Z转换,得到符合正态分布的z值。将z值转换成zFC图像进行下一步统计分析。

1.4 统计分析

1.4.1 人口学资料统计分析

       采用SPSS 26.0统计软件进行分析,本研究年龄及受教育程度为计量资料,首先进行正态性检验,选择Shapiro-Wilk法,检验结果显示P>0.05,两组计量资料均符合正态分布,满足t检验要求。单样本定量资料的t检验的结果以均数±标准差(x¯±s)表示,组间比较采用两独立样本均数t检验。性别为计数资料采用卡方检验,P<0.05为差异有统计学意义。

1.4.2 Voxel-FC的统计分析

       使用restplus软件对两组被试的Voxel-FC的z值进行两独立样本t检验分析。统计过程使用性别、年龄及受教育程度作为协变量,以减少它们对结果的影响。组间差异结果采用团块水平的Alphasim校正,体素水平P<0.001 (未校正)、团块水平P<0.05且团块不小于228个体素为效应显著的脑区。

2 结果

2.1 人口学资料

       两组被试的rs-fMRI数据均符合数据预处理中头动要求,未被剔除。最终入组统计分析的NE组22例,其中男9例,女13例,年龄(8.54±1.65)岁,受教育年限(2.09±1.54)年。正常对照组33例,其中男18例,女15例,年龄(9.12±1.15)岁,受教育年限(2.66±1.19)年。两组入组统计分析的受试者在年龄(t=-1.538,P=0.130)、性别(χ2=0.982,P=0.322)、受教育程度(t=-1.557,P=0.125)间差异无统计学意义(P>0.05)。详见表1

表1  NE与正常对照组性别、年龄及教育程度比较

2.2 rs-fMRI结果

2.2.1 右侧PVT与全脑体素功能连接结果

       对比正常对照组,NE组与右侧PVT功能连接显著减弱的脑区主要位于左侧颞上回;功能连接显著增强的脑区主要位于右侧中央前回。详见表2图1

图1  NE组与右侧PVT功能连接存在显著差异的脑区示意图。图中色度条代表统计检验t值。A:左侧颞上回;B:右侧中央前回。
图2  与正常对照组比较,NE与左侧PVT功能连接存在显著差异的脑区示意图。图中色度条代表统计检验t值。A:脑干;B:左侧颞中回;C:左侧小脑脚Ⅰ区及Ⅱ区;D:右侧中央后回。
表2  NE右侧PVT与全脑功能连接存在显著差异的脑区

2.2.2 左侧PVT与全脑体素功能连接结果

       对比正常对照组,NE组与左侧PVT功能连接显著减弱的脑区主要位于为脑干及左侧颞中回;功能连接显著增强的脑区主要位于左侧小脑及右侧中央后回。详见表3,图2。

表3  NE左侧PVT与全脑功能连接存在显著差异的脑区

3 讨论

       夜间觉醒障碍是NE发病的最基本因素之一,既往fMRI研究大多围绕患儿的认知功能障碍进行,对觉醒障碍研究较少。虽然有少数研究以丘脑为中心来研究NE儿童觉醒障碍机制,但丘脑核团众多,功能复杂,既往研究并未对觉醒功能相关核团进行针对性研究。本研究以丘脑中控制睡眠-觉醒状态转换的关键核团PVT为研究的ROI,通过分析其与全脑体素的功能连接的情况,评估以PVT为信息中继的全脑网络信息在传输和整合中可能出现异常的脑区。研究发现,NE组PVT与全脑的多个脑区存在自发性功能连接改变,这为研究NE觉醒障碍发病机制提供了依据,同时也为NE患儿认知功能缺陷的研究打开了新的视野。

3.1 Voxel-FC分析

       PVT是内部信息整合的关键节点,它的主要功能是通过整合下丘脑和脑干的内部状态信息,以指导恢复稳态的适应性行为反应[10]。PVT整合来自脑干的膀胱充盈信号及前额叶皮层的抑制信号,指导脑干的排尿中枢在允许的场合及时间发出排尿指令。本次研究结果显示NE儿童脑干与左侧PVT功能连接明显减弱,PVT区域性自发性脑活动虽未见明显异常[11],但以其为核心枢纽的信息传递及觉醒通路可能存在功能连接障碍。PVT无法有效的接收膀胱充盈信息,同时也无法将前额叶的排尿抑制信号传达给脑干排尿中枢,导致患儿在夜间睡梦中发生不自主排尿。

       NE儿童各种能力发育的不平衡,在分项测试中言语智商分值较正常儿童显著降低[12],左侧颞上回节点效率异常可能与此有关[13]。左侧的颞上回、颞中回在优势半球是听觉语言中枢的重要组成部分。此外,语言中枢与丘脑的循环回路在支持单词检索、听觉-语言理解和其他语言功能中起重要作用[14]。本次研究结果显示NE儿童左侧颞上回、左侧颞中回与PVT功能连接降低,可能是NE儿童语言类能力降低的原因。

       近年来随着研究的深入,小脑的非运动功能得到了越来越多的重视,特别是小脑后叶,它通过“大脑-小脑环路”参与认知、情感和自主神经功能的调节[15]。连接小脑和大脑皮层的解剖回路分为两阶段,前馈回路(大脑皮质-桥脑-小脑)和反馈回路(小脑-丘脑-大脑皮质)[16]。右侧额顶网络与左侧小脑脚Ⅰ区及Ⅱ区功能密切相关[17]。右侧额顶网络即执行控制网络,反应抑制是执行功能的重要内容之一,NE患儿的夜间不自主排尿与抑制功能减弱有关。既往研究发现NE儿童的大脑整体功能连接水平较低,小脑-丘脑-额叶通路最为明显[18],可能与小脑白质纤维发育异常有关[19]。静息态下NE儿童小脑后叶节点效率降低,两侧小脑间功能连接也显著降低,导致了患儿定时功能紊乱,可能是NE儿童的注意力缺陷原因[20]。本次研究显示左侧小脑脚Ⅰ区及Ⅱ区与左侧PVT功能连接强度增加,一方面验证了既往研究提出的NE患儿存在小脑-丘脑神经环路异常的观点。另一方面,左侧小脑脚Ⅰ区及Ⅱ区与PVT的功能连接是信号反馈的通路的一部分,可能是机体通过反馈信号的增强以弥补右侧额顶网络在反应抑制能力的缺失。

       中央前回是躯体的运动调节区,它与丘脑的连接对感觉系统自上而下的控制以及认知、社交技能都至关重要[21]。既往研究表明丘脑与中央前回的超连接,可能是精神分裂症患者核心认知功能损害的原因[22]。NE儿童精神障碍类疾病发病率较高,且智力结构失衡,记忆/警觉因子显著降低,常伴注意力、执行控制和工作记忆缺陷[23]。本研究结果显示右侧丘脑室旁核与右侧中央前回功能连接增强,可能与NE患儿认知功能障碍相关。

       中央后回是初级躯体感觉皮层的一部分。全身深、浅感觉都通过丘脑-初级感觉皮层纤维束传递到初级躯体感觉皮层,因此在睡眠调节及感觉信息传递方面发挥着重要作用[24]。有研究显示非快速眼动睡眠期,NE患儿丘脑与中央后回皮层功能连接显著减弱,这可能导致夜间膀胱充盈的信号不能有效地上传,进而影响了皮层觉醒反应[6]。由于本研究的纳入标准是日间能控制排尿的NE患儿,推测白天静息态下丘脑内部同源区域神经核团发生功能代偿,通过重组其功能和与感觉皮层的超链接来加强对外部刺激做出反应的能力。

3.2 本研究的局限性

       本研究有以下几点局限:(1)本次研究是回顾性分析,结论缺乏相应的行为学数据支撑;(2)虽然静息态下自发性脑活动可以反映或预测脑功能,但如果能同时结合患儿睡眠期的脑功能情况,可能会更好地解释NE觉醒障碍的神经学机制;(3)两侧PVT,体积较小,采用画小球的方式可能会存在误差;(4) rs-fMRI配准模板采用的是通用EPI模板,未采用更适合中国儿童的脑模板去匹配。后续研究将完善这些不足,联合运用多种成像方式及研究手段,并将功能神经影像学改变与临床指标做相关分析,为NE发病机制的研究提供更加详实、可靠的证据。

       综上所述,本研究首次采用了PVT作为研究的ROI,分析静息态下其与全脑体素的功能连接情况,研究发现NE患儿PVT与多个脑区存在异常的功能连接,这可能是NE患儿觉醒障碍及认知功能缺陷的原因之一。

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