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基础研究
伴中央颞区棘波儿童良性癫痫海马功能连接改变的fMRI研究
马雪英 班超 赵鹏飞 牛广明 乔鹏飞

Cite this article as: Ma XY, Ban C, Zhao PF, et al. A fMRI study of hippocampal functional connectivity changes in benign childhood epilepsy with centrotemporal spikes[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(2): 22-25.本文引用格式:马雪英, 班超, 赵鹏飞, 等. 伴中央颞区棘波儿童良性癫痫海马功能连接改变的fMRI研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 22-25. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.005.


[摘要] 目的 探讨伴中央颞区棘波儿童良性癫痫(benign epilepsy with centrotemporal spikes,BECTS)海马不同分区与全脑功能连接的变化,分析其潜在的神经机制和临床指导价值。材料与方法 前瞻性收集44例BECTS患儿和35例年龄、性别匹配的健康对照的脑静息态血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)数据,采用基于种子点的功能连接分析方法,分别分析前、后海马与全脑功能连接改变。结果 与健康对照相比,BECTS患儿左侧前海马与右侧楔前叶、右侧顶下小叶、左侧颞中回的功能连接度降低(P<0.001);右侧前海马与左侧颞中回颞极、右侧海马旁回、右侧额中回眶部的功能连接度降低(P<0.001);左侧后海马与左侧海马、右侧顶下小叶的功能连接降低(P<0.001);右侧后海马与右侧舌状回、右侧海马旁回的功能连接度升高(P<0.001)。结论 BECTS患儿海马与全脑功能连接特征发生改变,对于理解BECTS潜在的神经病理机制具有重要意义。
[Abstract] Objective To detect the changes of functional connection between subregions of the hippocampus and the whole brain in children benign epilepsy with centrotemporal spikes (BECTS) and analyze the potential neural mechanism and clinical value.Materials and Methods The resting state blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD-fMRI) whole brain data of forty-four BECTS patients and thirty-five age-and sex-matched healthy controls were prospectively collected. Functional connectivity analysis method based on seed points was used to analyze the functional connection between the anterior and posterior hippocampus and the whole brain respectively.Results Compared with healthy controls, functional connectivity between the left anterior hippocampus and the right precuneus, the right inferior parietal lobule, and the left middle temporal gyrus was decreased in BECTS children (P<0.001). The functional connectivity between the right anterior hippocampus and the left middle temporal gyrus temporal pole, right parahippocampal gyrus, and right middle frontal gyrus orbital was decreased (P<0.001); The functional connectivity between the left posterior hippocampus and the left hippocampus and the right inferior parietal lobule was decreased (P<0.001); The functional connectivity between the right posterior hippocampus and the right lingual gyrus and the right parahippocampal gyrus was increased (P<0.001).Conclusions The functional connectivity between the hippocampus and the whole brain in BECTS children was changed, which had a great significance on understanding the underlying neuropathological mechanism of BECTS.
[关键词] 伴中央颞区棘波儿童良性癫痫;海马;功能连接;静息态;血氧水平依赖;功能磁共振成像
[Keywords] benign childhood epilepsy with centrotemporal spikes;hippocampus;functional connectivity;resting state;blood oxygen level dependent;functional magnetic resonance imaging

马雪英    班超    赵鹏飞    牛广明    乔鹏飞 *  

内蒙古医科大学附属医院影像诊断科,呼和浩特 010030

乔鹏飞,E-mail:qpfff@126.com

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 内蒙古自治区科技计划项目 2019GG110
收稿日期:2021-07-12
接受日期:2021-12-28
中图分类号:R445.2  R742.1 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.02.005
本文引用格式:马雪英, 班超, 赵鹏飞, 等. 伴中央颞区棘波儿童良性癫痫海马功能连接改变的fMRI研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(2): 22-25. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.02.005

       伴中央颞区棘波儿童良性癫痫(benign childhood epilepsy with centrotemporal spikes,BECTS)又称为Rolandic癫痫,是儿童最常见的特发性癫痫,脑电图可见中央-颞区棘波,患儿常表现为夜间癫痫发作[1],15岁以下儿童发病率约为15%~25%[2],并呈现一定的年龄依赖性,多数在3~13岁发病,青少年期缓解,但部分患儿可能会发展为难治性癫痫,影响患儿认知发育[3]

       现有假设认为儿童癫痫可能与脑发育阶段突触功能失调有关,从而影响患儿脑神经重塑发育[4]。近年来,随着神经影像学的发展,研究者发现借助结构神经影像技术发现癫痫患儿脑灰质体积和皮层厚度增加,海马区平均扩散峰度值(mean kurtosis,MK)降低,提示BECTS患儿可能存在脑发育异常[5, 6]。同时,也有研究指出BECTS患儿存在海马区自发性脑活动异常,并且与认知功能改变存在相关性[8]。结构和功能影像学研究均提示海马区可能是BECTS神经机制的关键脑区。越来越多研究显示,海马不同的亚区参与脑记忆、执行、情绪等多种功能,以钩突为分界将海马分为前海马、后海马,更符合海马的结构和功能连接特点。本研究拟借助静息态功能MRI,以海马为研究核心,对BECTS的潜在神经机制进行进一步探讨。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究共纳入于2018年2月至2019年11月在内蒙古医科大学附属医院就诊的BECTS患儿44例,其中男23例,女21例,年龄7~14 (9.62±2.26)岁,同期纳入年龄-性别匹配的健康志愿者35例,男17例,女18例,年龄8~14 (9.81±2.52)岁。本研究经内蒙古医科大学附属医院伦理委员会批准(伦理意见号:S.2019014),所有入选被试入组前均签署知情同意书。

1.2 纳入及排除标准

       BECTS患儿组纳入标准:(1)符合2014年国际抗癫痫联盟制定的癫痫综合征分类中BECTS的诊断标准,表现为发作期间脑电图有一侧或双侧中央-颞区高波幅的单个或成簇的棘波、尖波,常伴有慢波;(2)右利手;(3)年龄18周岁以下。正常健康对照组纳入标准:(1)右利手;(2)年龄18周岁以下。

       BECTS患儿组及正常健康对照组排除标准:(1)伴认知行为及情绪异常,如智力发育障碍、注意力缺陷、多动、明显焦虑、抑郁等;(2)常规头颅MRI检查脑内存在器质性病变及发育畸形;(3) MRI检查头动参数大于3 mm或者3°;(4)近3个月服用过中枢兴奋或抑制类药物史;(5)听力或视力丧失;(6)正在参加其他临床试验。

1.3 检查方法

       所有被试在充分告知检查注意事项后,与患儿及家属进行充分沟通,尽量保持放松,双耳塞入降噪海绵耳塞,用海绵垫固定患者头部,并在扫描过程中保持头部不动,之后行全颅脑MRI扫描。扫描仪器采用美国GE Discovery 750 3.0 T超导型磁共振扫描仪,配备标准八通道头颅相控阵线圈,扫描序列及参数如下:(1) T2WI:TR 9637 ms,TE 92 ms,层厚4 mm,层数2;(2)三维结构成像采用三维颅脑容积成像(three-dimension brain volume imaging,3D-BRAVO)序列:TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,回波链长度1,矩阵大小512×512,层厚1 mm,体素大小1 mm×1 mm×1 mm,共152层;(3)静息态血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)采用梯度平面回波序列(gradient echo sequences-echo planar imaging,GRE-EPI):TR 2000 ms,TE 30 ms,翻转角90°,FOV 240 mm×240 mm,层厚3 mm,层间距0,体素大小3 mm×3 mm×3 mm,共190个时间点。

1.4 影像学数据分析与处理

       第一步,利用Neurosynth平台分析总结特异于癫痫的核心脑机制。Neurosynth平台是一种基于自然语言处理和机器学习的全自动化元分析技术,其最重要的特点是可以进行逆向推断,即根据现有的脑活动模式推断相应的心理认知过程。借助该平台,分析与癫痫相关脑活动异常区域,选择适当种子点做基于种子点的功能连接分析。结果显示,与癫痫相关脑活动异常区域主要包括双侧海马区以及双侧颞极区域(图1)。

       第二步,基于种子点的功能连接分析。数据处理采用静息态数据处理工具(Data Processing Assistant for Resting-State fMRI,DPARSF)软件包(http://rfmri.org/DPARSF),和SPM12工具包(Statistical Parametric Mapping-12 software,https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/),经过数据格式转换、去时间点、时间校正、头动校正、空间配准、平滑、去漂移、滤波等预处理流程,其中空间配准选择先将T1结构像与标准模板配准,再将配准后的参数应用于功能像,最后将功能图像配准到EPI空间模板上。第一步元分析结果显示,癫痫患者双侧海马区域脑活动存在差异,由此基于中科院人类脑网络Atlas246模板[9],我们选择双侧前海马(喙侧)和后海马(尾侧)共4个种子点mask,提取种子点时间序列的均值,分别与全脑体素的时间序列均值进行相关性分析,经过Fisher Z变换之后,基于SPM12统计工具进行两组功能连接度的组间差异比较,P<0.001为差异具有统计学意义。

图1  Neurosynth meta分析癫痫相关脑区图谱。与癫痫相关脑活动异常区域主要包括双侧海马区以及双侧颞极区域。
图2  以双侧前后海马为种子点分别与全脑行功能连接分析的组间比较。海马与全脑功能连接降低的脑区主要有右侧楔前叶、右侧顶下小叶、左侧颞中回、左侧颞中回颞极、右侧额中回眶部、右侧海马旁回、左侧海马;功能连接升高的脑区主要包括右侧舌状回、右侧海马旁回。215_hipp_l_2_1:左侧前海马;216_hipp_r_2_1:右侧前海马;217_hipp_l_2_2:左侧后海马;218_hipp_r_2_2:右侧后海马。
Fig. 1  Neurosynth meta analysis of abnormal brain regions associated with epilepsy, which mainly included bilateral hippocampi and temporal pole regions.
Fig. 2  Group comparison of functional connectivity based on seed analysis between the anterior and posterior hippocampus and the whole brain. The functional connections between the hippocampus and the whole brain were decreased mainly in the right precuneus, right inferior parietal lobule, left middle temporal gyrus, left temporal pole, middle frontal gyrus orbital, right parahippocampal gyrus, and left hippocampus. The decreased functional connectivity of the brain regions mainly included the right lingual gyrus and the right parahippocampal gyrus. 215_hipp_l_2_1: left anterior hippocampus; 216_hipp_r_2_1: right anterior hippocampus; 217_hipp_l_2_2: left posterior hippocampus; 218_hipp_r_2_2: right posterior hippocampus.

1.5 统计学方法

       采用SPSS 25.0软件进行统计学分析。计量资料以均数±标准差(x¯±s)表示,性别采用例数和率表示。计量资料的正态性检验采用Shapiro-Wilk检验,当P>0.1时认为资料服从正态性分布。方差齐性检验采用Levene检验。当两组计量资料同时满足正态分布和方差齐性时,采用独立样本t检验;当数据服从正态分布但不满足方差齐性时,采用t′检验;当任意一组不服从正态分布时,采用Mann-Whitney U非参数检验。性别比较采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

       BECTS患儿组与健康对照组间性别及年龄差异无统计学意义(P>0.05)。Neurosynth平台元分析结果显示,与癫痫相关脑活动异常区域主要包括双侧海马区以及双侧颞极区域(图1)。以双侧前后海马与全脑行功能连接分析显示,与健康对照相比,以左侧前海马(ROI 215_hipp_l_2_1)为种子点,BECTS患儿左侧前海马与右侧楔前叶、右侧顶下小叶、左侧颞中回的功能连接度降低(P<0.001);右侧前海马(ROI 216_hipp_r_2_1)与左侧颞中回颞极、右侧海马旁回、右侧额中回眶部的功能连接度降低(P<0.001);左侧后海马(ROI 217_hipp_l_2_2)与左侧海马、右侧顶下小叶的功能连接降低(P<0.001);右侧后海马(ROI 218_hipp_r_2_2)与右侧舌状回、右侧海马旁回的功能连接度升高(P<0.001) (表1,图2)。

表1  双侧前、后海马全脑功能连接组间差异结果
Tab. 1  Comparison of functional connectivity between the bilateral anterior and posterior hippocampus and whole brain in groups

3 讨论

       既往研究认为BECTS是脑内Rolandic区异常癫痫样放电,从而产生一系列临床症候,Rolandic区主要包括中央前回下部和部分中央后回等脑区,故BECTS又称为Rolandic癫痫。但近年来随着神经影像技术的不断更迭和进步,如BOLD、弥散张量成像、磁共振波谱成像等多种技术手段的应用,可以从神经活动、白质结构以及脑内代谢物的改变等多个层次对BECTS的神经机制进行进一步探索,尤其是静息态磁共振功能成像的应用以及其分析方法的不断改进和完善,人们发现BECTS发病机制中可能涉及多个脑区,其中基于种子点的功能连接分析方法,由于其可操作性和可重复性强的优势,成为了不可或缺的重要研究手段。基于种子点的功能连接分析是随着BOLD等功能成像方法的深入认识和应用而逐渐发展成熟的一种重要分析手段,它是一种利用模型驱动的脑功能成像分析方法,通过先验知识选择“种子点”,计算与全脑各体素间的功能连接度,当某些脑区与该种子点表现出高度时域一致性的特征时,共同形成与某些功能相关的脑网络[10]。本研究试图利用基于种子点的功能连接分析方法探讨BECTS患儿海马功能活动及其与相关脑区功能连接改变。

       海马被认为是癫痫神经机制网络中极为重要的一个节点,对癫痫异常放电的回路中发挥重要作用。故本研究选择以海马为核心脑区,对BECTS患儿癫痫元分析,在此基础上进一步将其与健康对照海马功能连接改变的特征分析,结果发现BECTS患儿双侧海马区功能活动存在异常。既往神经研究显示BECTS患儿海马存在结构和功能异常。Lundberg等[11]利用磁共振波谱成像探究了BECTS患儿双侧海马代谢的不对称性,结果显示与健康儿童相比,患儿海马tNAA/tCr不对称指数明显升高。也有研究发现,BECTS患儿海马旋转不良的发生率约为44%,进一步说明BECTS发病机制可能与海马有关[12]。此外,近年来BECTS患儿认知心理发育受到越来越多的关注,有研究显示患儿在记忆、执行功能、注意力、语言、运算等方面存在问题[13, 14]。海马参与多种认知功能的信息处理与加工,其中海马被认为是记忆功能形成和转化的中心,尤其是从初始记忆编码到不稳定记忆的存储,海马突触可塑性发挥极为重要的作用[15]。有学者研究发现BECTS儿童学习记忆、回忆、短时记忆和长时记忆功能下降,可能提示了患儿海马功能存在异常[16]

       海马是一个功能分区极为复杂的结构,目前较为普遍接受的分区方法是以海马钩突为界,分为前海马和后海马区域(anterior hippocampus and posterior hippocampus)[17]。研究显示,前后海马与大脑半球及深部灰质核团存在广泛的解剖连接,如前海马通过钩束与内侧前额叶、颞极等结构相联系,与顶叶、枕叶、扣带回、丘脑等脑区通过内嗅皮层及穹隆相连接,通过这些广泛的神经连接发挥着不同的神经功能[18]。本研究结果显示BECTS患儿前、后海马与海马旁回、眶额叶皮层、顶下小叶、楔前叶、颞中回等脑区的功能连接异常。Bourel-Ponchel等[19]采用脑电图结合功能近红外成像方法,发现BECTS患者致痫区与额叶、顶叶的结构-功能连接减低,且与患儿认知功能下降存在相关性,提示BECTS患儿在脑发育阶段可能存在神经网络的组织混乱,从而影响认知功能发育。与本研究结果相一致的是,国外学者发现BECTS患儿脑默认网络功能连接存在异常[20, 21]。神经生理学研究证实前、后海马与眶额叶皮层通过单突触投射直接联系,而大量研究显示前额叶是稳定记忆巩固和检索的主要脑区[18]。同样,海马与顶下小叶也存在着广泛的直接和间接连接。顶下小叶作为后顶叶的组成部分,传统认为其与注意力、感知等功能有关,但现在越来越多的研究显示其在情景记忆检索中发挥至关重要的作用[22]。本研究发现BECTS患儿海马与眶额叶皮层、顶下小叶的功能连接发生改变,提示可能影响患儿认知发育。

       综上所述,本研究采用基于种子点的功能连接方法,选择双侧前、后海马为种子点,探讨BECTS患儿海马与全脑功能连接特征,结果提示患儿前后海马与额叶、顶叶、颞叶多个脑区存在功能连接改变,这些功能发生改变的脑区与癫痫患儿认知行为发育息息相关,对于理解BECTS潜在的神经病理机制具有促进意义,对癫痫的诊疗和预后的评估提供客观的影像学证据。

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