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基础研究
急性和缓解期多发性硬化全脑的相干局部一致性研究
朱艳艳 王瑶 何婷 王磊 黄木华 周福庆

Cite this article as: Zhu YY, Wang Y, He T, et al. Coherence-based regional homogeneity study of acute and remitting multiple sclerosis[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(3): 31-36.本文引用格式:朱艳艳, 王瑶, 何婷, 等. 急性和缓解期多发性硬化全脑的相干局部一致性研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(3): 31-36. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.03.007.


[摘要] 目的 探讨急性和缓解期复发-缓解型多发性硬化(relapsing-remitting multiple sclerosis,RRMS)全脑相干局部一致性(coherence-based regional homogeneity,Cohe-ReHo)的变化特点及其临床相关。方法 收集20例急性期RRMS、35例缓解期RRMS以及20例性别、年龄大致匹配的健康对照(healthy control,HC)的静息态功能磁共振成像数据,对所得数据进行Cohe-ReHo计算后,通过方差分析和Post-Hoc检验进行组间比较;随后,将差异有统计学意义脑区的Cohe-ReHo值与患者的扩展残疾状态评分(Expanded Disability Status Scale,EDSS)、进步式听觉累加测试-3s (Paced Auditory Serial Addition Test 3s,PASAT-3s)评分及病程进行偏相关分析。结果 与HC相比,急性和缓解期RRMS的双侧前扣带回和左侧额上回的Cohe-ReHo均显著减低(P<0.001);与HC或缓解期RRMS相比,急性期RRMS右侧楔叶/枕中回Cohe-ReHo升高(P<0.001)。急性期EDSS评分与左侧额上回Cohe-ReHo值呈负相关(r=-0.493,P=0.037),缓解期PASAT-3s评分与左侧额上回Cohe-ReHo值呈负相关(r=-0.382,P=0.028)。结论 急性和缓解期RRMS患者均存在与疾病相关的脑功能活动改变,且缓解期RRMS左侧额上回Cohe-ReHo的异常改变与其认知功能受损有关;相对而言,急性RRMS为尽可能维持功能稳定,调动了更多涉及视觉信息处理的脑区。
[Abstract] Objective To explore the coherence-based regional homogeneity (Cohe-ReHo) alterations of acute and remitting relapsing-remitting multiple sclerosis (RRMS) and it's clinical relevance.Materials and Methods Resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) data were obtained from 20 acute RRMS, 35 remitting RRMS and 20 healthy controls (HC), after the Cohe-ReHo calculation of the rs-fMRI scan, ANOVA and followed Post-hoc analysis was used for comparison between groups; a partial correlation analysis was followed performed on the Cohe-ReHo value in regions with significant differences between groups and the Expanded Disability Status Scale (EDSS), the Paced Auditory Serial Addition Test-3s (PASAT-3s) and the disease duration.Results Compared with HC, acute and remitting RRMS all showed decreased Cohe-ReHo in the bilateral anterior cingutate and left superior frontal gyrus (P<0.001); compared with HC or remitting RRMS, acute RRMS showed increased Cohe-ReHo in the right cuneus and middle occipital gyrus (P<0.001). EDSS was negatively correlated with the Cohe-ReHo of the left superior frontal gyrus in acute RRMS (r=-0.493, P=0.037) and the PASAT-3s was negatively correlated with the Cohe-ReHo of the left superior frontal gyrus in remitting RRMS (r=-0.382, P=0.028).Conclusions Both acute and remitting RRMS patients have disease-related brain dysfunction, while the acute RRMS patients mobilized more brain regions involving visual information processing in an attempt to maintain functional stability.
[关键词] 急性期;缓解期;复发缓解型多发性硬化;相干局部一致性;静息态功能磁共振成像
[Keywords] acute;remitting;relapsing-remitting multiple sclerosis;coherence-based regional homogeneity;resting-state functional magnetic resonance imaging

朱艳艳    王瑶    何婷    王磊    黄木华    周福庆 *  

南昌大学第一附属医院放射科,南昌 330006

周福庆,E-mail:fq.chou@yahoo.com

作者利益冲突声明:全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家自然科学基金 81560284
收稿日期:2021-09-04
接受日期:2022-03-07
中图分类号:R445.2  R743.1 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.03.007
本文引用格式:朱艳艳, 王瑶, 何婷, 等. 急性和缓解期多发性硬化全脑的相干局部一致性研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(3): 31-36. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.03.007

       多发性硬化(multiple sclerosis,MS)是一种慢性自身免疫性疾病,以中枢神经系统弥漫性炎性脱髓鞘病变为特征,患者可存在视觉、认知及运动等功能损害,复发缓解型MS (relapsing remitting MS, RRMS)是最常见类型。常规MRI扫描在MS的诊断和评估中发挥了重要作用,但其不能很好地解释MS病灶与躯体残疾状态间的关系。近年来,静息态功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)已经成为测量人类大脑生理/病理状态下内在活动改变的常用研究工具,从神经影像学角度揭示了多发性硬化患者临床功能损害的潜在神经生物学机制[1, 2],然而这些研究大多集中于MS的缓解期。局部一致性(regional homogeneity,ReHo)是rs-fMRI一种常用分析方法,可间接反映大脑某特定区域自发神经功能活动的时间同步性[3]。相对于肯德尔和谐系数的局部一致性(Kendall′s coefficient of concordance regional homogeneity,KCC-ReHo),基于相干算法的局部一致性(coherence-based regional homogeneity,Cohe-ReHo)更不易受MRI时间序列相位延迟所致随机噪声的影响,准确性会更高[3, 4]。因此,本研究拟采用Cohe-ReHo方法探讨急性期、缓解期RRMS以及健康对照局部脑活动一致性改变,以期加深对不同疾病状态下RRMS患者的神经病理机制的理解。

1 资料与方法

1.1 研究对象

       RRMS组:前瞻性纳入自2012年9月至2019年6月期间就诊于南昌大学第一附属医院神经内科的RRMS患者55例(男20例,女35例),其中急性期20例,缓解期35例,具体临床资料见表1。纳入标准如下:(1)符合2017年McDonald临床诊断标准[5]并参照国内专家共识[6],具有典型的复发-缓解病程。(2)急性期RRMS组:急性发作或急性功能损害,至少持续24 h。(3)缓解期RRMS组:MRI测量前3个月无急性发作,未接受皮质类固醇或免疫抑制剂等治疗史;缓解期RRMS患者的扩展残疾状态量表(Expanded Disability Status Scale,EDSS)评分<2.5,反映残疾程度相对最低[7]。(4)右利手。(5)无其他精神神经疾病、无脑外伤病史或昏迷史等;无糖尿病、肝功能衰竭或心血管疾病等系统性疾病。(6)无MRI扫描禁忌证:如体内有金属植入物、幽闭恐惧症或不能耐受磁共振扫描患者。所有RRMS患者在扫描前进行EDSS评分及进步式听觉累加测试(Paced Auditory Serial Addition Test 3s,PASAT-3s)。

       健康对照(healthy control,HC)组:同期招募性别、年龄与患者组相匹配的20名健康志愿者作为对照组,其中男11名,女9名,均无神经精神系统疾病史且神经系统体检正常,无MRI扫描禁忌证,所有受试者为右利手。

       本研究获得本院生物医学科研伦理委员会批准(批准文号:4-074号),所有受试者均签署知情同意书。

表1  受试者临床资料统计表
Tab. 1  Clinical characteristics' statistical table of subjects

1.2 数据采集

       使用3.0 T超导磁共振扫描仪(Trio Tim,Siemens,德国)及标准8通道头颅线圈采集数据。扫描过程中,要求受试者佩戴降噪耳机并平卧于检查床上,保持安静、闭眼,头脑放空尽量不做思维活动。同时,使用配套泡沫垫固定受试者的头部防止或减少头动。rs-fMRI扫描序列采用梯度回波平面成像序列,扫描参数:TR 2000 ms,TE 30 ms,翻转角90°,扫描视野210 mm×210 mm,层数30层,层厚4 mm,层距1.2 mm,矩阵64×64,体素大小3.3 mm×3.3 mm×4.0 mm,扫描时间486 s。三维磁化强度预备梯度回波 T1序列矢状位扫描:TR 1900 ms,TE 2.26 ms,扫描视野215 mm×230 mm,矩阵240×256,层数176,层厚1 mm,体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。另外获取常规序列如T1WI、T2WI及液体衰减反转恢复序列等用于诊断和除外脑部其他病变。

1.3 数据分析

1.3.1 数据预处理

       基于MATLAB 2014b平台,采用rs-fMRI数据处理助手(Data Processing & Analysis for Brain Imaging,DPABI) V4.2 (http://rfmri.org/dpabi)对fMRI数据进行预处理。主要步骤包括:去除前10个时间点的数据、时间层校正、头动校正(剔除头部运动>1.5 mm或旋转运动>1.5°的被试)、基于T1结构像配准并利用DARTEL算法进行结构图像的分割、将功能磁共振数据归一化至蒙特利尔标准空间、数据重采样处理(采样体素大小为3 mm×3 mm×3 mm)、去除协变量(去除由于头动参数、脑白质和脑脊液信号等造成的非神经元噪声,需注意的是没有进行全局信号回归)以及滤波(0.01~0.08 Hz)去低频漂移和高频噪声等处理等。

1.3.2 Cohe-ReHo分析

       在MATLAB 2014b平台上应用静息态功能磁共振数据处理工具包 plus V1.2 (REST plus V1.2,http://restfmri.net/forum/RESTplusV1.2)进行Cohe-ReHo的计算,既往研究[6]介绍了计算Cohe-ReHo的详细过程,简单来说,主要包括三个步骤:(1)计算给定体素团块内任意两个时间序列之间的功率谱和交叉频谱;(2)利用功率谱和交叉频谱估计低频波段(0.01~0.08 Hz)内任意两个时间序列的相干性;(3)计算给定体素团块内Cohe-ReHo,将团块内给定体素的平均相干系数应用于团块的中心体素以代表该体素的Cohe-ReHo。

       基于体素水平获取每一受试者的Cohe-ReHo图,并对其进行全脑平均达到标准化效果。最后对每个受试者的Cohe-ReHo图进行全宽半高(FWHM,6 mm)高斯平滑处理,所得图像进入统计学分析。

1.4 统计学分析

       利用DPABI_V4.2对3组Cohe-ReHo统计图进行方差分析来比较急性期RRMS、缓解期RRMS和HC三组之间Cohe-ReHo差异,结果采用高斯随机场理论校正(体素水平P<0.01,簇水平P<0.05;双侧检验)。将方差分析结果中差异有统计学意义的脑区分别制作成mask,作为ROI,然后提取每个受试者ROI对应的Cohe-ReHo值,在SPSS 13.0软件中进行Post-Hoc分析,比较亚组之间(急性期RRMS vs.HC、缓解期RRMS vs.HC、急性期RRMS vs.缓解期RRMS)的Cohe-ReHo差异。最后,采用偏相关分析(年龄、性别为协变量)评估有统计学意义的差异脑区Cohe-ReHo值与EDSS评分、PASAT-3s评分以及病程之间的相关性,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料

       本研究3组间的年龄和性别差异均无统计学意义(P>0.05);急性期RRMS与缓解期RRMS在病程上差异无统计学意义(P=0.800);急性期RRMS与缓解期RRMS的EDSS和PASAT-3s评分差异有统计学意义(P<0.001)。具体结果详见表1

2.2 Cohe-ReHo空间分布和组间比较

       急性期RRMS组、缓解期RRMS组和HC组的全脑Cohe-ReHo空间分布相似(图1)。

       方差分析显示3组间Cohe-ReHo差异具有统计学意义的脑区主要分布在双侧前扣带回、右侧楔叶/枕中回及左侧额上回(体素水平P<0.01,簇水平P<0.05,高斯随机场理论校正;表2图2)。组间Post-Hoc检验显示,急性期RRMS组与HC组相比,双侧前扣带回及左侧额上回Cohe-ReHo值降低(图3A、3B),右侧楔叶/枕中回Cohe-ReHo值升高(图3C)。缓解期RRMS组与HC组相比,双侧前扣带回与左侧额上回Cohe-ReHo值降低(图3A、3B)。急性期RRMS组与缓解期RRMS组相比,右侧楔叶/枕中回Cohe-ReHo值升高(图3C)。

图1  急性期RRMS、缓解期RRMS及HC组的全脑Cohe-ReHo空间分布。
Fig. 1  The spatial distribution of Cohe-ReHo in the acute RRMS, remitting RRMS and HC.
图2  三组间Cohe-ReHo值比较差异有统计学意义的脑区分布(体素水平P<0.01,簇水平P<0.05,高斯随机场理论校正)。
图3  急性期RRMS、缓解期RRMS及HC组双侧前扣带回、左侧额上回、右侧楔叶/枕中回的Cohe-ReHo值组间比较(Post-Hoc检验,P<0.05)。
Fig. 2  Brain regions with significant differences in Cohe-ReHo among patients with acute RRMS, remitting RRMS, and healthy controls (voxel-level P<0.01, GRF correction, cluster-level P<0.05).
Fig. 3  Comparison of Cohe-ReHo values in bilateral anterior cingulate, left superior frontal gyrus, right cuneus/middle occipital gyrus among the acute RRMS, remitting RRMS, and healthy controls (Post-Hoc test, P<0.05).
表2  三组间Cohe-ReHo值比较差异有统计学意义的脑区(体素水平P<0.01,簇水平P<0.05,高斯随机场理论校正)
Tab. 2  Brain regions with significant differences in Cohe-ReHo among the acute RRMS, remitting RRMS and healthy controls groups (voxel-level P<0.01, GRF correction, cluster-level P<0.05)

2.3 组间差异脑区的Cohe-ReHo值与患者临床参数的相关性分析

       偏相关分析结果显示,急性期RRMS的EDSS评分与左侧额上回的Cohe-ReHo值呈负相关(r=-0.493,P=0.037),缓解期RRMS组的PASAT-3s评分与左侧额上回的Cohe-ReHo值呈负相关(r=-0.382,P=0.028),如图4所示。

图4  缓解期RRMS左侧额上回的Cohe-ReHo值与PASAT-3s评分呈负相关及急性期RRMS左侧额上回Cohe-ReHo值与EDSS评分呈负相关。PASAT-3s:进步式听觉累加测试-3;EDSS:扩展残疾状况评分量表。
Fig. 4  The Cohe-ReHo value of the left superior frontal gyrus was negatively correlated with PASAT-3s in remitting RRMS and negatively correlated with EDSS in acute RRMS. PASAT-3s: Paced Auditory Serial Addition Test 3s; EDSS: Expanded Disability Status Scale.

3 讨论

       本研究采用Cohe-ReHo分析方法,观察了静息状态下RRMS患者在急性期和缓解期的全脑局部神经活动改变特点。急性期和缓解期RRMS在双侧前扣带回和左侧额上回检测到相似的Cohe-ReHo减低改变,且缓解期RRMS左侧额上回Cohe-ReHo的异常改变与缓解期RRMS患者的认知功能受损有关。然而,仅在急性期RRMS患者中检测到右侧楔叶/枕中回的Cohe-ReHo增高,提示相对于缓解期RRMS患者,RRMS在急性状态下需招募更多视觉信息加工处理相关神经元,这为进一步揭示RRMS患者在不同疾病阶段行为障碍相关的神经影像学机制提供新思路。

3.1 急性期和缓解期RRMS患者均存在认知功能相关脑区的Cohe-ReHo改变

       与HC组相比,急性期和缓解期RRMS患者存在相似的Cohe-ReHo减低改变,Cohe-ReHo减低的脑区均分布在双侧前扣带回及左侧额上回。额上回属于前额叶组成脑区,前额叶皮层在人类高级认知活动中,被认为是情绪调节的关键脑区[8]。扣带回位于额叶内侧面胼胝体的前端,是边缘系统的重要组成部分。扣带回与大脑其他众多的脑区比如岛叶、内侧丘脑、纹状体等之间有着广泛的纤维连接,被认为在认知以及情感方面起着重要的作用[9, 10]。早期病理研究即发现前扣带回及额上回比其他脑区更容易出现脱髓鞘病灶[11],这种额叶的损伤在RRMS脑血流灌注相关研究中也得以体现,研究表明RRMS额上回脑血流量及脑血容量降低[12]。随后的多模态MRI研究也提示了RRMS患者额上回及前扣带回的功能和结构损害,如RRMS患者存在边缘系统和背外侧前额叶皮质的灰质横向弛豫率减低及额顶神经网络完整性下降等[13, 14]。为此本研究结果进一步验证了RRMS患者的认知功能相关脑区局部神经元活动受损,并且不论是在急性期还是缓解期,RRMS患者均出现了双侧前扣带回和左侧额上回的Cohe-ReHo降低,我们推测这种Cohe-ReHo的降低可能由局部皮质病灶潜在的不可逆轴突损伤所致。

       既往利用KCC-ReHo方法的RRMS研究提示尾状核的KCC-ReHo下降与RRMS患者疲劳对认知控制功能的影响有关及RRMS患者运动功能障碍可能与患者运动相关脑区KCC-ReHo减低有关[15],本研究虽未揭示相似功能脑区的异常改变及其与临床的相关性,但所检测到的左侧额上回Cohe-ReHo降低与先前其他fMRI研究结果大致相符,先前多项研究已经表明了认知功能相关脑区活动受损在MS中的重要作用并发现额上回病变与MS患者认知功能改变有密切联系[14]。大约40%~70% MS患者会出现认知功能障碍,MS的认知障碍与病程没有很好的相关性,也不像其身体残疾那样遵循相同的发展规律[16]。目前较为一致的观点认为结构网络的连接中断与MS患者注意力、语言学习、记忆等认知功能的降低有关,而功能网络的连接增加与降低都被认为是MS患者认知障碍的潜在基础,具体机制目前尚存在争议[17, 18, 19]。而对于本研究的相关分析结果而言,缓解期RRMS左侧额上回Cohe-ReHo值与PASAT-3s评分呈负相关这一结果更支持前者“功能连接的增加是MS认知障碍的潜在基础”观点,也就是说这种局部脑区功能活动的同步性提升可能不一定对MS有益,可能是为了应对结构损伤进行适应性重塑的失败尝试[18, 19]。而急性期RRMS左侧额上回Cohe-ReHo值与EDSS评分呈负相关,EDSS评分是一种广泛应用于评价中枢神经系统功能障碍的评估量表,以往研究表明,MS患者的EDSS评分通常与感觉运动网络有关[20],与本研究结果不符,这种差异在先前研究中也出现过,如认知功能相关的大脑区域左侧苍白球和左侧前扣带回之间的功能连接增强与MS患者的运动功能障碍有关[21],导致这种差异的确切原因尚不清楚,可能是脑功能活动紊乱所致的微弱相关。

3.2 仅在急性期RRMS患者中检测到视觉信息处理相关脑区的Cohe-ReHo升高

       复发缓解型是多发性硬化最常见的临床类型,反复发作和缓解最终将导致神经功能不可逆损伤。临床急性发作或复发反映了中枢神经系统的急性炎症,通常,每次发作都涉及中枢神经系统不同的解剖区域,导致不同的临床表现。先前的病理研究发现,MS患者在不同疾病阶段的病理改变不同,在急性期或者复发期往往会出现新的白质病灶,其中典型的活动性病灶在急性症状中占主导地位[22],随着病程延长,炎症减少,但靶组织对神经退行性病变的易感性增加,这也是患者在缓解期仍然会出现部分躯体功能障碍的基础。脱髓鞘是MS的特征性表现,急性局灶性脱髓鞘导致明显的轴突损伤和丧失,大多数轴突在最初的损伤中存活并可发生有限的再髓鞘化,逐渐形成所谓的慢性病变[23, 24]。综上也不难理解本研究中所显示的RRMS患者在急性期和缓解期存在着不同Cohe-ReHo改变这一现象。

       具体而言,急性期相对于缓解期RRMS患者楔叶/枕中回的Cohe-ReHo异常增高。楔叶和枕中回均属于视觉加工脑区,主要负责视觉信息的获取和输入,参与视空间信息的处理[25, 26]。先前研究表明MS患者存在视觉网络连接模式的改变[27, 28],本研究发现急性期RRMS患者在楔叶/枕中回Cohe-ReHo增高,进一步验证了MS患者视觉网络功能的异常改变,并主要发生在RRMS患者的急性期阶段,而在缓解期RRMS尚未检测到相似改变,可能是缓解状态下MS中枢神经系统局灶性脱髓鞘病变再髓鞘化恢复所产生的一种重要神经保护策略[23, 24]。此外,以往研究提示MS即使在没有视神经炎或者视觉症状的情况下,视觉通路仍存在进行性的功能损害[29, 30]。为此,我们推测本研究中急性期RRMS楔叶/枕中回的异常激活可能是应对患者后视觉通路亚临床损伤或者视神经亚临床脱髓鞘病变所产生的自适应性代偿。同时,上述脑区的异常激活仅在急性期RRMS患者中检测到,提示相对于缓解期RRMS,急性期患者需要动员更多的视觉信息加工处理相关神经元,以保持功能的一致性用于处理相关信息。

       本研究尚存在不足,本研究的群体仅限于EDSS评分较低RRMS患者(为保证扫描安全性);本研究仅进行了横向研究,未来应该增加纵向数据,以获得更多关于MS整个疾病周期的Cohe-ReHo变化趋势,这将利于揭示疾病病理生理进展相关的神经影像学机制。

       综上所述,RRMS患者在急性和缓解状态下均存在认知功能相关脑脑区的局部脑功能活动改变,并且缓解期RRMS左侧额上回Cohe-ReHo的异常改变与其认知功能受损有关;不同的是相对于缓解期RRMS患者,急性期RRMS为了维持功能稳定,动员了更多与视觉信息加工处理相关的脑区。

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