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基础研究
基于动态低频振幅方法的腹泻型肠易激综合征患者脑功能时间变异性研究
温馨 陈杰 廖晨希 郑倩华 李瑛

Cite this article as: Wen X, Chen J, Liao CX, et al. Study on time variability of brain activity in patients with irritable bowel syndrome with diarrhea based on dynamic amplitude of low-frequency fluctuation[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(6): 61-65.本文引用格式:温馨, 陈杰, 廖晨希, 等. 基于动态低频振幅方法的腹泻型肠易激综合征患者脑功能时间变异性研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(6): 61-65. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.06.012.


[摘要] 目的 探讨腹泻型肠易激综合征(irritable bowel syndrome with diarrhea,IBS-D)患者静息态下局部脑功能活动的时间变异性。材料与方法 对24例IBS-D患者与20例健康对照者进行静息态功能磁共振成像扫描,采用低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)结合滑动窗法来计算动态低频振幅(dynamic ALFF,dALFF),并采用Pearson分析IBS-D患者dALFF值的变化与肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)症状严重程度得分、IBS生活质量得分、IBS患者腹痛程度等临床指标的相关性。结果 dALFF比较结果显示,IBS-D患者左侧小脑(t=3.95)及右脑壳核(t=3.13) dALFF变异性升高(Alphasim校正,P<0.01)。相关性分析显示,右侧壳核dALFF变异性异常与IBS-D患者的腹痛程度呈正相关(r=0.398,P=0.054)。结论 IBS-D患者的左侧小脑和右侧壳核表现出自发神经活动的时间变异性的异常。此外,右侧壳核可能是IBS-D患者腹痛症状发生、发展的相关脑区。
[Abstract] Objective To investigate the changes in local brain function activity in the resting state of irritable bowel syndrome with diarrhea (IBS-D) patients.Materials and Methods Twenty-four patients with diarrhea-predominant IBS-D and 20 healthy controls underwent resting-state functional magnetic resonance imaging, the dynamic amplitude of low-frequency fluctuation (dALFF) value was calculated by using the amplitude of low-frequency fluctuation method combined with sliding window approach. Finally, the correlation analysis was performed to detect the relationship between the changes in dALFF value and some clinical data in IBS-D patients.Results The group comparison results in dALFF variability showed that patients with IBS-D exhibited increased dALFF variability in the left cerebellum(t=3.95) and right putamen (t=3.13, corrected by Alphasim, P<0.01 after correction). The abnormal dALFF variability of the putamen was positively correlated with the abdominal pain in patients with IBS-D (r=0.398,P=0.054).Conclusions The findings indicated that the patients with IBS-D exhibited abnormal temporal variability of spontaneous neural activity in the cerebellum and putamen. Moreover, the right putamen might be related to the occurrence and development of abdominal pain in IBS-D patients.
[关键词] 肠易激综合征;静息态功能磁共振成像;低频振幅;动态变化;壳核
[Keywords] irritable bowel syndrome with diarrhea;resting-state functional magnetic resonance imaging;amplitude of low-frequency fluctuations;dynamic variability;putamen

温馨 1   陈杰 1   廖晨希 1   郑倩华 1   李瑛 2*  

1 成都中医药大学针灸推拿学院,成都 610075

2 成都中医药大学研究生院,成都 610075

李瑛,E-mail:liying@cdutcm.edu.cn

作者利益冲突声明:全体作者均声明无利益冲突。


基金项目: 国家重大研发计划 2019YFC1712103 国家自然科学基金委员会青年基金项目 81804207
收稿日期:2022-02-22
接受日期:2022-05-20
中图分类号:R445.2  R574.62 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.06.012
本文引用格式:温馨, 陈杰, 廖晨希, 等. 基于动态低频振幅方法的腹泻型肠易激综合征患者脑功能时间变异性研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(6): 61-65. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.06.012

       肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)是最常见的功能性胃肠道疾病之一。流行病学显示,IBS影响全球约11%的人口[1]。其症状主要表现为腹痛、腹胀以及大便频率和大便性状的改变,目前临床上主要基于症状进行诊断、分型,缺乏特异性的诊断指标及疗效评价指标[2]。IBS可分为便秘型、腹泻型、混合型和不定型4个亚型。其中,腹泻型肠易激综合征(irritable bowel syndrome with diarrhea,IBS-D)是最常见的亚型,约占所有IBS患者的40%,其生活质量明显低于其他亚型[3]。IBS-D的病因和发病机制复杂,涉及从肠到脑的各个层面,其发病的中枢机制尚不完全清楚。因此,研究IBS-D患者的脑功能活动有助于从中枢层面深入了解IBS-D的发病机制、促进临床诊疗水平的进步。

       静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)是探索静息状态下脑功能活动的重要技术之一,国内外学者基于该技术对IBS-D患者的自发神经活动进行了研究。Chen等[4]采用局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)分析方法,发现IBS-D患者双侧额上回和右侧中央后回等脑区的ReHo值增加,左侧眶额回和右侧辅助运动区的ReHo值降低;右侧岛叶和右侧海马等脑区ALFF值降低,而右侧中央后回和右侧额上回等脑区ALFF值升高。Ao等[5]采用比率低频振幅方法(fractional amplitude of low-frequency fluctuation,fALFF),发现IBS-D患者左侧内侧额上回的fALFF值降低,左侧海马和右侧楔前叶fALFF值升高,且症状持续时间评分与右侧楔前叶fALFF值呈正相关。以上研究表明,IBS-D患者与疼痛、情绪调节和躯体感觉相关的脑区自发神经活动存在异常。然而,这些研究使用的是静态分析方法,假设大脑的BOLD信号是持续不变的,缺少对自发神经活动动态特性的关注。实际上,大脑的自发神经活动是随着时间的推移而变化的[6]。因此,运用动态分析方法可捕获一些静态分析方法无法获得的自发神经活动。动态低频振幅(dynamic amplitude of low-frequency fluctuation,dALFF)是分析随时间变化的自发神经活动的重要方法之一,已被广泛应用于抑郁、焦虑等情绪相关疾病的研究中[7]。Cui等[8]的研究表明,dALFF变异性有助于更准确地区分焦虑症患者与健康对照者。Li等[9]的研究发现,抑郁症中dALFF变异性可用于预测患者的自杀倾向。目前,尚缺乏IBS-D患者自发神经活动动态特征的研究,并且IBS-D也是一种与情绪变化紧密相关的疾病。因此,有必要基于动态分析方法来探索IBS-D患者的脑功能异常动态特征,加深对IBS-D神经病理学机制的理解。

       综上所述,本研究提出研究假说,IBS-D患者静息状态下的自发神经活动的时间变异性与健康人相比可能存在差异,dALFF可能会捕获一些静态分析方法无法获得的异常脑功能活动,并且这种异常的时间变异性可能与IBS-D的临床症状相关。因此,本研究以IBS-D患者为研究对象,拟通过dALFF分析方法探索IBS-D患者与健康人的自发神经活动动态差异,并进行相关性分析以确定改变的dALFF值与IBS-D患者临床症状的相关性。旨在对既往基于静态分析方法的研究进行补充,丰富对IBS-D病理生理机制的认识,为IBS-D研究提供新的见解,也为IBS-D的临床诊断和疗效评价提供更加全面的参考。

1 资料与方法

1.1 研究对象

       本研究为前瞻性研究,2021年7月至2021年12月从成都中医药大学及其附属医院招募IBS-D患者及与之年龄、受教育程度匹配的健康对照者(healthy controls,HC)。共纳入IBS-D患者24例,男17例,女7例,年龄(27.42±5.45)岁;HC 20例,男10例,女10例,年龄(26.05±3.02)岁。本研究已通过成都中医药大学附属医院伦理委员会批准(伦理审批号:2021KL007)。所有受试者均签署知情同意书,自愿参加本项研究。

1.1.1 IBS-D组

       纳入标准:(1)符合罗马Ⅳ腹泻型肠易激综合征亚型诊断标准,诊断前相关症状需出现至少6个月,且近3个月符合诊断标准;(2) 18岁≤年龄≤50岁,右利手,男女不限;(3)近2周排便日记Bristol粪便性状6型或7型至少4天,且1型或2型少于4天;(4) 2周内未服用对肠易激综合征症状有治疗作用的药物;(5)右利手,体内无金属植入物,无功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)扫描禁忌。排除标准:(1)炎性肠病/显微镜下结肠炎/乳糜泻等器质性肠病患者;(2)糖尿病、甲状腺功能异常者;(3)患有严重的急/慢性器质性疾病及肾病或肝病者;(4)孕期或哺乳期妇女;(5)有酒精、药物滥用史者。

       所有IBS-D患者在扫描前均需填写腹痛视觉模拟评分量表(Visual Analogue Scale,VAS)[10]评估腹痛严重程度,IBS症状严重程度量表[11](irritable bowel syndrome symptom severity scale,IBS-SSS)评估病情严重程度,IBS专用生活质量测试问卷[12](irritable bowel syndrome quality of life questionnaire,IBS-QOL)评估患者生活质量。腹痛程度通过患者每日填写的排便日记卡上的VAS评分进行评价并计算每周腹痛平均值。具体方法为在一条长十厘米的横线上做出标记,横线两端分别注明0分和10分,代表无痛和最严重的腹痛。IBS-SSS量表对病情程度和病情改变情况的评价较为全面和直观。包括条目如下:腹痛程度、腹痛天数、腹胀程度、排便满意度、对患者生活干扰程度。每个条目100积分,总计500分。计算方法为各个条目的分数相加,分数越高提示病情越重。IBS-QOL量表由八个维度组成,每个条目分别计1、2、3、4、5分,最后将每个维度的得分通过公式进行换算,分数与患者整体生活质量成正比。

1.1.2 HC组

       纳入标准:(1) 18岁≤年龄≤50岁,右利手,男女不限;(2)纳入该研究前1年无腹痛、腹胀、排便频率及大便性状改变等症状;(3)无器质性或功能性消化道疾病,且无具有临床意义的生理指标改变。排除标准:(1)有fMRI检查禁忌证者;(2)有酒精、药物滥用史者;(3)存在神经性症状或精神疾病者;(4)孕期或哺乳期妇女。

1.2 rs-fMRI扫描

       所有受试者均在成都中医药大学附属医院核磁共振室GE MR750 3.0 T成像系统下完成rs-fMRI数据采集,由同一名具有5年以上临床经验的影像科主治医师完成操作。扫描前,受试者戴好防噪耳塞,以降低扫描过程中噪音的干扰。采用32通道靶线圈固定头部。并嘱咐受试者全身放松、自然呼吸,尽量保持头部固定不动,如有任何不适症状而无法继续扫描时可使用手中紧急报警器通知操作者。采用梯度回波单次激发平面回波成像。扫描参数:TR 2000 ms,TE 30 ms,视野 240 mm×240 mm,层厚4 mm,层数40,矩阵64×64,翻转角90°,共240个时间点,扫描耗时约8 min。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 数据预处理

       使用MRIcron软件(https://www.nitrc.org/projects/mricron/)检查原始数据的质量,剔除具有较大质量问题的图像后(如伪影和缺损),将图像导入dcm2nii程序,并将其从DICOM格式转换为NII格式进行分析。然后在Matlab平台上(r2015b,美国MathWorks公司)使用DPABI (V4.3,http://rfmri.org/dpabi)软件包对rs-fMRI图像进行预处理。数据预处理流程如下:(1)去除前10个时间点;(2)时间层校正;(3)空间校正:所有被试的最大头动小于3 mm或者3°,IBS-D患者和HC之间的平均头动差异无统计学意义,采用双样本t检验,P=0.102;(4)配准到蒙特利尔神经研究所解剖模板(Montreal Neurological Institute,MNI)并重新采样至3 mm×3 mm×3 mm;(5)采用半高全宽6 mm的高斯平滑核进行空间平滑处理;(6)回归白质、脑脊液信号以及24头动参数;(7)滤波(0.01~0.1 Hz):去除受试者因呼吸和心跳等生理情况产生的低频噪声和系统运行时产生的高频噪声。

1.3.2 dALFF的计算

       使用Matlab (r2015b,美国MathWorks公司)平台的Dynamic BC工具包(V2.2,http://restfmri.net/DynamicBC)[13]进行dALFF的计算。参考同类研究[14, 15],50 TR的窗宽可能是在捕捉快速变化的动态关系和获得区域相关性的可靠估计之间保持平衡的最佳参数。因此,本研究选择的窗宽为50 TRs (100 s),步长为5 TRs (10 s)。我们对每个被试计算了每个窗下的ALFF,接着计算每个体素在所有窗下ALFF值的方差获得了每个体素ALFF值的变异性。最后,利用双样本t检验计算了病人和健康对照dALFF变异性的差异。

1.3.3 统计学分析

       本研究使用SPSS 25.0进行统计分析。(1)一般资料:计量资料符合正态分布的用均数±标准差表示,组间比较采用双样本t检验;不符合正态分布的用中位数±四分位数表示,组间比较采用Mann-Whitney U检验。计数资料采用卡方检验。(2) rs-fMRI数据:在IBD-D和HC组中,对每个受试者体素的dALFF变异性值进行平均,以获得dALFF变异性分布,然后采用双样本t检验来评估两组之间dALFF变异性的组间差异(AlphaSim校正,校正采用DPABI,阈值设置为voxel P<0.01,cluster size>65)。

2 结果

       按照头动排除标准,排除2例健康对照者,最终纳入24例IBS-D患者及20例健康对照者进行分析。

2.1 基本资料

       IBS-D组与HC组基本资料比较,见表1

表1  IBS-D组与HC组基本资料比较
Tab. 1  Comparison of general data between IBS-D group and HC group

2.2 dALFF变异性差异

       与HC组相比,IBS-D组患者左侧小脑(t=3.95)及右侧壳核(t=3.13) dALFF变异性增高(Alphasim校正,P<0.01)。脑区是根据解剖自动标记模板进行描述。结果见表2图1

图1  IBS-D组-对照组dALFF比较结果。红色区域为与对照组相比,IBS-D患者左侧小脑和右侧壳核的dALFF升高。注:IBS-D:腹泻型肠易激综合征;dALFF:动态低频振幅值。
Fig. 1  Significant differences in dALFF betwwen IBS-D patients and healthy controls. Compared with controls, IBS-D patients exhibited increased dALFF value in left cerebellum and right putamen. Note: IBS-D: irritable bowel syndrome with diarrhea; dALFF: dynamic amplitude of low-frequency fluctuation.
表2  两组间dALFF变异性差异
Tab. 2  Brain regions showing differences in dynamic ALFF between groups

2.3 相关性分析

       dALFF变异性与IBS-D患者临床指标的相关性结果显示,IBS-D患者右侧壳核的dALFF变异性与腹痛分数呈边缘正相关(r=0.398,P=0.054),具体见图2。而左侧小脑dALFF变异性与腹痛分数(r=-0.027,P=0.902)、IBS-SSS (r=0.022,P=0.921)和IBS-QOL (r=-0.046,P=0.839)无显著相关。右侧壳核dALFF变异性与IBS-SSS (r=0.246,P=0.259)和IBS-QOL (r=-0.245,P=0.272)无显著相关。

图2  IBS-D患者右侧壳核与腹痛视觉模拟分数的相关性。
Fig. 2  The correlation analysis result of the right putamen and VAS scores.

3 讨论

       dALFF分析方法通过能量消耗的可变性反映了大脑自发活动的可塑性和灵活性[16]。本研究创新性地使用dALFF分析法探索IBS-D患者局部脑功能活动的动态特征。研究结果表明,与健康受试者相比,IBS-D患者组左侧小脑和右侧壳核的dALFF值升高。表明这两个脑区出现大脑局部自发神经活动的时间变异性异常。

3.1 IBS-D患者自发神经活动时间变异性异常脑区

       (1)小脑本研究中,IBS-D患者组左侧小脑自发神经活动的时间变异性明显升高。小脑是调节情绪和运动功能的脑网络的一部分,可参与情绪调节、疼痛感知和处理[17]。在情绪调节方面,小脑是皮质-皮质下网络中情绪感知和传导的关键中枢,与边缘系统、前额叶皮层有广泛的联系,因此为小脑参与情绪和情感行为提供了解剖学基础[18]。小脑可接受内脏传入信息,所以IBS-D患者肠道功能异常信息可能通过小脑汇聚至边缘系统和前额叶皮层,进而引起患者情绪失调。在疼痛处理方面,小脑是疼痛机制的组成部分之一,可通过与大脑皮层的纤维连接向上传递疼痛信息,并通过影响脑干伤害性感受的下行抑制通路参与痛觉调节[19, 20]。Rosenberger等[21]发现,IBS患者小脑前叶和小脑后叶都包含疼痛处理相关的区域。因此,IBS-D常伴随的抑郁、焦虑情绪和腹痛症状都可通过小脑自发神经活动反映出来。

       (2)壳核本研究亦发现右侧壳核自发神经活动变异性地增加。壳核是基底神经节-丘脑-皮质回路的重要节点,可向基底神经节其他区域发送信息以调节各种活动,并能接收大脑皮层的信息,在躯体疼痛处理、疼痛相关的运动反应、记忆和学习行为中发挥重要作用[22, 23]。Song等[24]发现基底神经节在IBS腹痛中发挥重要作用,可调节内源性疼痛的抑制机制。而Bingel等[25]的研究表明在急性和慢性疼痛时壳核会被激活。本研究则发现了壳核与IBS-D腹痛症状的相关性。

       在以往研究中,Chen等[4]研究发现IBS-D患者右侧小脑后叶的自发神经活动较健康人增高。Zheng等[26]发现抑郁患者小脑-丘脑-皮质回路的自发神经活动异常,小脑-丘脑-皮质回路与情绪及认知功能有关。其情绪障碍与IBS-D患者存在的抑郁情绪有相似性。Erdeniz等[27]发现壳核相关的脑网络功能异常与认知障碍相关。一项纳入了335名IBS患者的系统评价表明,IBS患者右侧壳核局部自发神经活动异常[28]。Labus等[29]应用图论,比较了IBS患者和HC大规模结构脑网络的整体和局部特征,发现女性IBS患者壳核中灰质体积较健康人低。这些研究均在一定程度上反映了IBS-D患者脑功能活动的特征,表明小脑和壳核与IBS-D可能存在潜在关联,但他们应用的分析方法都是静态的,忽略了大脑内在神经活动的动态特征,即大脑会根据内外部刺激在多个时间尺度上不断调整[30, 31],存在一定局限性。本研究运用动态分析方法来捕捉大脑内在神经活动的动态特征,有助于更加准确、全面地反映IBS-D患者大脑功能活动状态,是静态分析方法的有力补充。

3.2 自发神经活动的时间变异性与临床症状相关性分析

       本研究结果显示,IBS-D患者右侧壳核的自发神经活动时间变异性与IBS-D患者的腹痛程度呈正相关。说明右侧壳核可能参与了IBS-D的发生发展,且与患者的腹痛密切相关。右侧壳核的自发神经活动随时间变化而产生的改变也可能是IBS-D腹痛的继发性结果。腹痛是诊断IBS-D的重要症状,大多数IBS患者存在内脏感觉异常、疼痛阈值降低。异常的dALFF仅与患者腹痛相关,与IBS-SSS、IBS-QOL无显著相关。可能是因为IBS-SSS和IBS-QOL的评价维度较多,患者的整体症状涉及到脑网络功能,与多个脑区功能整合相关。

3.3 不足与展望

       本研究还存在一些不足:(1)研究中的样本量相对较小,今后的研究需增大样本量进行验证和比较,可在大样本的基础上进行分层研究。(2)采用的是50 TR的窗宽来计算局部大脑活动的动态,其他窗宽可能会显示不同的模式结果,可进一步进行验证分析。(3)目前的研究结果是横断面的,需要纵向研究来深入挖掘IBS-D患者自发神经活动的时间变异性,下一步研究可纳入治疗后的IBS-D患者进行分析。

       综上所述,本研究创新性地利用dALFF方法分析了IBS-D患者自发神经活动的时间变异性。结果表明,IBS-D患者的左侧小脑、右侧壳核自发神经活动的时间变异性增加,两者的改变与情绪异常,疼痛感受有着密切联系。这和IBS-D患者表现出的临床症状所对应,即患者存在情绪异常(如抑郁)与腹痛症状。此外,右侧壳核自发神经活动时间变异性与IBS-D患者腹痛程度呈正相关,说明壳核可能是调控IBS-D患者腹痛的主要脑区,这有助于为以后IBS-D腹痛相关机制研究提供方向。总之,本研究利用新的分析方法为IBS-D的病理生理机制提供了新认识,希望能为IBS-D的临床诊疗提供一定参考。

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