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基础研究
夜间遗尿症儿童静息态脑功能磁共振成像研究
高婷婷 王梦星 汤伟 董辽 杨光 杜小霞 马骏

Cite this article as: Gao TT, Wang MX, Tang W, et al. Resting-state functional magnetic resonance imaging in patients with nocturnal enuresis[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(6): 71-75.本文引用格式:高婷婷, 王梦星, 汤伟, 等. 夜间遗尿症儿童静息态脑功能磁共振成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(6): 71-75. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.06.014.


[摘要] 目的 利用静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)来探究夜间遗尿症(nocturnal enuresis,NE)儿童的自发脑活动改变机制。材料和方法 招募NE患者37例和性别、年龄和教育程度相匹配的健康对照(health control,HC)组37例,所有受试者接受rs-fMRI扫描,通过静息态数据计算NE患者组以及HC组的局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和度中心性(degree centrality,DC),使用t检验比较两组之间的差异,提取组间有差异脑区的DC值和ReHo值,与临床指标及《儿童睡眠习惯问卷》(Children's Sleep Habits Questionnaire,CSHQ)评分进行相关分析。结果 与HC组相比,NE患者组在前扣带回、海马旁回的DC值降低,前扣带回ReHo值降低。海马旁回的DC值与异态睡眠的评分呈正相关(P=0.045,r=0.256),与CSHQ总分呈正相关(P=0.010,r=0.062)。结论 研究表明NE儿童其静息状态下局部脑功能活动降低,可能与NE的病理有密切关系。
[Abstract] Objective To explore the mechanism of spontaneous brain activity in children with nocturnal enuresis (NE) by resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI).Materials and Methods NE (n=37) and healthy controls (n=37) matched by gender, age, and education were recruited. All subjects underwent brain rs-fMRI scanning. The resting-state data calculated the regional homogeneity (ReHo) and degree centrality (DC) of children with NE and the healthy control group. A two-sample t-test compared the differences between the two groups. The DC value and ReHo value of brain areas with differences between the two groups were extracted for correlation analysis with clinical indicators and the score of Children's Sleep Habits Questionnaire (CSHQ).Results The results of the t-test showed that compared with the healthy control group, the DC value of the NE group decreased in the anterior cingulate gyrus and parahippocampal gyrus of the limbic lobe; Compared with healthy controls, the ReHo value of NE group in the anterior cingulate gyrus decreased. Correlation analysis showed that the DC value of the parahippocampal gyrus was positively correlated with the score of abnormal sleep (P=0.045, r=0.256); Correlation analysis showed that the DC value of the parahippocampal gyrus was positively correlated with the score of CSHQ (P=0.010, r=0.062).Conclusions The study shows that the decrease of local brain function activity in children with NE at rest may be closely related to the pathology of enuresis.
[关键词] 夜间遗尿症;局部一致性;度中心性;磁共振成像;海马旁回;前扣带回
[Keywords] nocturnal enuresis;regional homogeneity;degree centrality;functional magnetic resonance imaging;anterior cingulate gyrus;parahippocampal gyrus

高婷婷 1   王梦星 2   汤伟 1   董辽 1   杨光 1   杜小霞 3*   马骏 4*  

1 华东师范大学物理与电子科学学院,上海市磁共振重点实验室,上海 200062

2 上海健康医学院医学影像学院,上海 201318

3 上海体育学院心理学院,上海 200438

4 上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心发育与行为儿科,上海 200127

杜小霞,E-mail:duxiaoxia@sus.edu.cn 马骏,E-mail:majun@shsmu.edu.cn

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 81901720
收稿日期:2022-03-10
接受日期:2022-05-31
中图分类号:R445.2  R694.53 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.06.014
本文引用格式:高婷婷, 王梦星, 汤伟, 等. 夜间遗尿症儿童静息态脑功能磁共振成像研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(6): 71-75. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.06.014

       遗尿症(nocturnal enuresis,NE)是儿科最常见的泌尿系统疾病,临床特征表现为在至少3个月的时间内儿童每周在睡眠期间至少发生两次非自愿尿失禁[1, 2, 3],主要的病理生理机制包括夜间多尿、膀胱功能障碍和高觉醒阈值[4]。NE是多因素导致的,可能受共病、中枢神经系统以及膀胱控制机制不成熟影响的疾病,除了情绪障碍、头痛和腹痛等潜在的副作用外[5, 6],NE儿童还存在睡眠问题,譬如白天嗜睡过度,异态睡眠等,影响其情绪和心理状态[7, 8, 9],同时心理问题对睡眠有明显的影响,因此NE儿童的睡眠和心理问题都应该得到解决[10]

       基于血氧水平依赖的静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)技术具有较高的空间分辨率、不需要特定的刺激或执行任务等优势。近五年来,rs-fMRI被广泛运用于双相情感障碍、阿尔茨海默病、重度抑郁症、精神分裂症、失眠症等各种神经系统疾病的研究中[11, 12, 13, 14]。本文拟通过rs-fMRI探究NE儿童脑功能异常与睡眠及排尿功能的联系。作为rs-fMRI的影像学指标之一,局部一致性(regional homogeneity,ReHo)在研究中具有较高的稳定性,可以反映局部脑区神经元激活的一致性,常用于脑疾病的研究。度中心性(degree centrality,DC)也是rs-fMRI的常用的影像学指标之一,可以通过计算给定脑区的DC值来计算该脑区与大脑其他脑区之间的直接连接数,进而来衡量该脑区在大脑网络中的相对重要性以及对整个大脑区域的影响程度。总的来说,DC和ReHo可以反映区域神经活动的不同方面,所以两种方法的结合可以同时探测局部脑功能活动和单个脑区在整个脑网络的重要性,点面结合有助于问题的研究。Zheng等[15]研究观测76例NE患者(n=76)和30例健康对照(health control,HC)在不同频带的ReHo值,NE患者左侧岛叶和右侧丘脑的ReHo增加。Zhu等[16]观测37名NE儿童和17名HC儿童,发现NE患者左侧内侧眶上额叶的ALFF值降低,左侧枕上回的ReHo值升高。Jiang等[17]观测26名NE儿童和26名HC儿童发现NE患者在右额叶、左右侧顶叶、颞顶叶和左侧角回DC值较低。

       目前关于NE的rs-fMRI研究十分有限,且静息态指标的变化与NE临床指标的关系,特别是睡眠评分之间的关系尚不明确。为了探索NE患者局部脑功能异常以及其与临床指标的关系,本研究在脑功能数据分析中结合DC和ReHo两种指标探究NE患者的局部及脑区间脑功能变化,同时使用《儿童睡眠习惯问卷》(Children's Sleep Habits Questionnaire,CSHQ)对NE患者的睡眠进行评估,探索DC和ReHo显著变化的脑区和睡眠之间的关系,进一步阐明睡眠功能障碍的病理生理机制提供影像学依据。

1 材料和方法

1.1 研究对象

       招募上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心门诊(患者主要来自上海及周边地区)就诊的NE患者,经儿童保健科医生按照《精神障碍诊断和统计手册》第五版的标准:5岁以上儿童每周至少两次于夜间睡眠时在床上排尿,确诊为NE。完成参与本次试验的受试者有37例7~10岁的NE患者(NE患者组)和37例年龄、性别与NE患者组基本匹配的HC儿童(HC组),受试者资料见表1。NE患者组入组标准:(1)夜间间歇性尿床但白天没有不自主排尿的症状;(2)每周尿床至少一次并持续了三个月;(3)从未连续超过6个月不尿床(排除继发性遗尿);(4)尿床症状并非由药物或者其他生理疾病造成。排除标准:(1)幽闭恐惧症;(2)体内植入金属;(3)有神经系统疾病(如多动障碍和自闭症)。HC组纳入标准:(1)从5岁以后没有发生过尿床现象;(2)没有其他泌尿系统疾病;(3)年龄、性别和教育程度与患者相匹配;(4)通过IQ测试,智商正常。排除标准与NE患者组相同。本研究经华东师范大学人体实验伦理委员会批准(批准文号:HR2015/03011)。在试验开始前,受试者知晓并同意本研究内容,其监护人阅读并签署《未成年人知情同意书》。

       NE患者监护人回忆过去四周孩子的睡眠情况,并选择比较典型的一周填写CSHQ问卷,具体评分见表2。CSHQ是参考国际睡眠障碍,根据4~12岁儿童生理特点编制而成的问卷[18]。CSHQ从八个不同层面反应儿童常见的睡眠问题:(1)就寝习惯;(2)入睡潜伏期;(3)睡眠持续时间;(4)睡眠焦虑;(5)夜醒;(6)异态睡眠;(7)睡眠呼吸障碍;(8)白天嗜睡。对于评价我国学龄儿童睡眠状况,CSHQ的测量学性能比较稳定,可用于相应人群睡眠健康的研究[8]

表1  NE患者组和HC组的人口统计学数据
Tab. 1  Demographic data of the enuresis group and control group
表2  NE患者组《儿童睡眠习惯问卷》评分
Tab. 2  Score of children's sleep habits questionnaire in enuresis group

1.2 磁共振扫描

       本试验所有磁共振数据均在上海市磁共振重点实验室的西门子3.0 T Prisma仪器上采集,使用西门子20通道头颈线圈完成扫描。首先采集T2加权像排除颅内器质性病变,具体参数见表3,再对无器质性病变的受试者采集三维高分辨率结构像和rs-fMRI。为了让数据质量达到最佳,避免头动影响数据质量,在开始结构像扫描前,操作员会耐心告知受试者在扫描期间做到头部和身体尽量保持不动,操作员将泡沫垫放置在适当位置以达到固定受试者头部的效果。结构像由T1加权磁化快速梯度回波脉冲序列获得,扫描参数见表3。在开始扫描rs-fMRI图像前,操作员会告知受试者在扫描期间保持闭眼,并且不能进入睡眠状态。全脑rs-fMRI图像扫描使用基于血氧水平依赖性对比敏感的平面回波脉冲序列获得,扫描参数见表3

表3  磁共振成像序列参数
Tab. 3  The parameters of magnetic resonance scanning

1.3 数据分析

       该试验主要研究受试者的rs-fMRI数据及高分辨T1结构像数据。数据的预处理过程是基于Matlab平台的DPABI 5.3软件(http://www.rfmri.org/dpabi) SPM12 (http://www.fil.ion.ucl. ac.uk/spm/software/spm12)。共分析97名受试者数据,因存在数据质量问题排除20人。首先,静息态前10个时间点的数据信号由于受试者不适应噪声和环境等因素而不稳定,所以要去除;接下来进行时间层和头部运动校正,头动大于等于2.5 mm和2.5°的3名受试者数据被排除,最终所有参与数据处理的受试者包括NE患者组37人,HC组37人。将T1加权像与rs-fMRI图像进行线性的对齐,6个头动参数以及白质脑脊液信号作为协变量被回归掉;标准化到蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)的标准脑空间,以3 mm×3 mm×3 mm的分辨率进行重采样;经时域滤波(0.01~0.1 Hz)来减少低频和高频的呼吸影响带来的不相关信号。上述步骤完成后计算全脑ReHo指标,并将每个体素的ReHo值进行Fisher-Z变换,对变换后的ReHo值进行空间平滑处理以减小过程中带来的误差,平滑核选择6 mm×6 mm×6 mm。用DPABI 5.3软件对上述预处理后的数据计算DC值,并将每个体素的DC值进行Fisher-Z变换,得到每个受试者大脑灰质DC值的Z值图,最后以6 mm半高宽的高斯核函数进行平滑,平滑后的图像用于统计学分析。

1.4 统计学分析

       两组数据的统计分析均采用SPM12中的单样本t检验以检测组内差异,并利用双样本t检验检测组间差异,其中组间分析中年龄、性别作为协变量,满足体素水平未校正P<0.001,且团块水平多重比较校正(Family Wise Error,FEW) P<0.05的体素视为显著结果。提取NE患者的CSHQ的总评分和分量表评分与两组差异脑区的z-分数标准化后的DC值和ReHo值,导入SPSS 24.0进行有统计学意义的皮尔逊线性相关性分析,P<0.05表示差异有统计学意义,即功能MRI指标可能与临床症状存在联系。

2 结果

       t检验结果表明,与HC组相比,NE患者组的DC值在海马旁回、前扣带回显著降低(表4图1);NE患者组的ReHo值在前扣带回显著降低(表4图2)。海马旁回的DC值与遗尿患者的CSHQ分量表的异态睡眠评分呈正相关,(双尾检验,r=0.256,P=0.045),与CSHQ的总分呈正相关(双尾检验,r=0.062,P=0.010)。

图1  遗尿症(NE)患者组与健康对照(HC)组度中心性(DC)差异脑区图。NE患者组DC值显著降低的脑区(NE<HC,P<0.05,FWE校正):海马旁回(PHG)、前扣带回(ACC)。L:左侧;R:右侧。
Fig. 1  Clusters showing significant degree centrality (DC) differences between nocturnal enuresis (NE) and healthy control (HC). Compared to healthy control, brain decreased image of DC in the NE (NE<HC, P<0.05, FWE correct): anterior cingulate cortex(ACC), parahippocampal gyrus (PHG). L: Left. R: Right.
图2  遗尿症(NE)患者组与健康对照(HC)组局部一致性(ReHO)差异脑区图。与HC组相比,NE患者组ReHo值显著降低的脑区(NE<HC,P<0.05,FWE校正):前扣带回(ACC)。L:左侧;R:右侧。
Fig. 2  Clusters showing significant regional homogeneity (ReHo) differences between nocturnal enuresis (NE) and healthy control (HC). Compared to healthy control, brain decreased image of ReHo in the NE (NE<HC, P<0.05, FWE correct): anterior cingulate cortex (ACC). L: Left. R: Right.
表4  ReHo值和DC值组间分析结果显著的脑区
Tab. 4  Brain regions showing significant group differences in DC and ReHo between NE group and healthy controls

3 讨论

       本研究通过rs-fMRI探讨NE患者脑功能活动变化,创新性在于结合DC和ReHo方法反映区域神经活动的不同方面,同时探测局部脑功能活动和单个脑区在整个脑网络的重要性。首次发现NE患者海马旁回的DC值显著降低。DC值和ReHo值都显著降低的脑区为前扣带回,通过分析海马旁回DC值与CSHQ总分及异态睡眠子量表评分,发现海马旁回的DC值与受试者CSHQ中的异态睡眠评分成正相关。提示NE患者在前扣带回DC值和ReHo值的降低可能与NE患者在排尿过程的监测和控制能力下降有关,海马旁回的DC值下降可能造成NE患者睡眠的变化,也可能是造成NE发生的原因之一。本研究为NE发病机制的深入研究提供客观的影像学数据支持,并为临床诊疗提供更多信息。

3.1 前扣带回DC值和ReHo值降低的意义

       功能MRI的DC反映了脑功能网络中节点在信息传递中的作用,更高的DC值意味着大脑网络内的连接更完整、更快,信息整合变得更有效[19]。因此,DC能很好地反映大脑的功能连通性。ReHo则间接反映功能相关脑区内神经元时间同步性活动[20]。Zheng等[15]的研究研究揭示了NE患者认知变化的脑机制。Zhu等[16]的研究揭示异常的大脑活动可能是儿童中性粒细胞增多症的重要神经病理学机制。Jiang等[17]的研究提示了背侧注意网络、腹侧注意网络和默认模式网络等关键脑区的损伤可能是NE患者注意力受损的功能成像机制。

       先前的研究表明,与HC组相比,NE患者在小脑后叶、前扣带回、额叶内侧回和左颞上回(矫正后P<0.05)的DC值较低[21],其中前扣带回降低与本研究相符。NE患者的前扣带回DC值低于HC组儿童,这表明NE患者较HC儿童前扣带回的功能连通性低,ReHo值低于HC组儿童提示NE患者可能存在神经元自发活动同步性异常。前扣带回是突显网络的一部分[22],其主要功能是整合各种感官信息、判断和想法,在内部和外部环境中规划活动,它在决定意识的过程中起着重要作用[23]。前扣带回可以监测和控制正在进行的客观定向行为,并在需要对冲突或错误做出预期反应时释放信号[24]

       NE患者在感知尿路感觉时无法达到适当的意识状态,他们不能及时向大脑发出信号来控制排尿。所以,NE患者在前扣带回DC值和ReHo值的减少可能与NE患者在排尿过程的监测和控制能力下降有关。

3.2 海马旁回DC值显著降低的意义

       本次的研究还发现,与HC组相比,NE患者组的海马旁回DC值也显著降低,这是先前的研究并没有发现的。海马是人体行为、记忆、情感等高级神经功能活动的调节中心,其结构组成如下:海马旁回—海马—乳头体—丘脑前核—扣带回—海马旁回,其中海马旁回属于边缘系统,在海马中发挥重要作用。有研究发现当睡眠缺失或昼夜节律紊乱时,局部图形度量主要在边缘系统、默认模式网络和视觉网络中改变[25]。有学者发现海马旁回与睡眠障碍、情绪调节之间具有相关性[26, 27, 28, 29]。相比于HC儿童,NE患者患有睡眠过度唤醒障碍、睡眠呼吸障碍、维持睡眠障碍等的比例较高,遗尿的发生与睡眠障碍显著相关[30]。异态睡眠的发生率及症状出现的种类与NE患者的病情严重程度相关,所以NE的病情程度与患者的睡眠障碍发生率有一定关系。本研究中的37位患者存在夜间不能自行醒来排尿和夜间尿床之后不能醒来的情况,NE不能及时向大脑发出信号来控制排尿,无法达到适当的意识状态去感知尿路[21],猜测这可能与其睡眠状态有很大的关系。所以,本研究重点关注了海马旁回DC值与异态睡眠的相关性。通过分析海马旁回DC值与CSHQ总分及异态睡眠分量表评分,发现海马旁回的DC值与受试者异态睡眠评分成正相关。故海马旁回的DC值下降,代表其可能存在与其他节点功能连接的异常,与其相关的信息的传输可能存在异常,可能造成NE患者睡眠功能的变化,也可能是造成NE发生的原因之一。

3.3 局限性

       本研究有以下几点不足:(1)研究中纳入的样本量较少;(2)本次研究缺乏相应的行为学数据;(3)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睡眠障碍的神经学机制;(4)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,NE患者在前扣带回DC值和ReHo值的减少可能与NE患者在排尿过程的监测和控制能力下降有关,海马旁回的DC值下降可能造成NE患者睡眠的变化,也可能是造成NE发生的原因之一。

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