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基础研究
额颞叶和小脑及感觉运动区局部的度中心度值异常与帕金森患者冻结步态有关
汤伟 徐倩 高婷婷 董辽 杨光 杜小霞 陈伟

Cite this article as: Tang W, Xu Q, Gao TT, et al. Abnormal degree centrality values in the frontotemporal lobe, cerebellum and sensorimotor regions are associated with gait freezing in Parkinson's patients[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(7): 84-89.本文引用格式:汤伟, 徐倩, 高婷婷, 等. 额颞叶和小脑及感觉运动区局部的度中心度值异常与帕金森患者冻结步态有关[J]. 磁共振成像, XXXX, XX(XX): 84-89. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.07.015.


[摘要] 目的 本研究运用静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)探讨伴有冻结步态(freezing of gait, FOG)的帕金森病(Parkinson's disease, PD)患者静息态指标度中心度(degree centrality, DC)的变化特点,并探究FOG产生的病理生理学机制。材料与方法 招募17例伴有冻结步态的帕金森病患者(PD with FOG, FOG+),36例无冻结步态的帕金森病患者(PD without FOG, FOG-)和44例健康对照(healthy controls, HC),所有被试均接受rs-fMRI扫描。通过静息态数据计算FOG+、FOG-和HC三组人群的DC值。F检验得到三组间差异具有统计学意义的脑区。双样本t检验比较FOG+、FOG-和HC三组人群两两之间的差异。统计阈值为体素水平P<0.001,团块水平经过整体误差(familywise error rate, FWE)多重比较校正,且团块体素>20。提取组间差异有统计学意义的脑区DC值分别与17项汉密尔顿抑郁量表(17-item Hamilton Rating Scale for Depression, HAMD-17)得分和FOG问卷得分进行相关分析。结果 F检验结果表明三组间的主效应在右侧中央前回,右侧中央后回,右侧岛叶,右侧额内侧回,右侧顶上小叶,右侧额叶Sub-Gyral。进一步双样本t检验表明,与HC组相比,FOG+组DC值在右侧额内侧回、左侧中央前回、右侧颞上回显著降低;而在左侧额上回、右侧额上回显著升高。和HC组相比FOG-组DC值在左侧额上回,右侧小脑Ⅸ小叶区的显著升高,在右侧中央后回、左侧中央后回、右侧额上回、左侧中央前回、左侧外核的显著降低。此外,相关性分析显示FOG+组的FOG问卷得分与左侧中央前回、右侧颞上回DC值呈正相关(r=0.574,P=0.020;r=0.506,P=0.046);HAMD-17得分与右侧额内侧回呈正相关(r=0.547,P=0.028)。结论 额叶、中央前回、中央后回、颞叶和小脑局部的DC值异常可能与PD患者FOG的发生密切相关。
[Abstract] Objective The purpose of this study is to investigate the changes of degree centrality (DC) in Parkinson's disease (PD) patients with freezing of gait (FOG) by resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) and to explore the pathological mechanism of FOG.Materials and Methods A total of 17 patients with PD with FOG (FOG+), 36 patients with PD without FOG (FOG-), and 44 healthy controls (HC) were recruited. All subjects underwent rs-fMRI scanning. Calculate the DC values of FOG+, FOG- and HC from the resting-state data. The brain regions with statistically significant difference among the three groups were obtained by F test. Two sample t-test was used to compare the differences among FOG+, FOG- and HC. The results were assigned thresholds at P<0.001 (voxel level) and Familywise error rate (FWE) corrected to P<0.05 at the cluster level and cluster size>20. The DC values of brain regions with statistically significant differences among groups were extracted and correlated with the scores of 17-item Hamilton Rating Scale for Depression (HAMD-17) and FOG questionnaire.Results The results showed that the main effects among the three groups were in the right anterior central gyrus, the right posterior central gyrus, the right insula, the right medial frontal gyrus, the right superior parietal lobule, and the right frontal lobe sub-gyral. Further two-sample analysis showed that compared with the HC group, DC value in the FOG+ group significantly decreased in the right medial frontal gyrus, left precentral gyrus, and right superior temporal gyrus; However, in the left superior frontal gyrus and the right superior frontal gyrus, there was a significant increase. Compared with the HC group, DC value in the FOG group increased significantly in the left superior frontal gyrus, right cerebellar Ⅸ lobule area, and decreased significantly in the right central posterior gyrus, left central posterior gyrus, right superior frontal gyrus, left central anterior gyrus and left external nucleus. In addition, the correlation analysis showed that the FOG questionnaire score of the FOG+ group was positively correlated with the DC values of the left precentral gyrus and the right superior temporal gyrus (r=0.574, P=0.020; r=0.506, P=0.046); HAMD-17 score was positively correlated with right medial frontal gyrus (r=0.547, P=0.028).Conclusions The abnormal DC values of the frontal lobe, anterior central gyrus, posterior central gyrus, temporal lobe, and cerebellum in PD patients may be closely related to the brain dysfunction of FOG+.
[关键词] 帕金森病;冻结步态;度中心度;磁共振成像
[Keywords] parkinson's disease;freezing of gait;degree centrality;magnetic resonance imaging

汤伟 1   徐倩 2   高婷婷 1   董辽 1   杨光 1   杜小霞 3*   陈伟 2*  

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 上海交通大学医学院附属第九人民医院神经内科,上海 200011

3 上海体育学院心理学院,上海 200438

杜小霞,E-mail:duxiaoxia@sus.edu.cn 陈伟,E-mail:david_chen8106@hotmail.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: 国家自然科学基金 82071282 上海交通大学医学院附属第九人民医院学科特色生物样本库项目 YBKB202120
收稿日期:2022-03-09
接受日期:2022-07-01
中图分类号:R445.2  R742.5 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.07.015
本文引用格式:汤伟, 徐倩, 高婷婷, 等. 额颞叶和小脑及感觉运动区局部的度中心度值异常与帕金森患者冻结步态有关[J]. 磁共振成像, XXXX, XX(XX): 84-89. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.07.015

       帕金森病(Parkinson's disease, PD)是一种中老年人常见的神经退行性疾病,中晚期患者常常合并有冻结步态(freezing of gait, FOG)[1],作为一种发作性步态障碍[2],FOG主要表现为行走时双足有粘地感,常在起步、转身、经过狭窄空间时诱发,患者的跌倒风险明显增加[3],患者生活质量显著下降[4]。伴有FOG的PD患者运动功能受损更明显,往往合并有认知及情感障碍。然而,有关PD患者中FOG发生的病理生理学机制至今尚不明了[5],需要进一步探究。

       静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)测量静息状态下大脑局部的功能活动以及脑区之间的功能相互作用,能够非侵入性评估大脑的功能连接[6],其常用于脑疾病和脑认知的研究。前人rs-fMRI研究揭示PD伴有FOG(PD with FOG, FOG+)的患者额叶区域的网络结构和功能发生了变化[7, 8]。也有研究发现FOG+的PD患者小脑结构的结构和功能变化[9, 10, 11]。此外,负责视觉空间功能的额顶网络在FOG的研究中也备受关注[12]。综述文献发现FOG+的研究发现广泛的皮质和皮质下区域存在功能性连接障碍,然而详细的PD伴FOG亚型还需要进一步阐明当前的发现[13]。近年来,越来越多的研究应用图论的方法对神经精神疾病进行脑功能网络的分析[14]。在这些图论方法中,基于体素的度中心度(degree centrality, DC)是一种常用的一种方法,它能够观测每一个体素(节点)在网络中的重要性和中心性[15]。DC通过计算单个节点与全脑功能网络内的其他节点的连边总数来衡量这个节点的重要性,可以较高敏感性、特异性和再现性绘制大脑中枢。与其他方法相比,它的优点是基于数据驱动,不需要先验经验定义感兴趣区域,其结果的可靠性和可重复性较好[16]

       目前关于FOG+病理机制尚不明确,相关的静息态DC研究仍然较少。Guo等[17]通过DC观测,发现与PD不伴有FOG(PD without FOG, FOG-)组相比,FOG+组右侧额中回的DC值显著增加。Jin等[18]分别观测FOG+,FOG-和健康对照(healthy controls, HC)三组被试,采用双样本t检验比较各组间的DC,发现各组间DC值差异具有统计学意义。目前关于FOG亚型的研究还十分有限,前人的研究结果不一致且没有从主效应的角度分析FOG+,FOG-和HC差异[17, 18],此外DC值变化与临床评分的相关性需要进一步探究。

       本研究采用了rs-fMRI的DC值指标探究FOG+的局部脑功能变化,同时应用冻结步态问卷[19]评估FOG情况,FOG问卷第三项得分大于等于1分,认为患者存在FOG;分别采用简易精神状态评估量表(Mini Mental State Examination, MMSE)及17项汉密尔顿抑郁量表(17-item Hamilton Rating Scale for Depression, HAMD-17)评估患者的认知及抑郁状态,探索DC值显著变化的脑区与FOG严重程度以及认知功能的相关性。首先通过主效应分析,探测三组被试主要差异,然后进一步进行双样本分析差异的来源和亚型特征。本文旨在进一步探究FOG产生的病理机制,提供有价值的影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       招募2017年1月至2019年11月期间在上海交通大学医学院附属第九人民医院神经内科门诊诊断为原发性PD的患者53例,其中17例为FOG+,36例FOG-,44例HC作为对照组,三组被试性别和年龄经过统计检验差异无统计学意义,并均为右利手,具体信息见表1。HC组纳入标准:(1)右利手且母语为汉语;(2)认知功能正常,无焦虑抑郁;(3)无三高,无服药史;(4)无金属植入,无手术史;(5)无偏头痛、中风等神经系统疾病。PD组纳入标准:(1)PD的诊断符合2015年国际运动障碍病协会提出的PD临床诊断标准[20];(2)年龄40~75岁;(3)右利手且母语为汉语;PD组排除标准如下:(1)服用非用于PD治疗的药物;(2)有其他神经系统疾病;(3)有金属植入物。除了基本人口学资料外,对PD患者进行额外的神经心理学评估,采用Hoehn-Yahr分期评估运动功能;应用FOG问卷评估FOG情况,FOG问卷第三项得分大于等于1分,认为患者存在FOG,以此将PD组分为FOG+和FOG-组;分别采用MMSE及HAMD-17评估患者的认知及抑郁状态。该研究属于前瞻性研究,已通过上海交通大学医学院附属第九人民医院(2016-44-T1)和华东师范大学伦理委员会的伦理审批(批准文号:HR 062-2018)。所有被试均按照流程签署了知情同意书。

表1  帕金森病伴有冻结步态、不伴有冻结步态和对照组的人口学和主要临床资料
Tab. 1  Demographic and key clinical data among PD with FOG, PD without FOG, and control group

1.2 磁共振扫描

       所有磁共振数据在德国西门子公司生产的3.0 T Prisma磁共振成像系统上完成,扫描使用西门子64通道头颈线圈。为减少被试头动,扫描前使用海绵固定被试头部。本项目所有被试均接受了rs-fMRI和高分辨T1加权结构像的扫描。高分辨T1加权结构像的扫描使用的是磁化强度预备梯度回波(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE)序列,扫描参数如下:TR 2530 ms,TE 2.34 ms,反转时间(inversion time, TI)1100 ms,反转角(flip anglem, FA)7°,层数192,层厚1 mm,FOV 256 mm×256 mm,矢状位采集,层间距为50%,采集矩阵256×256。rs-fMRI的扫描使用的是血氧水平依赖(blood oxygen level dependent, BOLD)对比平面回波脉冲序列,扫描参数如下:TR 2000 ms,TE 30 ms,FA 90°,横断位扫描共33层,层厚3.5 mm,FOV 220 mm×220 mm,采集矩阵64×64,240帧。静息态数据采集时要求被试闭眼且保持放松状态。

1.3 数据分析

       使用基于Matlab平台的SPM 12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12)及DPABI 5.3软件(http://www.rfmri.org/dpabi)对rs-fMRI图像和高分辨T1加权结构像的原始数据进行处理。流程如下:去除rs-fMRI图像的前10个时间点;进行时间层校正和头部运动校正,如果被试数据的任意方向平动大于等于2 mm或者转动大于等于2°则排除于后续分析;将T1加权像与rs-fMRI图像进行线性对齐,6个头动参数以及白质脑脊液信号作为协变量进行回归;再将对齐后的rs-fMRI图像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 Hz<f<0.1 Hz)来减少低频和高频的呼吸影响带来的噪声。完成数据预处理之后计算全脑DC指标。

       参照前人研究采用的DC值计算方法[15],本研究DC的计算采用二值化的度中心度方法,即纳入计算的mask内所有体素时间序列构成的连接组矩阵,在特定阈值(默认r=0.25)下体素水平的正连接连边数。因为负的功能连接可重复性不高,因此未计入DC值[21]。DC值计算完成后除以全脑的平均DC值得到的便是标准化DC值,进行Z变换再用6 mm半高全宽(fullwidth at half-maximum, FWHM)的高斯平滑核对其进行空间平滑处理,全脑信号作为协变量去除。

1.4 统计学分析

       使用SPM 12软件对三组被试者的DC图进行F检验,年龄和性别作为回归协变量,得到三组之间的主效应脑区。统计阈值在体素水平上为P<0.001,团块水平再经过整体误差(familywise error rate, FWE)多重比较校正(P<0.05,体素数>20)即结果有统计学意义,最终统计F值大于等于7.44。然后进行事后双样本t检验。DC图的双样本t检验中年龄和性别作为回归协变量,分别得到两组之间的DC值差异有统计学意义的脑区。其中对DC图双样本t检验阈值为:体素水平上P<0.001,团块水平FWE多重比较校正P<0.05,体素数>20。

       使用SPSS 23.0软件将被试者的临床相关量表评分分值与差异有统计学意义改变脑区的DC值进行相关性分析,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 三组F检验结果

       F检验结果表明,三组间的主效应在右侧中央前回,右侧中央后回,右侧岛叶,右侧额内侧回,右侧顶上小叶,右侧额叶Sub-Gyral(表2图1)。

图1  帕金森病不伴有冻结步态(FOG-)组、帕金森病伴有冻结步态(FOG+)组和健康对照(HC)组度中心度值差异有统计学意义的脑区图。R:右侧。
Fig. 1  Brain area map with statistically significant difference in DC values among the three groups, R: right.
表2  FOG-组、FOG+组和HC组DC值差异有统计学意义的脑区
Tab. 2  Brain regions with statistically significant difference in DC values among PD without FOG, PD with FOG and HC group

2.2 FOG+与HC相比

       双样本t检验表明,FOG+组在右侧额内侧回,左侧中央前回,右侧颞上回的DC值显著低于HC组,在左侧额上回、右侧额上回的DC值显著高于HC组(图2)。DC值差异有统计学意义的脑区详见表3

图2  帕金森病患者伴冻结步态与健康对照组度中心度值差异有统计学意义脑区图,黄色表示升高,蓝色表示降低,R:右侧。
Fig. 2  Brain area map with statistically significant difference in DC value between Parkinson's disease patients with freezing of gait and healthy controls groups, yellow indicates increase, and blue indicates decrease, R: right.
表3  FOG+、FOG-和HC组的DC组间差异有统计学意义的脑区
Tab. 3  Significant within-group of DC value in PD without FOG, PD with FOG group and HC

2.3 FOG-与HC相比

       双样本t检验表明,FOG-组在左侧额上回,右侧小脑Ⅸ小叶区的DC值显著高于HC组,在右侧中央后回、左侧中央后回、右侧额上回、左侧中央前回、左侧外核的DC值显著低于HC组(图3)。DC值差异有统计学意义的脑区详见表3

图3  帕金森病患者不伴有冻结步态与健康对照组度中心度值差异有统计学意义脑区图,黄色表示升高,蓝色表示降低,R:右侧。
Fig. 3  Brain area map with statistically significant difference in DC value between Parkinson's disease patients without freezing of gait and healthy controls groups, yellow indicates increase, and blue indicates decrease, R: right.

2.4 相关性分析

       相关性分析显示FOG+组的FOG问卷得分与左侧中央前回、右侧颞上回DC值呈正相关(r=0.574,P=0.020;r=0.506,P=0.046);右侧额内侧回与HAMD-17得分呈正相关(r=0.547,P=0.028),见表4

表4  FOG+组DC分析差异脑区个体DC平均值与临床评分相关性
Tab. 4  Correlation between individual DC mean value and clinical score in different brain regions of FOG+ group

3 讨论

       本文对比分析FOG+、FOG-和HC三组DC值,探测PD患者脑功能活动的特征及FOG特异性脑区,试图探索FOG发生的病理生理学机制。在本研究中采用严格的统计阈值,首先观测三组主效应差异然后进一步分析双样本之间的差异。在前人的研究中未见主效应的报道。在本研究中没有观察到FOG-和FOG+两组之间差异有统计学意义。而Jin等[18]研究发现与FOG-相比,FOG+在额叶中回和颞下回中的DC降低。Guo等[17]研究发现与FOG-组相比,PD-FOG+组右侧额叶中回的DC值显著增加,而其他灰质区域差异无统计学意义。与前人报道中研究结果不一致。

3.1 三组主效应

       主效应F检验发现FOG+、FOG-和HC三组间的主效应脑区主要在右侧半球,包括右侧中央前回,右侧中央后回,右侧岛叶,右侧额内侧回,右侧顶上小叶,右侧额叶Sub-Gyral。有研究提示PD的主要左侧症状(右半球)与较慢的步态和较差的狭窄门路判断有关[22];左半球优先参与言语处理和运动控制,而右半球在空间认知、身体模式和行动抑制方面起着更大的作用[23]。本研究的结果也提示PD患者主要受损的部位在右半球,和前人的研究结果一致[22]

3.2 FOG+局部脑功能改变

       进一步双样本分析发现,相比HC组,FOG+组在右侧额内侧回,左侧中央前回,右侧颞上回的DC值显著降低;而在左侧额上回、右侧额上回的DC值显著升高。Jin等[18]研究发现与HC相比,FOG+患者的额叶中回、颞上回、海马旁回、颞下回和颞中回DC降低,与本研究结果部分一致。有研究提示额叶区域的结构和功能变化是FOG产生的关键病理生理机制[24]。右侧额内侧回、左侧中央前回、左侧额上回和右侧额上回位于额叶,额叶与运动中认知功能有关,当步态需要注意资源时需要更多的额叶参与,例如在陌生环境中行走[25]。FOG+额叶局部的DC值的改变提示额叶执行注意力功能的异常,这可能和FOG的发生有密切关系。右侧颞上回位于颞叶的外侧,如果该脑区出现损伤,那么记忆、情感和感觉中枢的功能将会受到影响,此外患者的平衡能力可能也会发生障碍[26]。有研究提示PD中的FOG与皮质-小脑通路以及参与视觉加工的视觉颞区异常有关[27]。因此本文观察到FOG+颞上回的DC值的降低可能和FOG+平衡能力障碍有关。

3.3 FOG-局部脑功能改变

       双样本比较发现,与HC组相比,FOG-组在左侧额上回,右侧小脑Ⅸ小叶区的DC值显著升高;而在右侧中央后回、左侧中央后回、右侧额上回、左侧中央前回、左侧外核的DC值显著降低。有研究提示小脑参与了多种运动功能,包括内部姿势模型、身体运动的感知、运动计划和对环境变化的运动适应[28]。小脑与额叶网络存在协同作用[29]。FOG+右半球额叶和顶叶区域的新陈代谢低下[30, 31]。前额叶皮层可能在控制步态方面发挥关键作用[32]。本研究观测到额叶和小脑局部DC值升高,可能提示在FOG-患者在步态能力下降时(步态冻结即将发生初期)额叶和小脑发挥了代偿作用以维持FOG-正常的步态。而FOG-组在右侧中央后回、左侧中央后回、右侧额上回、左侧中央前回、左侧外核的DC值显著降低提示其功能受损,这些脑区主要和体感及运动功能相关,可能和PD其他运动障碍,如感觉运动障碍有关[33]

3.4 局部脑功能变化与临床评分相关

       FOG问卷得分表明了步态冻结严重程度[19],进一步相关分析发现FOG问卷得分与FOG+组左侧中央前回、右侧颞上回DC值呈正相关(r=0.574,P=0.020;r=0.506,P=0.046);HAMD-17得分与FOG+组右侧额内侧回呈正相关(r=0.547,P=0.028)。本研究表明FOG+的临床症状与左侧中央前回、右侧颞上回的脑区活动有比较强的相关性。前人的研究也发现中央前回和颞上回的功能与FOG有关[24, 25, 26],本研究进一步证实PD患者FOG症状可能与中央前回、颞上回的脑功能障碍有关。本研究还提示FOG+组右侧额内侧回的功能的异常可能与抑郁症状密切相关[34, 35, 36]。有研究提示,焦虑和抑郁是FOG+中常见的非运动特征,与FOG的发生有关[37, 38, 39]。这种焦虑和抑郁的发生可能会减少FOG+的注意力资源,从而导致步态功能的障碍[40]。本研究进一步证实右侧额内侧回的功能异常可能与抑郁症相关,而且可能和步态冻结的发生也有关。

3.5 本研究的局限性

       本研究为横断面研究,在单个时间点观测到FOG不同亚型的脑功能活动特征,然而FOG随着病情的发展而动态变化,因此纵向的跟踪研究将能更好地观测捕捉FOG发生前后的影像学特征。其次虽然本文研究结果有统计学意义,但是FOG+组患者样本量相对有限,可能降低了统计能力,使结果产生一定的偏倚。未来我们将纳入更多的FOG+患者,以便更好地了解PD患者中FOG的神经影像学特征,前瞻性队列跟踪研究将有助于探讨PD患者FOG产生的病理机制。

       综上所述,本研究通过rs-fMRI的DC研究结果提示PD患者额叶、中央前回、中央后回、颞叶和小脑的局部自发性脑活动异常可能与PD患者FOG的发生密切相关。

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