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基于静息态功能磁共振成像技术探讨成人弱视的中枢机制
王依格 赵通 张向飞 刘冰 杨奡偲 吕宽 马国林

Cite this article as: Wang YG, Zhao T, Zhang XF, et al. Probe of the central mechanism of adult patients with amblyopia based on rs-fMRI technique[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(11): 12-16, 29.本文引用格式:王依格, 赵通, 张向飞, 等. 基于静息态功能磁共振成像技术探讨成人弱视的中枢机制[J]. 磁共振成像, 2022, 13(11): 12-16, 29. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.003.


[摘要] 目的 应用静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)分析方法探讨成人弱视的中枢机制。材料与方法 前瞻性招募2021年2月至2022年1月就诊于中日友好医院21例成人弱视患者及22例与其年龄、性别及受教育程度相匹配的健康对照(healthy controls, HC)为研究对象,采集最佳矫正视力、立体视等,进行焦虑及抑郁自评量表评分,同时rs-fMRI数据,使用DPARSF软件对数据进行预处理,分析两组间局部一致性(regional homogeneity, ReHo)及低频振幅分数(fractional amplitude of low-frequency fluctuation, fALFF)的差异;并将差异脑区ReHo值、fALFF值与临床资料进行相关性分析。结果 成人弱视患者右侧颞上回fALFF值降低,而右侧角回fALFF值升高,右侧梭状回及枕叶舌回ReHo值升高(簇水平P<0.01);在单眼弱视患者中,左侧弱视者双侧梭状回及左侧距状裂皮质fALFF值显著高于HC组(簇水平P<0.05),双侧梭状回ReHo值升高(簇水平P<0.05);右侧弱视者的右侧颞上回fALFF值降低、右侧额中回fALFF值升高(簇水平P<0.01);而差异脑区影像学指标与量表评分未见显著相关性(P>0.05)。结论 成人弱视患者的中枢机制中,枕、颞叶皮质区域激活及ReHo改变可能参与了视力损害的视觉信息处理功能代偿过程,可进一步揭示成人弱视的中枢机制。
[Abstract] Objective To explore the central mechanism of adult patients with amblyopia by resting state-functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI).Materials and Methods We recruited 21 adult patients with amblyopia and 22 healthy controls (HC) group matched with age, sex and education as subjects. Clinical data including best corrected visual acuity, stereopsis, self-rating anxiety and depression scale were performed. Meanwhile, rs-fMRI was collected and preprocessed with DPARSF software. The difference of regional homogeneity (ReHo) and fractional amplitude of low-frequency fluctuation (fALFF) between the two groups and the correlation between ReHo, fALFF and clinical data in changed brain regions were analyzed.Results In all recruited adult patients with amblyopic, fALFF value of right superior temporal gyrus decreased, while fALFF of right angular gyrus increased (cluster level, P<0.01). ReHo value of right fusiform gyrus and lingual gyrus of occipital lobe increased. What's more, fALFF of bilateral fusiform gyrus and left calcarine fissure in left-sided amblyopic patients significantly increased (cluster level, P<0.05). ReHo of bilateral fusiform gyrus also increased (cluster level, P<0.05). fALFF of right superior temporal gyrus decreased and right middle frontal gyrus increased in right-sided patients (cluster level, P<0.01). These values in the differential brain regions did not correlate significantly with Self-Rating Anxiety Scale (SAS) and Self-Rating Depression Scale (SDS) scores.Conclusions In the central mechanism of adult patients with amblyopia, the activation and ReHo changes in occipital and temporal cortex may be involved in the functional compensation of visual information processing caused by visual impairment, which helps to further reveal the central mechanism of adult amblyopia.
[关键词] 成人弱视;静息态功能磁共振成像;磁共振成像;局部一致性;低频振幅分数
[Keywords] amblyopia adults;resting state-magnetic resonance imaging;magnetic resonance imaging;regional homogeneity;fractional amplitude of low-frequency fluctuation

王依格 1, 2   赵通 3   张向飞 4   刘冰 1, 2   杨奡偲 1, 2   吕宽 2   马国林 2*  

1 北京协和医学院研究生院 中国医学科学院,北京 100730

2 中日友好医院放射诊断科,北京 100029

3 中日友好医院眼科,北京 100029

4 中日友好医院神经内科,北京 100029

马国林,E-mail:maguolin1007@qq.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: 国家重点研发计划 2020YFC2003903,2020YFC2007301 国家自然科学基金 81971585,82271953 广州市科技计划项目 202103010001 北京市科技计划项目 Z211100003521009 首都卫生发展科研专项 2020-2-4061
收稿日期:2022-07-05
接受日期:2022-11-14
中图分类号:R445.2  R777.4 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.11.003
本文引用格式:王依格, 赵通, 张向飞, 等. 基于静息态功能磁共振成像技术探讨成人弱视的中枢机制[J]. 磁共振成像, 2022, 13(11): 12-16, 29. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.11.003

       弱视即在视觉发育期,由于形觉剥夺和(或)双眼异常的相互作用,单眼或双眼的最佳矫正视力低于相应年龄视力的正常值下限,或双眼视力相差大于等于2行,则视力较低侧为弱视眼[1]。弱视是一种神经发育障碍,除视力低下外,还表现为对比敏感度差、双眼立体视觉、集合调节功能不佳、空间敏感性下降等,多数学者将之归因于视觉皮层神经元可塑性随年龄及发育的降低、停滞。研究表明成人弱视可以通过使用各类方法如行为及知觉训练、药物疗法和物理疗法等来改善,但无法治愈[2]。弱视作为儿童视力障碍的常见原因,同时也逐渐成为成人丧失单眼视力的主要原因[3, 4],其神经病理机制尚未完全明确。早期研究将弱视患者的神经病理机制归因于初级视觉皮层V1的异常,而随着越来越多的研究开展及不断深入,异常可发生于视觉通路的多个部位:视网膜、视神经、外侧膝状体、视辐射到初高级视觉皮层等[5]。另外,除视觉功能外的运动、认知相关脑区也可出现异常,提示弱视病变不仅局限于视觉,更可能由此对其他脑区产生关联影响。

       静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)技术利用神经元激活兴奋前后血氧水平改变进行血氧水平依赖(blood oxygen level-dependent, BOLD)的功能成像,揭示特定脑区神经元的自发活动[6, 7]对弱视患者进行rs-fMRI以期获得大脑局部自发神经元生理活动的间接表征,进而从功能角度评估成人弱视发生视觉输入、处理异常障碍对中枢神经系统的影响。既往绝大多数应用rs-fMRI技术对弱视患者进行的研究对象均集中于幼龄儿童患者[8, 9, 10],对比健康对照(healthy controls, HC)与弱视儿童患者视觉皮质的不同区域及相关的运动、认知脑区的局部一致性(regional homogeneity, ReHo)、低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation, ALFF)、低频振幅分数(fractional ALFF, fALFF)[11, 12]以及脑区间功能连接、网络改变[13, 14, 15]均有报道,而目前尚缺乏纳入成人患者的延伸研究。本研究旨在采用rs-fMRI对成人弱视患者的局部脑功能活动改变进行探索,同时对异常的影像学指标与临床资料进行相关性分析,以期进一步揭示成人弱视的中枢机制。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究为前瞻性研究,招募2021年2月至2022年1月就诊于中日友好医院眼科门诊的成年弱视患者22例(患者组),以及年龄、性别和受教育程度相匹配的HC组22例。本研究遵守《赫尔辛基宣言》,经中日友好医院伦理委员会审核批准通过(批准文号:2022-KY-036),所有受试者均签署知情同意书。

       患者组纳入标准:(1)年龄≥18岁;(2)双眼无器质性病变;(3)单眼或双眼最佳矫正视力<0.8或双眼最佳矫正视力相差>2行;(4)视觉发育期视觉经验异常;(5)右利手;(6)无神经及精神疾病史;(7)颅脑MRI平扫未见明显异常。HC组纳入标准:除双眼最佳矫正视力≥1.0及性别、年龄及教育程度与患者组相近或一致外,纳入标准同患者组(1)(2)(5)(6)(7)。

       患者组及HC组共同的排除标准:(1)MRI扫描禁忌证,包括但不限于幽闭恐惧证、体内血管支架、钢钉钢板等金属植入物、心脏起搏器等;(2)本人及近亲属精神疾病史;(3)颅内/神经系统病变;(4)药物或酒精成瘾者;(5)颅脑外伤或手术史。

1.2 方法

1.2.1 临床数据采集

       通过眼科门诊检查对所有纳入患者采集裸眼及最佳矫正视力、眼位、立体视、集合、调节反应、融合功能。其中,视力及验光检查采用电脑及综合验光仪,采用国际标准视力表。眼位、集合、调节及融合功能采用同视机检查。立体视采用Titmus立体视检查图,患者佩戴偏振光眼镜进行检测。问询、记录患者病程(自视觉经验异常始)。运用焦虑自评量表(Self-Rating Anxiety Scale, SAS)、抑郁自评量表(Self-Rating Depression Scale, SDS)对患者进行焦虑、抑郁情绪评估,运用低视力患者生活质量量表(the Low Vision Quality of Life Questionnaire, LVQOL)评估弱视患者视力下降对生活质量的影响。

1.2.2 MRI扫描

       MRI扫描使用GE 3.0 T MRI扫描仪(Discovery MR 750 scanner, GE Medical System, USA)、8通道标准头线圈,于中日友好医院放射科进行受试者MRI图像采集。扫描时要求受试者仰卧位头先进,闭合双眼,在清醒状态下平静呼吸,尽量避免思考,使用海绵垫置于头部两侧以减少头部运动,为受试者佩戴内置耳塞及外戴耳罩以减轻噪声干扰并保护听力。收集每位受试者T1加权成像、T2加权成像、扩散加权成像、高分辨T1加权结构像、rs-fMRI图像,具体参数见表1

表1  MRI扫描参数设置
Tab. 1  The parameters of magnetic resonance scanning

1.2.3 数据处理

       使用DPARSF 5.1(Data Processing Assistant for Resting-State fMRI,http://www.restfmri.net/forum/DPARSF)和SPM 8软件(statistical parametric mapping,https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)在Matlab2014a平台(美国MathWorks公司)进行数据预处理及计算,流程如下:

       (1)将DICOM原始数据格式转换为NIFTI格式;(2)去除前10个时间点;(3)时间及头动校正(排除头动平移>2 mm和/或转动>2°者);(4)空间标准化;(5)去除噪声及线性漂移。

       设置带通滤波范围为0.01~0.10 Hz进行滤波后计算ReHo值,采用全宽半高为4 mm的高斯平滑核进行空间平滑以提高信噪比;计算fALFF值时,则首先进行空间平滑,在计算后进行带通滤波。对ReHo及fALFF值分别进行Z-score标准化,用于统计学分析。

1.2.4 统计学分析

       本研究采用SPSS 21.0软件(美国IBM公司,https://www.ibm.com/cn-zh/spss)进行统计学分析。对小样本连续变量数据使用K-W法进行正态分布检验。组间性别差异采用卡方检验,采用均值±标准差(x¯±s)描述符合正态分布的连续变量,采用中位数和第一、第三四分位数描述不符合正态分布者。前者的组间比较采用独立样本t检验、后者则采用非参数检验(Mann-Whitney U检验)进行。采用DPABI工具包及SPSS 21.0软件分析患者组与HC组间ReHo、fALFF值的差异,两组间比较使用独立样本t检验,于簇水平进行多重比较校正。采用Spearman相关分析判断差异有统计学意义脑区的影像学指标与SAS、SDS量表评分间的相关关系。以P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 临床资料

       本研究共招募22例成人弱视患者和22例HC,其中1例患者因临床诊断为抑郁症而排除。符合标准的21例患者中,双眼弱视患者2例,单眼弱视患者19例,其中左眼弱视患者11例,右眼弱视患者8例。患者组与HC组在年龄、性别、受教育年限方面差异无统计学意义(P>0.05)(表2)。

表2  受试者人口统计学及临床特征
Tab. 2  The demographic and clinical characteristics of subjects

2.2 fALFF结果

       研究结果显示患者组与HC组间比较,成人弱视患者右侧额极及右侧颞上回fALFF值减低,右侧角回则增加,差异具有统计学意义(P<0.01,经Alphasim校正,Z>2.70,簇体积>55)(图1)。左侧弱视成人患者双侧梭状回及左侧距状裂皮质fALFF值增加(FDR多重比较校正,簇水平P<0.05),右侧弱视患者的右侧颞上回fALFF值降低、右侧额中回fALFF值升高(P<0.01,经Alphasim校正,Z>2.98,簇体积>108)(图2)。

图1  成人弱视组与健康对照组低频振幅分数(fALFF)值存在显著差异的脑区示意图。蓝色区域代表弱视成人的fALFF值低于健康对照,红色代表高于健康对照。显示弱视成人右侧额极、颞上回fALFF值减低,角回fALFF值升高(P<0.01,经Alphasim校正,Z>2.70,簇体积>55)。
Fig. 1  The diagram of brain regions of fractional amplitude of low-frequency fluctuation (fALFF) value difference between amblyopia group and the healthy controls. The blue area indicates decreased fALFF value of amblyopic adults, while the red area indicates increased fALFF value. It shows that fALFF in right frontal pole and superior temporal gyrus was decreased and in angular gyrus was increased in amblyopic adults (P<0.01, Alphasim corrected, Z>2.70, cluster>55).
图2  左侧弱视患者与健康对照组低频振幅分数(fALFF)值有显著差异的脑区示意图(上:三维立体视图;下:轴位示意图)。红黄色区域显示左侧弱视成人双侧枕叶梭状回及左侧距状裂皮质fALFF值高于健康对照组(P<0.05,FDR校正)。
Fig. 2  The schematic diagram of brain regions of fractional amplitude of low-frequency fluctuation (fALFF) value difference between left-sided amblyopic adults and the healthy controls group (top: three-dimensional; bottom: axial). The red-yellow area shows increased fALFF value in bilateral fusiform gyrus in occipital lobe and left calcarine fissure cortex in left-sided amblyopic adults (P<0.05, FDR corrected).

2.3 ReHo结果

       研究采用双样本t检验比较患者组与HC组之间经回归全脑信号的ReHo值差异,结果显示相较于HC组,成人弱视患者右侧额极ReHo值降低,位于颞枕叶交界的梭状回及枕叶舌回ReHo值升高(P<0.01,经Alphasim校正,Z>2.70,簇体积>53)(图3)。左侧弱视患者双侧梭状回ReHo值升高(经FWE校正,P<0.05)(图4)。右侧弱视患者无ReHo值显著差异脑区。

图3  成人弱视组与健康对照组局部一致性(ReHo)值有显著差异的脑区。冷色区域代表弱视成人的ReHo值低于健康对照,暖色代表高于健康对照。显示右侧额极ReHo值降低、梭状回和舌回ReHo值升高(P<0.01,经Alphasim校正)。
Fig. 3  The diagram of brain regions of regional homogeneity (ReHo) value difference between amblyopia group and the healthy controls. The cold colored area indicates decreased ReHo value of amblyopic adults, while the warm colored area indicates increased ReHo value. It shows that ReHo in right frontal pole was decreased, while in right fusiform gyrus and lingual gyrus was increased in amblyopic adults (P<0.01, Alphasim corrected).
图4  左侧弱视患者与健康对照组局部一致性(ReHo)值有显著差异的脑区(上:三维立体视图;下:轴位示意图)。暖色区域代表左侧弱视成人的ReHo值高于健康对照。显示弱视成人双侧枕叶梭状回ReHo值升高(P<0.05,经FWE校正)。
Fig. 4  The schematic diagram of brain regions of regional homogeneity (ReHo) value difference between left-sided amblyopic adults and the healthy controls group (top: three-dimensional; bottom: axial). The red-yellow area shows increased ReHo value in bilateral fusiform gyrus in occipital lobe in left-sided amblyopic adults (P<0.05, FWE corrected).

2.4 fALFF、ReHo与量表评分相关性分析

       差异脑区的ReHo值/fALFF值与SAS、SDS量表评分无显著相关性(P>0.05)。

3 讨论

       本研究基于rs-fMRI数据,对成人弱视患者与HC组的全脑fALFF、ReHo差异进行比较。rs-fMRI研究结果显示,与HC组相比,患者组右侧额极及右侧颞上回fALFF值减低,而右侧角回fALFF值升高、右侧梭状回及枕叶舌回ReHo值亦升高。在单眼弱视患者中,左侧弱视者双侧梭状回及左侧距状裂皮质fALFF值显著升高、双侧梭状回ReHo值升高。右侧弱视者的右侧颞上回fALFF值减低、右侧额中回fALFF值升高。而差异脑区影像学指标与量表评分未见显著相关性(P>0.05)。

3.1 fALFF差异反映视觉信息处理脑区激活程度改变

       已有研究表明,对于斜视性弱视患者,额中回ALFF值出现降低,额上回的ALFF值升高[16],而使用功能连接对弱视患者的研究[12]发现,弱视患者视皮层与左侧额中回、颞上回之间有效连接明显低于正常对照组,可能的原因是ALFF值在较高频率易受到生理噪声(如呼吸、心跳等)影响,而fALFF值使用ALFF与全部频率的功率谱均方根的比值表示,在检测自发脑活动方面具有更高的敏感度和特异度[17],上述发现中有效功能连接的降低也可能源于这些脑区的自发活动减低。角回位于枕叶、颞叶和顶叶的交界处,在处理经视觉输入后的阅读及语义理解方面发挥重要作用[18],在任务态功能磁共振成像下弱视患者角回激活更加明显[19],弱视患者角回fALFF值升高亦提示静息状态下该区域潜在的功能激活。目前的研究公认梭状回在面容、身体形状识别以及词汇和语义加工中发挥重要作用[20],梭状回受损与脸盲症、面容辨别失能关联密切,而对于吸引人的面容或形觉感知刺激,梭状回所处区域BOLD反应表现为激活,并能够唤起涉及感知、决策和奖励通路的广泛分布的神经网络[21]。尽管基于静息态的自发脑功能活动对任务态脑区激活/失活的预测仍处于研究阶段[22],根据已有研究可以推测,左侧弱视患者双侧梭状回及左侧距状裂fALFF升高可能反映日常生活中对于面容、形觉识别的代偿以及由于大脑对健侧眼依赖而形成的初级视觉皮层区域的偏侧性激活[23]

3.2 ReHo差异反映视觉信息处理脑区的局部变化

       与HC组相比,成人弱视患者整体右侧梭状回及枕叶舌回ReHo值升高。对于单眼弱视患者,左侧弱视患者表现出双侧梭状回ReHo值升高。这与之前的研究斜视性弱视患者枕叶视觉皮层V2区部分脑区(包括舌回、枕上/中回)的ReHo值升高一致[24]。舌回与梭状回同属枕内侧叶,作为视觉网络的一部分,主要参与初级视觉处理、逻辑分析和高级视觉记忆的加工[25]。ReHo值升高表明局部神经元自发活动的同步性增加[26],可能提示视觉损害的代偿性改变。

3.3 影像学指标与量表得分相关关系

       通过相关性分析并未发现ReHo值及fALFF值有组间差异的脑区,其影像学参数与SAS、SDS量表评分有显著相关性。尽管有研究显示,视力受损容易诱发多种心理障碍及负面情绪[26, 27, 28, 29],本研究并未发现成人弱视患者具有显著焦虑或抑郁情绪,可能由于SAS及SDS量表作为主观自评量表需结合医师客观评估,或需要改用敏感度更高的量表。

3.4 局限性与展望

       本研究对纳入的所有成人弱视患者整体及单侧弱视患者分别与HC进行初步横断面分析,且样本量较小,对于单/双眼弱视患者随时间发展的神经活动改变有待于进一步研究;本研究基于rs-fMRI进行了局部脑功能分析,但局部神经自发活动的变化如何进一步影响相关脑区的功能连接,未来尚需进行更深入的研究。

       综上所述,成人弱视患者多个与视觉信息处理、面容及语义识别相关的脑区存在fALFF及ReHo改变。fALFF升高可能反映日常生活中对于面容、形觉识别的代偿以及由于大脑对健侧眼依赖而形成的局部功能激活;而梭状回及枕叶舌回ReHo值升高,可能提示对弱视眼发生视觉输入损害的代偿性改变。本研究采用rs-fMRI技术对成人弱视患者进行大脑局部功能成像研究,定量评估脑区激活、抑制以及ReHo改变情况,有助于揭示成人弱视患者的神经病理机制,未来可能应用于临床对弱视诊断、疗效评估和预测预后等,进一步关注患者的生活质量的改善。

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