健康老年否认网络的功能一致性研究

健康老年否认网络的功能一致性研究

在静息状态（也称为基态状态）下，特定脑区域的人类活动保持不变，被认为是神经元活动的反映。这些区域中的网络被称为默认状态网络（畸变状态网络，mn），这是研究正常脑、老年人和神经退行性脑功能变化的重要手段，近年来引起了很多关注。早期对于DMN的研究主要基于静息态fMRI数据中时间序列的相关分析。近来有较多研究利用纯粹数据驱动的独立成分分析(independentcomponentanalysis,ICA)方法。本文就这两种方法对于健康老年受试者DMN的提取结果进行初步分析。1数据和方法1.1静息态功能检查选择本院流行病调查中18名健康老年受试者作为研究对象,其中男10名,女8名,年龄63～82岁,平均(71.0±0.5)岁。所有受试者均无记忆障碍主诉,7名有轻度高血压,但无脑卒中、精神病、药物滥用、中重度高血压、糖尿病等病史。静息态功能检查前,对所有受试者进行一系列测试,包括神经系统检查、血液生化检查、常规MR检查和神经心理检查。神经心理检查包括简易智能量表(mini-mentalstateexamination,MMSE)、临床痴呆评定量表(clinicaldementiarating,CDR)、Hachinski缺血指数量表(主要除外血管性痴呆)及汉密尔顿抑郁量表(主要除外抑郁)。本组健康老年受试者MMSE评分>28分,CDR评分0分。所有受试者检查前均签署知情同意书。1.2结构成像结果采用SiemensTrio3.0T磁共振仪,8通道头线圈。常规成像包括T1WI、T2WI,以排除梗死灶、肿瘤等明显器质性病变。静息态fMR扫描序列采用梯度回波-平面回波序列(GRE-EPI:TE40ms,TR2000ms,翻转角90°,FOV256mm×256mm,矩阵64×64,28层,层厚4mm,层间距0)。三维磁化强度预备快速梯度回波成像获得T1WI结构像(MPRAGE:TE2.2ms,TR1900ms,TI900ms,翻转角9°,FOV256mm×256mm,矩阵224×256,176层,像素大小1mm×1mm×1mm)。扫描前告知受试者保持闭眼、安静、清醒状态,心态平稳,避免情绪波动,并在下颌两侧安置海绵垫以固定头部(头动的剔除标准:头动平移>1mm,头动旋转>1.5°)。1.3dmi图像分析静息态fMRI数据进入离线工作站进行后处理。1.3.1预处理使用SPM软件。考虑到磁场的均匀性,剔除fMRI数据的前5个时间点的影像数据,然后首先对影像学数据进行重排。为对不同受试者进行统计分析,需要将fMRI标准化到MNI模板(montrealneurologicalinstitute),并进行重采样(体素大小为3mm×3mm×4mm);采用5mm半高全宽(FWHM)的高斯核对fMRI图像进行空间平滑;对每个体素的时间序列进行带通滤波,带限范围为0.01～0.08Hz。1.3.2ICA使用软件为GroupICAforfMRI,处理步骤包括两次的主成分分析简化、ICA分离和重建,重建后的平均空间图被转化到z轴用于显示。参照文献的方法建立DMN模板,模板中每个功能区域均为球形,半径5mm(球体半径的变化对于成分的识别无影响),获得最适合成分即为DMN,单因素t检验[阈值:FDR校正,P=0.05;最小聚簇:k=10像素,P<0.01]获得组分析结果。1.3.3相关分析使用AFNI软件,参照文献中后扣带回(posteriorcingulatecortex,PCC)区域活性峰值的体素作为种子点,获得半径为6mm的球体作为模板,提取该模板内的平均时间序列,与全脑其他区域进行基于体素的时间序列相关分析,获得成对区域的相关系数;利用Fisherz转换改善这些相关系数的正态分布,对单个z值进行基于体素的随机效应t检验来获得与PCC有显著连接的区域[阈值:t≥2.16,P<0.05(校正后),k=10像素]。2结果2.1常信号提示特征12名受试者双侧侧脑室旁见少许片状异常信号提示轻度白质变性,15名受试者部分脑区的脑沟裂增宽,但无明显特异性。静息态fMRI数据均满足后处理要求。2.2额叶背侧回回健康老年人DMN包括以下区域(图1):①双侧外侧前额叶;②双侧腹内侧前额叶及右侧前扣带回;③右侧内侧前额叶背侧及右侧前扣带回;④双侧颞中回;⑤双侧顶下小叶;⑥双侧楔前叶及后扣带回/压后皮层;⑦双侧梭状回;⑧双侧内嗅皮层及右侧海马;⑨右侧丘脑背内侧核/丘脑枕。健康老年受试者的DMN在前部有较明显的右侧化表现,包括外侧前额叶、内侧前额叶及前扣带回。健康老年人DMN活性簇中,活性最高体素的Talairach坐标见表1。2.3侧叶及活性簇以PCC为感兴趣区,获得与PCC有显著连接的脑区,包括:①双侧外侧前额叶;②右侧内侧前额叶及右侧前扣带回;③双侧顶下小叶;④双侧颞中回;⑤双侧颞下回;⑥双侧楔前叶(图2)。活性簇在额叶显示右侧化,而在顶下小叶及颞叶的活性簇分布较为对称(图2)。健康老年受试者与PCC有显著性连接活性簇中活性最高体素的Talairach坐标见表2。3静息态在dmn中的作用任务驱动fMRI检查中,如受试者不合作,尤其是脑病变程度较重的患者,存在易受外来干扰等不足。而静息状态fMRI无需执行特定功能任务,可消除组间任务表现和努力程度的差异,从整合角度来研究全脑各功能区之间的相关性,尤其适用于因功能损害而无法执行复杂任务的临床研究,正受到越来越多的关注。静息态fMRI的结果需要较为复杂的后处理才能呈现出来。后处理方法较多,早期研究多利用基于种子点的相关分析,通常先根据先验知识来选择种子点,如海马、PCC等,然后提取该种子点的时间序列,与其他种子点或全脑其他各体素的时间序列进行相关分析,评估脑功能区之间是否存在显著性连接以及连接的强度。PCC被认为是DMN的重要组成成分,本研究选择PCC作为种子点,但根据假设的需要选择种子点可能造成统计学上的偏倚。近来应用较多的ICA完全是数据驱动,毋须设定种子点即可将整个功能成像数据分解成统计学意义上的多个最大独立成分,并能分离头动或心跳呼吸等生理活动对信号产生的影响;但ICA仅能得到功能网络的空间分布组成,无法度量功能区之间的连接强度。本研究选择较为常用的相关分析以及ICA来提取健康老年受试者的DMN。DMN是静息状态下人脑存在的功能连接网络,不仅可以监测内部环境,而且能够自动从外部环境搜集信息并对其进行加工、存储。人脑DMN可能与情节记忆、语义提取和情绪处理等认知功能有密切关系。采用ICA获得的健康老年受试者DMN主要包括双侧外侧前额叶、双侧腹内侧前额叶及右侧前扣带回、右侧内侧前额叶背侧及右侧前扣带回、双侧颞中回、双侧顶下小叶、双侧楔前叶及后扣带回/压后皮层、双侧梭状回、双侧内嗅皮层及右侧海马、右侧丘脑背内侧核/丘脑枕,与文献报道的DMN核心组成部分(包括腹侧前额叶皮层、PCC/压后皮层、顶下小叶、颞叶外侧皮层、背内侧前额皮质、海马结构)基本重叠。PCC是人脑静息状态下代谢最为旺盛的区域,作为DMN的后部节点,在DMN中发挥着重要作用;镇静状态下,随着意识减退,其活性逐渐降低,在持续性植物状态下与前额叶的连接被破坏,该区域是惟一与前额叶激活呈负相关的区域。多项利用复杂基线状态的研究显示PCC参与情节记忆的提取。PCC是阿尔茨海默病脑中最早出现代谢降低的区域之一,这也表明PCC是情节记忆提取的关键区域。以PCC为种子点,通过基于体素的全脑相关分析,获得健康老年受试者脑中与PCC有显著连接的脑区包括双侧外侧前额叶、右侧内侧前额叶及右侧前扣带回、双侧顶下小叶、双侧颞中回、双侧颞下回及双侧楔前叶。比较两种方法获得的DMN发现,除海马结构外,分析得到的功能网络在很大程度上相重叠。从组成网络的活性簇分布来看,前额叶区域显示出较明显的右侧化,而在包括颞叶新皮层、顶下小叶、楔前叶等区域的分布则显示了双侧半球之间的均衡。本研究虽未对活性簇的偏侧化分布进行定量分析,但ICA及相关分析均支持这一结果。基于ICA的DMN包含右侧海马及双侧内嗅皮层,而基于后扣带回相关分析的网络中未见海马显示。海马结构是人类记忆系统中的关键角色,海马与内嗅皮层之间的联系在人类记忆功能中作用重大,但对海马是否参与DMN的组成及其在网络中的角色定位尚无定论。对年轻受试者以及老年受试者静息态fMRI的ICA分析研究显示双侧海马、内嗅皮层在DMN中协同激活,但利用功能连接分析得到的结果并未显示作为记忆解剖基础的颞叶内侧结构参与DMN的构成。本组利用ICA与PCC的相关分析得到的结果与Greicius等的研究结果一致。有学者认为各报道DMN中海马活性的不一致可能与不同研究中采集fMRI数据所用MR仪器的场强不同有关:海马激活在1.5TMR仪可以被探测到,但在3.0TMR仪由于磁敏感伪影而不能被显示。利用1.5TMR得到的结果支持上述假设,但也有学者利用1.5TMR未见DMN中海马结构活性簇显示。海马结构活性是否参与DMN,可能与MR场强并无确切、直接关系。本组结果提示,海马结构在DMN中出现与否似乎与静息态fMRI数据的分析手段有某种关系,即ICA分析结果中均可见海马结构活性显示,但以PCC为感兴趣区的基于体素的相关分析中均