劉飛飛，杜靜，楊光，張駿，嚴(yán)孫宏，王龍勝，王訓(xùn)

(安徽醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院 1.神經(jīng)內(nèi)科； 2.放射科，安徽 合肥 230601)

帕金森病(Parkinson's disease,PD)的病理基礎(chǔ)不僅是黑質(zhì)致密部多巴胺神經(jīng)元的丟失，腦白質(zhì)的完整性同樣受到損傷[1]。2018年國際帕金森病與運(yùn)動障礙學(xué)會會議突出闡明在帕金森病的早期至中晚期腦白質(zhì)均有改變，但相關(guān)研究仍需進(jìn)一步完善[2]。彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)作為研究白質(zhì)微結(jié)構(gòu)改變的有效和非侵入性工具，在神經(jīng)退行性疾病研究中的應(yīng)用近年來不斷增加，并且有學(xué)者提出DTI可作為PD診斷的重要影像標(biāo)志物[3]。迄今為止大多數(shù)與PD相關(guān)的DTI研究集中監(jiān)測由分?jǐn)?shù)各向異性(fractional anisotropy,FA)和平均擴(kuò)散率(Mean Diffusivity,MD)表示的某些特定區(qū)域的變化。而關(guān)于PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩匝芯枯^少，本研究目的在于通過DTI成像技術(shù)結(jié)合復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論探索PD患者與健康者相比腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘牟町愋愿淖?，為疾病的早期診斷提供有價(jià)值的信息。

1 對象和方法

1.1 研究對象

招募2018年10月至2020年4月安徽醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科收治的原發(fā)性帕金森病患者22例(PD組)及22例年齡、性別匹配的健康志愿者(對照組)。所有受試者均無影響MRI圖像質(zhì)量的頭部金屬異物且配合MRI檢查。該研究通過醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)后實(shí)施，并且所有受試者均簽署知情同意書。

PD患者入組標(biāo)準(zhǔn)：①符合1992年英國PD協(xié)會腦庫臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[4]，且由2名主治醫(yī)師或以上職稱的神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師獨(dú)立診斷；②右利手；③能夠獨(dú)立或在家屬協(xié)助下完成量表測試；④未服用過影響血脂、血糖、尿酸等水平的藥物。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①多系統(tǒng)萎縮、進(jìn)行性核上性麻痹等其他神經(jīng)系統(tǒng)變性病；②合并嚴(yán)重的心、肝、腎等重要器官功能障礙；③有顱內(nèi)占位、腦梗死、腦出血、腦部外傷、精神疾病病史。

對照組入選標(biāo)準(zhǔn)：①無中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病及頭部外傷史；②右利手，年齡50～80周歲；排除標(biāo)準(zhǔn)：①有嚴(yán)重軀體障礙性疾?。虎谟袊?yán)重焦慮、抑郁等精神病史。

1.2 方法

1.2.1 臨床資料收集 研究對象入院后2 h內(nèi)由專業(yè)神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師對其進(jìn)行病史和人口學(xué)資料采集，行全面神經(jīng)系統(tǒng)體格檢查。內(nèi)容包括年齡、性別、吸煙飲酒史、慢性病史。采用統(tǒng)一PD評分量表第三部分(UPDRS-Ⅲ)[5]對患者進(jìn)行運(yùn)動功能評分，根據(jù)改良Hoehn-Yahr(H&Y)[6]分級評估患者疾病嚴(yán)重程度。

1.2.2 顱腦MRI檢查 使用Siemens Verio 3.0 T 超導(dǎo)MR掃描儀，8通道頭線圈，囑患者取仰臥位，頭部適當(dāng)固定，以棉球塞耳減少噪音，獲取常規(guī)頭顱MRI平掃橫軸位，由2名主治以上職稱放射科醫(yī)師共同分析平掃圖像，排除相關(guān)病變后繼續(xù)完成掃描。T1WI 結(jié)構(gòu)像采用矢狀位三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列掃描，TR 1 800 ms，TE 2.98 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1.0 mm，層間距0 mm,共采集192層全腦圖像。DTI采用單次自旋回波-回波平面成像序列，TR 6700 ms，TE 95.0 ms，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，層厚3.0 mm，層間距0 mm，共采集45幅圖像，采集時(shí)間627 s。所有數(shù)據(jù)均在MATLAB R2016a平臺上使用PANDA軟件進(jìn)行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、渦流校正和頭像校正。

1.2.3 腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及拓?fù)鋵傩匝芯?/p>

①腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的定義：利用解剖學(xué)自動標(biāo)記模板(AAL)將整個(gè)大腦劃分為90個(gè)區(qū)域，通過空間變換和圖像配準(zhǔn)方法，把標(biāo)準(zhǔn)空間下的AAL模板上各個(gè)腦區(qū)映射到個(gè)體空間。具體配準(zhǔn)過程為：DTI圖像按照1×1×1的比例重新體素采樣，得出個(gè)體各向異性分?jǐn)?shù)(FA)圖像，再把FA圖像線性配準(zhǔn)到個(gè)體MRI TI結(jié)構(gòu)像上，接著把個(gè)體MRI T1結(jié)構(gòu)像非線性配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間下的MNI152 T1模板上。利用其逆變換，再把AAL模板的各個(gè)腦區(qū)隱射到個(gè)體空間上，以各個(gè)腦區(qū)作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。

②腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)邊定義：使用Diffusion Toolkit工具，采用確定性纖維追蹤技術(shù)進(jìn)行全腦的纖維追蹤。追蹤終止的條件參數(shù)中角度設(shè)置為60°，F(xiàn)A值閾值為0.2。若上述定義的2個(gè)節(jié)點(diǎn)間存在白色纖維，則認(rèn)為該兩點(diǎn)間存在連接。設(shè)定纖維束(fiber number)矩陣閾值為3，當(dāng)2個(gè)腦區(qū)間的FN≥3時(shí)，F(xiàn)N矩陣設(shè)為1，認(rèn)為2個(gè)腦區(qū)間存在纖維連接；當(dāng)FN<3是時(shí)，F(xiàn)N矩陣設(shè)為0，認(rèn)為2個(gè)腦區(qū)之間不存在纖維連接。最后將連接矩陣的加權(quán)系數(shù)設(shè)為FN×FA。該處理工作同樣在MATLAB平臺上完成。

③腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩苑治觯夯诠ぞ甙麲RETNA[7]完成腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘姆治?，圖像處理流程示意圖見圖1。拓?fù)鋵傩灾饕ㄈ謱傩约熬植繉傩裕壕垲愊禂?shù)(clustering coefficient,Cp)、最短路徑長度(shortest path length,Lp)、全局效率(global efficiency,Eglob)、局部效率(local efficiency,Eloc)以及小世界屬性。小世界屬性包含γ、λ、σ 3個(gè)重要參數(shù)，γ定義為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)比值，λ定義為真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的最短路徑長度與隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)最短路徑長度比值，σ=γ/λ。當(dāng)γ>1，λ≈1且σ>1時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)具有小世界屬性。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

應(yīng)用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析：符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示；兩組間性別采用卡方檢驗(yàn)，年齡、腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)比較均采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；PD組全腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)與病程、H-Y 分級、UPDRS-Ⅲ評分、多巴胺日劑量之間的相關(guān)性采用Pearson 分析，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

A.PD患者DTI圖像； B.重新采集體素； C.提取FA值； D.FA圖像匹配到T1結(jié)構(gòu)像上； E.采用確定性纖維追蹤技術(shù)得到全腦纖維束圖； F.T1結(jié)構(gòu)像匹配到MNI標(biāo)準(zhǔn)空間模板上； G.由E、F得到FN×FA矩陣圖； 最后利用GRETNA軟件計(jì)算出拓?fù)鋵傩詤⒖贾怠?/p>

2 結(jié)果

2.1 一般臨床資料比較

PD組與對照組間年齡、性別比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

表1 PD組與健康對照組一般資料比較

2.2 兩組腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)分析

小世界屬性參考值γ、λ、σ兩組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，兩組腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)均保留小世界屬性；PD組與對照組比較聚類系數(shù)、全局效率和最短路徑長度差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；PD組聚類系數(shù)和全局效率均明顯低于對照組，但最短路徑長度高于對照組。局部效率兩組間比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表2。

表2 PD組與對照組拓?fù)鋵傩詤?shù)比較

兩組比較*P<0.05。

2.3 PD腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)與臨床指標(biāo)的相關(guān)性分析

PD組中，最短路徑長度與病程呈正相關(guān)(P<0.05)，與H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分無相關(guān)性；聚類系數(shù)、全局效率、局部效率以及γ、λ、σ值與PD病程、H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分均無相關(guān)性(P>0.05)；聚類系數(shù)、全局效率、局部效率、最短路徑長度以及γ、λ、σ值與多巴胺日劑量均無相關(guān)性(P>0.05)。見表3。

表3 PD組拓?fù)鋵傩詤?shù)與病程、H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分、多巴胺日劑量相關(guān)性分析

3 討論

PD的白質(zhì)改變表現(xiàn)為軸突變性和髓鞘損傷，并且越來越受到重視[8-9]。利用DTI技術(shù)測量水分子在神經(jīng)纖維束上的擴(kuò)散特征，通過計(jì)算FA值、MD值等方法發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)完整性受損，并且這種損傷貫穿于疾病發(fā)展的不同階段[10]。該種方法側(cè)重于研究局部腦白質(zhì)的改變，近年來隨著對大腦網(wǎng)絡(luò)及功能的深入研究認(rèn)為在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，病理基礎(chǔ)是各腦區(qū)之間的異常連接及相互作用，而非是單一局部病變的結(jié)果[11]。采用基于圖論的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究方法發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)全局特性及局部特性均發(fā)生變化；而且這種腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘母淖兣c神經(jīng)功能自然老化無相關(guān)性，是PD患者神經(jīng)退行性病變所特有的病理結(jié)果[12-13]。本研究發(fā)現(xiàn)PD組與健康對照組相比小世界屬性參考值γ、λ、σ無明顯差異，二者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)均保留小世界屬性；聚類系數(shù)、全局效率和最短路徑長度差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并且最短路徑長度與病程呈正相關(guān)。小世界屬性被認(rèn)為反映了腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)功能整合與分離的最佳平衡，維持整體信息的高效率傳遞，本研究表明這種平衡在PD中尚未被打破，這與Skidmore[14]及Nigro等[15]研究結(jié)果保持一致。但Kamagata等[16]運(yùn)用多殼多組織約束球面反褶積法(MSMT-CSD )一種更為準(zhǔn)確測量神經(jīng)纖維束的方法表明與健康對照組相比，PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)小世界屬性顯著降低；對于這種不同的研究結(jié)果，需通過更精確的測量方法進(jìn)行深入的研究。

本研究發(fā)現(xiàn)與健康對照組相比，PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)全局特性發(fā)生變化，具體體現(xiàn)在聚類系數(shù)和全局效率降低，而最短路徑長度增加，這與Chiang[8]和Kamagata等[16]學(xué)者對PD患者腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘难芯拷Y(jié)果一致。聚類系數(shù)代表腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間連接的緊密性，全局效率意味著腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)整體整合及傳輸信息的能力，最短路徑長度則反映腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)中不同腦區(qū)之間傳遞信息所需最短距離[17]。最短路徑長度增加，聚類系數(shù)和全局效率的降低反映PD患者腦白質(zhì)神經(jīng)纖維束聚合度減低，各腦區(qū)之間的連接性破壞，進(jìn)而導(dǎo)致全腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)對信息的整合能力及各個(gè)腦區(qū)之間的信息傳遞效率下降，各個(gè)腦區(qū)間無法及時(shí)有效地進(jìn)行信息傳遞與交流。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)聚類系數(shù)、全局效率、λ、γ、σ值與患者病程、H-Y分級、UPDRS-Ⅲ評分、多巴胺日劑量均無相關(guān)性，與Wen等[18]的研究結(jié)果一致；而最短路徑長度與患者病程呈正相關(guān)，這可能說明在早期PD患者已經(jīng)出現(xiàn)腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩缘母淖儯⑶译S著病程的延長逐漸變化，這與邱軼慧等[19]研究表明PD患者在疾病早期即存在腦白質(zhì)網(wǎng)路拓?fù)鋵傩愿淖儾⒇灤┯诩膊∈冀K這一結(jié)果一致。

近年來，隨著對PD患者腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩栽絹碓蕉嗟难芯浚l(fā)現(xiàn)PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)功能并不總是呈現(xiàn)下降的趨勢；在疾病發(fā)展不同階段，不同的臨床表征存在時(shí)，出現(xiàn)或減弱、或增強(qiáng)的腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)功能變化。既往對前驅(qū)期PD患者基于DTI運(yùn)用圖論分析及網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)研究方法顯示前驅(qū)期PD患者的腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)連通性增加，早期PD患者的局部連通性降低[18]。Olde 等[20]學(xué)者利用腦磁圖學(xué)圖論的研究發(fā)現(xiàn)局部效率受損和腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)纖維束聚集性下降是PD的早期特征，隨著時(shí)間的推移繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)全局效率隨之降低。此外Skidmore等[14]發(fā)現(xiàn)PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的整體聚集系數(shù)和整體效率在早期同樣表現(xiàn)出降低的趨勢，局部水平聚集系數(shù)的降低主要發(fā)生在特定腦區(qū)(如殼核、蒼白球、杏仁核和嗅球)。同時(shí)Hacker[21]及Helmch等[22]發(fā)現(xiàn)在帕金森病的早期和晚期，基底節(jié)和皮質(zhì)運(yùn)動區(qū)之間的連接性下降，以及皮質(zhì)-紋狀體環(huán)路功能存在障礙。然而Hu[23]和 Ajilore等[24]學(xué)者發(fā)現(xiàn)PD患者全局效率下降且腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)整體性受損，而伴有抑郁的PD患者與不伴抑郁的PD患者比較，局部效率顯著增加，主要表現(xiàn)在額葉、邊緣系統(tǒng)連通性增強(qiáng)，腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)效率增高。Wang等[25]對帕金森病伴有左旋多巴誘發(fā)運(yùn)動障礙(levodopa-induced dyskinesias,LIDs)患者的腦結(jié)構(gòu)拓?fù)鋵傩匝芯堪l(fā)現(xiàn)，伴LIDs患者的整體效率、局部效率、聚集系數(shù)顯著增加，最短路徑長度減少；顯示LIDs患者腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩赃^度優(yōu)化，過度強(qiáng)化的基底節(jié)-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路在左旋多巴誘發(fā)運(yùn)動障礙起著重要作用。因此推測PD患者的運(yùn)動障礙、情緒障礙等臨床表現(xiàn)與腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)整體或局部拓?fù)鋵傩愿淖兙哂泻艽笙嚓P(guān)性。

目前大多數(shù)學(xué)者及本研究表明PD患者腦白質(zhì)完整性及拓?fù)鋵傩缘母淖兛赡茉诩膊≡缙诰鸵呀?jīng)發(fā)生，PD患者腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)仍保留小世界屬性，但整體對信息的整合能力及各個(gè)腦區(qū)之間的信息傳遞效率下降。因本研究納入的例數(shù)較少，不能很好地進(jìn)行分組比較，對于早期PD的腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘难芯咳孕柽M(jìn)一步深化，更加全面地了解DTI影像與帕金森病疾病進(jìn)展的關(guān)系，是進(jìn)一步研究的目標(biāo)。