黃偉康，李志銘，吳水天，洪靜靜，文 戈

1南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院增城分院（增城區(qū)中心醫(yī)院），廣東 廣州511340；2廣州醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院，廣東廣州510260

原發(fā)性失眠是世界范圍內(nèi)重要的公共衛(wèi)生問題，其特征是難以入睡、睡眠深度或頻度過短以及早醒導(dǎo)致睡眠不足。睡眠不足會導(dǎo)致各種健康問題，例如心血管疾病、肥胖、糖尿病、免疫系統(tǒng)功能障礙以及認知、情感障礙［1］。原發(fā)性失眠會在負面的情緒中引發(fā)情緒變化，包括易怒、情緒波動、攻擊性及焦慮，其對情感影響不僅與負面刺激的反應(yīng)性增強有關(guān)，而且與對愉悅刺激的反應(yīng)模式降低有關(guān)。此外，充足的睡眠對于鞏固記憶至關(guān)重要，而睡眠在大腦準備形成新記憶方面起著至關(guān)重要的作用［2］。根據(jù)前期神經(jīng)影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，原發(fā)性失眠會影響海馬在編碼情景記憶中的表現(xiàn)，這種效應(yīng)與丘腦和腦干警覺網(wǎng)絡(luò)的連通性模式改變有關(guān)［3］。

功能磁共振成像（fMRI）是一種功能強大的非侵入性成像方式，可以測量血液動力學(xué)波動來反映神經(jīng)活動?；谘跛揭蕾囆缘纳窠?jīng)影像學(xué)已用于對原發(fā)性失眠患者神經(jīng)機制的理解，通過應(yīng)用基于任務(wù)的功能磁共振成像［4］，原發(fā)性失眠患者在杏仁核中顯示出對不同刺激的異常激活，這些刺激包括非失眠相關(guān)的刺激，情緒刺激和失眠相關(guān)的刺激?；陟o息態(tài)fMRI（rs-fMRI）研究發(fā)現(xiàn)原發(fā)性失眠患者在杏仁核，島葉，后扣帶皮層和海馬中廣泛的功能連接異常［5］。另一項研究通過比較Pearson相關(guān)系數(shù)區(qū)別大腦不同區(qū)域功能連接情況，其結(jié)果表明原發(fā)性失眠患者分布廣泛的區(qū)域中存在異常功能連接［6］。前期研究對失眠的發(fā)病原因認識趨于局部化、片面化，不能僅用單一或孤立的腦區(qū)改變闡明清楚，無法從本質(zhì)上探究其可能得神經(jīng)機制，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論結(jié)合圖論的數(shù)學(xué)方法是根據(jù)神經(jīng)信息傳遞及交互作用的方法探究全腦功能的改變，更適合闡明失眠患者潛在的病理生理機制?；趫D論的fMRI分析方法通過計算一系列局部和全局特征來計算大腦連接組的拓撲結(jié)構(gòu)［7］。小世界網(wǎng)絡(luò)研究已應(yīng)用于精神類疾病及神經(jīng)退行性疾病，但是在原發(fā)性失眠的研究很少［8］。本研究創(chuàng)新性的通過rs-fMRI圖論的方法研究原發(fā)性失眠患者小世界網(wǎng)絡(luò)的改變，從而探究其發(fā)病機制。

1 資料和方法

1.1 研究對象

本研究收集2015年1月～2020年1月于南方醫(yī)院增城分院及廣州醫(yī)科大學(xué)第二附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科患者，由專業(yè)且經(jīng)驗豐富的神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生進行標準化篩查，依據(jù)《精神障礙診斷和統(tǒng)計手冊》第5版（DSM-5）的診斷標準。并同期納入健康對照者。所有被試均簽署知情同意書，并接受全面的身體和神經(jīng)系統(tǒng)檢查，以及量表評估。量表評估包括匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)（PSQI），漢密爾頓抑郁量表（HAMD）和漢密爾頓焦慮量表（HAMA）?；颊唔毞希菏甙Y狀持續(xù)時間大于3月；PSQI 得分≥8；沒有神經(jīng)或精神疾病，如中風(fēng)、抑郁癥（HAMD≤17）或焦慮癥（HAMA≤14）等；沒有其他睡眠障礙（例如與睡眠有關(guān)的運動障礙、嗜睡、呼吸睡眠暫停綜合征等）；右利手，年齡20～60歲；禁止濫用藥物或物質(zhì)，如咖啡因、尼古丁、酒精；常規(guī)MRI圖像未發(fā)現(xiàn)異常信號。健康對照者須符合：無睡眠障礙史：PSQI≤7；良好的睡眠質(zhì)量，無晝夜交替工作時間的歷史；沒有神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病，如中風(fēng)、抑郁癥（HAMD≤6）或焦慮癥（HAMA≤6）。總共招募65名患者和60名年齡、性別和教育程度相匹配的健康對照者。

1.2 數(shù)據(jù)采集

所有數(shù)據(jù)由飛利浦Ingenia 3.0T MRI掃描儀（64通道頭頸部線圈）采集，被試頭部用泡沫墊減少頭部運動并減小MRI噪音，指導(dǎo)所有被試閉眼并在采集過程中不要思考或入睡，常規(guī)MRI 掃描排除腦結(jié)構(gòu)異常。fMRI數(shù)據(jù)采用基于平面回波成像技術(shù)的BOLD-EPI序列，TR=2000 ms，TE=30 ms，翻轉(zhuǎn)角=90°，F(xiàn)OV=220×220 mm，matrix=64×64，層數(shù)=33，層厚=3.5 mm，層間距=0.6 mm，采集150個時間序列容積圖像。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使 用Matlab 2012b（Matlab R2012bhttp://www.mathworks.com/products/matlab）工具箱調(diào)用SPM8（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）和GRETNA（v2.0 http://www.nitrc.org/projects/gretna）軟件包。去掉前10個時間點，以確保MRI信號穩(wěn)定。剩余數(shù)據(jù)經(jīng)過時間校正，并重新對齊頭部運動校正，去除平移或旋轉(zhuǎn)參數(shù)超過1.5 mm或1.5°的被試數(shù)據(jù)。然后將圖像在空間上標準化到具有3 mm各向同性分辨率的MNI-152模板空間上，并使用半高全寬6 mm×6 mm×6 mm的高斯核對圖像進行平滑處理。圖像經(jīng)過去線性處理，并經(jīng)過時間帶通濾波（0.01～0.08 Hz），以消除低頻漂移和高頻生理噪聲。最后，回歸白質(zhì)信號、腦脊髓液信號和運動參數(shù)，根據(jù)先前的研究，目前的數(shù)據(jù)并未回歸全球信號［9］。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 19.0軟件對人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。首先進行正態(tài)性檢驗及方差齊性檢驗，若符合則使用雙樣本t檢驗，若不符合則采用非參數(shù)檢驗。使用基于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計分析（NBS），進行兩組之間網(wǎng)絡(luò)拓撲和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的差異進行了評估，使用非參數(shù)置換方法（10 000次置換）對兩組之間的拓撲特性（全局網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和區(qū)域節(jié)點參數(shù)）進行統(tǒng)計比較。對于圖理論分析中的置換檢驗（在GAT工具箱中實現(xiàn)）和NBS分析進行檢驗，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。使用BrainNet軟件對NBS揭示的有統(tǒng)計學(xué)差異腦區(qū)進行可視化顯示。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計學(xué)分析及臨床量表結(jié)果

原發(fā)性失眠患者和健康對照者在年齡、性別和受教育程度方面符合正態(tài)性檢驗及方差齊性檢驗（P＞0.05），差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05，表1）。原發(fā)性失眠患者和健康對照者在PSQI、HAMA和HAMD量表數(shù)據(jù)差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05，表1）。

2.2 fMRI功能網(wǎng)絡(luò)全局拓撲屬性改變結(jié)果

原發(fā)性失眠患者組和健康對照組均符合小世界網(wǎng)絡(luò)屬性（γ＞1，λ≈1，σ＞1）。與健康對照組相比，原發(fā)性失眠患者小世界網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出更低的Cp、γ、Eloc、λ、連通性、σ（P＜0.05，圖1）。

表1 人口統(tǒng)計學(xué)及臨床量表結(jié)果Tab.1 Statistical results of demographic and clinical data

圖1 fMRI功能網(wǎng)絡(luò)全局拓撲屬性改變結(jié)果Fig.1 Alteration of global topological properties of functional network based on fMRI. Data of patients with primary insomnia and healthy controls are indicated with red and blue,respectively.

2.3 fMRI功能網(wǎng)絡(luò)局部拓撲屬性改變結(jié)果

原發(fā)性失眠患者與健康對照組相比，患者組3項區(qū)域節(jié)點參數(shù)至少1項減低的區(qū)域有：雙側(cè)中額眶回、左側(cè)島蓋部額下回、左側(cè)三角部額下回、左側(cè)角回；患者組節(jié)點3項參數(shù)之一存在升高的區(qū)域有：右側(cè)中扣帶回、右側(cè)海馬、右側(cè)楔葉、右側(cè)中央旁小葉和右側(cè)顳下回（圖2，表2）。

圖2 fMRI功能網(wǎng)絡(luò)局部拓撲屬性改變節(jié)點可視化圖Fig.2 Visualization of the nodes with altered local topological properties of the functional network based on fMRI.

表2 fMRI功能網(wǎng)絡(luò)局部拓撲屬性改變節(jié)點參數(shù)結(jié)果Tab.2 Network parameters of the nodes with altered local topological properties of functional network based on fMRI

3 討論

本研究首次通過基于rs-fMRI技術(shù)發(fā)現(xiàn)原發(fā)性失眠患者與健康對照者均表現(xiàn)出小世界屬性，原發(fā)性失眠患者較健康對照者表現(xiàn)出以聚類系數(shù)減低為核心的網(wǎng)絡(luò)屬性異常，表明原發(fā)性失眠患者的拓撲結(jié)構(gòu)信息傳輸能力受損。同時節(jié)點級別也發(fā)生了變化，包括默認網(wǎng)絡(luò)，背側(cè)注意力網(wǎng)絡(luò)和感覺運動網(wǎng)絡(luò)，其可能成為影像學(xué)標記物。

原發(fā)性失眠定義為睡眠潛伏期延長、難以維持睡眠、早醒以及白天功能障礙的癥狀，包括警覺性降低、疲勞、疲憊等癥狀［10］。前期fMRI中的研究大部分集中在大腦區(qū)域的功能障礙或兩個不同大腦區(qū)域之間的功能鏈接變化［11-14］。然而，大腦是一個復(fù)雜而先進的信息處理系統(tǒng)，將不同的大腦區(qū)域協(xié)調(diào)為一個功能網(wǎng)絡(luò)。有研究表明，原發(fā)性失眠患者的功能改變（如認知能力、情感處理和記憶形成）與廣泛分布的大腦區(qū)域和子網(wǎng)有關(guān)［15］。因此，有必要從功能網(wǎng)絡(luò)的角度研究原發(fā)性失眠患者的神經(jīng)機制?；谙惹皬V泛分布的區(qū)域中存在異常區(qū)域活動和功能連接的證據(jù)，我們假設(shè)原發(fā)性失眠患者可能與腦功能連接體拓撲結(jié)構(gòu)的改變有關(guān)。在本研究中，我們首次使用圖論分析來證明我們的假設(shè)，以探討原發(fā)性失眠患者和健康對照者之間的腦功能連接組的差異。

前期研究表明，復(fù)雜的功能連接體具有許多重要的拓撲特征，例如小世界屬性、模塊性和層次結(jié)構(gòu)［7］。我們發(fā)現(xiàn)兩組均顯示出有效且經(jīng)濟的小世界拓撲屬性。原發(fā)性失眠患者的小世界屬性改變表明，患者大腦中的信息傳輸和處理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)受到干擾，尤其是聚類系數(shù)、γ、Eloc這幾項指標的減低，均提示患者組腦網(wǎng)絡(luò)在局部信息整合的效率上存在異常［16-17］。這些結(jié)果可能指導(dǎo)我們從整體大腦角度了解原發(fā)性失眠的病理生理機制。

除了全局拓撲屬性外，大腦功能連接體的節(jié)點中心也發(fā)生了改變，節(jié)點特征的改變表明節(jié)點在信息傳輸和整合中的作用異常，因此不同區(qū)域的異常節(jié)點特性可能會導(dǎo)致它們所屬的網(wǎng)絡(luò)功能異常［18］。節(jié)點中心點減少主要位于默認網(wǎng)絡(luò)中，包括雙側(cè)中額眶回、左側(cè)角回和海馬［19］。海馬屬于默認網(wǎng)絡(luò)，其與認知、情緒處理和記憶形成有關(guān)，在睡眠調(diào)節(jié)中起著重要作用［20］。使用rsfMRI的多項研究發(fā)現(xiàn)，海馬與杏仁核和額上回廣泛相關(guān)［21］。默認網(wǎng)絡(luò)在意識的調(diào)節(jié)中起著核心作用，并且與自我心理活動有關(guān)［22-23］，因此我們推測原發(fā)性失眠患者的認知、情感和記憶障礙可能與默認網(wǎng)絡(luò)的連接減少有關(guān)。有研究表明，睡眠不足的受試者可以在編碼過程中更有效地動員額下回，以滿足更有效的記憶形成的需要［24］。其次節(jié)點減少區(qū)域是背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)，包括左側(cè)左側(cè)島蓋部額下回和三角部額下回，有報道其參與慢波睡眠，這可能會影響睡眠質(zhì)量下降［25］。

本研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)大腦半球多個節(jié)點增加，楔葉是視覺網(wǎng)絡(luò)的一部分，它參與與記憶有關(guān)的心理成像和/或視覺記憶整合［1］。中央旁小葉主要位于感覺運動網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)失眠的過度興奮理論其參與發(fā)起或維持睡眠，原發(fā)性失眠患者表現(xiàn)永久性亢進的循環(huán)，并且對感覺刺激的敏感性增強，這會導(dǎo)致進一步的皮質(zhì)覺醒以及睡眠開始和維持的困難［26］。默認網(wǎng)絡(luò)和感覺運動網(wǎng)絡(luò)之間的連接改變可能是一種補償機制，可以克服睡眠不足的負面影響并保持精神運動和認知能力［22,27］。

本研究仍有幾點不足：患者樣本量少，有待于今后更大樣本量、多中心的進一步研究；本研究為橫斷面研究，今后有待于多時間點、縱向研究。總之，本研究為原發(fā)性失眠患者神經(jīng)病理機制提供了客觀的影像學(xué)證據(jù)，有利于加深對其神經(jīng)病理機制的了解，從而提供治療疾病的新視角。