葛志超，吳佳佳，孫 浩，趙 慶

(1.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院骨傷科，上海 200437；2.上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院康復(fù)科，上海 200437)

脊髓型頸椎病(cervical spondylotic myelopathy, CSM)亦稱癱瘓型頸椎病，此型較多見，癥狀嚴(yán)重，椎間盤退變導(dǎo)致肢體功能障礙、感覺喪失和疼痛[1]。CSM是頸椎病中最為嚴(yán)重的類型，常需手術(shù)治療。因CSM的發(fā)病與椎體的退化、椎間盤的退變、韌帶的增生肥厚直接相關(guān)，故以往的治療思路均局限于改善椎體、間盤、韌帶三者與脊髓之間的位置關(guān)系。即使手術(shù)解除了壓迫，仍有部分CSM患者肢體運動感覺功能恢復(fù)不佳[2]。隨著神經(jīng)功能影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究關(guān)注到脊髓受壓的同時大腦因長時間去感覺輸入和運動輸出刺激，將導(dǎo)致腦功能的重塑?；诟鞣N神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的各個模態(tài)的腦功能和結(jié)構(gòu)成像研究結(jié)果，從局部腦活動、腦區(qū)間功能連接、各個尺度腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩浴⒒屹|(zhì)和白質(zhì)的結(jié)構(gòu)改變、腦血流量，代謝產(chǎn)物等均證實了CSM可引起腦功能的改變[3-6]。但在這些研究中CSM患者和正常人之間的腦活動差異并不一致，并且機(jī)制仍不清楚。

近年來，多元模式分析方法(multivariate pattern analysis, MVPA)已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)影像數(shù)據(jù)分析，以提取模式和個體的觀測值的分類[7]。大量研究已經(jīng)證實MVPA模型可用于從被試大腦圖像中解碼信息，這些研究也為臨床工作提供了一個非常好的方法。根據(jù)既往的文獻(xiàn)，本研究假設(shè)CSM的患者在自發(fā)性大腦活動中表現(xiàn)出顯著變化，可用于將其與健康對照進(jìn)行分類。因此，本研究旨在研究CSM對大腦內(nèi)在活動的影響，探討CSM患者肢體功能障礙的神經(jīng)機(jī)制。從CSM患者和健康對照被試中采集靜息態(tài)的fMRI數(shù)據(jù)，分析并計算低頻振蕩振幅(amplitude of low frequency fluctuation, ALFF)，使用MVPA中常用的支持向量機(jī)(SVM)方法，將組間具有顯著差異的影像特征值應(yīng)用于分類，并進(jìn)行臨床功能評估與分類決策值之間的相關(guān)性分析。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2020年9—12月，選取12名需進(jìn)行手術(shù)治療的右利手CSM術(shù)前患者(年齡30～75歲)和18名健康對照者(年齡30～75歲)為研究對象。所有CSM患者都有明顯的頸髓壓迫影像證據(jù)，包括黃韌帶肥厚、后縱韌帶骨化和頸椎間盤突出，并伴有與影像證據(jù)相符的臨床癥狀，包括四肢的運動、感覺功能障礙，軀干感覺功能障礙，膀胱功能障礙(包括尿潴留、尿失禁)。本研究的排除標(biāo)準(zhǔn)如下：(1)30歲以下或75歲以上；(2)不需要手術(shù)治療本研究中的CSM患者都是需要手術(shù)治療的患者，需要說明本研究是在手術(shù)之前還是手術(shù)之后，另外，手術(shù)前后患者腦功能是否有變化；(3)合并嚴(yán)重的心腦血管、造血系統(tǒng)等系統(tǒng)性疾??；(4)抑郁、焦慮、藥物濫用或其他精神疾病的病史；(5)MRI發(fā)現(xiàn)腦部異常(腫瘤、出血或梗死)；(6)磁共振掃描相關(guān)禁忌。本研究通過上海中醫(yī)藥大學(xué)附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院倫理委員會的批準(zhǔn)(KYSKSB2020-141)。所有參與研究的被試者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 臨床功能評估 對所有受試者進(jìn)行MRI掃描之前均進(jìn)行JOA問卷評分以評估神經(jīng)功能，JOA評估包括上下肢運動、感覺功能評估，膀胱功能評估。得分越高表示脊髓壓迫造成的神經(jīng)功能影響越小、臨床癥狀越輕。

1.2.2 fMRI掃描 所有磁共振圖像均使用西門子Magnetom Verio 3.0 T磁共振儀進(jìn)行掃描。靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)采用單激發(fā)平面回波序列(echo planar imaging, EPI)掃描獲得。掃描參數(shù)如下：隔層掃描，層數(shù)43，翻轉(zhuǎn)角=90°，矩陣=64×64，TR=3 000 ms，層厚=3.0 mm，F(xiàn)OV=230 mm×230 mm，gap=0(體素大小3.6 mm×3.6 mm×3.0 mm)。采用加權(quán)快速衰減梯度回波(FSPGR)序列進(jìn)行T1WI結(jié)構(gòu)掃描。掃描參數(shù)如下：TR/TI/TE=1 900/900/2.93 ms，翻轉(zhuǎn)角=9°，F(xiàn)OV=256 mm×256 mm，層厚=1.0 mm，矩陣=256×256，平均數(shù)=1。

1.2.3 fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理 在Matlab環(huán)境下進(jìn)行。首先去除前10個時間點數(shù)據(jù)，然后采用SPM12軟件包(http：∥www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)進(jìn)行時間校正、頭動校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化、平滑。

1.2.4 ALFF計算 采用REST 1.9軟件(北京師范大學(xué)，http：∥www.restfmri.net)先進(jìn)行線性漂移，然后計算每個體素在低頻(0.01～0.1 Hz)的信號振蕩振幅值，獲得ALFF圖像。最后，將每個個體的ALFF值進(jìn)行Z變換用于進(jìn)一步統(tǒng)計分析。

1.2.5 特征選擇 并不是所有的特征都是有效的和相關(guān)的分類，篩選出具有很強(qiáng)識別力的特征來進(jìn)行分類，適當(dāng)減少特征的數(shù)量可以提高分類器的性能[8-10]。本研究提取CSM患者與健康對照的ALFF有顯著差異的腦區(qū)作為模板進(jìn)行SVM分類。采用REST1.9軟件對Z值變換后的ALFF進(jìn)行雙樣本t檢驗來比較組間差異，體素水平P<0.01未校正和團(tuán)塊水平Alphasim校正P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.2.6 支持向量機(jī)對受試者的分類 采用Matlab環(huán)境下的PRONTO 2.0工具箱(Pattern Recognition for Neuroimaging Toolbox software 2.0，http：∥www.mlnl.cs.ucl.ac.uk/pronto/)進(jìn)行分類。提取上述ALFF有顯著組間差異的區(qū)域作為模板。將此模板應(yīng)用于每一個個體zALFF圖像，以此作為分類建模的特征。本研究所建立的分類器是基于二分類的支持向量機(jī)。采用留一交叉驗證(leave one out cross validation, LOOCV)的方式來估計分類器的泛化能力。即將其中一個被試的zALFF作為驗證集，其余被試的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集。對每一個被試重復(fù)這一過程，記錄分類器作出正確預(yù)測的次數(shù)，計算靈敏度和特異度。采用置換檢驗(1 000次)評估SVM分類器的性能。并提取患者組的分類決策值進(jìn)行下一步統(tǒng)計分析。

1.3 研究流程

將符合入排標(biāo)準(zhǔn)的被試分為CSM患者組和對照組，兩組被試均進(jìn)行JOA評分及fMRI掃描；以fMRI掃描得出的ALFF值作為特征集，以ALFF有顯著組間差異腦區(qū)為模板，以組別為標(biāo)簽；使用SVM分類算法訓(xùn)練，將上一步得出的分類決策值與JOA評分進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.4 統(tǒng)計學(xué)處理

使用SPSS 22.0將患者組的分類決策值與JOA運動和感覺評分分別進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)性分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 一般資料

CSM患者和健康對照組的一般資料和臨床評估結(jié)果見表1。CSM患者與健康對照在年齡、性別差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表1 CSM患者和健康對照組一般資料比較

2.2 ALFF組間差異

經(jīng)Alphasim校正后最小的團(tuán)塊大小為118個體素，對應(yīng)校正后的P值為0.05。結(jié)果顯示CSM患者的大腦內(nèi)在自發(fā)活動性較健康對照升高，主要在左側(cè)小腦、左側(cè)中央前回、左側(cè)輔助運動區(qū)、右側(cè)前扣帶回，見圖1、表2。

圖1 CSM患者與健康對照的ALFF組間比較結(jié)果

表2 CSM患者與健康對照的ALFF組間比較結(jié)果

2.3 SVM分類

選擇在ALFF分析中顯示CSM患者與健康對照有顯著差異的腦區(qū)作為判別分析的模板，包括左側(cè)小腦、左側(cè)中央前回、左側(cè)輔助運動區(qū)和右側(cè)前扣帶回。SVM分類的準(zhǔn)確率為86.67%(P=0.001)。該算法的總體分類準(zhǔn)確性衡量了其將個體正確分類為CSM患者或?qū)φ盏哪芰?。敏感性?5.00%，特異性為94.44%，見圖2。

圖2 CSM患者和健康對照的SVM分類圖(A)及特征(ROC)曲線(B)

2.4 相關(guān)性分析

CSM患者的JOA功能評估與SVM分類決策值之間的相關(guān)分析結(jié)果顯示，分類決策值與JOA運動功能評分顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.761 5，P=0.004)，與JOA感覺功能評分無顯著相關(guān)性(r=-0.070 5，P=0.828)，見圖3。

圖3 CSM患者的分類決策值與JOA運動功能評分(A)及感覺功能評分(B)之間的相關(guān)性分析結(jié)果

3 討 論

本研究將靜息態(tài)fMRI和機(jī)器學(xué)習(xí)方法相結(jié)合，探討CSM患者的大腦神經(jīng)元自發(fā)活動的異常。結(jié)果發(fā)現(xiàn)與健康對照相比，CSM患者組在左側(cè)小腦、左側(cè)中央前回、左側(cè)輔助運動區(qū)和右側(cè)前扣帶回的ALFF顯著升高。進(jìn)一步將有顯著差異的腦區(qū)作為判別分析的模板，使用SVM進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)分類的結(jié)果顯示，CSM患者和健康受試者可以通過這些區(qū)域的ALFF來分類，并且CSM患者的分類決策值與JOA運動功能評分顯著負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果可能對理解腦重塑改變和該疾病的臨床特征具有重要意義。

SVM是一類按監(jiān)督學(xué)習(xí)(supervised learning)方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行二元分類的廣義線性分類器(generalized linear classifier)，其決策邊界是對學(xué)習(xí)樣本求解的最大邊距超平面。簡單而言，SVM算法的目標(biāo)是找到一個超平面分割不同類別的數(shù)據(jù)點，并且使得數(shù)據(jù)點與超平面的最小距離最大。該算法在腦功能成像[11]、輸血預(yù)測模型[12]、臨床數(shù)據(jù)識別[13]等臨床領(lǐng)域廣為應(yīng)用。大腦可塑性變化是分散的，而非聚焦于某一點，SVM這種多元模式分析方法對于識別這些改變更加敏感，且基于個體水平的預(yù)測模型也是提供更具價值的神經(jīng)影像學(xué)標(biāo)志物的關(guān)鍵，定位影響功能預(yù)后的關(guān)鍵腦區(qū)，可根據(jù)腦影像特征與康復(fù)的這種個體水平的關(guān)聯(lián)性制定針對性的臨床康復(fù)策略。

神經(jīng)損傷會引起神經(jīng)元可塑性改變，從而導(dǎo)致大腦功能和結(jié)構(gòu)的改變。突觸可塑性已被證實在許多神經(jīng)系統(tǒng)疾病中出現(xiàn)，包括多發(fā)性硬化、腦卒中、脊髓損傷等[14-15]。既往已有多項研究表明脊髓損傷患者存在腦重塑改變，包括結(jié)構(gòu)和功能重塑[16]。CSM是一種慢性脊髓損傷，提供了一個獨特的脊髓損傷的研究模型。已有大量功能影像研究報告CSM患者顯示出大腦運動感覺系統(tǒng)的重塑改變，基于任務(wù)態(tài)fMRI研究發(fā)現(xiàn)，CSM患者術(shù)前、術(shù)后中央前回及運動相關(guān)腦區(qū)激活體積較健康受試者有明顯改變，并且感覺運動腦區(qū)激活的變化與JOA上肢評分的改善相關(guān)[17]。

近年來ALFF已引起越來越多的關(guān)注。研究已將ALFF與腦血流量和任務(wù)誘發(fā)的大腦激活關(guān)聯(lián)起來[18]。ALFF的一個優(yōu)點是它可以專注于關(guān)鍵腦區(qū)的神經(jīng)活動，而不是腦區(qū)之間的相關(guān)性。此外，ALFF在靜息態(tài)fMRI指標(biāo)中的可靠性和可重復(fù)性之間達(dá)到最佳平衡[19]。本研究發(fā)現(xiàn)，CSM患者主要以左側(cè)的運動中樞和運動調(diào)控腦區(qū)的ALFF較健康被試顯著升高，提示CSM患者在優(yōu)勢半球的運動相關(guān)腦區(qū)存在顯著重塑變化。中央前回是第一運動區(qū)，是負(fù)責(zé)計劃、控制、運動執(zhí)行的大腦皮質(zhì)區(qū)[20]。小腦直接參與運動協(xié)調(diào)和相關(guān)運動學(xué)習(xí)，是感覺運動處理神經(jīng)環(huán)路的關(guān)鍵腦區(qū)，可主動參與感覺及運動信息的整合[21]。運動輔助區(qū)的功能與運動計劃有關(guān)，主要參與自身產(chǎn)生和控制的運動，而不是在外界刺激下所產(chǎn)生的運動[22]。前扣帶回接受來自額葉背側(cè)、眶額皮質(zhì)、島葉和丘腦的傳入，并有廣泛傳出至運動前區(qū)、眶額皮質(zhì)、輔助運動區(qū)(SMA)、前島葉皮質(zhì)、杏仁核和腦干，涉及情緒、認(rèn)知、運動、內(nèi)臟運動、疼痛等多種功能[23]。這些運動相關(guān)的腦區(qū)為主的ALFF增高，提示CSM患者可能需要調(diào)動更多的運動中樞和運動調(diào)控腦區(qū)參與功能代償，且以優(yōu)勢半球為主。Takenaka等[24]也已分析CSM患者的ALFF改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙側(cè)初級感覺運動皮層和左側(cè)視覺皮層的ALFF值增高，雙側(cè)緣上回后部ALFF值降低，CSM患者的術(shù)前ALFF值可能是術(shù)后JOA評分改善水平的生物標(biāo)志物。臨床實踐中需要對患者進(jìn)行個體水平的分類或評估，而常規(guī)統(tǒng)計方法不允許在個體水平評估分析結(jié)果。本研究采用MVPA方法從被試大腦圖像中解碼信息，以顯著差異腦區(qū)的ALFF為特征進(jìn)行SVM分類，并將分類決策值與臨床功能評分進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CSM患者和健康受試者可以通過這些區(qū)域的ALFF來分類，且分類決策值與JOA運動功能評分顯著負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步提示fMRI可作為一種標(biāo)志物以用于探索CSM患者功能障礙的神經(jīng)機(jī)制。

本研究采用MVPA方法研究CSM患者大腦內(nèi)在活動的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CSM患者主要在優(yōu)勢半球運動相關(guān)腦區(qū)的自發(fā)性大腦活動增加。SVM分類表明這些差異腦區(qū)的自發(fā)活動可以在個體水平準(zhǔn)確區(qū)分CSM患者和健康對照，且分類決策值與臨床運動功能評分顯著負(fù)相關(guān)，因本研究納入的CSM患者均為右利手，且右利手大多數(shù)是左側(cè)半球優(yōu)勢[25]，故結(jié)果結(jié)果提示CSM患者可能需要調(diào)動更多的運動中樞和運動調(diào)控腦區(qū)參與功能代償，且以優(yōu)勢半球為主。本研究結(jié)論與目前相關(guān)研究結(jié)論[26-27]相似，但目前尚無相關(guān)文獻(xiàn)明確提出優(yōu)勢半球在CSM患者的功能代償中的意義。這些結(jié)果可能對解釋CSM患者功能障礙的潛在的神經(jīng)機(jī)制和理解功能障礙與大腦不良重塑之間的相互作用具有重要意義。在CSM的臨床診療中，除了對受壓迫的相應(yīng)脊髓節(jié)段的精準(zhǔn)減壓治療外，還應(yīng)當(dāng)關(guān)注由CSM引發(fā)的腦功能改變，并合理的進(jìn)行腦功能層面的治療，這對提升短期療效以及CSM的遠(yuǎn)期康復(fù)療效可能具有重要意義。盡管如此，仍需要進(jìn)行更多的研究，包括多模態(tài)指標(biāo)的綜合研究以幫助進(jìn)一步研究CSM的腦重塑機(jī)制。