范夏冰，楊利，張和華，李章勇，王偉

1. 重慶郵電大學(xué) 生物信息學(xué)院，重慶 400065；2. 陸軍軍醫(yī)大學(xué)大坪醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，重慶 400042

引言

近年來創(chuàng)傷性腦損傷（Traumatic Brain Injury，TBI）死亡率逐漸增高，成為一個世界性公共衛(wèi)生問題。據(jù)估計，全世界每年有6900萬人患有持續(xù)性腦外傷，其發(fā)病率超過某些更復(fù)雜的疾病如乳腺癌等[1]。美國疾病控制與預(yù)防中心發(fā)現(xiàn)2019年全球TBI關(guān)聯(lián)死亡人數(shù)為61000人[2]。TBI患者通常伴有長期后遺癥，包括身體、認(rèn)知、情感和行為癥狀，如頭痛、疲勞、易怒和失眠等[3]。大部分患者的癥狀在三個月內(nèi)會有所緩解，而某些后遺癥會持續(xù)超過一年。然而，對于這些后遺癥的潛在病理生理學(xué)仍然知之甚少。靜息態(tài)功能磁共振成像（Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging，rs-fMRI）用于評估TBI患者的皮質(zhì)功能，提供對損傷后皮質(zhì)功能的長期觀察，對神經(jīng)功能恢復(fù)有重要意義[4]。

關(guān)于rs-fMRI研究表明，TBI患者的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（Default Model Network，DMN）中功能連接降低，其他靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)（包括額頂葉和運動網(wǎng)絡(luò)）中存在異常的功能連接，隨著大腦功能恢復(fù)其功能連通性會改善[5-6]。DMN被廣泛認(rèn)為其負(fù)責(zé)維持自我意識、內(nèi)省和自發(fā)認(rèn)知等系列高階認(rèn)知過程[7]。執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（Executive Control Network，CN）主要包括背外側(cè)前額葉皮層、前扣帶回皮層和后扣帶回皮層等，涉及參與目標(biāo)導(dǎo)向的行動和抑制過程、情緒和知覺等。DMN中的自發(fā)血氧活動與執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（Executive Control Network，ECN）呈負(fù)相關(guān)，且相關(guān)證據(jù)顯示這些網(wǎng)絡(luò)之間的動態(tài)交互有助于維持或恢復(fù)意識[8]。了解DMN與ECN的反相關(guān)性在意識早期恢復(fù)中的作用對于確定新的治療靶點和制定預(yù)后措施有重要意義[9]。目前對于TBI患者DMN 與ECN反相關(guān)性研究，大多為橫斷面設(shè)計，主要關(guān)注急性、慢性TBI患者功能連接改變、腦區(qū)平均灰質(zhì)體積改變等[10-11]。雖然有縱向研究報告TBI患者在損傷后恢復(fù)數(shù)月至2年期間，其功能連接性、灰質(zhì)體積等發(fā)生了變化[6]，但仍需要系統(tǒng)性、前瞻性的縱向研究，以便更好地了解TBI恢復(fù)的動態(tài)特性。

功能連接是通過線性時間相關(guān)性在兩個感興趣腦區(qū)之間建立連接[12]，本文擬采用基于種子點的功能連接方法，研究TBI后一年恢復(fù)期內(nèi)的不同時間點（3、6和12個月），DMN和ECN兩個靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間的功能連接隨時間的變化，以期揭示TBI認(rèn)知可塑性的相關(guān)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

被試數(shù)據(jù)來自公共數(shù)據(jù)集[13]，包括14例TBI患者和12例年齡、性別與之匹配的正常對照（Healthy Controls，HC），具體信息如表1所示。所有被試均無相關(guān)神經(jīng)系統(tǒng)病史，沒有藥物和酒精成癮史，無鎮(zhèn)靜劑使用史，沒有肝、腎功能衰竭等病史，沒有MRI檢查禁忌證。如果患者有其他伴隨損傷（例如骨科損傷或脊髓損傷），導(dǎo)致患者在MRI環(huán)境中很難保持靜止，則排除患者。數(shù)據(jù)采集和后續(xù)研究都得到了賓夕法尼亞州立大學(xué)研究保護(hù)辦公室的批準(zhǔn)。具有簽署醫(yī)療文件或獨立判斷能力的被試都簽署了知情同意書，存在一定程度認(rèn)知障礙的被試則由其家屬簽署。TBI患者在外傷后大約3、6和12個月（session-1，session-2和session-3）各做了一次rs-fMRI掃描檢查，格拉斯哥昏迷評分（Glasgow Coma Scale，GCS）用于評價患者的TBI嚴(yán)重程度。GCS是醫(yī)學(xué)上評估患者昏迷程度的方法，得分值越高，意識狀態(tài)越好，已被證明是判斷顱腦損傷嚴(yán)重程度和死亡率的良好預(yù)后指標(biāo)[14]。本研究中TBI患者的GCS評分平均值在7.92左右，即為中度TBI患者。

表1 TBI組與HC組的一般臨床資料比較

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

TBI患者在3、6和12個月進(jìn)行一次rs-fMRI掃描，其中1個TBI被試和6個正常被試使用Philips Achieva 3 T掃描儀進(jìn)行掃描，另外13個TBI被試和6個正常被試使用西門子Magnetom Trio 3 T掃描儀，TBI病例和HC組分開接受掃描，掃描前充分告知被試保持靜止，以減少頭動的影響。以1.0 mm的各向同性空間分辨率采集大腦的高分辨率T1加權(quán)解剖圖像，即結(jié)構(gòu)像。使用回波平面成像（Echo Planar Imaging，EPI）檢查功能成像的血氧水平依賴響應(yīng)。成像參數(shù)為重復(fù)時間（Repetition Time，TR）2000 ms，回波時間（Echo Time，TE）30 ms，翻轉(zhuǎn)角度（Flip Angle，F(xiàn)A）90°，視野（Field of View，F(xiàn)OV）240 mm×240 mm，采集矩陣80×80，層厚4 mm。

1.2.2 預(yù)處理

使用SPM對被試的rs-fMRI數(shù)據(jù)（TBI和HC的每個session為一組）進(jìn)行預(yù)處理。為避免磁場飽和效應(yīng)，刪除每一組數(shù)據(jù)的前六個圖像。采用時間層校正糾正數(shù)據(jù)層之間的時間差，排除頭部平移運動大于3 mm的被試數(shù)據(jù)，并將所有被試的功能像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間，最后使用6 mm的高斯濾波核來平滑功能像并提高圖像信噪比。

1.2.3 獨立成分分析

獨 立 成 分 分 析（Independent Component Analysis，ICA）是一種主要由數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，它已被發(fā)現(xiàn)能夠捕捉到fMRI時間進(jìn)程的復(fù)雜性，并產(chǎn)生一致的空間（統(tǒng)計上不同的）成分。ICA方法的優(yōu)勢在于，獨立分量內(nèi)所有顯著加權(quán)的體素都是高度相關(guān)的，可用于識別多個靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)一步量化靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接[15]。使用ICA將預(yù)處理后的rs-fMRI圖像進(jìn)行分解。采用“最小描述長度”（Minimum Description Length，MDL）準(zhǔn)則，對最佳分解成分?jǐn)?shù)量進(jìn)行評估。

1.2.4 識別DMN和ECN靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)

本研究采用的DMN與ECN先驗?zāi)X網(wǎng)絡(luò)模板來自斯坦福大學(xué)實驗室[16]。計算DMN與ECN先驗?zāi)０迮c獨立分量之間的空間相關(guān)性，選擇空間相關(guān)系數(shù)最大的分量，作為DMN和ECN靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)。DMN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能區(qū)域，分別為楔前葉（Precuneus，PREC）、內(nèi)側(cè)前額葉皮層（Medial Prefrontal Cortex，mPFC）、左側(cè)角回（Left Angular Gyrus，LAG）、右側(cè)角回（Right Angular Gyrus，RAG）。ECN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能區(qū)域分別為：左側(cè)三角部額下回（Left Frontal Inferior Triagle，LF）、左側(cè)頂葉（Left Parietal Lobe，LP）、右側(cè)三角部額下回（Right Frontal Inferior Triagle，RF）、右側(cè)頂葉（Right Parietal Lobe，RP）。選取這8個功能區(qū)域作為感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），其峰值點坐標(biāo)具體如表2所示。

表2 DMN和ECN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各ROI的坐標(biāo)

1.2.5 計算功能連接

對預(yù)處理后的功能像進(jìn)行帶通濾波（0.01～0.08 Hz），以6 mm的球面半徑創(chuàng)建ROI[17]。計算各個ROI的時間序列的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，最后利用Fisherz變換將相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)化為z值，提高正態(tài)性[18]。整個過程的流程如圖1所示。

圖1 總體流程圖

1.2.6 統(tǒng)計學(xué)分析

對每一組得到的z值進(jìn)行單樣本t檢驗，得到組內(nèi)有顯著功能聯(lián)通性的腦區(qū)（P＜0.05，錯誤發(fā)現(xiàn)率校正）。采用雙樣本t檢驗，比較TBI每次掃描（每個session）與HC組間存在顯著功能連接差異的腦區(qū)（P＜0.05，錯誤發(fā)現(xiàn)率校正）。采用配對t檢驗，得到TBI三次掃描之間存在顯著功能連接差異的腦區(qū)（P＜0.05，錯誤發(fā)現(xiàn)率校正），探究TBI患者腦功能連接隨時間的變化。

2 結(jié)果

2.1 ICA分析結(jié)果

通過ICA分析得到HC組、TBI組與先驗?zāi)０蹇臻g相關(guān)性最大的分量。如圖2所示，在HC組中與DMN先驗?zāi)０蹇臻g相關(guān)性最大的分量為第18個成分，與左側(cè)執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（Left Executive Control Network，LECN）先驗?zāi)０蹇臻g相關(guān)性最大的分量為第17個成分，與右側(cè)執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（Right Executive Control Network，RECN）空間相關(guān)性最大的為第6個成分。在TBI組中與DMN先驗?zāi)０蹇臻g相關(guān)性最大的分量為第17個成分，與LECN先驗?zāi)０蹇臻g相關(guān)性最大的分量為第18個成分，與RECN空間相關(guān)性最大的為第4個成分。

圖2 ICA結(jié)果

2.2 靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)識別

得到HC組和TBI組的DMN和ECN靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)，其空間分布如圖3所示。

圖3 HC和TBI兩組DMN和ECN空間分布圖

2.3 統(tǒng)計分析

2.3.1 單樣本t檢驗

通過單樣本t檢驗得到有統(tǒng)計學(xué)意義的各節(jié)點間的功能連接，并計算各節(jié)點間功能連接的平均值，結(jié)果如表3所示。圖4為HC組和TBI三個階段的功能連接矩陣圖。

圖4 各組功能連接矩陣圖

表3 單樣本t檢驗結(jié)果

2.3.2 雙樣本t檢驗

將TBI后三個時期的功能連接值與HC組進(jìn)行雙樣本t檢驗，分別得到這三組與HC組在DMN內(nèi)、ECN內(nèi)、DMN-ECN網(wǎng)絡(luò)間的有顯著差異的功能連接，見圖5。

圖5 雙樣本t檢驗結(jié)果

在DMN中，TBI-ses1、TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-RAG和mPFC-RAG；TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為mPFC-RAG。在ECN中，TBI-ses1組與HC組有顯著功能連接差異的為LF-LP、LPRF、LP-RP和RF-RP；TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為LP-RF、LP-RP和RF-RP；TBI-ses3組與HC組有顯著功能連接差異的為LP-RF和LP-RP。

DMN-ECN之間，TBI-ses1組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-LP、PREC-RF、mPFC-LP、mPFC-RF、mPFC-RP、LAG-LP、LAG-RF和 RAG-RP；TBI-ses2組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-LP、mPFC-LP、LAG-LP和RAG-LP，TBI-ses3組與HC組有顯著功能連接差異的為PREC-LP、LAG-LP和RAG-LP。

圖6為TBI后與HC組比較存在顯著差異的功能連接分布情況，三個時期涉及的LP的功能連接與HC組相比幾乎全部都存在顯著差異。

圖6 TBI三個時期與HC組相比存在的顯著差異分布情況

2.3.3 配對t檢驗

圖7配對t檢驗的結(jié)果顯示TBI-ses1到TBI-ses3有四組節(jié)點間功能連接的變化有統(tǒng)計學(xué)意義，分別為ECN內(nèi)的LF-RP、RF-RP和DMN-ECN之間的LAG-LP和RAG-RP。

圖7 配對t檢驗結(jié)果

3 討論

本研究基于rs-fMRI，分析TBI患者恢復(fù)期1年各時期DMN和ECN功能連接情況，發(fā)現(xiàn)TBI后1年內(nèi)患者的大腦功能連通持續(xù)異常，并且隨著時間推移變化。

單樣本t檢驗的結(jié)果顯示，雖然TBI后大腦功能連接網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化，但長達(dá)一年的時間里，TBI患者的DMN、ECN這兩個腦網(wǎng)絡(luò)功能連接分布幾乎一致（圖4），只是強度發(fā)生了一些變化，這說明TBI后DMN與ECN的功能連接異常具有一定規(guī)律，這種規(guī)律可能解釋TBI后長期存在的后遺癥。

雙樣本t檢驗的結(jié)果顯示TBI患者在一年內(nèi)三個時期與HC組相比，DMN內(nèi)ROI之間的功能連接值均減小。這驗證了目前的一個普遍共識，TBI后DMN內(nèi)的功能連通性降低，這可能是由連接該網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點的白質(zhì)通路的軸突損傷所致[19]。從圖5b可以看出ECN內(nèi)的節(jié)點間的功能連接值也同樣降低，而ECN對于較高水平的認(rèn)知和執(zhí)行功能至關(guān)重要，涉及一系列與沖動控制、決策、工作記憶、認(rèn)知靈活性、錯誤檢測和沖突解決相關(guān)的高級過程[20]，這可能解釋了TBI患者恢復(fù)期可能出現(xiàn)的易怒、記憶力下降等癥狀。有研究表明DMN與ECN之間存在一種拮抗關(guān)系，這種拮抗關(guān)系與認(rèn)知功能相關(guān)[21]，圖5中與HC組相比，大部分發(fā)生異常變化的功能連接并不存在于DMN與ECN單網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，而是集中于DMN-ECN兩個網(wǎng)絡(luò)之間。這可能為TBI后患者出現(xiàn)的認(rèn)知障礙提供了一種解釋。

圖6為TBI后與HC組的功能連接的顯著差異按時間變化順序排列的情況，本研究首次發(fā)現(xiàn)在TBI后3、6和12個月與LP這個節(jié)點相關(guān)的功能連接均與HC組有顯著差異。而LP與視覺空間任務(wù)，語言理解和語言產(chǎn)生有關(guān)[22]，LP持續(xù)的功能聯(lián)通性異?？赡軙?dǎo)致患者產(chǎn)生失語癥，這一發(fā)現(xiàn)可能能夠為TBI預(yù)后及后遺癥的治療提供新思路。另外，人類語言、書寫和閱讀等功能的優(yōu)勢半球多數(shù)為左半球，本研究被試的LP出現(xiàn)持續(xù)異常說明了這點。圖6還可以看出TBI后3個月時與HC組相比，有顯著差異的功能連接節(jié)點最多，這說明TBI后初期患者大腦的功能聯(lián)通情況極差，可能是代償作用的影響，6個月有顯著差異的功能連接在減少；到12個月時，除與LP相關(guān)的組，其余與HC組幾乎沒有顯著差異，這可能說明經(jīng)過一年的恢復(fù)后，除LP外，大部分節(jié)點間的功能連接都幾乎恢復(fù)正常。這再次驗證LP為TBI恢復(fù)期的關(guān)鍵節(jié)點。

從圖7可以看出，TBI后3～6個月，6～12個月這兩個區(qū)間DMN和ECN的功能連接情況沒有顯著變化，但比較3個月和12個月的功能連接發(fā)現(xiàn)仍有四組節(jié)點間的功能連通性發(fā)生變化，這說明TBI后，患者恢復(fù)期腦內(nèi)的功能連接并非穩(wěn)定不變，只是變化相對緩慢。其次我們發(fā)現(xiàn)這四組節(jié)點分布在ECN內(nèi)和DMN-ECN之間，這驗證了雙樣本t檢驗的結(jié)果，即在TBI后的恢復(fù)期ECN確實起到了重要作用。

TBI會導(dǎo)致各種后遺癥，且存在的時間長、影響大。以往的研究往往針對某個單獨腦網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行分析，本研究選擇DMN與ECN兩個腦網(wǎng)絡(luò)，探究TBI患者單網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和雙網(wǎng)絡(luò)間的功能連接變化，并對患者腦損傷后1年內(nèi)三個時間點的腦網(wǎng)絡(luò)功能連接進(jìn)行縱向比較分析，對TBI患者恢復(fù)及后續(xù)診療具有一定的意義。但仍存在以下局限性：① 使用公共數(shù)據(jù)集，被試樣本有待擴(kuò)充；② 本研究為靜息態(tài)下的功能研究，任務(wù)態(tài)下的功能活動仍值得探討。

4 結(jié)論

本研究選擇DMN與ECN兩個與認(rèn)知功能緊密相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)，分析TBI后患者大腦功能連通性變化。發(fā)現(xiàn)DMN與ECN雙網(wǎng)絡(luò)間的功能連接異常在TBI后恢復(fù)期較為明顯，且功能聯(lián)通性隨時間推移發(fā)生緩慢變化。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)LP可能是腦損傷恢復(fù)期的關(guān)鍵節(jié)點，對該腦區(qū)的深入研究能夠為TBI的預(yù)后與后期治療提供新思路。