颞叶内侧癫痫患者自发脑活动的同步性与低频振幅：静息态功能磁共振成像研究

2014-03-10赵博峰ZHAOBofeng

中国医学影像学杂志 2014年12期

关键词：岛叶颞叶皮层

赵博峰ZHAO Bofeng

纪东旭1JI Dongxu

杨卫东3YANG Weidong

陈旨娟3CHEN Zhijuan

毓青4YU Qing

蔡莉5CAI Li

尹建忠1YIN Jianzhong

颞叶内侧癫痫患者自发脑活动的同步性与低频振幅：静息态功能磁共振成像研究

赵博峰1,2ZHAO Bofeng

纪东旭1JI Dongxu

杨卫东3YANG Weidong

陈旨娟3CHEN Zhijuan

毓青4YU Qing

蔡莉5CAI Li

尹建忠1YIN Jianzhong

目的探讨基于局部一致性（ReHo）、低频振幅（ALFF）和低频振幅分数（fALFF）的静息态功能磁共振成像（RS-fMRI）是否能一致、互相补充地发现颞叶内侧癫痫（mTLE）患者局部异常脑活动区域。资料与方法20例mTLE患者与20例年龄、受教育程度相匹配的正常人行RS-fMRI检查，对经ReHo、ALFF和fALFF分析获得的静息态数据进行比较。结果mTLE患者左侧颞叶和中央前、后回较对照组ReHo值增高（t=4.42、4.12、4.00，P＜0.001），双侧额叶皮层下白质较对照组减低（t=－3.82、－3.75，P＜0.001）；mTLE患者右侧扣带回ALFF值较对照组增高（t=3.70，P＜0.001），右侧额叶和岛叶ALFF值较对照组减低（t=－4.14、－3.92，P＜0.001）；mTLE患者左侧颞叶和中央前回fALFF值较对照组增高（t=5.19、5.90，P＜0.001），双侧额叶fALFF值较对照组减低，以左侧为著（t=－5.85、－4.27，P＜0.001）。结论mTLE患者在ReHo、ALFF及fALFF分析中表现出较广泛并几乎一致的局部异常脑活动区域，脑活动增加的区域具有左侧优势，提示ReHo、ALFF及fALFF可以用于癫痫病理生理机制和致痫灶定侧、定位的研究。

癫痫，颞叶；磁共振成像；静息状态；脑；局部一致性；低频振幅；低频振幅分数

颞叶内侧癫痫（mesial temporal lobe epilepsy，mTLE）是成人最常见的难治性、局灶性癫痫，海马杏仁核复合体以及内嗅皮层结构所组成的颞叶内侧解剖-功能电生理学网络使其具有典型的临床及影像学表现[1]。随着各种技术的发展，进一步发现颞叶内侧组成结构存在与颞叶外侧结构更为丰富的连接[2,3]。而Spencer[4]提出的颞叶内侧癫痫网络学说为诊断、治疗和研究mTLE提出了一种新的思路。

局部一致性（regional homogeneity，ReHo）[5]、低频振幅（amplitude of low-frequency fuctuation，ALFF）[6]和低频振幅分数（fraction of ALFF，fALFF）[7]是不同类型的基于体素的局部静息态功能磁共振成像（resting state functional MRI，RS-fMRI）数据分析方法，分别反映了局部神经元活动的时间同步性[5]和强度[6,7]特征。上述分析方法已广泛用于多种神经精神疾病的病理生理机制研究，而癫痫是最典型的RS-fMRI研究模型[8]。不同类型的癫痫患者特定区域ReHo或ALFF增加与临床电生理条件下局部高度的同步性痫样放电一致[9-14]，且已用于区分癫痫患者和正常人群[15]，并用于患者致痫灶的定位[16]。mTLE患者ALFF[14]和ReHo[12]的研究中均已发现了颞叶内侧结构、相关皮层及皮层下结构的激活改变。然而至今尚未将这两种分析方法应用于同一组数据，并探讨这两种方法对发现局部异常脑活动的能力差异。因此，本研究将ReHo、ALFF和fALFF基于体素的局部RS-fMRI分析方法应用于单侧mTLE患者和与之相匹配的健康人群，以探讨上述分析方法发现局部异常自发脑活动的能力，并分析这些异常与患者临床表现之间的可能关系。

1 资料与方法

1.1 研究对象 2012-07～2014-03天津医科大学总医院神经外科收治单侧mTLE患者20例，其中左侧颞叶癫痫13例，女6例，男7例；右侧颞叶癫痫7例，女4例，男3例；年龄13～53岁；纳入标准：①颞叶内侧癫痫症状：患者有1种或多种典型的颞叶内侧癫痫症状，如感觉先兆、自动症、幻嗅、自主神经症状等；患者有复杂-部分性发作症状，部分患者尚合并单纯部分性发作和部分性继发全身性发作。②患者于3～5 d内完成MRI检查、脑电图或视频脑电图检查、磁共振波谱及正电子发射计算机断层显像检查，经综合评估诊断为mTLE。排除标准：除单侧海马萎缩或硬化外，患者存在肿瘤、血管瘤或发育异常等器质性病变者。选择同期对照组20例，年龄23～56岁；纳入标准：①既往身体健康，无任何神经精神病史；②无长期药物或其他精神类药物史，检查前24 h未服用咖啡类、茶类饮料。两组受试者的性别、年龄及利手情况差异均无统计学意义（P＞0.05），见表1。所有受试者均知情同意并签署知情同意书，本研究经医院伦理委员会批准。

表1 mTLE组与对照组基本资料比较

1.2 仪器与方法采用Siemens Magnetom Trio Tim 3.0T MRI扫描仪和头部32通道相控阵表面线圈进行数据采集。首先采用3D-T1WI序列采集矢状面解剖像，扫描参数：TR 400 ms，TE 8.9 ms，翻转角70°，层厚1.0 mm，视野（FOV）220 mm×220 mm，矩阵256×256，共176层。匀场后采用T2单次激发回波平面成像序列获取静息态fMRI功能像，扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，层厚5.0 mm，FOV 220 mm×220 mm，矩阵256×256，共300帧，扫描时间为20 min。扫描方位平行于前后联合。整个实验过程以肩带和泡沫垫固定受试者头部，嘱其放松，平静呼吸，清醒闭眼，保持不动，尽量不做任何主动思维活动。

1.3 数据预处理扫描结束后，原始图像传输至脑功能数据后处理PC工作站。首先删除前10帧功能像以去除由于磁场不均匀及患者适应所产生的功能数据污染，再采用SPM8软件（Wellcome Institute of Cognitive Neuroscience，London）对脑功能数据进行头动校正（去除3个方向平移超过1 mm、3个角度旋转超过1°的患者）、解剖像配准、空间标准化和数据平滑。

1.4 数据分析采用REST软件（resting-state fMRI data analysis toolkit V1.8，Beijing）进行ReHo、ALFF及fALFF的激活成像。ReHo和ALFF去线性漂移，频率段选择0.01～0.08 Hz以去除低频漂移和高频噪声，fALFF全频功率谱选用0～0.25 Hz。ReHo分析未进行高斯平滑的数据后再平滑，而ALFF和fALFF分析处理的均是进行完高斯平滑后的数据。

1.5 统计学方法为了增加研究样本量以及便于分析患侧或对侧局部脑功能活动改变，7例右侧颞叶癫痫患者的图像采用SPM8内置翻转操作工具进行左右翻转。获得共20例左侧颞叶癫痫患者的信息。最后进行癫痫患者组与对照组ReHo、ALFF及fALFF值的组分析。采用SPSS 13.0软件，mTLE组和对照组性别及利手情况采用χ2检验，年龄比较采用成组t检验。采用SPM 8软件，mTLE组与对照组ReHo值、ALFF值和fALFF值比较采用成组t检验，为提高可靠性，以体素＞50 mm3且经错误发现率（FDR）校正后P＜0.001表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 ReHo值分析 mTLE组较对照组ReHo值增加和减低的脑区域见图1及表2。ReHo值显著增加的脑区域分布于左侧颞中回、颞上回、中央前后回、中央旁小叶，以及右侧中央后回、内侧和旁扣带脑回；ReHo值显著减低的脑区域主要分布于双侧额叶皮层下白质区域。

2.2 ALFF分析 mTLE组较对照组ALFF值增加和减低的脑区域见图2及表3。ALFF值显著增加的脑区域分布于右侧扣带回，ALFF值显著减低的脑区域分布于右侧岛盖部额下回和岛叶。

图1 mTLE组与对照组ReHo值t检验显著性差异结果，红色表示mTLE患者较正常人ReHo值增加的区域，蓝色表示mTLE患者较正常人ReHo值减低的区域。体素簇体积＞50 mm3且P＜0.001（FDR校正）认为有意义。图中左侧代表受试者左侧大脑半球，ReHo值显著增加的脑区域分布于左侧颞中回、颞上回、中央前后回、中央旁小叶，以及右侧中央后回、内侧和旁扣带脑回；ReHo值显著减低的脑区域主要分布于双侧额叶皮层下白质区域

表2 mTLE组比对照组ReHo值显著增加和减低的脑区域

2.3 fALFF分析 mTLE组较对照组fALFF值增加和减低的脑区域见图3及表4。fALFF值显著增加的脑区域分布于左侧颞上回、中央前回、梭状回，以及右侧楔前叶、中央后回和距状裂周围皮层；fALFF值显著减少的脑区域分布于双侧额上回及左侧额中回。

图2 mTLE组与对照组ALFF值t检验显著性差异结果，红色表示mTLE患者较正常人ALFF值增加的区域（层面－5，0，5），蓝色表示mTLE患者较正常人ALFF值减低的区域（层面50）。体素簇体积＞50 mm3且P＜0.001（FDR校正）认为有意义。图中左侧代表受试者左侧大脑半球，ALFF值显著增加的脑区域分布于右侧扣带回，ALFF值显著减低的脑区域分布于右侧岛盖部额下回和岛叶

表3 mTLE组比对照组ALFF值显著增加和减低的脑区域

图3 mTLE组与对照组fALFF值t检验显著性差异结果，红色表示mTLE患者较正常人fALFF值增加的区域，蓝色表示mTLE患者较正常人fALFF值减低的区域。体素簇体积＞50 mm3且P＜0.001（FDR校正）认为有意义。图中左侧代表受试者左侧大脑半球，fALFF值显著增加的脑区域分布于左侧颞上回、中央前回、梭状回，以及右侧楔前叶、中央后回和距状裂周围皮层；fALFF值显著减低的脑区域分布于双侧额上回及左侧额中回

2.4 3种分析方法融合结果 mTLE组比对照组ReHo、ALFF和fALFF值显著增加及显著减低脑区域的重合图像见图4及图5。mTLE组较对照组脑活动增加的脑区域主要包括左侧颞叶（颞上回、颞中回、梭状回），双侧中央前、后回，右侧视觉皮层（距状裂周围皮层），右侧楔前叶，右侧扣带回；mTLE组较对照组脑活动减低的区域主要位于双侧额叶（左侧额上、中回和右侧额上、岛盖部额下回），以及右侧岛叶和双侧额叶皮层下白质。

表4 mTLE组比对照组ALFF值显著增加和减低的脑区域

3 讨论

本研究通过对单侧mTLE患者与正常对照者同时进行ReHo、ALFF、fALFF的分析比较，发现癫痫患者多处局部异常的自发脑活动，与之前的多项单个分析方法研究有相似的发现。对于局部增加或减低的异常脑活动区域，多存在2个参数的重合之处，且3种参数之间对于发现局部异常脑活动区域存在互相补充的特点。本研究中患侧颞叶外侧局部异常的fALFF和ReHo增加，与Zhang等[15]对于ALFF研究的结果一致。Zeng等[12]提出异常增加的ReHo可能反映了参与放电产生、传导的相应组织局部神经元活动的增加。同时，Zhang等[15]在mTLE患者的ALFF研究中不仅发现患侧颞叶内侧结构增加的ALFF，也发现扣带回皮层增加的ALFF，与本研究中ReHo及ALFF的发现一致，其认为扣带回结构可能参与了颞叶癫痫网络的部分构建。Zeng等[12]在mTLE的ReHo分析中也发现了扣带回ReHo增加改变，证实Zhang等[15]之前的假设，作者进一步认为其参与了放电的传导过程。本研究还发现，右侧楔前叶fALFF增加，在既往研究中均未见报道。颞顶叶皮层主要参与协调控制网络、脑默认网络和腹侧注意力网络的活动，其中楔前叶可以分为前后两部分，前部分主要于认知控制网络中任务积极组成区域相连续，而背侧楔前叶主要与颞叶内侧区域相连续，特别是海马结构[17]。因此，楔前叶的激活可能参与了放电的传播，从而引发患者记忆力、注意力等各种认知障碍。此外，双侧躯体感觉运动皮层fALFF和ReHo增加也与Zhang等[15]的研究结果一致，可能与患者临床表现中的躯体运动和感觉异常有关。

图5 mTLE组比对照组ReHo、ALFF和fALFF值显著减低脑区域的重合图像。绿色代表ReHo值减低的脑区域，黄色代表fALFF值减低的脑区域，红色代表ALFF值减低的脑区域

本研究发现双侧外侧额叶及皮层下白质区域的脑活动减低，与Zhang等[15]的发现一致。但本研究中右侧岛叶ALFF减低。Zeng等[12]发现患侧岛叶ReHo增加，认为其局部一致性的增加可能参与了传导过程。Hur 等[18]通过PET研究发现间期岛叶结构低代谢，并且这种发现多预示发展为难治性癫痫的可能及预后不佳。岛叶与额、颞叶存在密切的解剖联系，与诸多认知和运动及躯体运动功能相关。因此，本研究中右侧岛叶ALFF减低可能反映了患者认知能力的抑制改变。

尽管之前关于mTLE的ALFF和ReHo研究中均发现颞叶内侧结构如海马、海马旁回异常激活，本研究中却未发现类似的改变，可能与本研究中图像后处理采用FDR标准进行校正有关，现在普遍认为该校正方式较其他如Alphasim等的校正方式[12]严格，故行多重比较分析时可能去除了颞叶内侧区域微弱的相关激活。

Ortega等[19]的电生理研究发现TLE患侧特定皮层脑电同步性增加可能与间期放电产生有关，本研究中发现mTLE患侧较对侧明显增加的局部脑功能异常，特别是患（左）侧颞叶明显的局部脑活动增加改变。Zhang等[15]采用偏侧指数以相对高的敏感度（80%）和特异度（87.3%）区分出单侧颞叶癫痫，提示这种偏侧改变具有潜在的定侧、甚至定位的能力。

本研究中对于发现异常局部脑活动的能力，ReHo和fALFF较ALFF敏感性略高，其原因可能源于方法学的差异。由于ReHo方法内在的平滑作用，在同样的高斯平滑核水平其平滑程度将高于ALFF，本研究中采用统一的高斯平滑核可能影响了最终的结果，An等[20]的研究也提示，适当地增加高斯平滑核，ALFF会取得与ReHo类似的发现。而fALFF分析方法中增加了基础频率范围（0～0.25 Hz），可能提高了血氧水平依赖效应的发现能力，因而较ALFF敏感。

尽管ALFF分析较本研究及既往研究中发现局部异常脑活动的能力减低，但将ALFF和fALFF的发现统一起来，则发现其与ReHo之间呈现出互相重合及补充的特征，而且较ReHo发现更多的局部异常，其原因可能为：①ALFF或fALFF反映了单个体素自发神经元活动的振荡，ReHo反映了体素间自发活动神经元的同步性，因而前者较后者更容易直接发现局部异常。②从电生理学[21]角度出发，癫痫发作是放电神经元反复的兴奋性和同步性异常增高的结果，局部神经元兴奋性和同步性特征随时间进行复杂的演变过程，因而出现本研究中分析方法之间重合和差异之处，这些改变可能反映了癫痫电生理变化的复杂过程，但仍需要在以后的研究中进一步证实。

总之，本研究发现基于ReHo、ALFF、fALFF的RS-fMRI在mTLE患者中具有相似的发现局部异常脑活动的能力，多个参数表现出一致、互相补充地发现异常脑活动区域的特点。上述发现与临床电生理的一致性，不仅提示其可以用于癫痫患者病理生理机制的研究，而且异常脑功能活动增加的偏侧性改变具有潜在的定位能力。

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（本文编辑张春辉）

Synchronization and Amplitude of Low-frequency Fluctuation of Spontaneous Brain Activity in Mesial Temporal Lobe Epilepsy: A Resting State Functional Magnetic Resonance Imaging Study

PurposeTo investigate whether resting state functional MRI (RS-fMRI) based on regional homogeneity (ReHo), amplitude of low-frequency fuctuation (ALFF) and fraction of ALFF (fALFF) can reveal brain regional functional abnormalities in patients with mesial temporal lobe epilepsy (mTLE) consistently and complementarily.Materials and MethodsRS-fMRI were performed on 20 patients with mTLE and 20 healthy volunteers who were age and education background matched, MRI data was compared and analyzed using ReHo, ALFF and fALFF analysis.ResultsmTLE patients showed increased ReHo in left temporal lobe, precentral gyrus and postcentral gyrus than normal controls (t=4.42, 4.12 and 4.00, P＜0.001) and decreased ReHo in bilateral subfrontal white matter (t=－3.82 and －3.75, P＜0.001); increased ALFF was found in right cingulated cortex (t=3.70, P＜0.001) and decreased ALFF was found in right frontal lobe as well as insula lobe (t=－4.14 and －3.92, P＜0.001). Increased fALFF was found in left temporal lobe and precentral gyrus (t=5.19 and 5.90, P＜0.001) and decreased fALFF was found in bilateral frontal lobes with left side dominance (t=－5.85 and －4.27, P＜0.001).ConclusionmTLE patients showed widely-distributed and almost the same differences in ReHo, ALFF and fALFF with left side dominance in brain activity increased area, the combination using of them may yield a more comprehensive pathophysiological framework, as well as lateralization and localization of epileptogenic zone for mTLE.

Epilepsy, temporal lobe; Magnetic resonance imaging; Resting state; Brain; Regional homogeneity; Amplitude of low frequency fuctuation; Fraction of amplitude of low frequency fuctuation

1. 天津市第一中心医院放射科，天津医科大学一中心临床学院天津 300192

2. 第四军医大学唐都医院放射科陕西西安710038

3. 天津医科大学总医院神经外科天津300052

4. 天津医科大学总医院神经内科天津300052

5. 天津医科大学总医院PET-CT中心天津300052

尹建忠

Department of Radiology, Tianjin First Central Hospital, the First Center Clinical College of Tianjin Medical University, Tianjin 300192, China

Address Correspondence to: YIN Jianzhong

E-mail: Jianzhong.yin@gmail.com

R742.1；R445.2

2014-06-16

修回日期：2014-09-20