原发性失眠患者默认网络神经功能的静息态MRI研究

李永丽 LI Yongli

王恩锋 WANG Enfeng

张红菊 ZHANG Hongju

张晓琪 ZHANG Xiaoqi

贾艳艳 JIA Yanyan

张 斌 ZHANG Bin

窦社伟 DOU Shewei

贾武林 JIA Wulin

失眠易导致日间认知功能障碍[1-3]。原发性失眠（primary insomnia, PI）在慢性失眠患者中发病率高达25%[4]，是一种尤为常见的睡眠障碍。PI的病因及发病机制并不明确，临床治疗针对性不强。既往研究发现脑默认网络（default mode network, DMN）的存在，主要包括后扣带回（posterior cingulate cortex, PPC）皮质、楔前叶、前扣带回腹侧、内侧前额叶、角回、双侧侧顶叶皮层、海马旁回及双侧颞叶皮质等脑区，这些结构是一种相互联系的大脑系统，维持着人脑在静息状态下的一些最基本的认知活动[5-8]。关于PI对DMN的影响目前研究较少，本实验利用磁共振脑功能成像技术（fMRI），通过种子点相关分子方法，选取双侧PCC为种子点，分析PI患者DMN脑功能连接是否存在特异性改变及其发生机制，为PI临床认知功能障碍的诊疗提供可能的客观依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选择2013-07～12郑州大学人民医院神经内科门诊20例脑部结构正常的PI患者作为PI组，其中男7例，女13例；年龄23～48岁，平均（38.50±8.57）岁，选择20名健康者作为对照组，性别和年龄与PI组匹配，对照组年龄21～54岁，平均（35.40±10.41）岁。所有受试者均为右利手。实验前，所有受试者均签署知情同意书，并进行匹兹堡睡眠质量指数量表（Pittsburgh sleep quality index,PSQI）、汉密尔顿抑郁量表（Hamilton depression scale, HAMD）、汉密尔顿焦虑量表（Hamilton anxiety scale, HAMA）测量。

1.2 试验入组标准

1.2.1 PI组入组标准 ①符合美国DSM-IV（diagnostic and statistical manual of mental disorders-4th ed, DSM-IV）[9]关于PI和中国精神障碍分类与诊断标准（Chinese classif i cation of mental disorders-3, CCMD-3）PI诊断标准；②PI组PSQI＞5分，HAMD＜14分；③排除其他精神疾病及全身器质性病变；④MRI常规扫描脑部结构图检查正常；⑤年龄18～55岁；⑥近1周无服用抗焦虑、抑郁及睡眠药物史；⑦右利手。

1.2.2 对照组入组标准 ①排除家族疾病、全身器质性疾病；②MRI常规扫描脑部结构图检查正常；③无酗酒、吸烟不良习惯；④PSQI＜5分，HAMD＜7分，HAMA＜7分；⑤1周内无熬夜史；⑥年龄18～55岁；⑦右利手。

1.3 研究方法 所有符合入组条件者提前30 min到MR室，由2名实验课题组研究生向受试者训练静息态脑功能成像实验流程。所有受试者在扫描前休息约10 min，尽量安静闭目不思考问题。数据采集均采用Siemens Tim Trio 3.0T超导MRI仪，头颅12通道专用线圈，进行脑部常规结构像、静息态脑功能像数据采集，扫描时以泡沫固定受试者头部以减少头动，使用棉球和耳塞以减少噪声。脑部结构异常及脑功能数据不符合标准者提前舍弃不用。

1.3.1 常规MRI扫描序列参数 首先进行常规脑部结构图扫描，扫描序列包括轴位T1WI、T2WI、FLAIR、DWI序列，层厚5 mm，间隔1 mm，视野230 mm×230 mm，矩阵128×128；T1WI：TR 400 ms，TE 15 m s；T2WI：TR 3500 m s， TE 105 m s；FLAIR ：TR 10 000 ms，TE 175 ms，TI 2200 ms；DWI：TR 5000 ms，TE 97 ms， 激 励 次 数 1，b=0、1000 s/mm2。

1.3.2 静息态脑功能成像扫描序列参数[10,11]静息态扫描时嘱受试者静息平卧，安静闭目，尽量不思考。采用梯度回波-平面回波（GRE-EPI）序列：TR 3000 ms，TE 30 ms，矩阵 64×64，层厚5 mm，层间隔0.5 mm；共36层，视野320 mm×320 mm。高分辨率T1 3D-MPRAGE序列：TR 1950 ms，TE 2.30 ms，TI 900 ms，矩 阵 248×256；层厚1 mm；无间隔，视野244 mm×252 mm， 扫描时间 4.24 min。

1.4 脑功能成像数据处理

1.4.1 图像预处理 使用MRIcron进行DICOM数据转换，数据使用SPM8进行预处理过程，对每个受试者的EPI图像首先进行时间校正，然后进行头部校正，舍弃头动三维平衡超过1.5 mm或三维旋转超过1.5°的数据。然后将静息态数据前10个TR时间的数据去除，重排：即运动校正，找一个最接近定位像的点作为参照点，把其他点与其对应，将同一受试者不同采样时间点上的三维脑对齐。配准：将受试者的功能像与解剖定位像进行配准以消除功能像的集合变形。空间标准化和平滑处理：使不同受试者脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置，将每个个体脑放进一个公共的标准脑空间-Talairach坐标系，空间平滑处理使残差项更符合高斯分布假设，减少标准化后剩余的个体间差异，提高信噪比。

1.4.2 DMN功能连接分析 以PCC为种子点。因为PCC与脑DMN的其他脑区连接，故常被选为种子点[5,12]。使用WFU_PickAtlas tool生成种子点，然后进行重采样，使之与试验数据匹配。使用Rest软件进行数据分析，其计算过程为：首先提取PCC时间序列的平均值，然后与大脑其余的体素进行相关分析，相关系数经过Fisher Z值转换，得到每个被试的Z值图，首先分别进行PI组、对照组单样本t检验，显著阈值设为P＜0.001，体素簇≥1350 mm3（校正阈值根据AlphaSim设定）。然后进行两样本t检验，显著阈值设为P＜0.01，体素簇≥513 mm3（校正阈值根据AlphaSim设定）。使用BrainNet Viewer生成三维图像，使用xjview自动识别功能连接异常脑区。

1.5 统计学方法 采用Rest 软件及SPSS 12.0软件，PI组与对照组脑DMN、脑区计量资料比较采用单样本t检验，以P＜0.001为差异有统计学意义，得出有统计学意义的脑区。PI组与对照组年龄、PSQI、HAMA、HAMD比较采用两样本t检验，以P＜0.01为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 PI与对照组PSQI、HAMA、HAMD评分比较

PI组PSQI、HAMD、HAMA评分均显著高于对照组（t= －11.332、－13.629、－10.840, P＜0.001），PI组与对照组年龄差异无统计学意义（t=－0.937, P＞0.01），见表1。

2.2 以PCC为种子点，PI组与对照组静息态脑DMN功能连接结果

2.2.1 对照组与PCC功能连接脑区 包括左侧颞极/颞图1 对照组静息态脑DMN与PCC为种子点功能连接图，A、B分别为MRI图像和采用BrainNet Viewer生成的三维图像。功能连接脑区主要包括双侧前额叶、扣带回、顶叶、颞叶等脑区。显著阈值设为P＜0.001，体素簇≥1350 mm3（校正阈值根据AlphaSim设定），红色区域代表功能连接脑区上回/额上回/岛叶、右侧颞上回/岛叶、右侧枕下回/梭状回、右侧额下回/额下回眶部、双侧楔前叶/后扣带回/中间扣带回、左侧颞上回/颞横回、右侧枕中回/楔前叶/顶上小叶、右侧额上回（表2、图1）。

2.2.2 PI组与PCC功能连接脑区 包括左侧额下回眶部/颞上回/额中回、双侧楔前叶/后扣带回/中间扣带回、右侧颞中回/枕中回/楔前叶/角回、左侧额中回/额上回、右侧中央前回、右侧额上回（表3、图2）。

2.2.3 PI组DMN功能连接异常脑区 PI组与PCC功能连接增强脑区包括双侧额上回、双侧中间扣带回（表4、图3）；PI组与PCC连接减弱脑区包括左侧枕叶舌回/海马旁回/梭状回、右侧颞上回/颞极、右侧颞中回/枕中回、左侧枕叶/颞中回（表5、图3）。

图2 PI组静息态脑DMN与PCC为种子点功能连接图，A、B分别为MRI图像和采用BrainNet Viewer生成的三维图像。功能连接脑区主要包括双侧前额叶、扣带回、顶叶、颞叶等。显著阈值设为P＜0.001，体素簇≥1350 mm3（校正阈值根据AlphaSim设定），红色区域代表功能连接脑区

表1 PI组与对照组PSQI、HAMD、HAMA临床量表比较

表2 对照组静息态脑DMN 与PCC功能连接脑区

表3 PI组静息态脑DMN 与PCC功能连接脑区

图3 与对照组对比，PI组与PCC连接异常脑功能图，A、B分别为MRI图像和采用BrainNet Viewer生成的三维图像。PI组与PCC功能连接增强脑区为双侧额上回和中间扣带回；减弱脑区为左侧枕叶舌回、海马旁回、梭状回、右侧颞上回、颞极、颞中回、枕中回。显著阈值设为P＜0.01，体素簇≥513 mm3（校正阈值根据AlphaSim设定），红色代表连接增强区域，蓝色代表连接减弱区域

3 讨论

人脑在清醒静息状态下，脑内有自发的、连续的神经元功能活动，即DMN的存在[13]，这一网络维持着人脑在静息状态下的一些最基本的认知活动。DMN的确切功能及机制尚不清楚，但可以肯定的是DMN提示大脑存在静息状态下的内在“思考”[14]。以往许多研究均发现阿尔茨海默病、自闭症和精神分裂症患者脑DMN发生改变。本实验以双侧PCC为种子点，采用静息态fMRI分析PI患者DMN脑功能连接是否存在特异性改变，为PI认知功能障碍的诊疗提供可能的影像学客观依据。

表4 PI组DMN与PCC功能连接增强区域

表5 PI组DMN与PCC功能连接减弱区域

本研究结果显示，PI组、对照组与双侧PCC功能连接主要脑区，如楔前叶、双侧额中回、双侧扣带回等属于DMN固有的脑区，与以往静息态DMN研究一致，提示PI组与对照组在静息状态下DMN连接的存在。

与对照组相比，PI组双侧额上回、中间扣带回与PCC的功能连接增强。前额叶是脑的重要结构之一，不仅参与人脑对内外环境信息的整合、情绪整合及情景记忆提取等功能，还与脑内其他脑区相互协同作用，共同维持人脑在静息状态下的基本功能。fMRI研究表明，前额叶中内侧背侧与自我意识密切相关，是大脑自发产生自我意识及内察性意识活动所必须的脑区，至少参与了能够体现自我意识某一方面的认知加工过程，这些区域活动增加提示PI患者存在自我意识过度觉醒、情绪调节异常等方面的认知障碍。根据Beck负性认知理论[15]，失眠患者过度关注失眠状态，这种负性认知障碍不仅引起失眠之前的焦虑，也使患者更加难以入睡，长期在失眠焦虑影响下会引起抑郁，17%的PI患者在随后的6年内发生抑郁[16]，这也与本研究中PI患者存在抑郁、焦虑一致。中间扣带回的过度激活是重度抑郁症的标志[17]，PI组可见其与PCC功能连接增强，与PI组临床HAMD指数增高相匹配。DMN功能连接异常揭示PI组HAMD、HAMA评分明显高于对照组的病理损害机制，与临床表现一致。

本研究发现左侧枕叶舌回、海马旁回、梭状回、右侧颞叶皮层（颞上回、颞极、颞中回）、枕中回与PCC功能连接降低。枕叶主要负责处理视觉信息，属于大脑的视觉中枢，同时又负责部分语言、动作及抽象概念等功能，枕叶损伤的患者不仅会产生视觉障碍，还可能出现记忆功能下降或运动知觉障碍等症状。Bilo等[18]研究发现在无症状枕叶癫痫患者中，除出现明显视觉空间认知障碍外，患者的执行功能也较正常人下降，从而进一步证实了枕叶的功能。本研究结果显示，左侧枕叶舌回与PCC连接功能降低，提示PI患者负责短期记忆及社交沟通的部分脑区出现异常，尤其是日间的社交沟通能力下降，提示大脑枕叶部分区域发生功能损伤。海马、海马周边区域及相邻的皮质结构（颞角、岛叶、枕叶齿状回等）均属于边缘系统，接收来自额叶、顶叶、枕叶等皮质的信息，是人脑记忆功能的中枢，边缘系统也是情绪调节的主要区域。Nofzinger等[19]应用PET研究PI患者，发现与情绪及认知相关的脑区代谢下降程度相对较低，这些脑区包括杏仁体、海马及海马旁回等结构。睡眠剥夺后的正常人也会出现精神运动系统损害，包括记忆损害、反应迟缓、警觉下降等[20]；海马有参与记忆的储存和加固功能，长期失眠患者其日间陈述性记忆功能明显低于健康人[21]；以上结果均表明失眠会使海马、海马旁回、杏仁体等结构功能受损，同时海马与其他区域的连接性也会发生改变。海马在进行记忆等信息的输入时，还与下丘脑-垂体-肾上腺轴的唤醒调节机制有关，本研究发现左侧海马旁回与PCC连接功能降低，可能是由于长期处于失眠状态的PI患者处于过度应激状态，从而引起下丘脑-垂体-肾上腺轴功能亢进，出现记忆损害、执行功能下降等认知功能障碍，产生记忆力下降、焦虑、抑郁情绪调节障碍。

失眠是一个极其复杂的过程，可能涉及多个脑区、神经网络及神经内分泌机制，随着PI患者病情发展，这种静息状态下的功能异常也会发生某种改变，原发性患者静息态DMN的活动变化规律仍有待进一步随访证实。

（志谢：感谢解放军信息工程大学闫斌博士、童莉博士在数据处理方面做出的贡献）

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