创伤性脑损伤昏迷患者默认网络功能连接的静息态fMRI研究

张明哲， 孙昭胜， 郭 洪， 刘 兵， 杜乃易

(河北省衡水市哈励逊国际和平医院， 河北 衡水 053000)



创伤性脑损伤昏迷患者默认网络功能连接的静息态fMRI研究

张明哲， 孙昭胜， 郭 洪， 刘 兵， 杜乃易

(河北省衡水市哈励逊国际和平医院， 河北 衡水 053000)

【摘 要】目的:探讨创伤性脑损伤昏迷患者静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)中默认网络(default mode network，DMN)改变情况及其与后扣带回(posterior cingulate cortex，PCC)的功能连接特点。方法:收集2013年6月至11月在河北医科大学附属衡水哈励逊国际和平医院神经外科入院治疗的创伤性脑损伤昏迷患者23例为试验组，同时选取性别，年龄，受教育程度相匹配的右利手健康志愿者23例作为对照组，所有研究对象完成静息态功能磁共振成像，选择感兴趣区并作功能连接分析比较两组患者的差异。结果:正常对照组的PCC功能连接图与假设的默认网络完全匹配(P<0.05)。颅脑损伤性昏迷患者和PCC呈显著正连接的区域比正常对照组和PCC显著正连接的区域明显减少(P<0.05)。结论:静息状态下颅脑损伤性昏迷患者默认状态网络系统存在，但范围减小，颅脑损伤性昏迷患者在静息状态下与健康对照相比多个脑区与PCC的功能连接显著减弱。

【关键词】颅脑损伤； 昏 迷； 静息态； 功能磁共振； 默认网络

每年因车祸、坠落、袭击、运动造成的创伤性脑损伤(简称颅脑损伤)患者约有七百万人，而全球每年因颅脑损伤而昏迷者超过100万[1~3]，其中22%~50%者死亡。颅脑损伤的救治率虽然有显著提高，但损伤后长期意识障碍仍是医疗界的难题[4]，目前尚没有可以准确地对颅脑损伤性昏迷患者进行脑功能状态的动态检测和评价的标准。近年来，静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rsfMRI)的研究，揭示了rs-fMRI在细胞代谢水平能反映局部脑功能活动情况，是一种无创的脑功能检查方法，因此更适合于昏迷患者的研究，为颅脑损伤性昏迷患者的脑功能的检测和评价开辟了新途径。

1 资料与方法

1.1 研究对象

1.1.1 试验组:连续性收集2013年6月至11月河北医科大学附属衡水哈励逊国际和平医院神经外科入院治疗的颅脑损伤性昏迷患者23例，入组标准:颅脑损伤昏迷患者(GCS≤8分)；年龄(18~60岁)；右利手。排除标准:可引起意识障碍的脑血管疾病或神经性疾病；严重的精神疾病；服用药物引起的意识障碍；严重的全身性疾病；因术后、脑挫裂伤、脑积水等原因使脑组织变形过大，无法进行校正的病例。其中男17例，女6例，5例患者为右颞脑挫裂伤，左颞硬膜外血肿，10例患者为弥漫性轴索损伤，8例患者为脑挫裂伤，脑干损伤。

1.1.2 对照组:选择23例性别，年龄，受教育程度匹配的右利手且脑部无实质性病变健康志愿者作为对照组，男16例，女7例。与试验组患者年龄、受教育程度差异无统计学意义(见表1)。性别构成差异亦无统计学意义。

1.2 研究方法

1.2.1 仪器及受试者准备:采用德国西门子MAGNETOM Verio型3T磁共振仪，扫描线圈为标准8通道头颅线圈。所有对照者均在磁共振机外接受试验前短暂训练和指导，以便较好配合。

表1 两组基线资料比较(±s)

表1 两组基线资料比较(±s)

a采用独立样本t检验

项目　　试验组　　对照组　P值年龄(岁)　43.38±11.73 44.17±10.46　 0.876a教育程度(年)　9.88±1.46　 10.25±1.14　 0.527 a性别(男)　17男/6女　16男/7女扫描时GCS评分　5.50±0.92扫描时受伤时间(d)　 6.25±2.25

1.2.2 扫描参数:常规扫描:两组均行常规序T1WI、T2WI及T2FLAIR以前后联合的连线为扫描基线。3D T1高分辨T1结构扫描序列:层厚为1 mm，TR/ TE 2300 ms/2.98 ms，反转时间:900 ms，视野(FOV):240 ×240 mm，翻转角(FA):9度，矩阵256×256。静息态fMRI扫描序列采用平面回波(EPI)序TR/ TE2000/ 30ms，FA:90度，层厚3.5mm，间隔0mm，扫描层数32层，视野(FOV):220 mm×220 mm，矩阵64×64，平均激励次数1次，延时为0，采集180个时间点，扫描时间360s。

1.2.3 数据处理在Matlab R2010a平台上使用静息态功能磁共振处理辅助软件DPARSFA2.2。

图1 基于REST定义的PCC位置(红点所在位置)

1.3 统计分析:运用REST_V1.8_130615进行统计分析。采用单样本参数t检验分别分析后扣带回(PCC)在正常对照组和颅脑损伤性昏迷患者两组内的功能连接情况，分别取阈值为P<0.05，然后进行AlphaSim多重比较校正，cluster≥228个体素，rmm = 5，最后只显示正连接图，从而分别得到患者和正常对照的PCC和全脑的正连接图，取两个图的并集做一个默认网络的蒙版mask。采用双样本参数t检验在mask内比较试验组和正常对照组的组间连接差异，取阈值为P<0. 05，进行AlphaSim多重比较校正，rmm= 5将团块大小超过135个素的脑区确定为有显著性差异，得到差异统计图，统计图叠加到标准脑上进行显示，用神经解剖学来描述两组内有显著差异的脑区，最后判断差异性质。

2 结 果

2.1 对照组分析:对照组选取后扣带回为ROI的静息态功能连接单样本t检验，只选择和PCC呈显著正连接的图像即正常对照组的脑默认网络区，即内侧前额叶皮层区，背外侧前额叶皮层，左、右颞叶，前扣带回，后扣带回，楔前叶，左、右顶下小叶，海马(见图2、3及表2)。

2.2 试验组组分析:颅脑损伤性昏迷患者以后扣带回为ROI的静息态功能连接单样本t检验，选择和PCC呈显著正连接的图像即颅脑损伤性昏迷患者的脑默认网络区，这些脑区主要包括内侧前额叶皮层区，背外侧前额叶皮层，左侧额上、额中、额下回，双侧颞上回、颞中回，前扣带回，后扣带回，楔前叶，左、右顶下小叶。(见图4，图5及表3)

图2 对照组的和PCC呈显著正连接的图像。X=1，Y=-47，Z =41(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比较校正cluster>228，rmm=4。

图3 对照组和PCC呈显著正连接的校正图像P<0.05，AlphaSim多重比较校正cluster>228，rmm=5。

图4 颅脑损伤昏迷患者和PCC呈显著正连接的图像X= 1，Y =-47，Z=41(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比较校正cluster>228，rmm=5。

图5 病例组和PCC呈显著正连接的图像(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比较校正cluster>228，rmm=5。

表2 对照组的DMN分布表

表3 颅脑损伤性昏迷患者的DMN分布表

2.3 两组功能连接区比较:和对照组相比颅脑损伤性昏迷患者的PCC的功能连接显著减弱的脑区包括:左前额叶内侧区，背外侧前额叶皮层，左、右旁扣带回，额极、额中回，前扣带回，尾状核，左、右眶内额上回，上后扣带皮层，楔前叶，左、右枕上回。(见图6，图7及表4)

表4 颅脑损伤性昏迷患者和对照组的DMN的对比显著差异分布

图6 颅脑损伤昏迷患者和正常对照组默认网络的显著差异图X=0，Y=-40，Z=53(已校正)。P<0.05，AlphaSim多重比较校正cluster>135，rmm=5。

图7 颅脑损伤昏迷患者和正常对照组默认网络的显著差异图(已校正)，P<0.05，AlphaSi多重比较校正cluster>135，rmm=5。

3 讨 论

功能磁共振成像是基于神经元活动对局部耗氧量及脑血流量影响程度不匹配所致局部磁场性质变化的一种脑功能成像技术。

2003年Raichle等[5]在PET ( positron emission tomography)和fMRI的研究基础上提出了默认网络( default mode net work，DMN )的假说。Greicius[6]等在用功能磁共振的功能连接分析发现了部分脑区在静息态时BOLD信号波动具有很高的时间相关性，同时获得了功能连接脑活动图，同时他们把脑功能网络的中心归结到后扣带回PCC。Binder[7]等人也得出了人脑在静息状态下存在有序的脑功能活动的结论。张洪英[8]等人对健康老年人进行功能磁共振扫描，通过时间序列相关性分析获得了以后扣带回为种子区的默认网络，经证实与Greicius等人发现的正常人的默认网络基本一致。孙国祥[9]等人利用fMRI的技术通过听觉来呈现语言任务，进一步检验了静息状态下人脑默认网络活动的假说。但是，颅脑损伤性昏迷患者是否存在默认网络，如果存在，其默认网络是否发生变化?因此，我们运用静息态功能磁共振的功能连接技术展开研究。

本研究通过运用静息态功能磁共振的功能连接技术来研究颅脑损伤性昏迷患者的默认网络和正常对照之间的差异，选取PCC作为种子点，从而发现正常人的PCC功能连接图和假设的默认网络匹配度很高。这与Raichle等人关于默认网络的研究结果基本一致，间接反映了默认网络的存在。

颅脑损伤性昏迷患者和PCC呈显著正连接的区域包括内侧前额叶皮层区，背外侧前额叶皮层，左侧额上、额中、额下回，双侧颞上回、颞中回，前扣带回，后扣带回，楔前叶，左、右顶下小叶，范围较正常对照组有所减少。这符合Audrey等人研究的结果，意识障碍的严重程度和默认网络的范围大小呈负相关。表明了静息态下病例组默认网络的各脑区之间内部连接已经受损。

我们通过运用静息态功能磁共振的功能连接技术来研究颅脑损伤性昏迷患者的默认网络和正常对照之间的差异。但是本研究的病例样本数量较少，另由于患者是重型颅脑损伤昏迷性患者，我们在临床治疗中或多或少会用到醒脑的药物，这可能会对结果产生一定的影响，在今后的研究中，我们会更深一步研究。

【参考文献】

[1] Bruns Jr J，Hauser WA. The epidemiology of traumatic brain injury: a review[J].Epilepsia，2003，44(Suppl 10): 2~10.

[2] Faul M，Xu L，Wald MM，et al. Traumatic brain injury in the United States: emergency department visits，hospitalizations，and deaths. Atlanta: centers for disease control and prevention[ J]. National Center for Injury Prevention and Control，2010.

[3] Perel P，Arango M，Clayton T，et al. Predicting outcome after traumatic brain injury: practical prognostic models based on large cohort of international patients[J].BMJ，2008，336: 425~429.

[4] Byrne D M，Martin B N.A solution to the shortage of nursing faculty:awareness and understanding of the leadership style of the nursing department head[J]. Nurse Educ，2014，39 (3):107~112.

[5] Fox M D，Snyder A Z，Vincent J L，et al. The human brain is intrinsically organized into dynamic，anticorrelated functional networks[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2005，102(27): 9673~9678.

[6] Raichle ME，Macleod AM，Snyder AZ，et al. A default mode of brain function[J].Proc Natl Acad Sci USA，2001，98: 676~682.

[7] Greicius M D，Krasnow B，Reiss A L，et al. Functional connectivity in the resting brain: a network analysis of the default mode hypothesis[J].Proceedings of the National A-cademy of Sciences，2003，100(1): 253~258.

[8] 张洪英，王世杰，杨明，等.正常老年人静息状态脑功能磁共振的默认网络研究[J].中国医学影像技术，2008，24 (8):1189~1191.

[9] 孙国祥，刘君，赵小虎，等.静息状态默认脑活动网络的初步检验—听觉呈现语言任务[J].中国医学影像技术，2008，24(2):205~208.

Study on Resting-state fMRI of Functional Connectivity of Default Mode Network in Coma Patients with Traumatic Brain Injury

ZHANG Mingzhe， SUN Zhaosheng， GUO Hong， et al
(Harrison International Peace Hospital，Hengshui Hebei 053000，China)

Abstract:Objective:To explore whether the default mode network (DMN) in patients with traumatic coma is abnormal or not in resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) and functional connectivity characteristics with posterior cingulate cortex (PCC). Method:23 cases with traumatic brain injury were selected as the objects in experimental group，and 23 cases of healthy volunteers with the matched gender，age and education were selected on the objects in control group. All the objects received resting-state fMRI，and then，the region of interest was taken，the functional connectivity was analyzed and compared between the two groups. Result: SingleT test showed that the graph of PCC functional connection in the normal contral group almost completely match with the assumptive default mode network (P，0.05). Compared with normal control group，the range of connection of default mode network and PCC was reduced in the patients group. The analysis showed that compared with normal control group，the patients with traumatic coma had significantly decreased functional connectivity (P<0.05). Conclusion: The default mode network may exist in patients with traumatic coma during resting state，but the range was reduced(P<0.05). Compared with normal control group，patients with traumatic coma showed significant decrease of functional connectivity in multiple brain regions in the resting state，which suggested that the mechanism of traumatic coma is not only associated with brain function network，but also associated with all brain. (P<0.05).

【Key words】Traumatic brain injury； Coma； Resting state； Functional MRI； Default mode network； Functional connectivity

【基金项目】河北省卫生厅重点科技研究计划，(编号:ZD2014043)通讯作者:孙昭胜

【文章编号】1006-6233(2016)03-0383-05

【文献标识码】B 【doi】10.3969/ j.issn.1006-6233.2016.03.012