磁共振成像技术在分析肠易激综合征患者脑功能中的应用

王丹萍　宋毓飞　李亚迪　任　辉　沈晓伶　黄志刚



·论著·

磁共振成像技术在分析肠易激综合征患者脑功能中的应用

王丹萍宋毓飞李亚迪任辉沈晓伶黄志刚

311200杭州市萧山区第一人民医院消化内科(王丹萍)；315040宁波市医疗中心李惠利医院消化内科(宋毓飞，任辉，沈晓伶，黄志刚)，影像科(李亚迪)

摘要：目的应用脑部功能性磁共振成像(fMRI)技术探究肠易激综合征(IBS)的病理生理机制中大脑功能区变化，并评价精神心理因素在其发病中的意义。方法 收集31例IBS患者和20位正常对照者在不同容量直肠气囊刺激下获得的fMRI图像，并应用医院焦虑抑郁量表(HADS)进行精神心理因素评分，对结果进行统计学分析。结果IBS患者的fMRI图像在不同容量地刺激下存在差异，并且脑部激活区域随着直肠气囊扩张容量的增加而不断扩大，激活区域的显示也越来越明显；而在正常对照者中的差异无统计学意义。结论IBS患者的内脏敏感性与大脑皮质的活动性相关，但需要更大的样本量验证。而IBS患者内脏敏感性的程度是否与精神心理因素有必然的联系，还有待进一步的研究及验证。

关键词：肠易激综合征；功能性磁共振成像技术；医院焦虑抑郁量表

肠易激综合征(IBS)是一种常见的功能性胃肠病，以腹部不适，伴有大便性状改变，但又缺乏可解释的形态学、影像学及内镜改变为特点。对IBS患者的调查研究发现其焦虑及抑郁症状的比例较高。

本研究主要探讨脑-肠轴在IBS发病机制中的作用。由Ogawa等[1]在1990年首先提出的血氧水平依赖性功能性磁共振成像(BOLD-fMRI)技术是目前研究脑部活动的较好的工具之一。本文对功能性磁共振成像(fMRI)技术在IBS的病理生理机制研究中应用的可行性进行评估，并评价精神心理因素在其发病中的意义。

1材料和方法

1.1研究对象

收集自2013年7月至2014年8月在宁波大学医学院附属李惠利医院就诊的31例IBS患者以及20位健康志愿者。所有入选者均为右利手，且均应用医院焦虑抑郁量表(HADS)[2]进行临床精神心理评估，并被告知将要进行的研究内容及相关风险，并签署了知情同意书。其中健康志愿者包括男性11例，女性9例，年龄25～59岁，平均年龄(43.05±14.49)岁；IBS患者包括男性13例，女性18例，年龄17～69岁，平均年龄(44.13±13.39)岁。IBS的诊断标准为罗马Ⅲ标准[3]：(1)反复发作腹痛伴腹部不适，在最近3个月内每月至少3 d，且伴有以下两条或两条以上：①排便后改善；②发作时伴排便次数的改变；③发作时伴排便性状的改变。(2)目前的症状持续至少3个月，且诊断前至少6个月曾有过1次发作。下述症状可支持IBS的诊断：(1)异常的排便频率，每周≤3次排便或者每日>3次排便；(2)异常的粪便性状，块状便/硬便或者松散便/稀水便；(3)排便费力；(4)排便急迫感或排便不尽感；(5)排出黏液；(6)腹胀。根据研究资料的特点，采用HAD-A≥9分作为焦虑划界分，HAD-D≥9分作为抑郁划界分。所有量表均由研究对象自行阅读完成，无任何诱导文字及言语。

1.2方法

受试者肠道准备后平卧于fMRI检查床上，首先检查由双气囊三腔导管改良后的肛门直肠气囊是否漏气，随后将其置于距肛门约10 cm的直肠内，然后用150 mL注射针筒向气囊内快速注气。给予刺激时直肠内气囊的充气量分别为40 mL、80 mL和120 mL[4]。应用美国通用电气公司的Discovery MR750 3.0T超导型磁共振成像系统和八通道头颅线圈进行fMRI检查。刺激方式采取“基线-刺激”的试验模式。静息30 s，刺激30 s，气囊扩张刺激持续30 s，此为一个周期。反复刺激3个周期作为一个序列。静息时排空气囊内气体。研究对象共完成3个序列，分别以40 mL、80 mL、120 mL拉丁方顺序刺激。每个序列用时3 min，手工注气5 s内完成，以减少注气刺激对fMRI信号的干扰。结构像为3D Bravo序列。翻转角15°，矩阵128×128，刺激1次，层厚5 mm，无间距，视野24 cm，扫描时间为3 min，范围全脑。功能像为回波平面成像脉冲序列(EPI)。扫描基线为前后联合斜切，模式2D；回波平面成像重复时间3 000 ms，回波时间40 ms，翻转角90°。所有原始图像转换为DICOM图像。经过分区及图像转换后进入SPM8软件进行图像后处理及统计分析，获得感兴趣区域(ROI)的面积差异，定量分析信号强度及定位。

1.3统计学处理

2试验结果

2.1两组的临床病理特征

本研究中IBS组患者的平均年龄高于健康者组，但差异无统计学意义(P>0.05)。IBS组的平均焦虑评分高于健康者组，且差异有统计学意义(P<0.001)；IBS患者组的平均抑郁评分高于健康者组，差异有统计学意义(P<0.001)。(见表1)

表1　IBS患者及健康者的临床病理特征的相关性

2.2IBS患者在不同刺激容量时所激活的区域比例

随着直肠气囊扩张容量的增加，IBS组患者脑部被激活的区域越来越大。顶叶、前额叶皮层(PFC)及小脑相对其他脑部区域更加敏感，且在不同的容量刺激下，顶叶、PFC及小脑所占比例均较多。直肠气囊扩张容量的不断增加，导致前扣带回皮层(ACC)、岛叶、丘脑等疼痛认知区域也逐渐被激活。枕叶(视觉中枢)、颞叶(听觉中枢)这两个脑部区域也随着刺激容量的增加而被激活。(见图1)

注：百分数表示各个激活区域所占百分比；为避免人为区分而造成统计误差，故不予区分左右

图1IBS患者在不同刺激容量时所激活的区域所占比例A予40 mL气体刺激时B予80 mL气体刺激时C予120 mL气体刺激时

2.3在不同刺激容量下两组脑部激活区域的变化

随着直肠气囊扩张容量的增加，IBS组患者脑部的激活区域越来越大，且激活区域显示得越来越明显；但健康组脑部的激活区域未见明显改变。比较IBS组患者脑部激活区域在不同容量刺激下的感觉强度发现，在分别予以40 mL和80 mL气体刺激时，差异无统计学意义(P>0.05)；分别比较120 mL与40 mL、120 mL与80 mL气体刺激时发现，差异具有统计学意义(P<0.05)。但在健康者组中，分别予以40 mL、80 mL与120 mL气体刺激时，感觉强度的差异均无统计学意义(P>0.05)。(见图2)

图2不同刺激容量下两组显示的脑功能图AIBS组在予40 mL气体刺激时所呈现的fMRI图，未见明显变色区域BIBS组在予80 mL气体刺激时所呈现的fMRI图，可见明显变色区域CIBS组在予120 mL气体刺激时所呈现的fMRI图，可见明显变色区域D健康者组在予40 mL气体刺激时所呈现的fMRI图，未见明显变色区域E健康者组在予80 mL气体刺激时所呈现的fMRI图，未见明显变色区域F健康者组在予120 mL气体刺激时所呈现的fMRI图，未见明显变色区域G比色标，颜色越深代表此颜色所在区域激活越明显，即感觉越明显

3讨论

fMRI技术早在18年前就被开始应用于脑-肠轴相互作用方面的研究。fMRI具有灵敏度高，空间和时间分辨率高等优势[5]，是目前用于研究神经系统与内脏刺激信号相互关联的一种较广泛的技术。Rapps等[6]研究发现，IBS患者对于内脏感觉刺激的感知所激活的脑部区域与健康者相似，主要激活区域为ACC、岛叶皮层(IC)、PFC、初/次级躯体感觉皮层(SⅠ/Ⅱ)和丘脑。而ACC、IC、PFC、丘脑恰恰是组成脑部内脏感觉的神经中枢。有研究发现，IBS与心理障碍是可以并存的，而且IBS至少合并一种常见精神疾病的概率为40%～60%，甚至有报道表示这个概率可高达80%[7]。

本研究对入选的健康者和IBS患者进行临床特征的评价、精神心理评估及脑功能成像分析，结果提示顶叶、PFC及小脑相对其他脑部区域更加敏感；而随着直肠气囊扩张容量的增加，ACC、岛叶、丘脑等疼痛认知区域也逐渐被激活。枕叶、颞叶这两个脑部区域也随着刺激容量的增加而激活。而健康者组的脑功能成像中脑部的激活区域却未见明显改变。

目前认为脑部内脏感觉的神经中枢包括ACC、IC、枕叶、丘脑、脑干、杏仁核(AM)等区域，并且研究提示IBS患者在这些区域的直肠容量刺激信号异常[8]。Aizawa等[9]利用fMRI和动态因果模型(DCM)技术表明，IBS患者可能因为背外侧前额叶(DLPFC)、岛叶和海马的活性改变及DLPFC与辅助运动区之间连接的损伤而存在认知灵活性上的潜在障碍。本研究提示IBS患者脑功能图像中的顶叶、PFC、小脑、ACC、岛叶、丘脑、枕叶、颞叶等区域均逐渐被激活，而在目前应用fMRI技术对IBS的研究中关于顶叶、枕叶及颞叶被激活的现象仍少有报道。

本研究通过应用fMRI技术发现IBS患者的内脏敏感与大脑皮质的活动性相关，但 IBS患者的内脏敏感性的程度是否与精神心理因素有必然的联系，还有待进一步的研究及验证。因此，fMRI可以较为客观和准确地评价因直肠扩张气囊刺激所致的内脏感知而引起的脑功能改变，但目前仍没有明显的证据表明精神心理因素是IBS的发病机制之一。

参考文献

1 Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, et al. Oxygenation-sensitivecontrast in magnetic resonance imaging of rodent brain at high magnetic fields[J]. Magn Reson Med, 1990, 14: 68-78.

2 Kjaergaard M, Arfwedson Wang CE, Waterloo K, et al. A study of the psychometric properties of the Beck Depression Inventory-Ⅱ, the Montgomery and Åsberg Depression Rating Scale, and the Hospital Anxiety and Depression Scale in a sample from a healthy population[J]. Scand J Psychol, 2014, 55: 83-89.

3 Drossman DA. The functional gastrointestinal disorders and the RomeⅢ process[J]. Gastroenterology, 2006, 130: 1377-1390.

4 Larsson MB, Tillisch K, Craig AD, et al. Brain responses to visceral stimuli reflect visceral sensitivity thresholds in patients with irritable bowel syndrome[J]. Gastroenterology, 2012, 142: 463-472.

5 Bonaz B. Visceral sensitivity perturbation integration in the brain-gut axis in functional digestive disorders[J]. J Physiol Pharmacol, 2003, 54: 27-42.

6 Rapps N, Van Oudenhove L, Enck P, et al. Brain imaging of visceral functions in healthy volunteers and IBS patients[J]. J Psychosom Res, 2008, 64: 599-604.

7 Dekel R, Drossman DA, Sperber AD. The use of psychotropic drugs in irritable bowel syndrome[J]. Expert Opin Investig Drugs, 2013, 22: 329-339.

8 Van Oudenhove L, Coen SJ, Aziz Q. Functional brain imaging of gastrointestinal sensation in health and disease[J]. World J Gastroenterol, 2007, 13: 3438-3445.

9 Aizawa E, Sato Y, Kochiyama T, et al. Altered cognitive function of prefrontal cortex during error feedback in patients with irritable bowel syndrome, based on FMRI and dynamic causal modeling[J]. Gastroenterology, 2012, 143: 1188-1198.

(本文编辑：周骏)

基金项目：宁波市社会发展基金(2011C50069)

通信作者：黄志刚，Email: Huangzg@foxmail.com

DOI:10.3969/j.issn.1673-534X.2016.03.012

(收稿日期：2015-10-15)

Magnetic resonance imaging to analysis of brain function in irritable bowel syndrome

WANGDanping.

DepartmentofGastroenterology,TheFirstPeople’sHospitalofXiaoshanDistrict,Hangzhou(311200),China;

SONGYufei,RENHui,SHENXiaoling,HUANGZhigang.

DepartmentofGastroenterology,NingboMedicalCenter,LihuiliHospital,Ningbo(315040),China;

LIYadi.

DepartmentofImaging,NingboMedicalCenter,LihuiliHospital,Ningbo(315040),China

Abstract：ObjectiveThis paper intents to study the visceral sensitivity in irritable bowel syndrome(IBS) and its activity in the cerebral cortex by using the functional magnetic resonance imaging(fMRI) and further estimate the role of psychological factors in its pathogenesis. MethodsThe changes of the cerebral functional area of 31 patients with IBS and 20 healthy people were obtained by using fMRI. In addition, the psychological status were evaluated by using hospital anxiety and depression scale(HADS). ResultsIt was discovered that the area of activating brain regions increased with the increase of the volume of rectal balloon dilation. But no significant difference was found in normal individuals. ConclusionsThe visceral sensitivity of IBS is relevent to the activity of cerebral cortex, while this result needs larger samples for further demonstration. It is also necessary to illuminate the relationship between the visceral sensitivity and the psychological factors of IBS patients.

Key words：Irritable bowel syndrome; Functional magnetic resonance imaging; Hospital anxiety and depression scale