右侧颞叶癫痫的静息态大脑熵改变及与警觉的关系

周慕华，　郑金瓯，　刘慧华，　李健萍，　钟　丹



右侧颞叶癫痫的静息态大脑熵改变及与警觉的关系

周慕华，郑金瓯，刘慧华，李健萍，钟丹

目的应用静息态功能磁共振成像研究右侧颞叶癫痫(right temploal lobe epilepsy，rTLE)患者大脑熵的改变及其与警觉功能的关系。方法利用注意网络测试 (attention network test，ANT)对20名rTLE患者和22名健康对照者的警觉功能进行研究；同时计算两组被试静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance，rs-fMRI)下的大脑熵(Brain Entropy，BEN)，并选取两组的差异脑区(P<0.01)作为感兴趣区(region of interesting，ROI)，提取熵值和各区的部分各向异性指数(fractional anisotropy，FA)值；分别对大脑熵值、FA值和警觉功能之间关系进行研究。结果与正常人相比，rTLE患者的固有警觉和位相性警觉反应时间显著增加；大脑熵在右颞下回、左额上回眶部显著增加，在右侧楔前叶、左侧顶上小叶等脑区显著降低；左额上回眶部的FA值较正常对照显著减小；固有警觉反应时间与左额上回眶部熵值呈正相关，与右侧楔前叶、左中央后回熵值呈负相关；位相性警觉反应时间与左额上回眶部的FA值、右侧楔前叶熵值及左中央后回熵值呈负相关。结论rTLE患者警觉功能的下降与某些脑区其静息态大脑熵的改变和局部细微结构的损害有关，BEN作为一个新的指标可以用来研究癫痫患者脑功能。

颞叶癫痫；静息态功能磁共振；大脑熵；警觉

颞叶癫痫(temporal lobe epilepsy，TLE)反复发作会造成患者学习记忆、语言、智能等认知功能障碍[1]。注意是一切认知功能的基础，Posner等[2]学者将注意功能分为 3 个模块：警觉网络、定向网络、执行控制网络。警觉网络功能是对刺激信息达到并持续保持高度警觉的一种状态，是信息连续加工的前提。根据目标刺激出现前有无暗示信号的提示，警觉可以细分为位相性警觉(phasic alertness)和固有警觉(intrinsic alertness)[3]，前者是指在缺少外部信号刺激情况下对内部觉醒的控制，后者是指在短暂接受外部刺激和信号情况下的反应能力提升。

熵是一种非线性动力学参数，可以用于衡量时间序列中新信息发生率，预测体系混乱程度[4]，熵值增高表示一个系统的随机性增加,意味着系统活动的可预见性和规律性降低[5]。长久以来，通过电生理等数据,熵一直被用于评估不同的大脑状态。近年来，有学者应用fMRI对于正常人[6]或者不同疾病状态如精神分裂症[7]等进行研究，都发现了大脑熵值的改变。本研究将应用rs-fMRI对rTLE患者的大脑熵的改变及其与警觉反应的关系进行探索。

1　材料与方法

1.1研究对象右侧颞叶癫痫组：连续收录2013年9月～2016年2月在本院癫痫门诊就诊或住院的右侧癫痫患者。癫痫诊断根据国际抗癫痫联盟提出的癫痫诊断标准执行。rTLE组入组标准：(1)临床发作症状提示致痫病灶位于颞叶； (2)影像学提示右侧海马硬化或萎缩；(3)发作期或发作间期EEG提示致痫病灶位于右侧颞叶(第2、3项中至少符合一项)；(4)遵照国际抗癫痫联盟癫痫发作和癫痫综合征的治疗指南(2006)规范化使用抗癫痫药物。排除标准：(1)合并有其他严重躯体疾病；(2)药物滥用患者;(3)简易精神状态量表(MMSE)评分>24。健康对照组：选择与上述 rTLE 患者性别、年龄、受教育程度相匹配的健康志愿者，所有被试者入组前均被详细告知并取得其知情同意。本研究得到广西医科大学伦理委员会的认可。

1.2行为学测试采用Fan[8]等设计的注意网络测验 。在电脑屏幕中心处的“+”为注视点，刺激信号在其上方或下方出现，可以是暗示信号“*”，也可是靶信号“→”。暗示信号出现的状态分4种：没有出现、在中心点位置出现、在中心点上下同时出现(双重暗示)、在中心点上或下方单独出现(空间暗示) 。靶信号的形式有两种：中间箭头的方向与左右4个箭头方向一致或者相反，中间的箭头为靶信号。嘱被试者距屏幕前60 cm，手指置于反应键上，正确并迅速判断靶信号的朝向。电脑记录被试的反应正误和时间。整个实验总耗时约 25 min。警觉网络反应时间(reaction time，RT)等于固有警觉(无线索提示)反应时间RT减去位相性警觉(双重提示)反应时间RT。

1.3设备及扫描参数使用荷兰PHILIPS公司Achieva 3.0T超导磁共振扫描仪，在标准的头线圈内完成扫描。受试者首先进行常规头部MRI扫描，包括快速自旋回波轴位T2WI[重复时间(TR)3000 ms、回波时间(TE)80 ms]、T1WI (TR2000 ms，TE 10 ms)，以排除脑部器质性病变。 Rs-fMRI扫描:将轴位T2结构像作为定位像，采用平面回波成像(EPI)序列，TR为 2000 ms、TE 为 30 ms，共 31层;视野为 220 × 220、层厚为5 cm、层距为 1 mm，翻转角为 90°，扫描时间 180 s。DTI 扫描:检查采用ZOOM梯度场，DW-EPI 序列横轴位扫描，TR=1000 ms、TE=15 ms、层厚=2 mm、层距 =0、FOV=24 cm× 24 cm、矩阵128 ×128、NEX2，采用b值为0，1000 m2/s，弥散敏感梯度为非同一直线上的32 个梯度方向，扫描层数64层，扫描时间224 s。

1.4数据处理静息态数据用DPARSFA V2.3 (http://rfmri.org/DPARSF_V2_3)，检查头动大小，剔除平动大于2 mm，转动大于 2°的被试者。然后在Matlab 7.14.0(Mathworks,Natick,MA,USA)上运行大脑熵图工具包Brain Entropy mapping tool-box(https://cfn.upenn.edu/～zewang/BENtbx.php)对大脑熵进行计算，得到大脑熵图(BEN map)。DTI数据用PANDA-1.3.0(http://www.nitrc.org/projects/panda/)软件进行处理，计算出ROI区的部分各向异性指数FA值。

1.5统计学分析在SPSS(SPSS version 16,Chicago,IL,USA)上分别对两组被试警觉网络反应时间、固有警觉、位相性警觉反应时间作双样本t检验，P<0.05有统计学意义。以性别、年龄、受教育程度作为协变量，对正常人和患者组的大脑熵图在RESTing-state fMRI data analysis toolkit(REST,by Song Xiaowei,http://resting-fmri.sourceforge.net)进行双样本t检验，得到两组被试者脑熵值有统计学差异的脑区(P<0.01,alphasim校正，cluster>67)，并将得到的有统计学意义的差异脑区作为感兴趣区(ROI)，提取两组被试在这些脑区的熵值，并分别与固有警觉、位相性警觉及警觉网络反应时间在SPSS上作Pearson相关分析。将两组被试的ROI区FA值在SPSS上进行双样本t检验；并将相应的ROI区的FA值与脑熵值、警觉反应时间等作Pearson相关分析。统计学阈值P<0.05。

2　结　果

2.1一般资料共入组TLE患者20例,男9例,女11例,均为右利手,年龄(26.3±6.0)岁,平均受教育年限(13.5±5.5)年。健康志愿者22名,均为右利手,男10例,女12例,年龄(25.8±6.3)岁,平均受教育年限(13.8±6.5)年。

2.2行为学检测结果 患者组ANT中警觉网络反应时间RT与健康受试组警觉反应时间RT相比并无显著统计学差异；患者组固有警觉反应时间与位相性警觉反应时间都比对照组显著增加，说明右侧颞叶癫痫患者警觉功能受到一定程度损害(见表1)。

2.3大脑熵图改变跟正常对照相比，rTLE患者在右颞下回、左额上回眶部的大脑熵显著增加，在右侧楔前叶、左侧顶上小叶、右侧中央前回、左侧中央后回大脑熵值显著降低(见表2)(见图1)。

2.4DTI结果两组ROI的FA值分别在右颞下回(P=0.016)，左额上回眶部(P=0.000)发现有显著统计学意义，而右侧楔前叶、左侧顶上小叶、右侧中央前回、左侧中央后回(P=0.145～0.701)并未发现有显著统计学差(见表3)。

表1　右侧颞叶癫痫患者和健康对照ANT测试

注：时间单位:ms；与正常对照组比较*P<0.05

表2　右侧颞叶癫痫患者和健康对照BEN双样本t检验结果

注：双样本t检验P<0.01，Alphasim校正，MNI坐标：蒙特利尔坐标

表3　右侧颞叶癫痫患者和正常人ROI区FA值的双样本t检验结果

与健康对照组比较*P<0.05

2.5相关分析结果在ROI的熵值与警觉的相关分析中，并未发现警觉反应时间RT与BEN有相关关系(P=0.067～0.840)，而固有警觉反应时间与左额上回眶部BEN呈正相关(P=0.020，r=0.349)，与右楔前叶BEN(P=0.028，r=-0.339)、左中央后回BEN(P=0.033，r=-0.330)呈负相关关系；位相性警觉反应时间与右楔前叶BEN(P=0.012，r=-0.383)，左中央后回BEN(P=0.036，r=-0.324)呈负相关，并与左额上回眶部的FA值成呈负相关(P=0.050，r=-0.304)。

3　讨　论

TLE患者的认知功能常受到损害。在行为学的研究中，rTLE患者的固有警觉反应时间和位相性警觉反应时间显著低于健康人，说明患者的警觉能力受到了损害，这与Cerminara等[9]对儿童失神性癫痫的研究结果相同，也与我们之前的研究结果一致[10,11]。然而我们没有观察到患者警觉反应时间RT与健康人有差异，可能的原因是靶信号呈现的时间较短暂，容易受到分心、视力及合作程度等因素的影响[12]。

BEN是一个利用静息态磁共振评价大脑活动状态的新指标，据我们所知，这是首次在TLE患者上运用rs-fMRI进行BEN的研究。BEN代表大脑状态的随机性和规律程度。本研究中我们发现在右侧颞下回、左侧额上回眶部，患者的大脑熵显著升高，意味着这两个脑区大脑活动的规律程度比其它脑区差，混乱程度增加。这可能是由于组织内部之间或与外部的联系受到损害造成的[13]。Mankinen[14]等发现在TLE患者ReHo值升高发生于后扣带回及右侧颞叶，而小脑的值下降，与本研究中右侧颞叶的损害观点一致。颞叶癫痫病灶现在大多认为起源于颞叶。癫痫反复发作，脑内神经元高度同步化异常放电使得大脑的混乱程度增加，熵值升高。

在我们的研究中，熵值增加的脑区还位于左侧额上回眶部，可能是在癫痫发作过程中放电传播至了左侧额叶脑区，从而熵值升高。而Liao[15]等在利用功能磁共振对内侧颞叶癫痫患者的功能连接及小世界网络属性的研究发现，患者在双侧直回、左侧额上回眶部、左额中回及右侧额中、下回眶部与大脑其它脑区的节点强度明显增加，同时发现在颞叶内部、额叶内部及额顶叶之间的功能连接也明显增加。这些结果也符合Vaillancourt和Newell[16]对于大脑复杂程度在疾病或衰老状态下增加的假设。而在行为学的相关分析中也支持这一改变，虽然我们并未发现大脑熵值与警觉反应时间RT有相关关系，但左额上回眶部的熵值与固有警觉反应时间呈正相关，即熵值越高，反应时间越长，警觉越差。值得一提的是，我们的研究结果熵值升高的脑区位于左侧额叶，而病灶位于右侧，我们并未在右侧额叶区域发现熵值的异常，发生这种改变的原因尚未清楚，有待进一步的研究探索。

在右侧楔前叶、左侧顶上小叶、右侧中央前回、左侧中央后回的大脑熵值降低，提示这些脑区活动的规律程度升高，混乱程度下降。在这些脑区熵值的降低可能是一种代偿机制[13]。我们的行为学数据中固有警觉和位相性警觉反应时间分别与右侧楔前叶、左侧中央后回的大脑熵值呈负相关关系，即警觉反应时间越长，警觉越差，大脑熵值就越低。我们认为可能的原因是癫痫放电对患者大脑功能造成的伤害并不局限于警觉功能，其它如执行、记忆等功能也受到了严重的影响，而熵值降低作为一种代偿形式，其降低程度越大，说明大脑受到的损害越大，因此需要的代偿就越多，从而表现出在这些脑区的大脑熵代偿程度越明显。在可代偿的范围内，熵值的降低可能意味着大脑功能的维持，在这个时期，熵值下降越多，警觉功能越好，但是超过这个范围后，系统平衡不能维持，可能在警觉功能上就会表现出损害越大，熵值下降越严重。当然，还需要更多的研究来进行探索。

在对结构的分析中，我们对BEN改变的各个脑区作为ROI计算FA值，通过与正常对照组的比较发现分别在右颞下回、左侧额上回眶部的FA值在rTLE患者中显著减小，说明疾病状态下大脑局部细微结构也受到损害。尽管我们并没有发现其改变与相应脑区熵值改变在统计学上有相关关系，但因为我们选择的ROI是两组被试BEN有统计学差异的脑区，这提示我们熵值的升高可能跟细微结构的损害有一定关系。FA值降低，意味着该处神经纤维完整性受到损害，同时这也是大脑活动变得不规律的原因。同样的，Zhou等[13]在对多发性硬化患者的研究中也发现了双侧辅助运动区的熵值升高与平均弥散率呈正相关，即局部结构的损害与熵值升高有关系。在BEN增加的脑区FA值减小，而在BEN下降的脑区并未发现FA值得减小，这从另一方面提示熵的下降可能是一种代偿作用，而熵的增加伴随着大脑结构的损害。与此同时，我们的研究结果发现左侧额上回眶部的FA值与位相性警觉反应时间呈负相关关系，即FA值越小，位相性警觉反应时间越长，也就意味着位相性警觉功能越差，提示左侧额上回眶部在rTLE患者的警觉功能网络中具有一定的作用，Clemens[17]，Fan[18]等也曾发现左额叶与警觉功能有关系。

本研究首次利用静息态功能磁共振对大脑的熵值进行分析，发现rTLE患者警觉功能的下降与其静息态大脑熵的改变及局部细微结构的损害有一定的关系，BEN可以用来研究癫痫患者的警觉能力损害与大脑功能改变的关系；rTLE患者熵值增加的脑区FA值减小，提示其大脑熵的改变与脑内结构改变有关。大脑熵作为一种新的大脑功能评价指标具有一定的意义，可以用来观测大脑在癫痫状态下的混乱程度的改变。

[1]Jokeit H,Luerding R,Ebner A.Cognitive impairment in temporal-lobe epilepsy[J].The Lancet,2000,355(9208):1018-1019.

[2]Posner MI.Measuring alertness[J].Ann NY Acad Sci,2008,1129:193-199.

[3]Sturm W,Willmes K.On the functional neuroanatomy of intrinsic and phasic alertness[J].Neuroimage,2001,14(2):S76-84.

[4]Shannon CE.A mathematical theory of communication[J].The Bell System Technical Journal,1948,10(27):379-656.

[5]Sandler SI.Chemical and Engineering Thermodynamics[M].4 ed,New York:Wiely.2006,99-146.

[6]Yao Y,Lu WL,Xu B,et al.The increase of the functional entropy of the human brain with age[J].Sci Rep,2013,3:2853.

[7]Yang AC,Hong CJ,Liou YJ,et al.Decreased resting-state brain activity complexity in schizophrenia characterized by both increased regularity and randomness[J].Hum Brain Mapp,2015,36(6):2174-2186.

[8]Fan J,McCandliss BD,Sommer T,et al.Testing the efficiency and independence of attentional networks[J].J Cogn Neurosci,2002,14(3):340-347.

[9]Cerminara C,D’Agati E,Casarelli L,et al.Attention impairment in childhood absence epilepsy:an impulsivity problem[J].Epilepsy Behav,2013,27(2):337-341.

[10]Chen XM,Huang DH,Chen ZR,et al.Temporal lobe epilepsy:decreased thalamic resting-state functional connectivity and their relationships with alertness performance[J].Epilepsy Behav,2015,44:47-54.

[11]Zheng J,Qin B,Dang C,et al.Alertness network in patients with temporal lobe epilepsy:a fMRI study[J].Epilepsy Res,2012,100(1～2):67-73.

[12]周珊珊,汪凯,王长青.老年人和青年人注意网络的研究[J].国际神经病学神经外科学杂志,2006,33(2):115 -118.

[13]Zhou F,Zhuang Y,Gong H,et al.Resting state brain entropy alterations in relapsing remitting multiple sclerosis[J].PLoS One,2016,11(1):e0146080.

[14]Mankinen K,Long XY,Paki JJ,et al.Alterations in regional homogeneity of baseline brain activity in pediatric temporal lobe epilepsy[J].Brain Res,2011,1373:221-229.

[15]Liao W,Zhang Z,Pan Z,et al.Altered functional connectivity and small-world in mesial temporal lobe epilepsy[J].PLoS One,2010,5(1):e8525.

[16]Vaillancourt DE,Newell KM.Changing complexity in human behavior and physiology through aging and disease[J].Neurobiology of Aging,2002,23(1):1-11.

[17]Clemens B,Zvyagintsev M,Sack AT,et al.Revealing the functional neuroanatomy of intrinsic alertness using fMRI:methodological peculiarities[J].PLoS One,2011,6(9):e25453.

[18]Fan J,McCandliss BD,Fossella J,et al.The activation of attentional networks[J].Neuroimage,2005,26(2):471-479.

图1rTLE患者与正常人BEN的双样本t检验结果(rTLE患者>正常人)。与正常人相比，在右颞下回、左额上回眶部的大脑熵显著增加，在右侧楔前叶、左侧顶上小叶、右侧中央前回、左侧中央后回大脑熵值显著降低(P<0.01，Alphasim校正，cluster>67)，图中右侧的色度尺表示t值范围

Resting state brain entropy alterations in right tempor-al lobe epilepsy a-nd the relationship with alertness

ZHOUMuhua,ZHENGJinou,LIUHuihua,etal.

(DepartmentofNeurology,theFirstAffiliatedHospitalofGuangxiMedicalUniversity,Nanning530021,China)

ObjectiveTo characterize brain entropy (BEN) in right temporal lobe epilepsy (rTLE) using resting-state functional magnetic resonance imaging (rs-fMRI) and explore its relationship with alertness.MethodsThe present study recruited 20 patients with right TLE and 22 healthy controls.All of the participants underwent rs-fMRI scan、Diffusion tensor imaging(DTI) scan and the attention network test (ANT).And then calculated BEN of the two groups,the differences between the two groups were evaluated using two sample t test (P<0.01),choose the statistically significant areas as the region of interesting(ROI).Entropy and fractional anisotropy(FA) of this areas were calculated;correlation analysis were employed to examine the relationships between alterations in BEN and alertness performance in patients with rTLE.ResultsCompared with normal,the intrinsic and phasic alertness performances of the patients were impaired.Brain entropy was significant increased in right inferior temporal gyrus(rITG),left superior frontal gyrus,orbita (lSFGorb) and decreased in the right precuneus (rPCUN),left superior parietal lobule(lSPL),left postcentral gyrus(lPoCG),right precentral gyrus (rPreCG).The FA of lSFGorb was decreased than normal.Positive correlation was found between intrinsic alertness reaction time and entropy in lSFGorb.ConclusionPatients with rTLE have alert function declined,and it have a relationship with the alter of BEN and local tissue.We suggest BEN as a novel and useful tool for characterizing TLE.

Temporal lobe epilepsy;Resting-state functional magnetic resonance imaging;Brain entropy;Alertness

1003-2754(2016)08-0703-05

2016-06-15；

2016-08-02

国家自然科学基金(81360202)；广西自然科学基金(2015GXNSFAA139129)

(广西医科大学第一附属医院神经内科，广西 南宁 530021))

郑金瓯，E-mail:jinouzheng@163.com

R742.1

A