脑卒中后抑郁患者脑网络拓扑改变的研究

蓝学群，李雪斌，黄茂华，黎枝，王洁，黄建敏，蒙兰青，李保生，陆皓

·论著·

脑卒中后抑郁患者脑网络拓扑改变的研究

蓝学群，李雪斌，黄茂华，黎枝，王洁，黄建敏，蒙兰青，李保生，陆皓

目的探讨脑卒中后抑郁(PSD)患者脑网络拓扑属性的变化。方法对29例非PSD脑卒中患者(Non-PSD组)及19例PSD患者(PSD组)进行DTI检查。使用确定性纤维追踪方法基于部分各向异性值构建大脑白质结构网络。使用图论方法分析两组患者的脑网络拓扑属性，并对两组大脑网络聚类系数(Cp)、特征路径长度(Lp)、归一化的聚类系数(γ)、标准特征路径长度(λ)、小世界属性值(σ)、全局效率(Eglob )及局部效率(Eloc)进行比较。结果两组均有σ>1，Non-PSD组σ明显高于PSD组(P<0.05)。两组Eglob、Eloc、Lp、 λ、Cp、γ比较差异均有统计学意义(均P<0.05)。Non-PSD组右嗅皮质Cp明显高于PSD组，左背外侧额上回、右背外侧额上回、右眶部额上回、额中回左、左岛盖部额下回、左三角部额下回、左内侧和旁扣带脑回、右海马、右角回、左尾状核、左豆状苍白球、左颞上回Cp均明显低于PSD组(均P<0.05)。Non-PSD组左眶部额下回、右眶部额下回、左内侧额上回、左前扣带和旁扣带脑回、右前扣带和旁扣带脑回、左后扣带回、左海马、右海马、右丘脑、右颞中回节点效率均明显低于PSD组(均P<0.05)。结论PSD患者大脑结构网络均具有小世界属性，部分脑区Cp发生改变，部分脑区节点效率也发生改变。

DTI；脑卒中后抑郁；拓扑属性；复杂网络；图论

卒中已成为导致我国国民病残、病死的首要原因，具有高发病率、高病死率、高致残率、高复发率的特点[1]。脑卒中后抑郁(PSD)是常见的并发症。最新研究[2]结果表明，PSD发生率约为29.0%，5 年内累计发病率达39%～52%。功能性神经影像研究[3]证实抑郁与多脑区病变有关，如海马、海马旁回、后扣带回、眶额叶皮质、前额叶皮质、尾状核。关于PSD网络的拓补属性研究尚少。本研究基于图论的复杂网络理论构建脑结构网络，从全脑各脑区及其间纤维连接模式探讨卒中后抑郁患者大脑结构网络的小世界属性、聚类系数(Cp)、节点效率改变特征，分析各脑区间纤维结构组织形式及信息整合模式特点，为理解PSD大脑功能整合改变提供结构理论基础。

1 对象与方法

1.1 对象 系2015年2月～2017年1月在右江民族医学院附属医院住院的急性缺血性脑卒中患者48例，均符合《中国急性缺血性脑卒中诊治指南2014》[4]，且经头颅CT及MRI检查明确责任病灶，病程均<2周。所有患者在入院2周内进行24项版汉密尔顿抑郁量表(HAMD)检测，HAMD评分<8分为无PSD组(Non-PSD组)；HAMD评分≥8分为PSD组。(1)Non-PSD组：29例，男15例，女14例；年龄37～88岁，平均(63.42±9.08)岁。(2)PSD组：19例，男10例，女9例；年龄48～75岁，平均(64.36±11.52)岁。两组患者性别、年龄差异无统计学意义(P>0.05)。排除标准：(1)出血性脑血管病；(2)头部外伤史或肿瘤病史；(3)既往有精神障碍病史及引起精神障碍症状的用药史(包括精神发育迟滞)；(4)意识障碍或无法配合完成资料采集；(5)有严重躯体疾病如心、肝、肾功能损害及内分泌等疾病；(6)有MRI禁忌，不能配合MRI检查。本研究获受试者及家属知情同意，并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 头颅影像学数据采集及处理 应用西门子3.0 T超导型MRI扫描仪，正交头颅线圈。扫描时受试者平卧，头部固定；分别进行常规MRI和DTI。利用Dcm2AsiszImg 软件对数据进行分类，并提取DTI数据，采用基于Matlab的PANDA进行后处理[5]。

1.2.2 脑结构网络构建及拓补属性分析 利用解剖学自动标记模板(AAL)将整个大脑划分为90个区域，利用PANDA软件进行确定性纤维追踪技术得到基于部分各向异性值构建大脑白质结构网络，使用Gretna软件包[6]进行网络分析处理脑网络参数，用以下 7个参数来描述脑功能网络的全局拓扑性[7]：Cp、特征路径长度(Lp)、归一化的聚类系数(γ)、标准特征路径长度(λ)、小世界属性值(σ)、全局效率(Eglob)及局部效率(Eloc)。采用涵盖稀疏性范围的网络集合参数来检验脑功能网络拓扑参数的组间差异。

2 结 果

2.1 两组全局参数、小世界属性的比较 见表1。两组均有σ>1，Non-PSD组σ明显高于PSD组(P<0.05)。两组Eglob、Eloc、Lp、λ、Cp、γ比较差异均有统计学意义(均P<0.05)。

表1 两组全局参数、小世界属性的比较(x±s)项目Non-PSD组(n=29)PSD组(n=19)t值P值Eglob0.40±0.040.49±0.03-7.860.000Eloc0.60±0.060.71±0.03-6.320.000Cp0.43±0.040.50±0.02-6.060.000λ1.11±0.031.07±0.024.010.000γ3.80±0.842.61±0.344.930.000Lp2.54±0.262.04±0.116.550.000σ3.38±0.662.41±0.275.010.000

2.2 两组脑网络小世界局部Cp的比较 见表2。

表2 两组脑网络小世界局部Cp的比较(x±s)AAL脑区编号AAL脑区名称Non-PSD组(n=29)PSD组(n=19)t值P值3左背外侧额上回0.38±0.090.48±0.10-3.390.0014右背外侧额上回0.37±0.170.48±0.11-2.140.0406右眶部额上回0.36±0.160.47±0.14-2.250.0307额中回左0.37±0.090.46±0.11-2.670.01011左岛盖部额下回0.52±0.150.64±0.11-2.490.02013左三角部额下回0.38±0.150.48±0.09-2.250.03022右嗅皮质0.54±0.280.35±0.152.280.03033左内侧和旁扣带脑回0.30±0.190.49±0.19-2.250.03038右海马0.39±0.120.48±0.11-2.150.04066右角回0.37±0.110.47±0.08-2.870.00671左尾状核0.26±0.080.37±0.09-4.020.00075左豆状苍白球0.51±0.280.79±0.29-3.020.00483左颞上回0.36±0.140.45±0.10-2.070.040

Non-PSD组右嗅皮质Cp明显高于PSD组，左背外侧额上回、右背外侧额上回、右眶部额上回、额中回左、左岛盖部额下回、左三角部额下回、左内侧和旁扣带脑回、右海马、右角回、左尾状核、左豆状苍白球、左颞上回Cp均明显低于PSD组(均P<0.05)。

2.3 两组脑网络节点效率的比较 见表3。Non-PSD组左眶部额下回、右眶部额下回、左内侧额上回、左前扣带和旁扣带脑回、右前扣带和旁扣带脑回、左后扣带回、左海马、右海马、右丘脑、右颞中回节点效率均明显低于PSD组(均P<0.05)。

表3 两组脑网络节点效率的比较(x±s)AAL脑区编号AAL脑区名称Non-PSD组(n=29)PSD组(n=19)t值P值15左眶部额下回0.41±0.060.49±0.06-4.080.00016右眶部额下回0.39±0.110.46±0.06-2.420.02023左内侧额上回0.41±0.060.50±0.16-2.340.02031左前扣带和旁扣带脑回0.41±0.080.54±0.10-4.080.00032右前扣带和旁扣带脑回0.38±0.080.54±0.10-3.970.00035左后扣带回0.35±0.080.44±0.05-4.210.00037左海马0.39±0.090.53±0.05-5.440.00038右海马0.43±0.060.49±0.04-3.900.00078右丘脑0.47±0.060.56±0.04-4.860.00088右颞中回0.35±0.110.45±0.05-3.070.004

3 讨 论

本研究采用图论分析DTI数据构建PSD及Non-PSD患者全脑白质网络的拓扑结构，并分析网络效率、小世界属性及Cp。 结果表明，两组患者全脑结构网络均具有小世界属性，但两组σ差异有统计学意义(P<0.05)；两组患者大脑网络Eglob、Eloc、Lp、λ、Cp、γ差异均有统计学意义(均P<0.05)；两组患者脑网络部分脑区局部节点效率改变存在显著性差异，其中主要表现在额叶、颞叶、基底节区，其中大部分异常脑区分布默认网络(DMN)及边缘系统。

本文研究结果表明，两组患者的大脑结构网络均呈现较高聚类系数(γ>1)和相近的特征路径长度(λ≈1)，表现出小世界网络的特征。尽管PSD组及Non-PSD组都有小世界拓扑属性，但两组比较提示小世界属性和网络效率属性差异均有统计学意义。同时网络属性分析数据表明，PSD最短路径长度减小。最短路径长度是随机网络的特征性表现，提示PSD患者脑网络更接近于随机网络。Zhang等[8]研究也提示重度抑郁患者脑网络拓补改变，最短路径长度缩短，脑网络功能更接近于随机网络，随机网络处理信息功能下降，而小世界反映局部优化和全局整合的最佳平衡状态， PSD患者功能网络失去了最佳平衡状态小世界网络属性，均易导致网络平衡紊乱。本研究发现，PSD小世界功能较Non-PSD组降低，提示卒中患者在脑网络平衡失调可导致抑郁发生可能。

Cp度量局部脑网络活动的强弱，Cp越高，Eloc越高。本研究发现，PSD组及Non-PSD组大脑网络部分脑区Cp显著改变，PSD组Cp下降的脑区为右嗅皮质；Cp升高的脑区有左背外侧额上回、右背外侧额上回、右眶部额上回、额中回左、左岛盖部额下回、左三角部额下回、左内侧和旁扣带脑回、右海马、右角回、左尾状核、左豆状苍白球、左颞上回。额叶、颞叶属于DMN范畴。DMN参与情绪和自我处理[9]，并且额叶及皮质下网络对于情绪调节和认知功能是至关重要的。这些脑区传递信息或效率改变均可能导致情绪、记忆、智能处理障碍。Korgaonkar等[10]采用图论方法分析重度抑郁大脑DTI数据发现，重度抑郁患者存在的结构连接基团改变，结果显示默认模式网络的节点之间的结构连接改变和额叶-丘脑-尾状核区域与重度抑郁相关，是抑郁核心神经生物学特征。Myung等[11]采用图论分析重度抑郁患者大脑DTI数据提示，额叶皮质下网络结构连接减弱与抑郁症密切相关，额叶皮质下功能减弱可导致一些常见症状，如注意力不集中、记忆力减退、心境低落和甚至自杀等。本研究提示，PSD组右嗅皮质Cp较Non-PSD组减低，同时其他Cp升高的脑区也属于DMN系统范畴，这些区域Cp改变考虑可能与卒中或卒中后抑郁网络损伤调整或病理性代偿期有关，加强脑网络的整合及信息重组，可能是适应或应激性网络改变。

网络分析还发现，脑网络部分脑区局部节点效率存在显著改变，PSD组较Non-PSD局部节点效率下降的脑区有左眶部额下回、右眶部额下回、左内侧额上回、左前扣带和旁扣带脑回、右前扣带和旁扣带脑回、左后扣带回、左海马、右海马、右丘脑、右颞中回。额叶尤其是前额叶背外侧 (额上回、额中回)主要参与工作记忆和执行功能，同时涉及情绪的加工。张彤等[12]DTI研究结果显示，Non-PSD组双侧额中回白质的分数各项异性(FA)值大于PSD组，这提示PSD发生可能与前额叶背外侧神经环路受损出现脑白质细微结构改变有关。Choi等[13]研究发现，抑郁症组在双侧放射冠区、胼胝体膝部后辐射分数各向异性较对照组降低。马宁等[14]发现，治疗后处于缓解期的抑郁症患者其双侧额上回和额中回、右侧额下回的白质FA值较发作期明显增高，说明抑郁症患者的白质微结构损害能够随着临床症状的改善而得到恢复，是一种可逆性的改变。Fang等[15]研究发现，抑郁组与对照组全脑网络节点效率在部分额叶、颞叶、枕叶、基底节区及前后扣带回脑区存在显著改变，颞叶病变常表现为意识情绪紊乱、言语错乱、幻觉、错觉等。本研究结果与上述报道大体相符，而卒中致脑结构的损伤继发抑郁脑网络机制极为复杂，而具体机制需要进一步研究。

综上所述， PSD患者存在脑白质网络的拓扑属性改变，包括小世界属性、Cp、节点效率的改变，异常的脑区集中在额叶、颞叶、基底节区，属于皮质-边缘系统环路范畴，基本集中于DMN系统，提示皮质-边缘系统环路网络拓扑改变可能是卒中后抑郁脑白质网络标记。

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Studyonchangesofbrainnetworktopologyinpatientswithpost-strokedepression

LANXue-qun,LIXue-bin,HUANGMao-hua,etal.

ClinicalMedicalSchool,YoujiangMedicalUniversityforNationalities,Baise533000,China

ObjectiveTo investigate the changes of brain network topology in patients with post-stroke depression (PSD).MethodsDTI scan was performed in 29 stroke patients without PSD (Non-PSD group) and 19 patients with PSD (PSD group). Basing on partial anisotropy, deterministic fiber tracking was used to construct white matter network. Graph theory was used to analyze the brain network topological properties of the two groups. And the clustering coefficient (Cp), characteristic path length (Lp), clustering coefficient normalized standard (γ), characteristic path length (λ), small world property value (σ), global efficiency (Eglob) and local efficiency (Eloc) of brain network between the two groups were compared.ResultsThere was σ>1 in both two groups, and σ in Non-PSD group was significantly higher than that in PSD group (P<0.05). There were significant differences in Eglob, Eloc, Lp, λ, Cp, γ between the two groups (allP<0.05). The Cp of the right olfactory cortex of Non-PSD group was significantly higher than that in PSD group, while the Cp of left dorsolateral frontal gyrus, right superior frontal gyrus, right dorsolateral orbital frontal gyrus, left middle frontal gyrus, left inferior frontal gyrus, left operculum triangular part of inferior frontal gyrus, left medial and cingulate gyrus, right next to the hippocampus, right angular gyrus, left caudate nucleus, left bean shaped globus pallidus and left superior temporal gyrus were significantly lower than those in PSD group (allP<0.05). The node efficiency of left orbital frontal gyrus, right inferior frontal gyrus, left medial orbital frontal gyrus, left anterior and adjacent cingulate gyrus, right anterior cingulate and adjacent cingulate gyrus, left posterior cingulate gyrus, left hippocampus, right hippocampus, right thalamus and right middle temporal gyrus of Non-PSD group were significantly lower than those in PSD group (allP<0.05).ConclusionThe brain structure network of PSD patients have small-world attributes, and Cp of some brain regions is changed, and nodes efficiency of some brain regions is changed too.

DTI;post-stroke depression;topological property;complex network;graph theory

R743.3

A

1004-1648(2017)05-0321-04

国家自然科学基金(81169146)；广西壮族自治区卫生和计划生育委员会中医药民族医药传承创新专项课题(GZLC16-49)；广西高校重点实验室开放课题(gxzdsysyy2015211)

533000百色，右江民族医学院临床学院(蓝学群，李雪斌，黄建敏，王洁，蒙兰青)；百色市人民医院影像科(黄茂华)，妇科(黎枝)；右江民族医学院附属医院影像科(李保生，陆皓)

李雪斌

2016-12-08

2017-02-16)