带状疱疹后神经痛病人的脑默认网络功能连接研究*

王进平 李光勤 吴士明 晏加林 李 莉贺 曦△

(1重庆市急救医疗中心神经内科，重庆400014；2重庆医科大学附属第一医院神经内科，重庆 400016；3第三军医大学新桥医院疼痛科，重庆400038）

周围神经痛通常源自外周神经的损伤或功能障碍，并且与中枢神经连接的改变有关[1～3]。带状疱疹后神经痛 (postherpetic neuralgia, PHN) 是一种常见的神经痛类型，是机体在抵抗力低下时潜伏在脊神经后根感觉神经节或脑神经节内水痘-带状疱疹病毒(varicella-zoster virus, VZV)被激活所致，皮疹愈合后持续1个月及以上[4]。约9%～34%的带状疱疹病人会发生PHN，发病率及患病率均有随年龄增加而逐渐升高的趋势[5]。与其他神经病理性疼痛类似，PHN病人的外周和中枢系统都表现出多种神经病理性改变，包括神经系统损伤后的过度兴奋性或异常放电、神经源性炎症、交感神经系统功能变化和周围或中枢神经系统敏感化[6]。目前由于探讨PHN对脑活动影响的研究较少，因此我们对于PHN病人的脑网络功能改变情况还知之甚少。既往神经影像学研究提供的大量证据表明，慢性疼痛与多个脑网络结构、功能以及神经生化的改变有关[7,8]，本研究将采用功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)的方法，以后扣带回作为种子区域来识别参与PHN的脑默认网络(default mode network, DMN)，并且通过测量静息态神经活动的时间同步性来探讨PHN病人脑默认网络静息态功能连接(resting state functional connectivity, RSFC)模式的改变，为探索PHN发病的中枢机制和解释相应临床表现提供了一个全新的思路。

方 法

1.一般资料

收集就诊于重庆医科大学附属第一医院神经内科、第三军医大学新桥医院疼痛科和重庆市急救中心神经内科门诊的带状疱疹后神经痛(PHN)病人26例，其中男性10例，女性16例，带状疱疹病人均为胸背部疱疹，神经分布区域从C7到T11，其中左侧疱疹者11例，右侧疱疹者15例。病人在疱疹急性期均给予非甾体抗药物（洛芬待因片、美洛昔康片、塞来昔布片、依托考昔片）、三环类抗抑郁药（阿米替林）、抗惊厥药物（加巴喷丁片、普瑞巴林片）、抗病毒药物（阿昔洛韦注射液、更昔洛韦注射液、膦甲酸钠注射液）治疗。有4例病人曾经给予局部神经阻滞治疗。

入组标准：①汉族，年龄45～60岁，右利手，初中及以上文化程度；②有水痘-带状疱疹病毒感染病史；③急性带状疱疹消退后疼痛持续＞ 1月；④存在自发性的持续性疼痛，疼痛模拟评分（visual analogue scale, VAS）在5 分以上；⑤汉密尔顿抑郁量表17项(Hamilton Depression Rating Scale, HAMD)和汉密尔顿焦虑量表17项(Hamilton Anxiety Rating Scale, HAMA)评分均＜ 7分。

排除标准：①伴严重心衰、急性心肌梗死、严重心律失常、呼吸衰竭、严重哮喘、COPD急性发作期、严重肝肾功能障碍、严重感染病人；②恶性肿瘤的病人；③自身免疫性疾病的病人；④应用免疫抑制剂的病人；⑤有精神疾病病史或痴呆的病人；⑥合并或伴发有焦虑抑郁等相关症状的病人；⑦存在MRI扫描禁忌者。

招募与病例组年龄、性别以及文化程度相匹配的健康志愿者33名。本研究通过重庆医科大学附属第一医院伦理委员会的批准，所有被试在研究实施前均签署了知情同意书。

2.静息态 fMRI 数据采集

本研究fMRI图像数据的采集由放射科具有副高职称的专业技术人员在重庆医科大学附属第一医院放射科3.0T磁共振室完成。采用美国GE 公司Signa HDxt 3.0T (General Electric Medical Systems,USA) 磁共振扫描仪，于临床评估诊断以及VAS和心理量表评定后采集颅脑磁共振数据1次。采集数据之前由放射科专业人员对被试进行磁共振安全检查评估，确定无检查禁忌证后，具体讲解检查流程和注意事项，在被试明白、理解检查过程后开始进行扫描。受试者在扫描时保持清醒状态、安静闭眼平卧于检查床上，均匀呼吸，尽量保持头部不动，同时尽量不进行主动思维活动。海绵垫固定受试者头部, 纳米海绵球塞耳，减少噪音对实验的影响。具体扫描序列、参数和顺序以及过程如下：①常规T1加权成像：采用快速自旋回波序列(FSE)，具体扫描参数为：重复时间(Time of Repeat, TR) = 500 ms，回波时间(Time of Echo, TE) = 14 ms, 视野(Field of View, FOV) = 240 mm×240 mm，矩阵(Matrix) =256 × 126，翻转角(Flip Angle，FA) = 45°，层厚(slice thickness) = 5.0 mm，层间距(slice gap) = 0 mm，采集次数(NEX) = 1，轴面从颅底到顶叶共22层，采集1次，成像时间为26s。②3D-T1全脑结构成像：采用快速毁损梯度回波序列(fast spoiled gradient echo, FSPGR)，3D采集，扫描参数如下：TR =24 ms，TE = 9 ms，层厚1 mm，层间隔0 mm，156层，FOV = 240 mm×240 mm，激励次数1，矩阵256 × 256，FA = 90°，扫描156层，采集时间为6 min 53 s。所有受试者均未发现脑结构异常。③静息态fMRI成像：采用单次激发梯度回波-平面回波序列(gradient echo and echo planner imaging, GRE-EPI)。扫描方式为轴位扫描，扫描参数如下：TR = 2 000 ms，TE = 40 ms, FOV = 240 mm×240 mm，FA = 90°，层厚/间距= 4.0/0 mm，矩阵64 × 64，共33层，采集240个时间点，扫描时间共8 min。

3.数据分析

从磁共振机器得到原始的DICOM数据后由重庆医科大学附属第一医院放射科主治医师检查所有被试者的图像数据，无明显伪影和变形。首先用MRIcroN软件里面的dcm2niigui将DICOM格式数据转换成数据分析用的3D NIFTI (neuroimaging informatics technology initiative, NIFTI)格式；然后在Matlab7.8.0 (Mathworks, Inc)环境下运行DPARSFA软件[Data Processing Assistant for Resting-State fMRI Advanced Edition, http://www.restfmri.net (Chao-Gan and Yu-Feng, 2010)]对fMRI数据进行预处理。具体预处理的过程包括：①去除时间点(remove first time point)：本研究选取去除前面10个时间点，剩余的230个时间点数据作进一步预处理；②时间校正(Slice Timing)；③头动校正(realignment)；③空间标准化(normalization)：为了克服不同被试脑的大小、形状之间的差异，需要通过空间标准处理把脑fMRI图像配准到标准脑模版上，将其转化为大小和方向都相同的标准化图像；④空间平滑(smoothing)；⑤去线性漂移(detrend)；⑥滤波( filter)。其中需要去除头动超过1 mm的被试者图像数据，除此之外，每个被试者的结构图像需要作图像配准、解剖图像分割并且变换到由加拿大蒙特利尔神经病学研究所(montreal neurological institute,MNI)所提出的标准脑上，然后把结构图像分割得到的信息来做功能像的空间标准化，从而将功能图像配准到分割的相应解剖图像上，然后进一步配准到MNI空间模版，同时标准化后的图像还需要进行重采样处理，重采样后功能图像空间分辨力为3 mm × 3 mm × 3 mm大小，进而映射到标准脑，进行4 mm ×4 mm ×4 mm高斯平滑。由于低频滤波后的静息态 fMRI 信号具有重要的生理学意义，可能反映了自发的神经活动，故本实验采用0.01～0.08 Hz的低频段波以去除高频信号呼吸心跳的影响以及高频噪声。

功能连接(functional connectivity, FC)的计算运用北京师范大学开发的基于Matlab平台REST1.9软件[http://www.restfmri.net (Songet al, 2011)]进行分析。选取脑默认网络内的关键脑区后扣带回(posterior cingulate cortex, PCC)为作为感兴趣区(ROI)，对应的MNI峰点坐标为(-5，-49，40)，以该感兴趣脑区为中心选取半径为6 mm的球体作为种子点，进行基于种子点的功能连接分析(seed-based FC analysis)。具体分析方法为：将感兴趣区内所包含的各个体素所对应的血氧水平依赖信号时间序列的平均值作为该种子点的时间序列，然后进行基于体素(voxel-wise)的全脑功能连接分析，即通过计算每个种子点的时间序列与脑内其他大脑体素的时间之间的相关性系数r，可得到功能连接脑图(FC map) 。为了消除每个体素时间上可能存在的差异，利用线性回归分析的方法进一步去除协变量，协变量包括脑白质、脑脊液和头动参数。同时为了使每个体素的时间相关系数r服从正态分布，采用Fisherz变换的方法，将相关系数r转换为服从正态分布的z变量，便于下一步的统计分析，其计算公式为：

这里r就是FC值。

4.统计学分析

采用SPSS 17.0统计软件对PHN组和HC组的人口学资料和临床量表评分行X2检验和独立样本t检验。使用REST软件对两组的zFC脑图进行独立单样本t检验(one-samplettest)，采用AlphaSim多重比较矫正，将校正后P＜ 0.05，激活阈值＞ 10（对应体素大小为 972 mm3）视为存在显著差异脑区。然后取两组单样本t检验的并集，作为组间分析时的mask。采用REST 软件独立样本t检验(two-samplettest)比较两组之间功能连接的差异。将AlphaSim校正后P值＜ 0.05，体素簇(cluster size) ＞ 158 voxels（对应体素大小为 4 266 mm3）的脑区认为是两组间功能连接存在统计学差异的脑区。提取两组间zFC存在差异脑区的平均时间序列，与临床量表评分之间行 Pearson相关性分析。将P＜ 0.05设定为存在统计学差异标准。

结 果

1.一般人口学资料及临床量表比较

本研究中PHN组共纳入26例，其中男性10例，女性16例，平均年龄(50.63±3.65)岁，VAS评分为(6.86±3.93)分， MMSE评分为(28.69±1.22)分，HAMD 评 分 为 (5.14±1.02)分， HAMA评分 为(3.24±1.57)分。PHN组 与HC组 在 性 别(P= 0.513)、年龄(P= 0.584)、受教育年限(P= 0.289)、HAMD、HAMA和MMSE评分上差异无统计学意义，但PHN组的VAS评分显著高于HC组(P= 0.036，见表1)。

表1 PNH和HC两组一般人口学资料及临床心理量表比较Table1 Comparison of general demographic data and clinical psychological scale between PHN group and HC group

2.PHN与HC两组间zFC差异脑区分析

基于PCC为种子点的功能连接分析发现，与HC组相比，PHN组PCC与左侧额上回内侧(left superior frontal gyrus, L-SFG-Med)、左侧额中回(left middle frontal gyrus, L-MFG)、左侧顶上回(left superior parietal gyrus, L-SPG)和右侧楔前叶(right precuneus, R-PCUN)的功能连接增强（见表2、图1）。

表2 PHN、HC两组间与PCC静息态功能连接(RSFC)存在差异脑区Table2 Difference of resting state functional connectivity of PCC between PHN group and HC group

图1 显示PHN组较HC组的PCC静息态功能连接(RSFC)显著增强的脑图Fig.1 Increased resting state functional connectivity of PCC in PHN group compared to HC group

3.差异脑区的zFC与临床量表相关性分析

差异脑区静息态功能连接值与临床量表评分之间行相关性分析发现，PHN组PCC与左侧额上回(PCC-SFG_L)的功能连接值与VAS评分之间呈正相关(r= 0.31,P= 0.024)，与HAMA、HAMD和MMSE等临床量表之间不具有相关性(P＞ 0.05)。而PCC与其余脑区间功能连接与临床评估量表之间均无相关性（P＞ 0.05，见图2）。

图2 A:显示PHN组PCC与L-SFG的功能连接较HC组增加B:显示PHN组PCC和L-SFG的功能连接与VAS评分呈正相关Fig.2 A: Functional connectivity of PCC and L-SFC is increased in PHN groupB: Functional connectivity of PCC and L-SFC is positively correlated with VAS in PHN group

讨 论

带状疱疹后神经痛(PHN)是一种较剧烈的顽固性疼痛，主要表现为自发性闪电样疼痛、刀割样疼痛、烧灼样疼痛和混合性疼痛，由于目前PHN致病机制不清故临床疗效往往较差。

目前PHN机制主要有以下几种[9～11]：①神经损伤：神经组织损伤后产生的病理性冲动传向神经中枢，引起脊髓侧角、丘脑和大脑皮层处于过度兴奋状态，包括反射性交感神经萎缩症、灼性神经痛和幻肢痛等；②组织损伤： 组织缺血或炎症时，细胞变性坏死释放致痛物质，包括钾离子、氢离子、组织胺、缓激肽等；③理化刺激：酸碱、冷热和电流等对人体的伤害性刺激，经感觉神经传入中枢引起痛觉或形成疼痛恶性循环造成顽固性疼痛；④机械刺激末梢神经：局部张力增高或组织炎症水肿压迫刺激末梢神经产生疼痛。疼痛发生发展过程离不开神经递质的参与，递质的变迁是疼痛产生的基础，这些递质主要包括乙酰胆碱、去甲肾上腺素、多巴胺、γ-氨基丁酸、组织胺、前列腺素、阿片肽和P物质等。其中神经损伤机制是PHN最重要的一个机制，神经系统包括周围神经系统与中枢神经系统，研究发现带状疱疹病毒同时作用于这两个系统[12～14]。在周围神经系统方面有研究表明PHN皮肤患区能够增强外周皮肤化学感受器的兴奋性。而对PHN皮区行热刺激试验发现热刺激引起的痛觉过敏以疼痛最严重的皮区最为显著，且热刺激痛觉过敏病人的疼痛分级和痛觉超敏的严重程度都显著增高，且一些非伤害刺激（如温热、微冷）即可引起严重疼痛。虽然临床上采用神经根切断术阻断周围神经系统传入的痛觉信号来治疗难治性带状疱疹后神经痛，但是PHN依然存在，说明其中存在中枢性原因。中枢神经系统是机体各种疼痛信息处理的最高部位。无论是外周性疼痛还是中枢性疼痛，虽然各种刺激的部位不同，但最终都将以生物电的形式传导至大脑内相应的脑区，经过不同大脑功能区对信号的整合处理最终形成主观上的“疼痛”概念。近年来的大量研究提示，中枢痛觉的形成是一个由多个脑区大量神经元的活动共同完成的动态过程。痛觉形成同样涉及中枢多个脑区的网络编码活动[15]。所以中枢神经系统在神经病理性疼痛中具有最关键性的地位，尤其是中枢致敏在神经病理性疼痛的发病过程中起重要作用。中枢敏化的疼痛机制与 RVM（延髓头端腹后内侧核）处的星型胶质细胞及小胶质细胞的活化增殖、脑源性神经生长因子的释放、p38MAPK 的磷酸化及 CCK（胆囊收缩素）的表达上调有关系。

既往有关PHN的功能影像学研究主要是从局部脑功能活动特征来探讨PHN病人局部脑激活模式。Liu等[16]应用功能磁共振对PHN病人进行的基于静息态功能磁共振研究结果发现PHN病人左侧纹状体，右侧丘脑，左侧顶下小叶，右侧初级躯体感觉皮层，左侧岛叶，左侧杏仁核，左侧躯体运动皮层等脑区的血流量较正常对照明显增加；廖翔等[17]利用功能磁共振成像低频振荡(Amplitude of Low Frequency Fluctuation, ALFF)技术观察PHN病人的基础脑区活动，结果显示额叶中下回的ALFF增高与慢性疼痛强度和时间相关，研究认为，涉及疼痛的情绪、警觉行为、注意的脑区在带状疱疹后遗痛慢性疼痛的产生和维持中发挥重要的作用。梁豪文等[18,19]利用静息态功能磁共振技术，比较带状疱疹急性期、后遗神经痛期不同阶段大脑神经功能学差异发现对比后神经痛组与急性期组的ReHo结果，前者较后者ReHo值升高的区域有：双侧丘脑、右侧小脑、右侧海马体、右侧梭状回、右侧脑岛。他认为小脑、脑岛、丘脑可能与 PHN 痛觉过敏形成机制相关，海马体可能参与疼痛记忆的形成。而本研究首次采用静息态功能连接分析(functional connectivity, FC)的方法来探讨PHN潜在的中枢机制。研究发现，PHN的发生与脑默认网络(DMN)内功能连接的改变有关；也进一步表明脑DMN内功能连接的改变在PHN的病理生理机制中的发挥了重要作用。脑默认网络是人类意识、认知以及记忆等重要功能活动的神经基础，参与了情景记忆的评价、内省、外部环境的监控、情绪的加工以及认知控制等神经生理过程，其主要脑区包括内侧前额叶皮层(medial prefrontal cortex, MPFC)、后扣带回与楔前叶(posterior cingulate/precuneus, PCC/Pc),以及两侧顶下小叶 (inferior parietal lobe, IPL)等[20～22]。本研究显示PHN病人的PCC与左侧额上回内侧、额中回和顶上回以及右侧楔前叶的功能连接增加，这说明PHN发生的中枢神经机制与静息态脑默认网络功能连接的增强有关。

神经影像学研究表明，慢性疼痛病人存在脑结构-功能属性的改变。Loggia等[23]采用双重回归概率的独立成分分析(independent component analysis)方法对PHN病人动脉自旋标记数据进行静息态功能连接研究。结果发现，PHN病人基线状态的脑DMN，包括前扣带回膝前部、左侧顶下小叶和右侧脑岛(right insular, rINS)的连接增强，并且DMN-rINS的连接强度与临床疼痛呈正相关，因此，研究认为静息态DMN的连接可以作为慢性疼痛感觉的一个潜在的神经影像学标记。DMN脑区活动受行为相关刺激的调控，近来的一些研究提示，在给予实验性疼痛刺激时，DMN的基线脑活动和功能连接增强预测其具有较高的疼痛敏感性[24,25]。 研究也为PHN的慢性持续疼痛进一步提供了不同的神经影像学证据，具体来说，静息态DMN的功能连接可以预测持久不消的临床疼痛的易感性。DMN的连接增强这一神经生物学基础介导了实验性和临床疼痛的高敏感性。DMN连接增强预测较强的临床疼痛的机制可以这样进行解释，DMN是一个参与内省和自我导向认知的神经网络[26]，我们可以推测，DMN内连接增强可能反映出其更加关注和聚焦临床疼痛。事实上，注意的焦点已被广泛证明会影响疼痛的知觉，对疼痛的过度关注是慢性疼痛的一个潜在的异常机制在既往研究中亦被探讨[27,28]。此外，DMN的功能连接也参与了负性情绪的加工处理过程，这提示情绪的加工对刺激期后的持续疼痛也有一定的促进作用。

总之，本研究表明DMN的连接增强介导了PHN慢性持续疼痛的神经生物学过程，是其产生的神经基础和潜在的脑影像学标记。未来的研究需要进一步证实本研究所观测的这些影像学指标的临床意义，从而进一步评估DMN的连接增强能否作为一种生物指标来预测哪些亚临床或急性疼痛病人会继续发展成慢性疼痛。