基于静息态功能磁共振的健康人与原发性失眠患者的影像学研究

王钰凯，李 铁，莽 靖*，徐忠信*

(1.吉林大学中日联谊医院 神经内科，吉林 长春130033；2.长春中医药大学 针灸推拿学院，吉林 长春130117)

失眠作为一种全球普遍存在的睡眠障碍，其临床表现为入睡困难、睡眠维持障碍、晨间早醒等不同程度的睡眠障碍及日间功能障碍，在发达国家的平均患病率从10%到30%不等，而在发展中国家失眠人口比例更是呈上升趋势[1,2]。失眠患者常因睡眠时长和(或)睡眠质量达不到人体的正常需求而出现日间功能障碍，影响其正常的生活、社交、工作，甚至出现身体机能失衡，导致心脏病、高血压、抑郁症等严重的躯体性疾病或精神性疾病的发病风险增高[3]。原发性失眠症是以持续一个月以上的睡眠障碍为唯一症状的疾病，而药物或酒精使用、环境改变、精神性疾病和器质性病变等因素导致的继发性失眠不包括其中[4]。目前原发性失眠的发病机制尚在讨论之中，神经影像学技术的发展，为进一步探索原发性失眠的中枢功能性改变提供了新的视角。本研究通过比较静息态下原发性失眠患者和健康志愿者大脑功能磁共振成像的差异，初步探讨原发性失眠患者的神经功能特点。

功能磁共振成像(Blood oxygen level dependent functional Magnetic Resonance Imaging,BOLD-fMRI)通过检测大脑内脱氧血红蛋白及含氧血红蛋白的浓度，根据其不同的磁化性质产生高空间分辨率的脑区活动水平的图像，进而反映脑区功能及活动水平的成像方法[5]。该检测方法在采集人类脑功能活动数据方面，具备无创性、非侵入性的优势，被广泛应用于皮层下脑区的功能细化研究，在脑功能的区域定位和功能整合方面发挥了巨大的作用。BOLD-fMRI检测包括任务态fMRI检测及静息态fMRI检测，静息态fMRI检测能够反映基础状态下的脑功能状态，且不需要患者在扫描期间执行特定任务，目前已被作为重要的检测方法，被广泛应用于中枢神经系统相关疾病的发病机制、诊断及治疗的研究中[6]。

本研究纳入原发性失眠症患者接受静息态fMRI检测，并招募无失眠症状的健康成年人作为空白对照，对受试者全脑的BOLD信号进行采集分析，以区域一致性(regional homogeneity，ReHo)[7]和低频振荡振幅(amplitude of law frequency fluctuation，ALFF)[8]作为评价指标，比较原发性失眠患者和健康对照者的大脑功能磁共振成像的差异。ReHo可反映某脑区内局部神经元与周边神经元活动水平在时间上的一致性,正常情况下局部区域内的神经元具备同步活动的特性，其结果的上升或下降皆提升局部神经元的同步性活动发生改变。ALFF可通过检测低频信号的能量强弱，来计算静息态下大脑神经元自发活动水平，进而反映脑功能区的生理状态，其结果的上升或下降提升局部神经元功能水平的升高或降低。本研究中发现，原发性失眠患者与认知及情绪功能相关脑区(海马旁回、扣带回、丘脑等)的神经活动水平发生上调，情绪的兴奋性增加最终可能会妨碍睡眠启动或维持的能力。

1 资料与方法

1.1 研究对象

本试验所有患者均来自于吉林大学中日联谊医院神经内科就诊的符合纳入及排除标准的原发性失眠患者；健康对照组则招募与患者组性别、年龄及受教育程度相匹配的无失眠症状的健康成年人。依照《赫尔辛基宣言》的相关要求确定知情同意书内容，并告知受试者试验内容及注意事项，受试者表示明确理解后，签署知情同意书后进入该研究。

1.1.1诊断标准

参照美国精神病学会(APA)《精神疾病诊断与统计手册》-第5版(DSM-5，2013年)睡眠障碍诊断标准，失眠的诊断必须符合以下条件：

(1)主诉为入睡困难、睡眠维持困难、早醒，上述症状可单独或同时存在；

(2)睡眠障碍发作频率不少于3次/周，且持续时间不少于3个月；

(3)睡眠障碍在患者的日间社会活动及职业功能方面造成明显的影响及相关后果；

(4)在环境适合睡眠的情况下仍然出现睡眠障碍。

1.1.2纳入标准

(1)符合原发性失眠诊断标准；

(2)年龄在18-65周岁之间；

(3)AIS量表评分>6分，PSQI评分>7分；

(4)未参加其他临床研究者；

注：同时符合以上4项的患者，方可纳入本项研究。

1.1.3排除标准

(1)由外界环境干扰所致的睡眠障碍；

(3)由全身性疾病(疼痛、发热、手术等)，严重原发性疾病(心血管、肺、肝等系统)，严重消耗性疾病(恶性肿瘤等)，妊娠哺乳期等造成的睡眠障碍；

(4)患者精神状况需要治疗，包括焦虑自评量表(SAS)和抑郁自评量表(SDS)≥50；

(5)伴发睡眠障碍包括阻塞性睡眠呼吸暂停或昼夜节律睡眠障碍；

(6)近4周使用过催眠或镇静类治疗失眠的药物；

(7)具有金属植入物等磁共振检查禁忌。

注：凡符合上述任何1项的患者，均予以排除本项研究。

1.2 功能磁共振图像采集

被试者在扫描过程中带耳塞、闭目，嘱其尽可能保持静止不动，避免头动，均匀呼吸，保持清醒平静状态。待被试者完全适应磁体间环境后进行扫描。

采集机器：3.0T的西门子核磁扫描仪(型号：magnetom-skyra-siemens)

采集图像序列：

结构像：采用快速自旋回波序列(fast spin echo-sequence，FSE) ，扫描方向平行于前后联合连线(AC-PC)，FOV 256 mm×256 mm，Matrix 64×64，Slice thickness=1.0 mm，层数为96。

Li课题组设计合成了一种比率型的汞离子探针BT(见图4)。当加入汞离子后，缩硫醛与汞离子作用恢复成醛基，使探针的发射波长从530 nm蓝移至454 nm。在含有2%DMSO溶液中，探针对汞离子的检测限为7.6 nmol/L。在pH=5～9范围内，对汞离子的响应较好，探针具有较好的选择性，响应时间约为35 min，将该探针成功应用于细胞成像。

功能像：使用GRE序列扫描的平面回波(Echo-planer Imaging,EPI)序列。静息态扫描方向平行于前后联合连线(AC-PC)，扫描参数为TR=2 020 m,TE=30 ms，FA=90°，FOV =256 mm×256mm，Matrix =64×64，层数为25层，共采集200个时间点， 扫描时间为 6 min 44 s。

1.3 数据分析

人口学资料由SPSS 18.0软件进行统计分析。

静息态fMRI数据预处理由DPARSF软件(http://www.restfmri.net)进行处理，统计分析由REST V1.8软件 (http://restfmri.net/forum/index.php)进行处理。

fMRI数据预处理：移除前10个时间点的图像、时间校正、头动校正、图像空间标准化、图像平滑处理、去线性漂移处理、低频滤波处理、ALFF值及ReHo值计算。需要特别注意的是，ReHo值的计算基于未进行图像平滑处理的数据，图像平滑处理步骤需在ReHo值计算结束后进行。

fMRI数据统计分析：健康对照组与原发性失眠组间ALFF值(ReHo值)进行独立样本T检验，P<0.01 未校正 voxel size>15。

2 结果

人口学资料由SPSS18.0软件进行统计分析，其中原发性失眠患者组(n=15，男性6人，女性9人)年龄分布为49.39±9.96岁；健康对照组(n=15，男性11人，女性4人)年龄分布为40.39±11.30岁。

原发性失眠组较健康对照组ALFF值增高脑区包括：左侧额内侧回、右侧额下回、右侧颞中回、左侧小脑前叶、左侧海马旁回、右侧壳核、左侧外侧核、左侧丘脑、左侧梭状回、左侧脑干(表1)；原发性失眠组较健康对照组ALFF值降低的脑区包括：左侧额中回、左侧颞上回、左侧颞中回、左侧顶上小叶、右侧梭状回、左侧楔叶、双侧楔前叶(表2，图1)。原发性失眠组较健康对照组ReHo值升高的脑区包括：双侧小脑后叶、左侧脑干、右侧海马旁回、右侧前扣带回、左侧颞中回(表3)、左侧枕上回、左侧枕中回；原发性失眠组较健康对照组ReHo值降低的脑区包括：右侧额中回、左侧额下回、右侧枕叶、左侧后扣带回、左侧中央前回(表4，图2)。

3 讨论

近年来针对于失眠的发病机制研究中，过度觉醒学说得到了普遍认同[9,10]。过度觉醒可出现在中枢(皮质)和外周(自主神经)系统，也可是认知或情感系统，最终表现为身体、认知和皮层活动增加[11]，导致睡眠过程无法正常出现[12]。

在本研究中，我们对原发性失眠患者和健康受试者静息状态下的脑功能活动进行了检测和比较。与健康受试者比较，原发性失眠患者颞中回、脑干、海马旁回的局部自发活动增强，其ReHo和ALFF值均大于健康受试者，额中回局部自发活动降低，其

表1 原发性失眠组与健康对照组相比ALFF值增高的脑区

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

表2 原发性失眠组与健康对照组相比ALFF值降低的脑区

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

图1 原发性失眠组与健康对照组ALFF值差异分布脑区

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

表4 原发性失眠组较健康对照组ReHo值降低的脑区

注：P<0.01 no corrected BA： Brodmann area

图2 原发性失眠组与健康对照组ReHo值差异分布脑区

ReHo和ALFF值均低于健康受试者。其次我们发现相对于健康受试者来说，原发性失眠患者中丘脑的ALFF值升高，楔前叶的ALFF 值降低，左侧梭状回ALFF 值升高，右侧梭状回ALFF 值降低；小脑后叶的ReHo值降低，前扣带回ReHo升高，后扣带回ReHo降低的现象。

海马旁回属于边缘系统的一部分， 其功能涉及到将感知到的信息转化为更永久的皮层联想区的储存成分，与人类的学习、记忆等功能密切相关[13]。脑干中的网状结构由孤束核及背侧的一些神经元构成，介导了人类睡眠-觉醒节律的调节功能， 当网状结构受到低频刺激时产生慢波睡眠( slow wave sleep，SWS) ， 而受到高频刺激时则会引起大脑的觉醒。海马旁回及脑干的局部自发活动增强，或许与失眠患者的觉醒状态过度激活相关[14]。丘脑是皮层下觉醒系统和皮层注意网络的关键节点，在保持警觉和警惕性方面起着重要作用[15]。楔前叶参与到包括注意、意识知觉、工作记忆和情景记忆检索等多个过程中，与海马、杏仁体及丘脑等边缘系统的皮质下结构存在广泛联系[16]。扣带回则与情感的形成与处理、学习和记忆等功能有关，是边缘系统的一个组成部分，被认为是大脑网络结构中的参与睡眠功能的主要成分。其中前扣带回涉及到某些较高层次的功能，如注意力的分配、奖励预期、决策和情绪等,它是行为、认知、情绪调节的共同通路[17,18]。后扣带回则介导的情感和记忆之间的相互作用[19]。

失眠通常与情绪失调有关，情绪的兴奋性增加被认为是失眠病因的重要因素[20]。以往的生理、神经影像学和神经认知研究表明，失眠患者存在大脑葡萄糖代谢率增高，过度警觉和/或过度觉醒等症状。本研究中发现，原发性失眠患者与认知及情绪功能相关脑区(海马旁回、扣带回、丘脑等)的神经活动水平发生上调，情绪的兴奋性增加最终可能会妨碍睡眠启动或维持的能力。