基于皮质感觉运动区的改变识别痉挛性发声障碍的不同临床表型和遗传分型

史艳莉 何艳红 摘译

1 武汉轻工大学医学技术与护理学院(武汉 430026)

痉挛性发声障碍(spasmodic dysphonia,SD)或喉肌张力障碍是一种任务特异性、局灶性肌张力障碍，主要影响说话期间喉部肌肉的不随意运动，对唱歌、笑、咳嗽、哭泣及喉的其他功能不产生影响。SD的临床症状虽然已经十分明确，但其发病机制及病因尚不清楚。现有文献报道多个脑区参与感觉运动整合环路，包括：初级感觉皮质、次级感觉皮质、初级运动皮质、辅助运动区、基底神经节、丘脑和小脑等，其结构和功能异常是局灶性肌张力障碍发生的重要机制，同时也对感觉运动方面的言语产生具有调控作用。但是基于病因学和病理生理学的解释仍然非常有限。具体而言，文献报道中关于SD脑功能网络异常是否可以被用于SD预测和鉴别诊断的神经成像标记尚属未知。研究表明，局灶性肌张力障碍的患者存在静息态连接的改变。在SD队列研究中，基于静息态 BOLD-fMRI 数据反映结构和任务相关的脑功能网络。本研究采用独立成分分析和线性判别分析相结合的方法, 对SD临床表型(外展型和内收型)和遗传型(家族性与散发性)进行研究，提取具有一定时间相关性的特定的神经活动功能区，确定临床表型和遗传型分类的神经标记。

1 方法

98例SD患者根据临床表型(AdSD和AbSD)和遗传型(散发性SD和家族性SD)进行分组，其中15例由于运动伪影过多和偶然发现神经放射学征象被排除在外。最终研究组由60例散发性SD(AbSD、AdSD各30例)和23例家族性SD(AdSD 5例，AbSD 18例)以及30例年龄和性别相匹配的健康志愿者组成。所有受试者经纤维鼻咽喉镜确诊，均为右利手，母语为英语，三个月未使用肉毒杆菌毒素注射治疗，简易精神状态(mini-mental state examination,MMSE)评估正常。

使用8通道头线圈，Phillips 3T扫描仪采集全脑图像。静息态 BOLD-fMRI 数据采用平面回波(EPI)序列,扫描参数如下：脉冲重复时间(TR)2 000 ms ，回波时间(TE)30 ms，翻转角度 90°，视野范围(FOV)240 mm，扫描层数33层，体素3 mm×3 mm×3.5 mm，扫描5 min 150 S。受试者被要求不进行任何有目的的思维活动，闭目清醒，呼吸平静，并且头部被固定，尽量不产生任何移动。矢状T1加权梯度回波序列(MPRAGE：172连续切片，1 mm3像素，TR=7.5 ms，TE=3.5 ms，FOV=210 mm)用于脑图像分割和配准。

使用FSL和AFNI软件预处理静息状态的fMRI数据。由于数据会受到心跳、呼吸、头动和外界电磁信号等诸多因素的干扰，因此对数据进行预处理，以便后续的数据分析能够顺利进行。预处理包括时序校正(slice timing)、头动校正(realign)、标准化(normalise)和空间平滑(smooth)。此外，还需要利用去线性漂移(detrend)和滤波(filter)处理时间序列，以去除低频漂移、呼吸和心跳等高频噪声并提取0.01 Hz 的有效信号。

对整体脑容量做 ANOVA分析及与反映认知功能的MMSE量表的相关性分析；所有组分、目视观察，空间网络和肌张力障碍相关的病理生理学变化使用双回归提取用于组间分析；基于体素的推断统计使用双重回归的单个Z值映射来计算；采用单因素方差分析评估健康对照组和SD患者之间的差异，并进行线性判别分析(linear discriminant analysis,LDA)。

2 结果

最初的ICA(independent component analysis)分析显示，不同临床表型和遗传型的SD患者的感觉运动网络(sensorimoter network,SMN)和额顶叶回(frontoparietal network,FPN)有着一些共同及特异的异常静息态功能连接模式(FWE校正的P≤0.01)，而默认模式网络无异常。在感觉运动网络(SMN)中，与健康对照者相比，所有SD患者都表现出左感觉运动皮层、下顶叶皮层、壳核、右顶叶和双侧辅助运动区功能性连接的减少。散发性和家族性SD患者的比较显示，左侧感觉运动皮层、右侧躯体感觉皮层、SMA(supplementary motor area)和岛叶中的功能连接发生了特异性改变，提示遗传型对SD有潜在影响。AdSD和AbSD患者的比较显示，不同表型SD患者右上顶叶皮质中SMN连接存在差异。额顶叶回静息态功能连接观察显示，与健康对照组相比，所有SD患者的左下顶叶皮层均表现为功能连接增加；与散发性SD患者相比，家族性SD患者在该区域表现出更多的异常。AdSD和AbSD患者的比较未显示明显异常的FPN连接。

基于ICA分析所得数据，使用左下顶叶皮层中的集群做线性判别分析(LDA)，其区分SD患者和健康对照值的准确度为50%；采用左下顶叶和主要感觉运动皮质做LDA，其分类性高达71%；引入更多的脑区不能提高LDA的分类能力(准确率≤64.5%)。区分SD遗传型时，采用左下顶叶皮层中的集群做LDA，其区分散发性和家族性SD患者的准确度为68%；联合使用左下顶叶、前运动和右躯体感觉皮质做LDA，可获得最高81%的准确率；其它脑区的组合未能获得更好的总体分类能力(准确率≤ 81%)。

AdSD与AbSD患者的鉴别比较发现，右上顶叶皮质区域线性判别分析(LDA)的准确率为65%；联合使用右上顶叶、初级躯体感觉皮层和前运动皮层做LDA，可获得71%的准确率。

3 讨论

研究表明，SD患者的感觉运动网络和额顶叶回表现出功能连接的异常，在不同临床表型(AdSD和AbSD)的患者存在不同程度的变化，家族性和散发性患者可能受到不同遗传因素的影响。本研究进一步显示，感觉运动和顶叶区的异常可用于识别SD的临床表型和遗传分型，为SD病理生理学的机制探究提供了科学依据。

研究显示，SD患者参与控制感觉运动处理和运动计划(感觉运动网络)以及多感觉整合和语音(额顶网络)的静息态网络存在较大的损伤。一直以来基底神经节都被认为是肌张力障碍病理生理学中的关键区域 ，本研究也发现左侧壳核中功能性连接显著减少，但是线性判别分析提示皮质网络的异常与SD病理生理的相关性更强，基于左下顶叶和主要感觉运动皮质进行SD的分类也有较高的准确度。这是因为SD主要影响语言发声，而这是一个高度依赖学习和熟练的行为，也即高度依赖于多个皮层网络的精细协调 。此外，右利手个体的语音控制网络由左脑半球主导，这可能是SD患者神经网络改变主要存在于左侧的重要原因。虽然目前的发现尚不能反驳 “壳核参与了肌张力障碍的病理生理学” 这一观点，但这一区域的功能性改变似乎不能准确区分SD患者和健康对照者。

与健康个体相比，所有SD患者都表现出左侧主要感觉运动、前运动皮质、壳核、下顶叶、双侧辅助运动区以及右顶叶盖和初级听觉皮层功能性连接的显著减少。本实验发现左侧感觉运动皮层和下顶叶小叶改变的组合能区分SD患者和健康个体(准确率≥71%)。顶叶皮质在感觉运动界面起重要作用 ，而肌张力障碍患者顶叶皮质活动的减少被认为与感觉信息的处理能力受损、感觉输入和运动输出之间的异常耦合，以及来自小脑连接的异常本体感觉输入有关。本研究结果支持顶叶皮层在一般肌张力障碍尤其是SD的病理生理学中起重要作用，并进一步突出了左下顶叶皮层(连同左感觉运动皮层)作为鉴别SD的神经成像标记的重要性。

SD的致病基因尚未被识别，遗传易感因子或不完全显性遗传因子可能参与了SD的病理生理性变化。本研究发现家族性和散发性SD患者的感觉运动区和额顶叶回有特异性改变，表明这些未知的遗传因子对家族性和散发性SD患者的功能性连接有潜在影响。另外，仅感觉运动网络内的特异性改变对SD的临床表型有影响，提示AbSD和AdSD患者的表型差异可能由他们处理和执行特定运动指令的差异引起。此外，AbSD和AdSD患者各自的特异性异常严格局限于右侧，提示其发病机制可能与两个脑半球功能整合的异常有关。总之，不同临床表型和遗传分型的SD有各自特异的功能性连接的改变，提示表型和遗传特征对大脑组织的影响，以及该疾病不同表型和基因分型背后不同的、多因子的病理生理学途径。

(摘译自：Battistella G,Fuertinger S,Fleysher L,et al.Cortical sensorimotor alterations classify clinical phenotype and putative genotype of spasmodic dysphonia[J].European Journal of Neurology,2016,23:1517.)