静息态fMRI观察基于中国人脑模板的慢性失眠患者岛叶功能连接

2019-01-21申延蕊李中林武肖玲王恩峰窦社伟闫峰山张红菊李永丽

中国医学影像技术 2019年1期

申延蕊，李中林，武肖玲，邹智，王恩峰，窦社伟，闫峰山，张红菊，李永丽

(1.河南省人民医院放射科，4.神经内科，5.健康管理科，河南郑州 450003；2.河南省神经病学影像诊断与研究重点实验室，河南郑州 450003；3.郑州市中医院放射科，河南郑州 450007)

慢性失眠(chronic insomnia, CI)临床常见，可导致日间疲劳、嗜睡、情绪障碍等[1]。静息态fMRI多种分析方法已用于CI患者脑功能改变的病理生理机制研究[2]，已有学者[3-4]通过功能连接分析方法发现CI患者岛叶功能连接异常脑区主要与情绪及认知相关，但与其他功能脑区如记忆、躯体运动等的相关性并不清楚。人脑结构与种族、性别、年龄相关，存在潜在误差及脑区位置差异[5]。本研究采用以中国人脑建立的模板进行空间标准化，以岛叶为ROI，探讨CI患者岛叶与全脑的功能连接情况。

1 资料与方法

1.1 一般资料收集2016年1月—12月河南省人民医院确诊的22例CI患者(CI组)，男4例，女18例，年龄23～57岁，平均(42.2±10.4)岁。纳入标准：①符合《精神障碍诊断与统计手册》(第5版)[6]中对CI的诊断标准；②年龄20～60岁；③汉族，右利手；④匹兹堡睡眠质量指数量表(Pittsburgh sleep quality index, PSQI)≥8分，汉密尔顿抑郁量表(Hamilton depression scale, HAMD)<17分，汉密尔顿焦虑量表(Hamilton anxiety scale, HAMA)>7分；⑤完成WHO-UCLA词语学习记忆量表。排除标准：①严重躯体或精神性疾病；②酒精、毒品、烟草依赖史；③MR检查禁忌证；④MR检查前2周内接受任何药物治疗；⑤妊娠、哺乳期及月经期女性。

同期收集年龄、性别、受教育年限与CI组相匹配的23名正常志愿者(对照组)，男10名，女13名，年龄21～53岁，平均(37.3±9.4)岁。纳入标准：①睡眠质量良好，1周内无熬夜史；②年龄20～60岁；③汉族，右利手；④头部常规MRI未发现器质性病灶；⑤完成WHO-UCLA词语学习记忆量表；⑥PSQI<8分，HAMA<7分，HAMD<7分。排除标准同CI组。本研究获得河南省人民医院医学伦理委员会批准，所有受试者均签署MR检查知情同意书。

1.2 仪器与方法采用Siemens Prisma 3.0T MR扫描仪，64通道头颅线圈。扫描时以海绵垫固定头部，并使用医用耳塞降低噪音，嘱受试者仰卧、闭目，保持平静，尽量不产生思维活动。首先行全脑常规T1W、T2W轴位扫描，以排除颅脑器质性病变。fMRI扫描采用GRE-EPI序列，TR 1 500 ms，TE 30 ms，FOV 240 mm×240 mm，矩阵112×112，层厚2 mm，无层间隔，共扫描72层，扫描时间6 min 30 s。采用磁化强度预备梯度回波(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequences， MPRAGE)序列采集3D T1W脑结构像，TR 2 300 ms，TE 2.26 ms，翻转角8°，FOV 256 mm× 256 mm，矩阵100×100，层厚1 mm，无层间隔，共扫描192层，扫描时间5 min 21 s。

1.3 数据处理采用Matlab 2013软件中基于DPABI V2.3(http://rfmri.org/dpabi)的DPARSF 4.3 Advanced Edition进行预处理，剔除前10个时间点图像，进行时间校正、头动校正、配准；使用SPM8软件基于Chinese2020人脑模板对结构像进行脑灰质、脑白质、脑脊液分割，获得转换矩阵，将功能像空间标准化到Chinese2020模板，体素重采样大小为3 mm×3 mm×3 mm；在DPARSF上进行平滑、去线性漂移、回归协变量及时间滤波(带宽0.01～0.08 Hz)。

采用sCBT2020_aal 模板(http://www.chinese-brain-atlases.org)，选取双侧岛叶为ROI，生成种子点，提取种子点的时间序列值，与全脑其他体素进行功能连接分析。使用预处理过程分割的数据(wcl*.ing形式)进行平滑，以SPM8的ImCalc程序生成灰质模板，将以SPM8软件对CI组与对照组功能连接值行两样本t检验后生成的spm.mat文件应用于灰质模板。经AlphaSim校正，以P<0.05、体素簇个数≥10个为差异有统计学意义。记录CI组与对照组间功能连接有差异脑区的MNI坐标及Chinese2020坐标(sCBT坐标)。采用REST 1.8(http://restfmri.net/forum/index.php)软件，提取CI组与对照组比较差异脑区的功能连接强度Z值，与瞬时记忆评分进行Pearson相关性分析。

1.4 统计学分析采用SPSS 22.0统计分析软件。计量资料以±s表示，等级资料以中位数(上下四分位数)表示。CI组与对照组间年龄、受教育年限及WHO-UCLA词语学习记忆量表评分比较采用独立样本t检验，性别比较采用χ2检验，PSQI、HAMA、HAMD评分比较采用Wilcoxon秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

CI组与对照组间年龄、受教育年限、性别差异无统计学意义(P均>0.05)，CI组PSQI、HAMA、HAMD评分均高于对照组(P均<0.001)，2组间PSQI中的日间功能障碍、认知障碍评分和WHO-UCLA词语学习记忆量表中的瞬时记忆评分差异均有统计学意义(P均<0.05)，见表1。

与对照组比较，CI组患者右侧岛叶与双侧海马、双侧海马旁回、双侧额中回、右侧颞中回、右侧中央前回、左侧颞下回、左侧梭状回、左侧小脑后叶连接增强(P均<0.05，AlphaSim校正，表2、图1)，CI组左侧岛叶与双侧海马、双侧海马旁回、左侧颞下回、左侧梭状回、左侧小脑后叶、右侧小脑前叶连接增强(P均<0.05，AlphaSim校正，表3、图2)；CI组患者无功能连接减低脑区。瞬时记忆评分与右侧岛叶—右侧海马、右侧岛叶—左侧海马、左侧岛叶—右侧海马及左侧岛叶—左侧海马的功能连接强度呈正相关(r=0.580、0.668、0.454、0.562，P均<0.05，图3)。

表1 CI组与对照组临床资料特征及神经心理学评分比较

表2 与对照组比较，CI组患者右侧岛叶功能连接增强脑区

注：P均<0.05(AlphaSim校正)

图1 与对照组比较，CI组患者右侧岛叶功能连接增强脑区图2 与对照组比较，CI组患者左侧岛叶功能连接增强脑区

图3 CI患者岛叶—海马功能连接强度与瞬时记忆评分相关性散点图 A.右侧岛叶—右侧海马功能连接强度与瞬时记忆评分呈正相关； B.右侧岛叶—左侧海马功能连接强度与瞬时记忆评分呈正相关； C.左侧岛叶—右侧海马功能连接强度与瞬时记忆评分呈正相关； D.左侧岛叶—左侧海马功能连接强度与瞬时记忆评分呈正相关

3 讨论

岛叶为凸显网络的组成脑区，具有自我意识、情感调节、内脏感觉和感觉运动加工等功能。海马属于记忆网络，参与记忆储存与固化[7]；海马旁回参与情绪记忆。CI患者左侧海马旁回局部一致性(regional homogeneity， ReHo)值增高，分析与失眠导致记忆损害、执行功能障碍有关[8]。岛叶激活与厌恶表情有关，参与共情调节。海马是突触水平的片断记忆及短时程记忆的编码储存区[7]。本研究结果显示双侧岛叶分别与左右侧海马、海马旁回功能连接增强，其功能连接强度与瞬时记忆评分呈正相关。推测CI患者海马结构受损造成瞬时记忆损害，继而情绪记忆编码和检索功能产生障碍，为存储记忆信息，海马记忆功能代偿性增强，以满足瞬时记忆的存储需要。

本研究发现岛叶与左侧颞下回、梭状回、右侧颞中回功能连接增强，这些脑区与视听觉相关。颞中回为背侧注意网络的重要组成部分。研究[9]发现CI患者颞中回度中心度(degree centrality, DC)值升高，提示其存在自我意识过度觉醒、情绪调整异常方面的认知障碍。梭状回属于视觉认知网络，与颞下回共同构成腹侧视觉通路，参与物体、文字、面孔的识别，梭状回的神经反应随着悲伤刺激强度增加而增加[10]。推测CI患者焦虑情绪增高可能与梭状回与认知负面倾向有关。根据高度觉醒理论，CI患者表现为皮层、皮层下脑结构的高度活动[11]。本研究结果亦提示CI患者视听觉相关脑区存在过度激活，支持高度觉醒理论。

本研究临床神经心理学量表结果提示CI患者存在日间功能障碍。研究[11]发现CI患者在清醒时前额叶18F-FDG代谢减低，推测睡眠不足可导致前额叶低代谢，使CI患者白天出现疲劳感。前额叶作为默认网络的重要组成脑区，与丘脑背内侧核共同组成觉察系统，参与大脑产生自发意识及内省性活动。另有研究[12]发现前额叶去甲肾上腺素水平随着清醒时间延长而下降，推测CI患者前额叶存在高度活动。本研究显示右侧岛叶与双侧额中回功能连接增强，神经心理学量表提示CI患者存在认知障碍，推测长期失眠可导致认知功能损害及情绪反应增加，而机体为维持日间的清醒状态，前额叶皮层功能代偿性增强，以协调对内外环境的感知。