颞叶癫痫认知功能的血氧水平依赖功能MRI研究

郭莉莉，单文莉，张建东，孔丹，柏根基

癫痫是一种神经元异常放电导致以痉挛发作为特点的神经病学疾病[1]，颞叶癫痫(TLE)是所有癫痫中最常见的一种类型[2]，被广泛接受的事实是TLE患者常伴有认知障碍，如记忆、注意力、警戒力、语言及操作控制功能的损害，TLE患者的认知障碍具有非常复杂的特征[3]。目前认为，这些认知障碍是由一系列复杂的原因造成的，包括疾病的反复发作、颞叶脑组织的器质性损害等[4]，然而认知障碍的根本原因尚未可知。

局部血流动力学改变与生理功能和新陈代谢有着十分紧密的联系[5-6]，因此其在科研及临床评估方面都有着十分广泛的应用。人体静脉血中含有的脱氧血红蛋白是顺磁性的，这是MRI检查的天然对比剂，可以依赖血氧水平对比来产生影像[7]，使得功能MRI(fMRI)被广泛用来量化检测在安静及活动状态下局部脑组织血流量[5]。据报道，血氧水平依赖(BOLD)为体内脑组织提供实时的血氧[7]，神经元活动可以导致血氧水平依赖在基础水平上下浮动变化而产生正/负性偏离信号[8]，脑血流量增加可以产生正性BOLD信号，而消耗氧气可以产生负性BOLD信号[9-10]。以往一系列fMRI研究已经为TLE提供了解剖学依据，本研究旨在使用BOLD-fMRI分析阐明TLE患者与正常人之间不同脑组织部位的功能连接存在明显差异，这些BOLD信号为特定皮质区的激活/失活提供依据。

1 对象与方法

1.1 对象 连续收集25例来我院神经内科门诊和住院部就诊的TLE患者为试验组，25名没有TLE疾病的正常人为对照组。TLE组入组标准：(1)符合1981年出版的国际抗癫痫联盟的分类标准；(2)小学及以上教育水平；(3)患者右利手；(4)达到两种及以上如下条件：①证实病灶位于颞叶；②影像学表明患者存在海马硬化或萎缩；③EEG显示发作或发作间期癫痫灶位于颞叶。TLE组排除标准：(1)脑组织结构异常(除外海马硬化)；(2)酒精或毒品滥用史；(3)长期服药史(抗癫痫药除外)；(4)患有严重的认知障碍或精神失常不能合作者。对照组入组标准：(1)没有系统疾病或神经系统症状；(2)没有神经系统疾病家族史；(3)MRI检查结果正常；(4)小学及以上教育水平；(5)右利手。本试验获得入组者及家属的知情同意及获得南京医科大学附属淮安一院伦理委员会的批准。

1.2 方法

1.2.1 神经心理学测试方法 根据韦氏智力量表操作手册进行神经心理学测试，测量每位受试者的言语智商(VIQ)、操作智商(PIQ)和总智商(FIQ)。

记忆功能根据中国科学院心理研究机构第2次修定的临床记忆量表进行评估，每位受试者均进行记忆智商(MQ)测试，包括汉语/非汉语测试、记忆/辨认测试，整套测试项目有直接记忆、联想性学习、图像自由回忆、无意义图形再认和人像特点联系记忆。

刺激试验设计：采用分组试验设计方法，刺激(任务)和基线均为每30 s/次，共5次(数据1)，利用DMDX软件生成不同的刺激(任务)。

语言任务：语言材料由40个双音节汉字组成，频率和熟悉度均在控制范围内，汉字由为专业播音员朗读。每个语言刺激持续30 s，刺激呈现间隔时间持续30 s，基线采用纯音“du”。每项研究及各研究项目间严格执行材料匹配、建立随机化及平衡管理。

执行任务根据刺激信号分为：一致性和非一致性任务，受试者需要辨认屏幕上箭头的方向，一致性任务操作2次，非一致性任务操作3次。

2-back记忆任务是从屏幕上随机出现的1、2、3、4中的一个数字开始，要求受试者记住数字，屏幕上持续出现数字，受试者需要确定出现的数字是否与前两个数字之前的数字相同，当相同时要求受试者立即按下回答按钮，并记录回答的反应时间。2-back记忆任务每个数字持续2 s，间隔1 s，每组10个数字，共5组，时长5 min。

1.2.2 数据采集与预处理 BOLD-fMRI数据获得：所有的受试者均平躺于检查床上，保持平静呼吸，佩戴泡沫护具和耳塞最大限度的减少头部运动和噪音干扰，并要求受试者按照要求测试。fMRI图像的采集使用德国西门子Verio型3.0 T MRI。梯度回波-回波平面成像序列(扫描参数TR/TE =2 000/35 ms，翻转角为85°，层厚为5 mm，共扫描35层，间隔为0 mm，FOV=240 mm×240 mm，矩阵64×64)。解剖定位像采用三维扰相梯度回波序列：TR/TE=24/6 ms，翻转角为35°，层厚0.9 mm，FOV=220 mm×220 mm，矩阵=256×256。

利用fMRI(DPARSF)软件对数据进行预处理，包括转换数据格式、删除前10个时间点、时间点校正、头动校正(删除转动>2.5 mm或旋转角度>2.5°的数据)、空间配准和空间平滑(FWHM=4)、删除线性漂移和过滤(频带：0.01～0.08 Hz)。选取37(左侧海马)和38(右侧海马)定位点作为感兴趣区，利用REST图像重建进行重新采样，获取3 cm×3 cm×3 cm影像。收集选取的感兴趣区及所有大脑体素得到脑功能连接图解。

1.2.3 统计学方法 利用REST软件采用t检验(AlphaSim校正法)比较试验组和对照组的左、右侧海马的功能连接。图像均用费希尔r到z公式转换，数据参数叠加在标准脑组织图像上，最大T值代表功能连接的强度。

2 结 果

2.1 研究对象一般特征 受试者均为右利手。试验组35例，男15例，女10例；平均年龄(26.4±6.5)岁；教育水平(9.7±2.6)年；发作年龄(14.4±8.6)年；病程(11.9±8.1)年；发作频率(10±2)次/年。对照组25人，男18人，女7人；平均年龄(27.5±5.1)岁；教育水平(10.4±2.7)年。两组在年龄、性别、教育程度方面均无明显差异(均P>0.05)。试验组MMSE评分(25.82±1.03)分，对照组(28.86±1.23)分，对照组明显高于试验组(P<0.001)。

2.2 神经心理学行为和记忆功能评估 受试者的VIQ、PIQ、FIQ根据中国韦氏成人智力量表指南测试得出，MQ根据中国科学院心理研究机构制定的临床记忆量表得出，各项神经心理学行为及记忆功能测试结果对照组均明显高于TLE组(均P<0.01)。

2.3 fMRI图像分析 Brodmann分区是灵长目动物大脑皮质的一个区域，第一次是由德国解剖学家Korbinian Brodmann在大脑皮质神经元的细胞结构的组织基础上提出的。Brodmann分区与不同皮质区功能有关，例如17区是初级视觉中枢，4区是初级运动中枢，44区与口语及语言功能相关。

首先，选择左侧海马作为整个脑功能连接的感兴趣区，试验组患者表现出与右侧额上回(BA 9)、右侧额中回(BA 9)、右侧颞上回(BA 10)、右侧颞下回(BA 21)及右侧楔前叶(BA 7)的正性脑功能连接，与右侧嗅皮质(BA 47)、右侧额中回(BA 11)、左侧丘脑、左侧中央前回(BA 4)、左侧运动前区皮质(BA 6)及双侧颞上回(BA 21/41)的负性脑功能连接。

再选择右侧海马作为整个脑功能连接的感兴趣区，试验组患者表现出与右侧额中回(BA 47)、右侧运动前区皮质(BA 6)、左侧顶下小叶(BA 40)、左侧额中回(BA 6)及双侧脑干的正性脑功能连接，与右侧楔前叶(BA 7)、左侧皮质(BA 17/18)、左侧硬脑膜及两侧小脑的负性脑功能连接。

静息态低频振荡振幅(ALFF)分析显示，试验组与对照组相比，患者双侧额叶神经活动ALFF范围及强度显著减弱。

2.4 进行语言测试时脑组织的激活/失活范围 见表1。试验组高度激活的脑区为右前额叶、左侧颞中回、右侧颞中回、左侧小脑、左侧角回边缘侧、左侧楔前叶及左侧中央后回，而几乎不被激活的区域为左前额叶、右侧小脑、右侧角回边缘侧及右侧扣带前回。

表1 进行语言任务时感兴趣脑区的激活与失活脑区MNI协调XYZBAVoxelMaximum T右前额叶36-53-4210584.65左侧颞中回-76-4028213010.32右侧颞中回-32-29-3921543.94左侧小脑-31-28-80/534.50左侧角回边缘侧19-50723910210.00左侧楔前叶-2330287296.12左侧中央后回-34-41-432/3427.12左前额叶-25-36-341098-5.03右侧小脑-4040-43/90-5.53右侧角回边缘侧-26-38-403935-5.35右侧扣带前回29-295632/3040-5.32

2.5 进行操作测试时脑组织的激活/失活范围 见表2。正性激活的脑区为右前额叶、右额叶、右侧脑干、左侧颞上回及右侧小脑前叶，而没有发现明显的负性激活脑区。

表2 进行操作任务时感兴趣脑区的激活与失活脑区MNI协调XYZBAVoxelMaximum T右前额叶18381210532.93右侧额叶16-30539342.81右侧脑干12-32-38/192.80左侧颞上回-3614-3210232.79右侧小脑前叶12-46-38/262.74

2.6 进行记忆测试时脑组织的激活/失活范围 见表3。在记忆任务测试中，试验组正性激活的脑区为双侧扣带前回和双侧楔前叶，负性激活的脑区为左侧额下回和左侧中央回后侧。

表3 进行记忆任务时感兴趣脑区的激活与失活脑区MNI协调XYZBAVoxelMaximum T左侧扣带前回-6421891224.16右侧扣带前回-6421891224.16左侧楔前叶3-631523933.31右侧楔前叶3-631523933.31左侧额下回-39921/116-3.28左侧中央回后侧-45-30422100-4.16

3 讨 论

BOLD具有易获取、无侵袭性、更高的信噪比以及特殊的激活功能等优势，所以它被广泛用于局部脑组织的MRI成像[6]。fMRI被用于研究癫痫的语言组织及改编，如Swanson等[11]描述了fMRI在癫痫患者的语言映射方面的作用。据研究[12-14]报道，正性BOLD反应和持续的负性BOLD反应都是脑组织成像中重要的功能定位信号。持续的负性BOLD反应可由血氧代谢造成，它会成为早期视觉皮质神经元失活的信号灯[15]；Stefanovic等[16]的研究表明，血氧水平及新陈代谢水平的下调伴有神经元的抑制，因此得出持续的负性BOLD反应是神经元失活的一个标志这一结论。另一项Sefanovic等[17]的研究表明，血氧水平与新陈代谢水平是相关的，从而引起癫痫患者的BOLD上调(神经元激活)和下调(神经元失活)，试验组和对照组的MMSE评分有明显差异(P<0.001)，而两组在性别、年龄及教育水平上没有明显差异。这一结果与之前的有些研究[18]相一致。

癫痫可以引起一些情商、FIQ等方面的认知功能损害[19]，神经心理学测试结果表明TLE组的记忆力和智力均明显低于对照组，也就是说，试验组的MQ、VIQ、PIQ和FIQ均比对照组低。所有的BOLD-fMRI结果表明，当给予任务刺激时，两组受试者在皮质区的激活脑区有明显不同，如选择左侧海马为感兴趣区时，fMRI结果显示右侧额中回的(BA 9∶30,9,39)、(BA 11∶36,39,-12)和右侧颞上回的(BA 10∶21,60,30)、(BA 21∶60,0,9)表现出不同的激活状态，这表明海马与大脑的功能连接是由MNI协调而不是由脑区决定。值得注意的是，在本研究中试验组患者静息状态下左侧丘脑与大脑的功能连接减弱，而丘脑被认为在癫痫发生中至关重要[20]。在本研究中当进行操作任务测试时，试验组在右侧前额叶、右侧额叶、右侧脑干、左侧颞上回及右侧小脑前叶5个脑区出现正性激活差异，而在静息态下，左侧丘脑失活，没有在任何脑区发现负性激活差异。考虑到左侧丘脑的BOLD信号缺失，推断TLE患者的左侧丘脑失活在癫痫发生中具有十分重要的作用，但TLE患者的操作功能并未发生改变，原因未知。

当进行不同的记忆任务时激活的脑区不同。如Banks等[21]研究表明，TLE患者进行特定材料的记忆测试时颞中回被激活。Richardson等[22]的语言记忆功能研究表明，正常人激活的脑区为左侧海马，而TLE患者则为右侧海马。据报道，当进行不连贯的语言记忆任务时，病灶在左侧的TLE患者相比病灶在右侧的TLE患者而言，激活的脑区较少位于左侧，并且病灶在左侧的TLE患者的颞中回和颞上回边缘侧的激活存在明显差异[23]。Lv等[1]的静息态下在视空间工作记忆相关的脑组织网络内的功能连接的fMRI研究中，当进行静息态下视空间记忆任务时，右前额叶(BA8)功能连接减弱，而右前额叶(BA11)连接增强。在本研究中，在进行记忆任务时发现，激活的脑区为双侧扣带前回和双侧楔前叶，而失活的脑区为左侧颞下回和左侧中央回后侧。本研究患者更多的表现为左侧单侧性，表明他们可能为病灶在左侧的TLE患者，左侧额下回表现为明显的失活脑区，与上述提到的研究结果一致，表明额叶与TLE患者的记忆功能有关。相反，研究并未发现颞叶激活，表示颞叶可能参与TLE患者的癫痫发生而不是记忆功能。

本研究在进行语言(听力)任务测试时，由6个脑区(BA 2/3,7,10,21,39)被激活，4个脑区(BA 10,30/32,39)失活。据Mankinen等[20]报道当进行听故事任务时可以发现两组受试者的BOLD反应，且主要的激活区位于颞叶，然而，当进行阅读和记忆任务时，两组没有明显差异。最近一项有专业音乐家参与的研究[24]发现，聆听Raga曲调音乐任务时颞上回激活，本研究同样发现了听力任务时的颞区激活。

本研究有助于语言、操作和记忆功能在皮质区的定位，为TLE的外科治疗提供了较为有用的信息，但当进行语言及操作任务时对脑功能连接的研究还很缺乏。本研究还存在一定的局限性，主要是颞中回的伪影干扰了敏感性，梯度回波MRI检测这些脑区的激活情况，最大限度的减少了技术问题带来的影响。