南疆维吾尔族终末期肾病患者的低频振荡振幅与脑功能连接研究

田序伟，艾斯卡尔江·霍加，阿迪力·阿布来提，邹科，吴小燕

终末期肾病(end-stage renal disease，ESRD)属于慢性肾病的第5个阶段，是指慢性肾衰竭患者的肾小球滤过率小于15 mL/(min·1.73 m2)或慢性肾衰竭发展至肾功能持续低于10%［1-2］。ESRD 患者需进行持续性肾功能替代治疗，而长期维持性血液透析可导致患者大脑认知损伤。超过2/3 的维持性血透的ESRD 患者存在认知障碍，涉及到认知、注意力、记忆力、视觉空间和执行能力等多个方面［3］，然而无症状的ESRD 患者的认知损伤常常被忽视［4］。静息态功能磁共振成像(resting-state functional MRI，rs-fMRI)作为一种非侵入性影像技术，不仅能够通过低频振荡振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)［5］反映大脑各个脑区的自发活动，还能够检测大脑脑区之间的功能连接(functional connectivity，FC)情况，从而客观反映感觉、运动、认知等方面的改变。已有研究采用rs-fMRI 对ESRD 患者进行研究，发现ESRD 在默认网络上存在异常［6-9］。由于新疆南疆维吾尔族人的居住环境、生活习惯及遗传基因等都与汉族人存在差异［10-11］，例如，维吾尔族长期以肉食为主可能加重肾脏疾病的进展，C1GALT1 基因变异与IgA肾病的遗传易感性有关［12］，因而南疆维吾尔族ESRD患者可能呈现出与汉族ESRD患者不同的脑功能损伤，但目前尚未有针对南疆维吾尔族ESRD 患者的rs-fMRI 研究。本研究拟通过基于rs-fMRI 的ALFF及基于种子点的FC分析方法探讨新疆南疆维吾尔族ESRD 患者脑局部自发活动及脑功能连接的异常，寻找其脑功能受损的影像学证据，以期为南疆维吾尔族ESRD临床早期发现认知功能障碍并及时防治提供依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选取2019 年6 月至2020 年1 月喀什地区第一人民医院肾病中心收治的18 例ESRD 维吾尔族患者为试验组。根据入排标准，15 例纳入最后分析，其中男性9 例，女性6 例；平均年龄(39.4±11.87)岁，受教育年限(10.73±3.69)年，透析龄(4.47±1.64)个月。试验组入选标准：(1)基础肾病导致，符合ESRD 诊断标准，肾小球滤过率小于15 mL/(min·1.73 m2)；(2)维持性血透＞3个月；(3)长期在新疆南疆生活的维吾尔族患者，右利手；(4)无磁共振检查禁忌证。排除标准：(1)神经精神疾病；(2)严重的神经系统疾病，如：脑肿瘤、明确脑部外伤、手术、缺血性脑疾病等；(3)其他系统严重疾病，如：急性动脉栓塞、心功能衰竭、心肌梗死、肝硬化等；(4)各类急性感染患者；(5)中重度高血压；(6)药物滥用、酒精依赖者；(7)长期服用铝制剂患者；(8)磁共振检查头动过大患者。同期招募长期居住南疆的21 名维吾尔族健康志愿者，最后纳入20 名年龄、性别和受教育年限相匹配健康志愿者为对照组。本研究是一项前瞻性临床对照研究，已获得喀什地区第一人民医院伦理委员会的批准(批准文号：202017)，所有被试在参加试验前均签署知情同意书。

1.2 心理量表测试

采用蒙特利尔认知量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)评估ESRD 患者的认知功能。MoCA是一个对认知功能异常进行评定的工具，包括11 个项目，用于检测多方面认知领域，如注意与集中、执行功能、记忆、语言、视空间技能、抽象思维、计算和定向力等。

1.3 MRI数据采集

采用Siemens Aera 1.5 T MR 扫描仪和20 通道相控阵头颈联合线圈进行MRI 数据采集。被试采用仰卧位，头部泡沫垫固定，全程佩戴耳塞、尽量保持不动，闭眼尽量不作任何思考、不入睡。采用梯度回波-平面回波成像(gradient-recalled echo-planar imaging，GRE-EPI)序列采集rs-fMRI 数据，其主要参数如下：TR 2790 ms，TE 45 ms，矩阵64×64，层厚4.2 mm，层间距7 mm，翻转角90°，全脑轴位隔层扫描35 层，共210 个时间点。采用3D 高分辨T1-MPRAGE(T1 magnetization prepared rapid gradient echo)序列进行结构像采集，其主要参数如下：TR=2530 ms，TE=1.94 ms，矩阵256×256，翻转角7°，正中矢状位扫描192层，层厚1.0 mm。

1.4 图像处理

数据预处理：采用基于MATLAB 2013b平台和统计参 数 图(statistical parametric mapping， SPM；https：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)软件包的静息态脑影像数据处理与分析(data processing & analysis for brain imaging，DPABI；http：//rfmri.org/dpabi)［13］软件对rs-fMRI 数据进行预处理。具体步骤如下：(1)去除数据的前10 个时间点，排除不稳定因素干扰；(2)以中间层第35 层为参照层，进行时间层校正(slice timing)；(3)头动校正(realign)，剔除头动平移＞3 mm 或旋转＞3°的数据，其中3 名行维持性血液透析的ESRD 患者和1 名健康志愿者由于超出头动标准而被排除；(4) 3D T1 像分割，将每个被试的3D T1 像都配准(co-register)到各自的平均功能像，并将配准过后的3D T1 图像按照统一的分割(segmentation)算法分割成灰质、白质和脑脊液；(5)空间标准化(normalization)，将头动校正后的功能图像配准至蒙特利尔神经科学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)标准空间，重采样体素大小为3 mm×3 mm×3 mm；(6)去除协变量，包括随着扫描时间进展的线性趋势、基于Friston 24 模型的24 个头动参数、平均脑白质、脑脊液信号等协变量；(7)平滑(smooth)，用半高宽为4 mm 的各向同性的高斯核对图像进行空间平滑。

数据指标分析：(1)ALFF值：应用静息态功能磁共振数据处理工具包(resting-state fMRI data analysis toolkit，REST；http：//www.restfmri.net/forum/)计算ALFF值［5］。用快速傅里叶变化将每个体素的时间序列转化为一个频域，计算每个频域的功率谱，并进行开方，得到0.01～0.1 Hz频段上的振荡振幅值。然后计算所有体素的ALFF 平均值，将每个体素的ALFF 值除以所有体素ALFF 的平均值，得到每个体素标准化的ALFF 值。(2)基于种子点的FC 分析：对经过平滑的功能数据做滤波(0.01～0.1 Hz)，以去除高频噪音。采用种子点的FC 方法进行种子点与全脑体素的FC 分析。首先，选取两组间ALFF 存在显著差异的脑区作为种子点，采用团块种子点和球形种子点两种方式：团块种子点，即选取整个差异区域为种子点；球形种子点指的是以差异区域的峰值为中心点，半径为6 mm，提取球形作为种子点。接着，提取种子点的时间序列信号，采用Pearson相关性分析计算所选种子点信号与全脑各个体素的连接情况，获得每个被试的FC 图。最后，使用Fisher z 转换对FC 图r 值转换成z值。

1.5 统计学分析

采用SPSS 22.0软件对两组被试的一般资料［年龄、性别、受教育年限、头动平均位移(frame-wise displacement Jenkinson，FD Jenkinson)［14］］进行统计分析。正态分布的计量资料以“平均值±标准差”表示，组间比较采用双样本t 检验；非正态分布的计量资料以“平均等级(等级总和)”表示，组间比较采用Mann-Whitney U 检验。性别的比较采用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

基于REST 工具包，采用双样本t 检验对南疆维吾尔族ESRD 患者和正常对照组的ALFF 图以及FC 图进行比较，探测两组之间ALFF 以及FC 有显著差异的大脑区域，将年龄、性别、受教育年龄及FD Jenkinson［14］作为协变量以去除其影响。通过高斯自由场校正方式(gaussian random field correction，GRF)对统计图进行校正，对于ALFF 统计图校正，限定体素水平P＜0.01，团块水平P＜0.05；对于FC 图统计，限定体素水平P＜0.001，团块水平P＜0.05。采用Anatomical Automatic Labeling (AAL-90)模板对显著差异脑区进行报告。提取组间显著差异性脑区的ALFF 和FC 值，并与南疆维吾尔族ESRD 组的病程、透析龄、MoCA 评分进行Pearson 相关分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 南疆维吾尔族ESRD组与正常对照组的基本资料及头动参数比较

两组之间的性别、年龄、受教育年龄和头动参数FD-Jenkinson比较差异均无统计学意义(表1)。

2.2 南疆维吾尔族ESRD组与正常对照组的ALFF比较

双样本t 检验的结果显示，与正常对照组相比，南疆维吾尔族ESRD 组在双楔前叶(峰值点位于右侧楔前叶)的ALFF显著减低(表2，图1)。

2.3 南疆维吾尔族ESRD组与正常对照组的FC比较

基于右侧楔前叶的团块种子点FC 的双样本t 检验结果显示，与正常对照组相比，ESRD 组在右侧楔前叶与右侧楔前叶、双侧中扣带回、双侧后扣带回的功能连接显著减弱(表2，图2)。球形种子点与团块种子点的结果相似，ESRD 组在右侧楔前叶与右侧楔前叶、双侧中扣带、双侧后扣带、右侧内侧眶额叶的功能连接下降。

表1 南疆维吾尔族ESRD组与正常对照组基本资料及头动参数比较Tab.1 The comparation of general information and head motion parameter between Uyghur ESRD group and healthy control group in Southern Xinjiang

表2 两组在ALFF和FC上存在显著差异的脑区Tab.2 Brain regions with significant difference in ALFF and FC between two groups

图1 与正常对照组相比，南疆维吾尔族ESRD 组在双侧楔前叶的ALFF值降低，团块峰值点位于右侧楔前叶。L 表示大脑左半球，R 表示大脑右半球Fig. 1 Uyghur ESRD group shows decreased ALFF of bilateral precuneus,compared with healthy controls. The cluster peak is located in the right precuneus.L/R,left/right hemisphere.

2.4 南疆维吾尔族ESRD组相关性分析结果

Pearson 相关性分析显示南疆维吾尔族ESRD 组右侧楔前叶与右侧内侧眶额叶的FC 和MoCA 评分呈显著正相关(r=0.683，P=0.005，表3)，即功能连接越弱，认知损伤越严重。

3 讨论

ESRD 常伴有注意力、记忆力、视觉空间和执行能力等认知障碍，这与大脑默认网络的损伤密切相关。然而，新疆南疆是维吾尔族人的聚集区，其生活环境及方式和遗传基因等与汉族人存在差异，维吾尔族ESRD 发病脑机制是否与汉族一致并不明确。rs-fMRI 技术因其具有较好的空间分辨率、无创等特点，被广泛运用于大脑功能的研究中。通过基于rs-fMRI 的ALFF 及种子点FC 的分析方法，本研究发现维吾尔族ESRD 患者在双侧楔前叶(峰值点为右侧楔前叶)的ALFF 显著减低，以及右侧楔前叶与右侧楔前叶、双侧中扣带回、双侧后扣带回、右侧内侧眶额叶的FC减弱。ALFF值降低反映脑神经元自发活动减弱，FC 减弱反映脑区之间连接损伤，提示维吾尔族ESRD 患者尽管没有明显的神经症状，但其脑功能已经发生损伤。

图2 以右侧楔前叶为种子点，南疆维吾尔族ESRD 组较正常对照组FC减弱的脑区。A：基于团块种子点的FC；B：基于球形种子点的FC；左侧为FC 的种子点，基于ALFF 显著差异的脑区；右侧为与种子点FC 显著减弱的脑区，包括右侧楔前叶、双侧中扣带回和双侧后扣带回、右侧内侧眶额叶。L表示大脑左半球，R表示大脑右半球Fig. 2 Based on the seed region of right precuneus, bran regions show significantly decreased FC in Uyghur ESRD group, compared with healthy control group. A: Seed-based FC with clustered region; B: Seed-based FC with spherical region; the left represents the seed region with significant group-difference in ALFF. The right represents the brain regions (including the right precuneus, bilateral middle cingulate gyrus, bilateral posterior cingulate gyrus and right medial orbitofrontal cortex) which was significantly decreased FC with seed region (right precuneus) in Uyghur ESRD group.L/R,left/right hemisphere.

表3 南疆维吾尔族ESRD组异常脑区ALFF、FC与临床信息的相关性分析Tab.3 The correlation analysis between ALFF or FC of abnormal regions and clinical information in the Uyghur ESRD group of Southern Xinjiang

3.1 ALFF差异脑区的讨论

默认网络主要参与内外环境监测，自我内省和情景记忆检索等功能［15］。本研究发现维吾尔族ESRD患者在楔前叶的ALFF 值降低，楔前叶是默认网络的核心区域，这与前人的研究一致。Li 等［16］通过ALFF研究汉族ESRD 患者亦发现双侧楔前叶ALFF 值显著减低。Chen 等［2］通过基于rs-fMRI 的局部一致性(regional homogeneity，ReHo)研究发现汉族ESRD患者的双侧楔前叶、后扣带回、颞下回等相关默认网络区域的ReHo 值下降。Liang 等［17］通过ReHo 对比研究伴有轻度认知障碍和无认知障碍的汉族ESRD 患者，发现有轻度认知障碍的ESRD患者右侧顶下小叶、内侧额叶、楔前叶Reho值进一步降低，同时显示大脑默认网络存在异常脑活动。由此可见，双侧楔前叶ALFF显著减低也是新疆维吾尔族ESRD患者重要的脑影像标志。

3.2 与右侧楔前叶FC差异的讨论

本研究基于以右侧楔前叶为种子点的FC分析发现，南疆维吾尔族ESRD 患者的右侧楔前叶与右侧楔前叶、双侧中扣带回、双侧后扣带回、右侧内侧眶额上回等区域的功能连接减弱，楔前叶、后扣带回、内侧眶额上回是默认网络的组成部分，表明新疆维吾尔族ESRD 患者默认网络内的功能整合能力损伤，这与前人对于汉族ESRD 患者的rs-fMRI 研究结果一致。例如，Ni 等［8］采用独立成分分析探索汉族ESRD患者默认网络的FC 改变情况，发现后扣带回、楔前叶、内侧前额叶等默认网络区域的功能连接减弱。采用图论的方法构建汉族ESRD患者的大脑网络拓扑属性，Li 等［18］发现左侧楔前叶中心度的降低；Ma等［19］发现汉族ESRD 患者的默认网络的节点效率下降。因此，本研究与前人汉族ESRD 研究一致发现ESRD 患者的默认网络的功能连接异常，表明不同种族ESRD 患者存在类似的脑机制，ESRD 都会导致其默认网络功能紊乱。另外，研究发现维吾尔族ESRD 患者的右侧楔前叶与中扣带回(边缘系统)的FC 下降，边缘系统与情绪调节功能有关，表明维吾尔族ESRD患者默认网络与边缘系统间的功能连接损伤可能与ESRD的情绪状态有关。前人对于汉族ESRD患者的情绪状态评估也发现，ESRD 的焦虑抑郁水平高于正常对照组［20］。Ma 等［21］对汉族ESRD 患者的研究发现，腹内侧前额叶与丘脑连接减弱，也初步提示了ESRD 患者可能存在情绪问题。然而，对于维吾尔族和汉族ESRD 患者的作用的情绪脑区可能不同，其情绪问题及其特定的大脑机制仍需进一步的探索。

3.3 相关性结果讨论

本研究通过Pearson相关性分析发现，维吾尔族ESRD患者右侧楔前叶与右侧内侧眶额叶的FC减低和MoCA 呈显著正相关，即功能连接越弱，认知损伤越严重。许多研究也已经证实汉族ESRD患者默认网络损伤与认知功能损伤相关［17，19，22］。ESRD 患者是发生认知障碍的高危人群，主要表现为注意力、记忆力、执行能力、处理速度及智能的下降。前人对伴有认知障碍的ESRD 患者与无认知障碍的ESRD 患者的ReHo值进行对比，发现伴有认知认知障碍的汉族ESRD 患者在默认网络区域表现出更低的ReHo 值［17］。Luo等［6］发现汉族ESRD患者默认网络的ALFF异常与序列打点测试相关，Ma 等［19］研究发现内侧前额叶皮层(默认网络脑区之一)FC 降低与数字符号测试分数呈正相关。序列打点测试与数字符号测试都体现注意、视觉记忆等方面功能，本研究使用的MoCA 量表能更直接且多方面地检测患者的认知功能，相关性结果则进一步表明了南疆维吾尔族ESRD患者的默认网络的功能连接损伤与认知损伤程度密切相关。

3.4 不足之处

本研究也存在一些局限性：一方面，入组的被试比较少，对于统计效力有一定的影响；再者，研究中提示了ESRD 患者情绪系统的连接异常，然而未对患者的情绪状态进行评估，难以明确维吾尔族ESRD 患者的情绪大脑与行为的关系；另一方面，仅横向比较新疆维吾尔族ESRD患者与正常对照组的脑功能自发活动和脑功能连接。后期将进行大样本的维吾尔族ESRD的研究，以及进行纵向追踪研究，对比ESRD患者治疗前后脑功能连接有无差异，以期对ESRD 患者的认知损害早期干预、疾病治疗及预后评估提供更多的临床线索。

综上所述，新疆维吾尔族ESRD 患者大脑默认网络的自发活动和功能连接损伤，且默认网络的损伤可能与认知功能下降相关。默认网络与边缘系统连接下降提示了维吾尔族ESRD 患者可能存在情绪问题，与情绪系统损伤有关。本研究可为新疆维吾尔族ESRD 患者的临床和治疗提供评价指标，也可为研究ESRD的神经病理学机制研究提供新思路。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。