度中心性的静息态功能磁共振成像探讨原发性痛经患者月经期痛经的中枢机制

刘妮，张亚男，吴俊辰，郝瑛，李文迅，夏晶，刘志丹，李莹秋，黄怡然*，霍健伟*

作者单位：1.首都医科大学附属北京中医医院放射科，北京 100010；2.北京国际数学研究中心，北京 100871；3.北京中医药大学针灸推拿学院，北京 100029

原发性痛经(primary dysmenorrhea，PDM)是指在月经期以下腹部痉挛性绞痛为特点的排除盆腔病变所致继发性痛经的疾病，疼痛可放射至腰背部及大腿内侧，严重时候可引起虚弱并伴随腹泻、恶心、疲倦、头痛、头晕等症状[1-3]。30%～80%的女性经历过痛经，超过50%的女性会在月经期因为痛经而从工作或学习中请假，引起社会经济上的损失[4-5]。原发性痛经的外周病理生理学机制被广泛认为与性激素、抗利尿激素、前列腺素、子宫血流和子宫收缩有关，激素的改变介导痛觉过敏，并引起血管收缩和子宫收缩以及子宫缺血[6-8]。但随着神经影像学发展，越来越多的研究表明原发性痛经患者存在脑部结构与功能的改变[9-11]。而且，原发性痛经患者的痛觉过敏是广泛的，可以跨越不同的脊柱节段和组织系统，如皮肤和肌肉；且慢性疼痛的反复刺激，使得对疼痛越来越不适应且与焦虑高度共生，这些也都说明无论是原因还是结果，又或者是互为因果，痛经存在中枢机制。对痛经中枢机制的研究或许能从另一个角度去理解痛经的发病机理并指导中枢水平的治疗。

静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)利用血氧水平依赖从而反映静息状态下脑部神经元活动，因其无创、时间及空间分辨率高、可操作性好、可重复性强，目前在脑功能研究中最为广泛，也比较成熟。度中心性(degree centrality，DC)是基于体素水平的分析方法，通过分析某个体素与大脑其他体素间的即时功能连接数量，反映该体素在脑网络中的功能重要性，而且，有很多研究显示相对于其他指标，DC 具有更高的可靠性和可重复性[12]。本研究首次应用DC 的分析方法研究PDM 患者与正常对照组的脑网络连接差异，去探索PDM患者月经期痛经的中枢机制。

1 材料与方法

1.1 一般材料

本研究为前瞻性研究，选取自2016 年12 月至2018 年1 月招募的PDM 患者35 例，以及与PDM 组年龄及受教育程度匹配的健康志愿者41 例，受试者均为北京各大高校在校生。PDM 组入组标准：(1)年龄在16～30 岁的未育女性，右利手，接受本课题方案，签署知情同意书；(2)符合加拿大妇产学会2005 年发布的原发性痛经西医学诊断标准[13]；(3)月经周期规律(28±7) d；(4)病程6 个月以上；(5)近1 个月未服用任何治疗痛经的药物或使用其他治疗方法；(6)近3 个月经周期的视觉模拟疼痛评分(Visual Analogue Scale for Pain，VAS-P) ≥40 mm。排除标准：(1)盆腔超声或月经问卷中提示有子宫内膜异位症、腺肌症、盆腔炎症等所致继发性痛经；(2)内脏痛及其他疼痛相关性疾病；(3)精神科疾病；(4)近6 个月内口服过避孕药、镇痛药或者抗抑郁药；(5)备孕或妊娠试验阳性；(6)任何MRI 检查禁忌证及颅内器质性病变者。健康组除了不存在痛经病史外，其余标准同PDM入组标准中的第(1)、(3)条和排除标准。本研究已经通过北京中医药大学医学与实验动物伦理委员会的审查批准，伦理编号为2015BZHYLL0112，研究中涉及人类的医学研究符合《赫尔辛基宣言》。

1.2 方法

1.2.1 临床症状评估

PDM 入组患者在月经期均有下腹部疼痛的症状，伴随症状可有恶心、头痛、头晕、背痛、腿痛、乏力等。症状评估时间为月经期的第1～3 天磁共振扫描前。对PDM患者采用VAS-P方法进行近3个月的疼痛程度评分，采用焦虑视觉模拟评分法(VAS for anxiety，VAS-A)进行焦虑程度评分，运用回顾性症状量表(持续时间量表COX1 和严重程度量表COX2)对伴随症状进行评分。

1.2.2 rs-fMRI扫描方法

受试者均在首都医科大学附属北京中医医院放射科完成MRI 检查，机器为西门子3.0 T 磁共振成像仪(skyra)，线圈为头/颈20 通道线圈。数据采集在受试者月经期的第1～3 天完成。受试者平躺，使用入耳式弹性耳塞减少噪音干扰，应用海绵塞固定头部减少头动，嘱受试者闭眼，保持清醒、平静状态，避免系统性思考问题。扫描结束后，询问患者是否睡着，未睡着者纳入研究。

1.2.3 数据采集

(1)首先采集T2 加权像排除颅内器质性病变(层数20，层厚5.0 mm，回波时间99 ms，重复时间4000.0 ms)；(2)对无器质性病变者进行高分辨三维T1结构像扫描；(3)接下来匀场，匀场后进行功能像扫描。具体参数见表1。

表1 功能像与T1结构像磁共振扫描参数Tab.1 The parameters of magnetic resonance scanning

1.2.4 数据处理及分析

采用DPABI3.0 和SPM8 软件在Matlab R2013b 平台上进行数据预处理及计算。预处理包括：(1)去除前10 个时间点的数据；(2)对剩余240 个时间点的数据进行时间层校正和头动校正(标准为3°、3 mm)；(3)对功能像使用DARTEL 配准法进行空间标准化，对其中分割后的脑白质、脑脊液以及Friston 24 头动参数、全脑信号进行回归分析去除协变量；(4)去线性漂移及低频滤波(0.01～0.1 Hz)。

用DPABI 3.0 软件对上述预处理后的数据计算DC 值。提取每个体素的时间序列，计算其与大脑内其他所有体素的相关系数，即DC值，并将每个体素的DC 值进行Fisher-Z变换，得到每个被试大脑灰质的DC 值的Z值图，最后以4 mm 半高宽的高斯核函数进行平滑，平滑后的图像用于统计学分析。

1.3 统计分析

使用SPSS 24.0软件对临床资料进行分析，包括年龄、行经天数、月经周期、病程、首次痛经发病年龄、VAS-P、VAS-A、COX1 及COX2。除行经天数用最小值和最大值描述外，余采用均数±标准差表示(符合正态分布)，组间比较采用两独立样本t检验，以P＜0.05 为差异具有统计学意义。

采用DPABI 3.0 工具包及SPSS 24.0 软件分析PDM组与健康对照组间DC值的差异，两组间比较使用两独立样本t检验(P＜0.001，团块水平GRF 校正)。最后提取两组间差异脑区的DC 值，与PDM 患者的临床资料进行Pearson 相关性分析，以P＜0.05 表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 临床资料

PDM 患者组和健康对照组的临床资料见表2，两组受试者的年龄、月经周期、行经天数差异无统计学意义(P＞0.05)。

表2 受试者的人口统计学及临床特征Tab.2 The demographic and clinical characteristics of subjects

2.2 DC结果

与正常对照组比较，PDM 患者在双侧额中回、左侧眶部额上回和左侧楔前叶DC值增加，在左侧脑干、颞上回及颞中回DC 值减低，差异有明显统计学意义(P＜0.001，GRF校正)，差异脑区见表3、图1。

图1 原发性痛经组与健康对照组度中心性(degree centrality，DC)值差异脑区横轴位(A)及3D 示意图(B)。红黄色伪彩显示为PDM 组在双侧额中回、左侧眶部额上回和左侧楔前叶DC 值增加，蓝绿色伪彩显示为PDM 组DC值在左侧脑干、颞上回及颞中回减低(GRF校正，体素水平P＜0.001，团块水平P＜0.05，双侧)Fig.1 The axis (A) and 3D (B) schematic diagram of brain regions of DC value difference between PDM group and the healthy controls.The red-yellow pseudocolor showed increased DC values in the bilateral middle frontal gyrus,left orbital superior frontal gyrus and precuneus, and decreased values in the left brainstem, superior and middle temporal gyrus (Gaussian random field corrected, voxel P＜0.001, cluster P＜0.05, two tailed) of PDM group compared with the healthy controls.

表3 原发性痛经组与健康对照组差异脑区信息Tab.3 The information of different brain regions between PDM group and healthy control group

2.3 DC组间差异脑区与临床相关性分析

两组间差异脑区的DC值与患者发病年龄、病程、VAS-P、VAS-A、COX1 及COX2 的皮尔逊相关性分析发现，右侧额中回的DC 值与病程呈负相关(r＝0.383，P＝0.023；图2)。

图2 原发性痛经组右侧额中回度中心性值与病程呈负相关(r＝0.383，P＝0.023)Fig. 2 The DC value of the right middle frontal gyrus in PDM group was negatively correlated with the course of disease(r＝0.383，P＝0.023).

3 讨论

DC 值反映了体素与全脑其余体素的功能连接。DC 值越高，说明该体素与全脑的功能连接越多。本研究首次应用DC 的分析方法发现PDM 患者月经期大脑功能连接的改变。与健康对照组相比，PDM 患者在双侧额中回、左侧眶部额上回和左侧楔前叶DC 值增加，而在左侧脑干、左侧颞上回及颞中回DC值减低。

3.1 PDM 患者在双侧额中回及左侧眶部额上回DC 值增加

额中回和眶部额上回都位于前额叶，前额叶区域结构和功能异常在多项PDM 研究中被发现[14-16]，无论是月经期还是排卵期。一项关于皮层厚度的研究发现，PDM 患者眶额皮层厚度增加，且与痛经持续时间正相关[17]，最新的一项关于PDM 患者排卵期脑部结构的机器学习研究中发现，在非痛经期中观察到的额中回区域的灰质结构特征能够很好地鉴别PDM 患者和健康人群(准确度为82.46%)[18]，但也有研究表示PDM 患者排卵期脑内部功能结构并未有改变[19]。除此之外，关于PDM患者月经期脑部功能性研究则发现月经期PDM 患者左侧背外侧前额叶和内侧前额叶皮层的局部一致性(regional homogeneity，ReHo)减低，而非月经期PDM患者眶额皮层的ReHo减低[20]。而另一项关于PDM 的默认网络的研究发现PDM 患者在位于前额叶区域的背内侧前额叶皮层的低频振幅(the amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)减低，且与病程相关[21]。前额叶区域的异常不仅在PDM中，在多种其他疼痛相关疾病研究中也被广泛报道或证实，比如纤维肌痛、青少年肠易激综合征、偏头痛、丛集性头痛、药物过度使用性头痛以及创伤后头痛等[22-25]。这些证据说明，前额叶区域在疼痛，而不仅仅是痛经中枢机制中具有至关重要的作用。本研究结果发现前额叶区域的DC 值增加，即在月经期这些区域与全脑的连接强度增加，一方面原因可能是月经期疼痛的刺激，使得大脑这些区域活动代偿性增加，从而实现对疼痛的认知及调节，另一方面也可能是由于对痛觉敏感度增加而导致这些区域活动异常增加。本研究在与临床相关性研究中发现右侧额中回的DC 值与PDM 患者的病程呈负相关，可能表明右侧额中回DC值增加是由于月经期对疼痛认知调节活动代偿性增加导致的，然而随着周期性疼痛刺激的反复，这一代偿性机制便会逐渐失代偿。

3.2 楔前叶可能是参与PDM 患者中枢痛觉敏化的重要区域

楔前叶在高级认知功能具有重要作用，参与多种高度整合的任务，其中就包括疼痛感知和内源性疼痛调节[26]，且楔前叶是默认网络的核心区域，而默认网络可能会被慢性疼痛破坏[21]。诸多关于PDM 的研究都发现楔前叶的异常，一项关于PDM患者体素形态学测量研究中楔前叶皮层厚度增加，且楔前叶皮层厚度与疼痛问卷分数正相关[17]，还有研究发现PDM患者双侧楔前叶脑血流增加，且与中央扣带皮层的功能连接增加[27]。值得一提的是国内有研究发现在针灸治疗疼痛有效时对应的同侧楔前叶代谢减低[28]，而本研究发现PDM 患者左侧楔前叶DC 值增加，推测PDM 患者中楔前叶可能参与了中枢痛觉敏化的机制，疼痛反复、过度刺激导致了楔前叶神经元活动的过度激活，增加了对疼痛的敏感度。

3.3 PDM患者脑干及左侧颞叶DC值减低

越来越多的研究发现脑干和小脑在疼痛相关疾病中的异常改变。比如在肠易激综合征的内脏性疼痛相关的恐惧条件反射中就发现了小脑活动的改变[29]；而脑干是参与小脑疼痛信息传输[30]和中枢痛觉敏化的脑区，功能类似于扣带回-额叶皮层[31]，而且脑干中的导水管周围灰质与疼痛的关系在很多研究中被发现[32]，我们之前的研究也发现右侧脑干的脑血流下降[33]。这些积累的证据，都表明了小脑、脑干参与了疼痛相关处理过程，考虑到疼痛是一种多维性的体验，未来仍旧需要长期的纵向研究来探索二者参与疼痛相关处理的模式。本研究还发现左侧颞上回及颞中回DC值减低，这一区域的报道相对少，但之前也有研究报道PDM 月经期颞中回局部一致性显著增加[20]，而在非月经期，脑磁图显示PDM 患者颞中回和颞下回的θ 波振荡增加[34]，我们猜想颞上回与颞中回均位于颞叶，颞叶主要参与听觉和情绪，而PDM 患者经常伴随心理困扰和消极情绪，比如焦虑、抑郁等[35]，而在磁共振扫描时也存在噪声以及扫描引起的焦虑，抑或是由于月经期的不适对PDM患者造成情绪上的影响引起的，又或者表明颞叶除了视觉和听觉处理之外，还存在额外功能，仍需大量的研究去证实。

综上所述，PDM 患者月经期多个与疼痛相关的脑区存在功能连接的加强或减弱，额叶功能连接的增加，可能反映了大脑对月经期疼痛刺激感知和处理活动的代偿性增加，其中右侧额中回这一代偿性增加的活动，会随着病程的持续增加而逐渐失代偿；而楔前叶的过度激活，可能导致了月经期对疼痛感知的增加。本研究首次应用DC 的分析方法探索了PDM存在的中枢机制，但本研究仅关注了月经期PDM患者的大脑活动，缺乏非月经期的研究，以及并未对患者进行前列腺素等能引起痛经的激素的相关性研究，笔者会在以后的研究中加入这些方面的探索，从而更好地理解PDM的中枢机制。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。