OSAHS患者脑功能异常及发生机制：基于rs-fMRI度中心度法

王琴，陈光斌，敖锋，张自力，李胜，熊妍希

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome,OSAHS)的中枢神经系统(central nervous system，CNS)损害主要表现为认知障碍及神经精神异常。OSAHS可引起不同程度的认知功能障碍，主要表现为注意力、记忆力、警觉性、语言能力、执行能力、视觉空间构建能力和信息处理能力等功能受到不同程度的损害[1]。由于白日嗜睡、注意力不集中和警惕性下降等，OASHS患者工业事故及交通事故的发生率较高[2-3]。另有研究表明，OSAHS可伴有焦虑、烦躁、抑郁和创伤后应激障碍等多种神经精神症状，且能够促进癫痫、阿尔茨海默症和帕金森病的进展[4-6]。因此，OSAHS的CNS损害对患者的生存质量及生命安全造成了极大威胁，但目前其神经病理学机制尚未阐明。因此，寻找客观有效的早期诊断OSAHS患者CNS损害的方法并探索其潜在的神经病理机制对指导临床治疗具有重要意义。

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)主要通过脑组织新陈代谢的改变引起脑局部皮层磁共振信号的改变来反映脑功能状态。“静息态”是指在清醒、安静、放松且没有特定任务刺激时大脑神经元的自发性活动。由于静息态fMRI(resting state fMRI,rs-fMRI)具有任务设计简单、检查者配合度高、能够无创性地将脑功能活动影像化等优点，可用来探讨OSAHS的脑神经网络，从而进一步探索OSAHS脑功能损害的神经病理学机制。在OSAHS的rs-fMRI研究中常用的数据处理方法有局部方法、功能连接以及图论方法等[7]。基于体素水平的度中心度(degree centrality，DC)方法是从图论方法衍生而来的一种反映全脑网络连接的数据分析方法[8]。DC法不需要先验假设，能够直接评估全脑网络的功能连接模式。但目前有关DC法应用于OSAHS脑功能研究的相关文献报道较少，故笔者设计了此项研究。目前广泛认为，OSAHS的脑功能异常具有明显的性别差异[9]。为了避免性别差异的影响，我们仅纳入了男性OSAHS患者及健康志愿者；且为了避免左、右利手者脑功能本身的差异造成的偏倚，我们仅纳入了右利手患者。

材料与方法

1.研究对象

实验组为2019年9月-2020年12月在本院就诊、经多导睡眠监测(polysomnography，PSG)初次确诊且未经治疗的OSAHS患者，共30例。所有患者符合美国睡眠医学会2012年颁布的OSAHS患者诊断标准[10]。选取同时间段经PSG监测为睡眠正常、且年龄和受教育年限与患者组相匹配的30例男性志愿者作为正常对照(normal control，NC)组。

OSAHS患者纳入标准：①右利手；②男性；③年龄30～60岁；④AHI≥5次/小时。 NC组纳入标准：①右利手；②男性；③年龄30～60岁；④AHI<5次/小时；⑤经家属或室友证实无打鼾症状。

OSAHS患者和GN组的排除标准：①非OSAHS的其它类型的睡眠呼吸疾病；②左利手；③有糖尿病、严重的心脑血管及呼吸系统疾病等病史；④有神经或精神系统疾病；⑤有酗酒史；⑥服用精神类药物；⑦常规MRI扫描显示有脑实质病变(如肿瘤、脑梗死和囊肿等)；⑧有MRI扫描禁忌证。

本研究经十堰市人民医院临床医学研究伦理委员会批准，所有受试者自愿参与并签署了知情同意书。

2.PSG监测

所有受试者在行磁共振扫描前一天接受PSG，检测时间不少于7 h，且检测当天不喝酒、不吃安眠药、不喝咖啡类饮料等。采用Alice 5 LE睡眠系统检测仪，记录睡眠相关指标：呼吸紊乱指数(apnea hypopnea index，AHI)、微觉醒指数(arousal index，AI)、最低血氧饱和度(minimal arterial oxygen saturation,Mini-SaO2)。

3.认知量表评估

所有受试者在进行PSG前均需完成蒙特利尔量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)评分，以评估认知功能改变情况。

4.MRI数据采集

使用Siemens Skyra 3.0T磁共振仪，对受试者进行脑MRI数据采集。受试者平躺于检查床上，佩戴眼罩和耳塞，固定头部，安静闭目、保持清醒但尽量不去思考特定的事情。首先行常规序列(T2WI、T1WI和T2-FLAIR)横轴面平扫，所获得的图像用以排除有脑实质性病变(肿瘤、炎症和梗死等)的受试者；然后，采集静息态全脑血氧水平依赖(blood oxygen level dependent，BOLD)数据，翻转角90°，层间距1.2 mm，共采集240个时间点，总扫描时间8 min 6 s；最后，采集矢状面T1WI，翻转角设置为9°，间距设置为0 mm，总层数176层，扫描时间为5 min 12 s。各序列扫描参数详见表1。

表1 扫描序列及参数

5.BOLD数据预处理

使用MRIcro软件包(www.MRIcro.com)查看原始数据，去除不合格的数据；然后，基于Matlab2014a平台的SPM12(https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)和DPARSFA(http://rfmri.org/DPARSF)软件包对fMRI数据进行预处理。具体步骤见图1。

图1 BOLD数据预处理流程图。

6.基于体素水平的DC值计算

DC分析采用杭州师范大学开发的RestPlus(http://restfmri.net/forum/restplus)软件来完成。每个体素作为一个节点，任意两个体素间的功能连接作为边。对于每一个被试者，计算默认灰质模板内任意两个体素间的Pearson相关系数，从而构建整个大脑功能连接矩阵，为了符合正态高斯分布，将每个受试者的体素型DC值转换为Z分数，最后进行空间平滑，得到标准化的DC图，用于统计分析。

7.统计分析

使用IBM SPSS 25.0软件对OSAHS组与NC组人口学及PSG睡眠监测指标进行比较。符合正态分布的数据采用两独立样本t检验，不符合正态分布的数据采用秩和检验，以P<0.05为差异具有统计学意义。

利用SPM12软件对OSAHS组与NC组的标准化DC图进行两独立样本t检验，记录组间差异有统计学意义脑区的大小及其MNI坐标，统计阈值设定为经FDR校正后簇水平P<0.001、体素水平P<0.001、簇大小≥40个体素，并使用Rest软件进行结果呈现。

将有差异的脑区作为感兴趣区域，使用RestPlus软件包分别提取这些ROI的DC值，并将其与MoCA评分、PSG睡眠监测指标采用IBM SPSS 25.0软件进行相关性分析，以P<0.05为差异具有统计学意义。

结 果

1.临床资料

OSAHS组和NC组临床资料的比较见表1。两组被试者的年龄和受教育年限的差异无统计学意义(P>0.05)，而体质指数(body mass index,BMI)、AHI、AI、Mini-SaO2和MoCA评分的差异均有统计学意义(P>0.05)。

2.DC分析结果

OSAHS组与NC组之间DC值有显著差异脑区的分布情况见表2。与NC组相比，OSAHS组DC值增加的脑区有左侧脑桥、右侧边缘叶、左侧颞上回、右侧额下回、左侧额上回和右侧额上回；DC值减低的脑区有右侧小脑后叶和左侧楔叶(图2)。

表2 两组被试者临床资料的比较

图2 OSAHS组与NC组比较DC值有显著差异脑区的分布情况。红色为OSAHS组DC值增高的脑区，蓝色为OSAHS组DC值减低的脑区。a)横轴面脑区激活差异图；b)矢状面脑区激活差异图；c)大脑3D重建模型图。

3.相关性分析结果

相关性分析结果见图3。右侧小脑后叶DC值与MoCA评分呈显著正相关(r=0.656，P<0.001)；左侧楔叶DC值与Mini-SaO2呈显著正相关(r=0.519，P=0.003)。

图3 OSAHS组临床资料与DC相关性分析散点图。a)右侧小脑后叶DC值与MoCA评分呈显著正相关；b)左侧楔叶DC值与Mini-SaO2呈显著正相关。

表3 OSAHS组与NC组比较DC值有显著差异脑区的分布情况

讨 论

在患者的临床资料分析中，OSAHS组的BMI值明显高于NC组，差异有统计学意义(P<0.05)，表明肥胖可能是OSAHS的诱因之一，这与既往的研究结果一致[11]。此外，OSAHS组与CN组之间AHI、AI、Mini-SaO2和MoCA评分的差异均有统计学意义(P<0.001)。有学者认为[12]，间歇性的缺氧与再复氧，低碳酸血症和高碳酸血症反复交替，伴有脑血灌注改变和睡眠破碎是OSAHS患者睡眠时常见的病理生理变化，亦可能是OSAHS患者脑功能损害的基础。但OSAHS的脑功能损伤通常随时间累积。这些病理生理变化对认知和情绪的影响取决于脑功能是处在代偿或失代偿的动态阶段。近些年来，rs-fMRI的兴起为识别OSAHS患者脑功能异常提供了新方法，为探究OSAHS患者CNS损伤的机制开拓了新道路。

基于体素水平的DC法是从图论方法衍生而来的一种全脑网络连接的数据分析方法[8]。DC法不需要先验假设，能够直接评估全脑网络的功能连接模式，从而探索大脑内在功能框架的生理基础[13]。DC值是描述网络节点重要性的度量指标，DC值越大，表明该节点在全脑网络中的地位越重要。DC法能够基于体素水平找出大脑网络中的重要节点并评估其是否异常。

人脑是一个极其复杂的网络，这种网络被认为是提供各种信息处理和心理表征的生理基础。基于图论的研究表明，OSAHS患者的中央执行网络、默认网络(default-mode network，DMN)、凸显网络以及等多个脑功能网络均出现了异常[14-15]。脑的功能(hubs)区域是大脑网络中处理信息的核心部位，其受损会导致信息传递效率下降，从而引起相关脑功能网络的异常。Li等[16]研究表明，在不同阈值下，OSAHS患者跟正常人具有高度相似的脑功能hubs区域，且这些脑功能hubs区域与DMN存在高度的吻合，是静息态下脑神经元激活部位[13,17]。DMN由前DMN和后DMN两个独立空间的子网络构成，前DMN主要负责情绪管理和自我参照，后DMN主要负责认知加工和记忆提取[18]。由此可以推测OSAHS患者的DMN功能异常可能是其认知功能障碍的基础。而我们的研究发现OSAHS患者部分DMN脑区出现代偿，未见明显损害，推测可能是Li等[16]研究的是重度OSAHS患者，而本组病例中大多数为轻～中度患者，DMN核心脑区的脑功能尚处于代偿状态。

小脑参与广泛的任务，包括感觉运动控制、语言、空间和执行功能[19]。小脑前叶主要从事运动控制，小脑蚓部参与情感加工，小脑后部参与复杂的认知功能。Park等[20]研究表明，小脑内部(蚓部Ⅲ和Ⅵ之间)及小脑与大脑之间的功能连接(functional connectivity，FC)明显减少，推测OSAHS患者小脑内以及小脑与大脑之间FC受损可能会破坏更高级别的认知过程。在我们的研究中，OSAHS组右侧小脑后叶DC值减低，且右侧小脑后叶的DC值与MoCA评分呈显著正相关。推测可能是右侧小脑内部FC减少而引起的网络异常，与患者认知功能障碍有关，这与Park等[20]提出的小脑可能是OSAHS患者最容易损害部位的观点不谋而合。

枕叶是视觉皮质中枢，主要是参与视觉信号处理，但也有研究表明，枕叶参与了语言信息加工、工作记忆以及运动知觉等活动，额叶可能参与处理概念性记忆，枕叶可能参与知觉性内隐记忆[21]。我们的研究发现，OSAHS患者左侧枕叶(BA18/19)的DC值显著减低，BA18属于次级视觉皮质，可以将初级视觉皮质接收到的视觉信息转化为知觉信息，而BA19属于高级视觉皮质，负责全面整合听觉信息、其他感觉信息、语言等，构成对事物综合信息的认知[22]。研究表明，OSAHS患者的视觉感知、视觉空间构建以及视觉运动表现等方面均有不同程度的损害[23]，中重度OSHAS患者的视野损害高于健康人群，OSHAS患者的有效视野受限[24]。还有学者发现OSAHS可能是青光眼以及某些视网膜病变的危险因素[25-28]，推测这可能与本研究中发现的OSAHS患者枕叶DC值减低有关，需进一步探究其相关性及可能存在的机制。此外，Li等[16]亦发现OSAHS患者左侧枕中回的DC值减低，且减低的DC值与AI及AHI呈显著负相关。Qin等[29]研究发现右侧枕中回的低频振幅值与Mini-SaO2水平呈负相关。本研究结果显是左侧楔叶的DC值与Mini-SaO2呈显著正相关。上述这些研究结果均提示，反复慢性缺氧和睡眠中频繁觉醒可能是导致OSAHS患者枕叶脑功能损伤的原因。

除了发现多个脑区的DC值显著减低外，我们还发现OSAHS患者的左侧脑桥、右侧边缘叶钩回、左侧颞上回、右侧额下回和双侧额上回DC值显著增加。

额叶皮层在大脑功能中扮演着至关重要的角色，参与情绪、决策、奖赏及惩罚、社会认知和精神病理等多方面作用[30-31]。研究发现前额叶皮层的激活与情感刺激的主观情绪体验相关，前额叶皮层的损伤会损害与情绪相关的学习、行为和主观情绪状态，在调节情绪、意识、记忆和内省方面起着重要作用[32]。Li等[16]对重度OSAHS患者的脑功能进行研究，结果显示左侧额上回减低的DC值与MoCA评分呈正相关，表明前额叶皮层紊乱的功能连接可能与OSAHS患者执行功能障碍有关。而在本研究中，OSAHS组双侧额上回和右侧额下回DC值显著增高，可能是OSAHS患者执行功能障碍、记忆力低下、抑郁和焦虑发生率相对较高的潜在机制。

脑干是生命中枢，对调节OSAHS患者的呼吸频率及模式起重要作用[33]。我们的研究首次发现OSAHS患者的脑桥存在异常，与NC组相比，左侧脑桥的DC值显著增高，推测可能是OSAHS频繁多次的呼吸暂停引起了脑桥的功能代偿。有研究表明，OSHAS患者的脑干可因周期性缺氧而引起神经元变性[34]。因此，脑桥DC值的升高也可能是其内神经元变性的早期表现。

边缘系统与网状结构和大脑皮质有广泛联系，不仅能参与内脏活动的调节，还参与高级神经、情绪反应以及记忆活动[35-36]。边缘叶和边缘旁回路功能障碍，会导致嗜睡、过度思考、内部引导或自我产生的想法、以及白天对外部刺激或任务的唤醒或注意力减少，边缘系统网络异常可能是某些精神类疾病的神经病理学基础[37]。既往有MRS研究结果显示，与健康人群比较，OSAHS患者的海马、丘脑和壳核等大边缘系统内神经化学物质水平存在差异，表现为抑制性神经递质中N-乙酰天冬氨酸(NAA)降低，兴奋性神经递质中谷氨酸(Glu)水平升高，表明边缘系统脑神经元兴奋性增加[33]。Song等[38]研究发现，OSAHS患者的边缘-纹状体-皮质功能连接的改变与其行为和神经心理变量有关，DC值有潜力作为预测OSAHS认知功能障碍的无创性指标之一。在本研究中，OSAHS患者边缘叶的DC值增高可能是该脑区神经元活动增强的结果，是其内在功能连接改变的体现。

本文采用DC法对OSAHS患者静息态脑功能改变进行了研究，结果显示与健康人群比较，OSAHS患者的度中心度发生了显著改变，并推测这些改变可能是OSAHS患者CNS损害的神经病理学基础，DC值有潜力成为早期识别OSAHS患者CNS损害的无创性指标，为探究OSAHS患者脑功能损害机制提供了新视角、新思路与新方法。然而，本研究的样本量相对较少，仅局限于比较患者与健康对照者之间脑功能的差异，未以病情分度为亚组进行深入分析，尚需在将来联合应用多种方法对大样本量、处于不同病程的OSAHS患者的脑功能进行综合分析，以阐明其潜在的神经病理学机制。

综上所述，本研究的主要研究结果为OSAHS患者的多个脑区度中心度改变，右侧小脑后叶度中心度减低可能与认知功能的减低有关，左侧楔叶的度中心度减低可能与缺氧密切相关。