基于动态低频振幅的急性基底节区脑梗死后神经功能重塑性研究*

陈小玲，李文美△，梁志坚

（广西医科大学第一附属医院 1.放射科；2.神经内科,南宁 530021）

急性脑梗死是由于血栓或栓子的阻塞引起的供血突然中断而导致的大脑缺血性损伤[1]。基底节区脑梗死是脑梗死中常见的一种类型，通常认为与运动功能障碍、感觉障碍、情绪迟钝、卒中后抑郁和失语等有关[2-5]。静息态功能磁共振（resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI）是指被试者在清醒、静止不动、平静呼吸、避免任何思维活动的情况下进行的磁共振成像，该技术作为一种研究大脑生理活动的无创方法广泛应用于脑卒中的研究[6]。目前已有研究利用低频振幅（ALFF）分析基底节区脑梗死的大脑功能，发现基底节区脑梗死患者存在固有脑活动改变[7]。有证据表明，大脑的活动是高度快速动态变化的，而急性基底节区脑梗死大脑自发脑活动的时间变异性目前尚不清楚。本研究应用动态ALFF（dALFF）分析方法，比较健康志愿者与急性基底节区脑梗死患者脑局部功能区域活动的时间变异性，并进一步研究其对神经功能重塑的意义。

1 对象与方法

1.1 研究对象 收集2019年8月至2020年12月在广西医科大学第一附属医院神经内科接受住院治疗的34例急性基底节区梗死患者（梗死组），其中男25例，女9例，年龄34～84岁，平均（56.5±11.0）岁，受教育年限（11.50±3.59）年，其中受教育程度小学学历4 例（12%），初中学历11 例（32%），高中学历6 例（18%），大学学历13 例（38%）。34 例中，左侧基底节区20 例，右侧基底节区14 例。病例纳入标准：（1）头颅CT或磁共振确诊为急性脑梗死7 d内的患者；（2）首发梗死，患者有神经功能缺损的表现；（3）单发基底节区病灶：（4）无任何其他神经或精神类疾病。排除标准：（1）复发性梗死或继发性出血；（2）合并其他颅内疾病；（3）合并神经精神类疾病。采用美国国立卫生研究员卒中评分（national institutes of health stroke scale，NIHSS）评估急性基底节区脑梗死患者梗死严重程度及神经功能缺损，Fugl-Meyer 运动功能评分量表（Fugl-Meyer motor function assessment,FMA）评估患者上肢、下肢运动功能并计算总得分，NIHSS 评分为3.25（1.75,5.75）分，FMA 上下肢运动功能总分为82.5（64,87.67）分，FMA 上肢得分54（40,58.89）分，FMA 下肢得分27.1（24.2,29.5）分。

同期招募年龄及受教育程度相匹配的44 例志愿者为健康对照组。其中男19 例，女25 例，年龄28～77 岁，平均（55.34±11.49）岁，受教育年限（12.23±3.06）年,其中受教育程度小学学历1 例（3%）,初中学历13例（29%），高中学历18例（41%），大学学历12例（27%）。健康对照组无颅脑外伤史，无颅内疾病及精神疾病病史，神经功能、神经心理评估、语言、认知功能等均正常。梗死组和健康对照组在年龄、受教育程度上比较，差异均无统计学意义（P＞0.05）；两组性别比较，差异有统计学意义（χ2=7.184，P＜0.05）。

1.2 磁共振数据采集 采用Siemens Prisma 3.0T超导型磁共振仪和64通道头颈联合线圈，扫描开始前嘱咐所有被试者闭眼、保持清醒、扫描过程中尽量不要思考。仰卧位头先进，在头部周围塞入海绵泡沫以减少头部运动。用耳塞填塞双侧外耳道以减少扫描产生的噪声对脑功能数据的影响。静息态功能磁共振成像利用血氧水平依赖（BOLD）序列，扫描参数：TR 2 000 ms，TE 35 ms，体素大小2.6mm×2.6 mm×3.0 mm，层厚3 mm，层数40 层，FOV 240 mm×240 mm，时间点186，翻转角90°；结构像采用3D BRAVO 序列采集全脑高分辨率三维矢状位T1 加权成像，扫描参数：TR 2 300 ms，TE 2.98 ms，体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm，层厚1 mm，层数176层，FOV 256 mm×256 mm。

1.3 rs-fMRI数据预处理 Matlab（2017b）平台上使用RESTplus v1.24 软件进行预处理，步骤为：（1）将DICOM 格式转换为NIFTI格式；（2）去除前10 个时间点；（3）时间层校正；（4）头动校正；（5）应用DARTEL（Diffeomorphic anatomical registration thr-ough exponentiated lie algebra）模板标准化，将个体脑影像配准到蒙特利尔神经研究所（montreal neurological institute,MNI）标准人脑模板的空间坐标上，并进行3 mm×3 mm×3 mm 体素大小的重采样；（6）使用Friston24 调整头动参数，对全局信号、脑脊液信号、脑灰白质信号进行线性回归；（7）采用6 mm 高斯半高宽的核函数进行平滑；（8）去线性漂移。

1.4 dALFF 分析 采用滑动窗方法进行动态分析，定义时间序列的最小频率fmin，选取50 TRs（100 s）的最佳窗宽、步长1 TR 的窗口对fMRI时间信号进行动态截取。首先利用快速傅立叶变换（FFT）对时间序列进行频率转换后，在频带（0.01～0.08 Hz）计算每个频率下的功率谱求平方根，在0.01～0.08 Hz内计算平均值，得到平均ALFF 值。计算所有体素在时间窗中的ALFF后，每个参与者将得到基于窗口的ALFF图。然后计算每个受试者在所有基于窗口的ALFF图上的每个体素的均值和标准差，最后用标准差除以均值得到相应的变异系数（CV）。为了更好地测量不同个体之间局部脑活动的动态变化，本研究使用CV 作为dALFF，它代表了低频局部脑活动中绝对能量消耗的时间变异性。动态ALFF 在RESTplus v1.24 的temporal dynamic analysis（TDA）模块计算。在SPM12 工具包对梗死组及健康对照组的dALFF 值进行两样本t检验，使用高斯随机场（GRF）理论进行多重比较校正（体素水平P＜0.05，团块水平P＜0.05，双尾），以年龄、性别、受教育程度作为协变量。在Xjview10 工具包对两组显著差异脑区的dALFF值进行提取。

1.5 统计学方法 采用SPSS 23.0统计软件分析数据。服从正态分布的计量资料以均数±标准差（）表示，组间比较采用t检验；不服从正态分布的计量资料以中位数（四分位数）[M（P25～P75）]表示，组间比较采用非参数检验。计数资料以百分率（%）表示，组间比较采用χ2检验。对梗死组显著差异脑区的dALFF值与NIHSS评分、Fugl-Meyer运动功能评分进行Spearman相关分析。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组dALFF结果比较 与健康对照组比较，梗死组在左侧颞极、海马旁回、枕中回、背侧额上回、内侧和旁扣带回及右侧直回、楔前叶dALFF 值增高（均P＜0.05），见表1、图1。

表1 急性基底节区梗死组与健康对照组dALFF值差异脑区统计结果

图1 急性基底节区脑梗死患者dALFF 时间变异性显著的脑区

2.2 急性基底节区脑梗死患者脑区dALFF值与NI-HSS、FMA评分的Spearman相关分析结果

右侧直回区域的dALFF 值与急性基底节区梗死患者NIHSS 评分呈负相关关系（r=-0.458，P=0.007），与FMA 下肢得分呈正相关关系（r=0.499，P=0.003），见图2、图3。

图2 急性基底节区梗死患者右侧直回的dALFF 值与NI-HSS得分相关分析散点图

图3 急性基底节区梗死患者右侧直回的dALFF值与FMA下肢得分相关分析散点图

3 讨论

ALFF是检测静息状态下与疾病相关的脑灰质局部自发神经活动的有效方法，能直接提示神经元自发活动，进而反映大脑各区域神经代谢活动的强弱。大脑动态图反映了大脑活动的时间变异性[8]，因此只计算整个BOLD 信号时间序列的平均脑活动可能会损失许多大脑波动的细微信息[9]。在精神活动不受限制的静息状态下，检测脑活动动态特征尤其重要。因此，本研究采用滑动窗口技术获取短时间内ALFF的时间变化信息并探讨其对神经功能重塑的意义。本研究结果显示，梗死组多个脑功能区域dALFF 值增加，主要分布在左侧颞上回、海马旁回、枕中回、背侧额上回、扣带回中部及右侧直回、楔前叶，提示这些区域脑部神经元自发活动变异性增加、活跃。

背侧额上回是辅助运动区（supplementary moter area,SMA）的组成部分。SMA是运动序列管理的主要大脑区域[10]。纵向研究发现，梗死早期此区域的激活与运动功能恢复有关，在梗死后亚急性期和慢性期激活减少[11]。扣带回参与躯体运动功能[12]。枕中回是进行视觉信息的感觉处理中心，肢体运动严重依赖视觉指导[13]。本研究中急性基底节区梗死患者FMA评分低于健康对照组，表明患者运动功能受损。在背侧额上回、扣带回中部与枕中回区域的dALFF值增加，提示急性基底节区梗死患者在神经功能恢复期间具有运动功能重组的潜力。楔前叶是默认模式网络的关键区域。既往研究发现，基底节区脑梗死度中心度（DC）[14]和ALFF[15]的研究均发现楔前叶区域的功能异常。本研究也发现急性基底节区梗死患者右侧楔前叶区域dALFF值增高，这表明楔前叶脑区在基底节区脑梗死后脑功能重构发挥着重要作用。直回、颞极和海马旁回是边缘系统的组成部分，是一组涉及情绪、动机、学习和记忆的大脑结构。这些脑区的dALFF值增高提示，急性基底节区梗死患者在神经功能恢复过程中涉及多个脑区代偿性激活。

本研究结果显示，右侧直回区域的自发性神经元活动的变异性增加与NIHSS评分呈负相关关系，与FMA下肢运动功能评分呈正相关关系。FMA 评分越高，运动能力越强，NIHSS评分越高，梗死神经功能损害越严重，提示右侧直回区域dALFF 值增高，可能是与急性基底节区梗死患者神经功能恢复相关的一个指标。既往研究发现，较高认知和学习能力可能介导梗死患者更好的运动功能恢复[16]，本研究结果与上述研究一致。右侧直回与人类认知功能相关，该区域dALFF值增高，且与FMA下肢运动功能评分呈正相关关系，提示右侧直回自发活动波动增加在急性基底节区梗死患者的运动功能重塑机制发挥着重要作用。

综上所述，本研究应用dALFF方法分析基底节区急性脑梗死患者区域神经活动的时域动态特征发现，脑区自发性神经活动的动态性显著增高主要集中在情绪、认知和运动相关的功能区域，提示dALFF 能捕捉到基底节区梗死后脑功能重塑的存在。右侧直回区域的自发性神经元活动的动态变化与急性基底节区脑梗死患者神经功能恢复存在相关性。

本研究也存在以下局限：（1）进一步的纵向研究可能会丰富和提高对梗死恢复期大脑结构皮层自发神经元活动的动态特征的理解。（2）研究样本相对较小，后续研究需要增加样本量以得到更加可靠及有效的统计结果。