基于功能MRI无先兆偏头痛患者动态功能连接研究

徐春阳 詹松华 谭文莉 张颖颖 成建明 龚志刚 国荣芳 陈慧 黄炎文 徐慧慧 杨玉婵

偏头痛在全世界的患病率为15%，是全球第六大流行疾病［1］。偏头痛给患者和社会带来了沉重的精神和经济负担。无先兆偏头痛（migraine without aura，MwoA）是临床中常见的偏头痛类型。识别无先兆偏头痛中枢神经系统特征性脑功能变化为临床患者寻求有效治疗方案仍是神经影像学研究热点。既往基于静态功能连接技术证实无先兆偏头痛患者存在功能网络异常连接，但是静态功能连接是基于大脑静态假设，将时间序列的平均值反应大脑功能状态的改变有一定局限性。本研究前瞻性收集无先兆偏头痛受试者，利用动态功能连接技术观察无先兆偏头痛患者默认网络和视觉网络间功能连接状态，并分析MwoA患者的动态功能连接指标与临床量表的相关性，为无先兆偏头痛的临床诊断和疗效评价提供更加全面、客观的参考。

方法

1. 临床资料

1.1 研究对象

选取2021年3月至10月间于我院接受治疗的偏头痛患者45例纳入观察组，另招募45例健康被试纳入对照组。本研究经我院伦理委员会批准，所有受试者签署知情同意书，伦理批准文号为2019-767-122-01。

1.2 诊断标准

依据2013年《国际头痛疾患分类》第3版（The International Classification of Headache Disorders，3rd editon；ICHD-3）关于无先兆偏头痛诊断标准［2］进行诊断：①头痛发作至少5次以上；②头痛每次发作持续4～72 h；③具有以下特征，如单侧性、搏动性；④发作期间至少有以下1项，如恶心和呕吐，或畏光和畏声。

1.3 纳入标准

（1）Mwoa患者纳入标准：①符合ICHD-3中MwoA的诊断标准；②年龄≥20岁，且≤40岁，右利手人群；③扫描前后3 d无偏头痛发作；④扫描前1个月无预防性使用止痛药；⑤无酒精及精神类药物滥用史；⑥无MRI检查禁忌证。

（2）健康受试者纳入标准：①年龄≥20岁，且≤40岁，右利手人群；②无神经系统疾病及药物滥用史；③无MRI检查禁忌证。

1.4 排除标准

（1）MwoA患者排除标准：①颅内存在器质性病变的继发性头痛患者；②合并高血压病、高脂血症、糖尿病、心血管疾病、肿瘤等严重原发性疾病者。

（2）健康受试者排除标准：①有偏头痛或其他头痛病史、无头痛家族史；②有脑内器质性病变；③有精神病史或家族精神病史。

2. 研究方法

2.1 一般资料及量表评估

①一般资料：包括性别、年龄、病程、受教育程度等；②临床资料的量表选用：头痛影响测试-6（headache impact test-6，HIT-6）、视觉模拟评分法（visual analogue scale，VAS）。

2.2 fMRI数据收集

带有32通道硬质头颅线圈的联影医疗uMR 7903.0 T MRI进行数据采集。T1W1结构像平扫参数：TR=7.2 ms，TE=3.1 ms，翻转角=10°，视野=256 mm×256 mm，层厚1 mm，层数192。功能磁共振成像（fMRI）参数：TR=2000 ms，TE=30 ms， 翻转角=90°，视野=224 mm×224 mm，矩阵64×64，层数33。体素3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm。共采集240个时间点，每期扫描时间为8 min。

2.3 数据预处理

基于Matlab2013b的DPARSFA软件对fMRI数据进行预处理：①将fMRI获得的原始数据转化为NIfTI格式，便于数据后续处理；②去除前10个时间点、时间校正、头动校正、空间标准化。所有被试的头动平移和转动角度均在3 mm和3°之内。

2.4 独立成分分析（independent component analysis，ICA）

①基于Matlab平台中GIFT软件对所有被试进行组空间ICA，利用软件最优估计，确定为51个独立成分（IC）；②采用ICASSO算法对IC进行100次迭代，选择平均簇内相似度值大于80%的IC；③挑选网络成分：使用Sorting GUI 模块显示所有IC，按照Allen的方法挑选有生理意义的IC［3］。最终筛选出34个IC作为内在连接网络（intrinsic connectivity networks，ICNs）。基于斯坦福大学的功能感兴趣区（ROI）模板匹配出本研究感兴趣DMN、VN网络成分。

3. 统计学分析

（1）一般资料采用SPSS 26.0软件进行统计分析。数据符合正态分布的临床资料用均数±标准差的方式进行描述，组间比较采用独立样本t检验的方法。数据不符合正态分布的临床资料采用中位数（四分位数）的方式进行描述，采用Mann-WhitneyU检验进行组间比较。性别等计数资料采用卡方检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

（2）采用GIFT软件将头动参数、性别作为协变量加入分析，对2组被试采用独立样本t检验的方法对4个状态聚类中心进行定量、定性分析，获得2组下DMN和VN功能连接、脑活动状态相关指标（状态停留比例值、状态平均持续时间、切换次数）的差异，以P＜0.05为差异具有统计学意义，结果经过FDR校正。

（3）利用SPSS软件对动态功能连接指标中的平均停留时间、时间分数、转换次数临床资料评分进行Pearson相关性分析。P＜0.05为具有统计学意义。

结果

1. 一般资料及量表评估

本研究纳入年龄、性别、教育程度均无统计学差异的MwoA患者和健康志愿者作为研究对象，2组一般资料比较见表1。MwoA患者病程为（7.3±3.1）年，VAS评分、HIT-6评分分别为（6.5±2.2）分、（52.02±11.35）分

表1 入组受试者人口学特征

2. 受试者默认网络、视觉网络成分空间分布

本研究所选取的默认网络由IC11（楔叶）、IC29（眶部额中回）、IC31（楔前叶）、IC46（角回）组成，视觉网络由IC6（舌回）、IC9（距状裂周围皮质）、IC30（梭状回）、IC32（枕中回）所组成。见图1。

图1 默认网络与视觉网络独立成分（IC）空间位置IC6：舌回；IC9：距状裂周围皮层；IC11：楔叶；IC29：眶部额中回；IC30：梭状回；IC31：楔前叶；IC32：枕中回；IC46：角回。

3. 动态功能连接状态出现的人数及持续时间占比

2组受试者感兴趣的网络之间存在4种状态的功能连接，MwoA患者4种state时间占比为40.08%、23.79%、18.45%、17.66，出现的人数分别为41、32、32、21。HC组4种state时间占比为33.64%、25.83%、21.81%、18.70%，出现的人数为39、34、28、32。见图2。

图2 MowA患者（A～D）和健康志愿者（E～H）4种网络连接状态出现次数及时间状态占比

4. 状态网络成分动态功能连接强度差异

State 3成分连接强度存在组间差异，相较于健康志愿者，MwoA患者视觉网络内dFC降低，默认网络内dFC无异常，同时视觉网络与默认网络成分之间dFC以降低为主要表现。见图3。

图3 网络连接强度存在显著差异的功能连接状态（state 2）及独立成分（IC）色柱显示绿色、黄色、红色为正性功能连接；蓝色为负性功能连接。

5. 相关性分析

MwoA患者state 1持续时间与HIT-6评分具有正相关，转化次数与病程具有负相关，余未见统计学差异。见图4。

图4 相关分析散点图A. MwoA患者state 1持续时间与HIT-6评分呈正相关；B. MwoA患者转化次数与病程呈负相关。

讨论

本文基于ICA方法挑选网络成分，ICA是数据驱动性，不需要先验假设，提供面向数据的结果。既往研究认为无先兆偏头痛患者多涉及默认网络改变，但在视觉症状的反复刺激下MowA患者视觉皮质中的舌回、梭状回等相关区域活动异常、皮质体积发生改变［4］。动态功能连接较静态功能连接多了时间属性，能更好反映出与疾病相关的信息［5］。虽然目前动态功能连接技术关注了视觉网络活动的异常、对于默认网络与视觉网络之间动态功能连接状态探讨较少，默认网络与视觉网络异常可能为无先兆偏头痛患者特有的影像学标志。故本文采用ICA方法挑选出默认网络、视觉网络，在此基础上采用动态功能连接中滑动时间窗技术分析MwoA患者网络成分。本研究发现MwoA患者state 1停留时间长，并且与HIT-6评分具有正相关性。State 2是2组受试者存在动态功能连接强度差异的状态。转化次数与病程具有负相关性。

state 1是MwoA患者静息状态下主要的脑活动表现，以内部模块化程度、网络间传递效率降低为表现的网络弱连接状态。本研究发现MwoA患者state 1停留时间长，其状态持续时间与HIT-6评分具有相关性。默认网络是高度有序的功能网络，在静息状态活动增强，负责静息状态下记忆、视觉、听觉注意等基本认知功能，其中楔前叶为默认网络中关键节点，以楔前叶为代表的默认网络低强度的连接状态长时间逗留，增加外界刺激信息的敏感性，导致偏头痛患者易受外界因素引起疼痛发作［6-7］。视觉网络由舌回、枕中回、颞中回等脑区组成，参与视觉信息处理、维持默认网络平衡等功能。持续性偏头痛发作形成大脑视觉网络内持续弱连接状态的重组模式，改变疼痛的感知过程，产生MwoA患者视觉空间记忆障碍、畏光、认知功能受损的问题［8］。既往文献报道MwoA患者视觉网络和默认网络之间的dFC降低，MwoA患者默认网络与视觉网络间的连接强度增高与临床症状缓解相关，视觉网络和默认网络之间的异常dFC改变可能是MwoA患者的显著特征［9-10］。HIT-6用于评价头痛对患者工作、家庭、社会活动的影响。state 1持续时间与头痛影响测试（HIT-6）分值具有正相关性，进一步证实MwoA患者以视觉网络和默认网络弱连接状态长时间停留为特征表现，是患者认知、视觉功能受损的体现。

state 2是2组受试者所感兴趣的网络成分中动态功能连接强度具有组间差异的状态。较HC组，MwoA患者表现为视觉网络内梭状回、舌回、枕中回dFC强度低，视觉网络中舌回、梭状回和默认网络内楔叶、眶部额中回、角回之间的低强度dFC，默认网络内无异常改变。梭状回和舌回位于视觉网络重要组成部分，在视空间感知、情绪认知、整合外界视觉信息中发作重要作用，梭状回和舌回之间存在解剖和功能上的连接，研究表明梭状回和舌回的表面积减少与青年焦虑、抑郁评分呈现相关性［11］。本研究纳入的MwoA患者梭状回与舌回的dFC低强度，可能因MwoA患者焦虑、抑郁等负性心理活动引起。MwoA患者发作间期的舌回和梭状回间dFC低强度可能会降低视觉信息处理速度，形成视觉皮质视觉过载的现象，从而导致光敏性强，疼痛阈值低，诱发疼痛现象的产生。楔叶是默认脑网络中一个重要集散节点，参与记忆、空间注意、社会交往、焦虑情绪调节［12］。角回是视觉语言中枢，参与注意力、语义处理、记忆检索等认知功能［13］。视觉网络中梭状回与默认网络内角回、楔叶dFC强度低，提示MwoA患者存在视觉空间记忆受损、视觉认知障碍。眶部额中回属于额叶中最活跃的脑区，负责工作记忆、行为决策等功能［14］。眶额中回与视觉网络内dFC强度增强，可能因为MwoA患者视觉通路遭到破坏，代偿引起视觉网络与眶额中回之间dFC高强度连接，减少因视觉信息传输功能缺陷带来的生理改变。本研究并未发现MwoA患者DMN内存在异常dFC连接，考虑可能的原因是受试者均为门诊患者，症状较轻，病程较短，今后研究需进一步扩大样本量。本研究的转化次数与MowA患者的病程呈现负相关性，不同状态之间的转化次数可以反映认知的灵活性，结果证实MwoA患者认知能力受到损害，MwoA患者可能以视觉空间相关脑区受损为早期认知功能受损的表现［15］。

综上所述，本研究发现基于独立成分分析的dFC方法探究MwoA患者DMN与VN之间以长时间弱连接状态为主要异常表现，MwoA患者可能以视觉空间记忆障碍为早期的认知损伤。MwoA患者存在认知功能损害，可能以视觉认知损害为早期表现。