基于表面形态学测量评估原发性痛经患者脑结构网络

张 聪,马萧童,祝年文,樊丽华,郑运松,*

(1.陕西中医药大学医学技术学院,陕西 咸阳 712046;2.陕西中医药大学附属医院医学影像科,陕西 咸阳 712000)

原发性痛经(primary dysmenorrhea, PDM)是指在盆腔无器质性病变情况下发生的痛经,是育龄期女性最常见妇科疾病之一[1],约15%患者疼痛严重[2]。目前对于PDM病理生理机制尚未完全明了,但可能与性激素、前列腺素、抗利尿激素水平、子宫血流量改变及子宫异常收缩有关[3-4]。既往研究[5-6]发现,PDM患者存在脑结构和功能异常。基于体素的形态学测量(voxel-based morphometry, VBM)是分析大脑结构的常用方法之一,但可能因存在配准伪影而无法观察疾病引起的真实脑体积变化。相比之下,基于表面的形态学测量(source-based morphometry, SBM)通过将脑回和脑沟几何形状配准至膨胀的球形图谱而极大地减少复杂的折叠模式和整体体积改变带来的潜在误差,能更多维、灵敏和准确地反映脑皮质形态变化[7];采用独立成分分析(independent component analysis, ICA)评估脑灰质(gray matter, GM)图像,可将混合信号分解为最大独立成分而在网络层面获得个体GM的共同形态特征[8]。本研究采用SBM评估PDM患者GM脑结构网络(structural brain network, SBN)。

1 资料与方法

1.1 研究对象 2022年1月—12月于陕西中医药大学招募41例PDM患者(PDM组),均为女性在校学生,年龄18～27岁,平均(21.9±2.4)岁。纳入标准:①年龄18～30岁,未育,右利手;②月经规律,平均周期(28±7)天;③盆腔超声及MR所见符合PDM改变;④近6个月内出现3次以上痛经;⑤于月经来潮的第1～3天接受颅脑MR扫描;⑥接受McGill疼痛问卷(McGill pain questionnaire, MPQ)评估,且MR检查前视觉模拟量表痛经评分>4分。排除标准:①近6个月内使用避孕药、激素制剂、中药或任何作用于中枢系统的药物(如阿片类药物、抗癫痫药物);②合并心、脑、肾等严重疾病或精神疾病;③孕妇或计划近期妊娠;④MR检查禁忌证;⑤颅脑结构明显不对称或存在脑部病变。同期纳入35名健康女性学生作为健康对照(healthy control, HC)组,年龄18～26岁,平均(22.3±1.5)岁。本研究通过院伦理委员会批准(编号:SZFYIEC-YJ-KYBC-2022年第[07]号)。所有受试者均接受焦虑自评量表(self-rating anxiety scale, SAS)及抑郁自评量表(self-rating depression scale, SDS)。检查前受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Skyra 3.0T MR扫描仪、20通道头颅线圈行头部及盆腔扫描。嘱受试者仰卧、佩戴耳塞,以泡沫垫固定其头部。采集颅脑T2-液体衰减反转恢复序列及盆腔脂肪抑制T2WI排除器质性病变后,采集颅脑高分辨率T1结构像;参数:TR 2 530 ms,TE 3.4 ms,FA 7°,FOV 250 mm×250 mm,矩阵256×256,体素1 mm×1 mm×1 mm,层数192。

1.3 图像处理 基于Matlab平台以CAT12计算解剖工具箱与SPM12统计参数映射软件。分割颅脑T1WI中的脑灰质、白质和脑脊液,以线性和非线性变换的DARTEL算法将原生空间结构MRI转换至蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)标准空间,并分割提取1.5 mm3体素灰质。采用非线性变换对分割的灰质图像进行调制,分析区域灰质体积(gray matter volume, GMV)差异并对个体大脑体积进行校正;以半高全宽9 mm高斯核对标准化和调制后的灰质图像进行空间平滑处理。使用GIFT功能MR工具箱进行SBM分析,对经VBM预处理的灰质图像行ICA,将输出设定为30个成分,并以聚类及可视化可靠性评估ICA算法将ICA重复20次。最后每个源网络被重塑为1幅三维图像以显示GMV,其阈值Z>4。

1.4 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料,行两样本t检验。使用CAT12软件包行两独立样本t检验,评估组间SBN差异(FWE校正),SBN负荷系数增高代表GMV增加。采用多元经典交互线性模型比较组间SBN协方差模式差异,评价异常SBN负荷系数与全脑SBN负荷系数(当前SBN除外)的相关性。以Pearson相关性分析评价PDM患者SBN负荷系数与病程和MPQ评分的相关性(Bonferroni校正)。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 基本资料 组间受试者年龄、初潮年龄、月经周期、经期、SAS及SDS评分差异均无统计学意义(P均>0.05),见表1。PDM组病程(77.6±31.2)个月,MPQ评分为(23.2±9.6)分。

表1 PDM患者与HC基本资料比较

2.2 SBN PDM组SBN1、SBN2和SBN3 的负荷系数显著高于HC组(P均<0.05),见图1。将SBN1命名为“颞叶网络”,内含左侧杏仁核、双侧颞极、颞中回和颞下回(图2A);SBN2命名为“默认模式网络(default mode network, DMN)”,包括网络双侧中间扣带皮质、后扣带回、楔前叶、海马和海马旁回(图2B);SBN3命名为“丘脑网络”,主要位于双侧丘脑并包括额下回(图2C)。协方差分析显示,PDM组全脑SBN中的颞叶网络与丘脑网络的正相关性低于HC组(P=0.003),提示其颞叶网络与丘脑网络之间存在异常GMV耦合(图3);PDM患者DMN与颞叶网络及丘脑网络均无显著相关性(P均>0.05)。

图1 PDM组与HC组SBN负荷系数统计图

图2 PDM组与HC组SBN存在差异脑区 A.颞叶网络; B.DMN; C.丘脑网络 (暖色区域代表PDM组SBN负荷系数增高脑区)

图3 颞叶网络与丘脑网络相关性分析图 PDM组颞叶网络与丘脑网络的正相关性低于HC组

2.3 相关性分析 PDM患者SBN负荷系数与病程及MPQ评分无明显相关性(P均>0.05)。

3 讨论

3.1 颞叶网络 本研究发现,PDM患者包含左侧杏仁核、双侧颞极、颞中回和颞下回在内的颞叶网络的SBN负荷系数增高,即相应脑区GMV增加。作为边缘系统的一部分,杏仁核结构复杂,对于调节内脏疼痛和疼痛感知具有重要作用,可接收初级感觉信息并进行编码和传递环境刺激,以促进适应性行为;并通过直接接收来自丘脑和皮质区域的感觉输入而在处理负面情绪和厌恶性刺激方面发挥关键作用[9]。经期疼痛所致反复厌恶性情绪可诱发杏仁核皮质厚度改变[10]。此外,杏仁核为疼痛矩阵中的关键区域之一,参与激活有害刺激的上行通路和疼痛信号传递的下行通路[11]。COPPOLA等[12]发现,慢性偏头痛患者存在包括颞极在内的多个参与伤害性刺激感受、多感觉整合及镇痛依赖脑区GMV异常;DAI等[13]认为颞极远端功能连接异常可能与不典型多感觉整合有关。位于颞极外侧的颞中回参与多种认知功能,如处理情绪相关信息[14]。由此推测,PDM患者颞叶网络GMV增加可能与其情绪调节系统功能障碍和疼痛感觉信息整合紊乱有关。

3.2 DMN 健康成人中,DMN区域为脑连接枢纽,参与多种认知过程及疼痛感知和处理。后扣带回、楔前叶是DMN功能最明确区域,与自我参照认知和情绪处理等自省过程有关[15]。LIU等[10]报道,PDM患者楔前叶低频振幅增加,后扣带回、楔前叶皮质厚度增加,表明疼痛干扰了DMN结构,特别是后扣带回、楔前叶,本研究所见与之相符。情绪压力可致PDM症状加重。海马及海马旁回参与情绪处理和多种认知过程,包括情景记忆、上下文联想和压力相关问题等[16],与痛经感受有明显关系[17]。本研究结果显示,PDM患者海马及海马旁回GMV增加。DMN功能障碍与慢性疼痛状态密切相关,如偏头痛[18]和复杂区域疼痛综合征患者[19]DMN静息态连接异常;DMN异常改变可能与PDM患者压力相关疼痛感知和注意力处理缺陷有关。本研究所见上述脑区GMV改变可能反映了DMN功能改变和疼痛感知的生理机制紊乱。

3.3 丘脑网络 作为最重要的感觉传导中转站之一,丘脑与大脑皮质和皮质下区域广泛连接,对于传递痛觉刺激具有关键作用,如调节疼痛信号输入[20]。既往相关研究[21-22]发现,丘脑GMV增加可能反映中枢因输入更多疼痛信号而敏感化;PDM患者丘脑GMV增加可能与其感觉通路功能障碍有关[10,23]。本研究结果支持上述观点。

在全脑SBN方面,本研究发现PDM患者颞叶网络和丘脑网络之间GMV耦合存在明显改变,其丘脑亚区连接出现异常,主要涉及颞叶皮质及感觉运动皮质,与HAN等[24]所见相符,或可为未来研究颞叶网络功能及其与丘脑网络的关联提供方向。

本研究存在的局限性:①样本量有限,所涉及年龄范围较小;②尽管PDM患者颞叶网络与丘脑网络之间GMV耦合存在异常,但未能结合多模态神经影像数据集整合互补信息,有待后续加以完善。

综上所述,PDM患者脑结构异常可能与相关疼痛感知和调节障碍有关,且其颞叶网络与丘脑网络之间存在相互作用。