OSAHS患者的脑功能异常改变：基于VMHC的静息态fMRI研究

伋立荣，王二磊，陈锐，王婧，亚洋，苏桐，程超虹，范国华*

0 前言

阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征（obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome, OSAHS）是一种主要与认知功能损害相关的睡眠障碍，影响注意力、记忆力、执行功能和视觉空间能力等多方面。目前全球近10 亿人患有OSAHS，我国患病人数位居首位[1]。最近有研究表明OSAHS 是阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）的重要危险因素[2]。此外，由于白天嗜睡和注意力分散，OSAHS 患者交通事故发生频次较高[3]。OSAHS引起的认知功能损害严重影响了患者的生命健康，然而其发生机制尚未得到证实。

静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）根据脑血氧水平即可无创且敏感地揭示大脑皮层的异常自发活动，应用前景广阔。既往rs-fMRI 研究表明OSAHS 患者存在多个脑区功能异常以及中枢神经重组[4-6]，但关于OSAHS患者认知损害的确切神经机制尚无定论。镜像同伦连接（voxel-mirrored homotopic connectivity, VMHC）是一种基于静息态功能连接（functional connection, FC）技术的新方法，通过量化两半球对称脑区间自发神经活动的同步性，可以反映两半球间信息交流及整合模式。VMHC在AD、抑郁症、精神分裂症等认知疾病和精神疾病中应用广泛[7-9]，而在OSAHS及其认知障碍中的研究非常少见[10]。基于此，本研究拟采用VMHC 方法探讨OSAHS 患者的脑功能改变，并进一步探讨其与认知状态之间的关系，旨在为OSAHS的发生机制及认知损害的神经机制探索提供影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

前瞻性招募2020 年9 月至2021 年9 月于苏州大学附属第二医院睡眠中心行多导睡眠图（polysomnography, PSG）监测的被试135 例，其中20 例因头动过大或存在颅脑病变而被剔除，最终纳入115 例。以AHI=15 次/h 为界值，将68 例中或重度被 试 归 为OSAHS 组[AHI=（46.32±21.39）次/h]及47 例正常或轻度被试归为对照组[AHI=（5.94±4.07）次/h]。本研究所有被试（包括OSAHS 组和对照组）纳入标准：（1）男性，右利手；（2）年龄20～65 岁；（3）行整夜多导睡眠监测（AHI＞15 次/h 归为OSAHS组，AHI≤15次/h归为对照组），且临床资料及磁共振数据完整；（4）所有OSAHS患者均为首次确诊，未接受药物、手术及呼吸机治疗。排除标准：（1）存在其他睡眠障碍性疾病（如失眠）；（2）存在中枢神经系统疾病（如脑肿瘤、脑外伤、脑卒中、癫痫等）；（3）存在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病等）及精神疾病（如焦虑、抑郁等）；（4）存在长期烟酒及药物依赖；（5）磁共振扫描期间因头动过大致磁共振图像不符合要求者。本研究经苏州大学附属第二医院伦理委员会批准（批准文号：JD-LK-2018-004-02），且遵守《赫尔辛基宣言》。所有被试均签署知情同意书。

1.2 PSG监测

采用Sandman Elit多导睡眠监测仪（Compumedice E系列，澳大利亚）。PSG 监测均在磁共振扫描前1～2 周完成，且监测时间不少于7 h。要求检查前24 h内禁止饮酒、浓茶、咖啡及服用镇静催眠药物。记录AHI、最低SaO2、ODI、SIT90等指标。

1.3 神经认知评估

采用剑桥神经心理自动化成套测试。这是一种涵盖多个认知领域的自动化评估方法，其在评估成年人的脑行为关系中已经得到了广泛的验证[11-12]。本研究采用三项子测试，包括：空间再认记忆（spatial recognition memory, SRM）、空间广度（space span,SSP）和空间工作记忆（spatial working memory,SWM），分别评估被试者视觉记忆、工作记忆和执行功能情况。与传统的纸质认知量表相比，它有如下优势：（1）基于非语言性任务操作，不受语言及学历差异的影响；（2）所有测试分数均由计算机自动生成，具有较高的准确性、敏感度及特异度。

1.4 数据采集

采用3.0 T 磁共振扫描仪（Siemens, Prisma，德国）和配备的64 通道头部线圈进行rs-fMRI 图像采集。所有被试者均被要求平躺、闭眼，保持放松清醒，避免思考。rs-fMRI 采用梯度回波-回波平面成像序列，扫描参数：TR 1240 ms，TE 32 ms，FOV 215 mm×215 mm，翻转角67°，矩阵86×86，层数57，层厚2.5 mm，层间距0 mm，扫描时间6 min 24 s，共采集300 个时相。三维矢状面高分辨率结构像采用快速梯度回波序列，扫描参数为：TR 2300 ms，TE 2.34 ms，FOV 256 mm×256 mm，翻转角8°，矩阵256×256，层厚1.0 mm，层间距0 mm，体素1 mm×1 mm×1 mm，扫描时间3 min 54 s，共采集240 幅图像。所有被试均行轴位液体衰减反转恢复序列扫描以排除颅脑病变。所有被试在扫描完成后均被询问整个检查过程中是否入睡，本研究仅纳入未入睡的被试。

1.5 rs-fMRI数据预处理及VMHC计算

基于Statistical Parametric Mapping（SPM12，http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）的Data Processing& Analysis of Brain Imaging（DPABI_V6.0，http://www.rfmri.org/dpabi）软件包对rs-fMRI 数据进行下述预处理：（1）去除前10个时间点；（2）时间层校正；（3）头动校正，剔除三个方向上（x，y 和z 轴）平移＞2 mm 或转动＞2°或平均帧位移（mean frame-wise displacement, FD）＞0.2 的被试；（4）配准、空间标准化，先将功能像配准到高分辨T1WI 图像上，然后再配准至标准蒙特利尔标准空间坐标系统（montreal neurological institute, MNI）（3×3×3 mm3）；（5）空间平滑，使用6 mm 全宽半高高斯核进行空间平滑；（6）去除协变量，回归24 个头动参数、脑白质和脑脊液等信号；（7）去线性漂移；（8）滤波，采用0.01～0.08 Hz 进行滤波；（9）VMHC 计算，计算大脑半球间每对镜像体素时间序列之间的皮尔逊相关系数，然后通过Fisher-z 变换得到VMHC的z 图谱。

1.6 统计分析

人口学及临床数据使用SPSS 26.0软件分析，本研究所有资料均为计量资料，满足正态分布的变量采用双样本t检验，以均值±标准差表示，非正态分布的变量采用非参数检验，以中位数（四分位间距）表示。采用DPABI 统计模块对两组被试的全脑VMHC图进行双样本t检验，将年龄、受教育年限、BMI 及平均FD 值作为协变量，统计结果采用GRF 校正（体素水平P＜0.001，团块水平P＜0.05，双尾）。最后，提取异常脑区的VMHC 值，与PSG 指标和剑桥认知指标进行偏相关分析，以年龄、受教育年限及BMI 为控制变量。

2 结果

2.1 人口学及临床资料

OSAHS 组与对照组的人口学、PSG 结果及剑桥认知结果见表1。

2.2 VMHC结果

与对照组相比，OSAHS 组在双侧后扣带回、岛叶和颞上回的VMHC 值显著升高（GRF 校正，体素水平P＜0.001，团块水平P＜0.05，双尾）（图1，表2），未发现VMHC值显著降低的脑区。

图1 OSAHS组与对照组VMHC 值差异比较图，红色代表VMHC 值增高脑区。OSAHS：阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征；VMHC：镜像同伦连接。Fig.1 Differences in VMHC values between OSAHS group and control group.Red indicates the significance of higher VMHC values for the group comparisons.OSAHS: obstructive sleep apnea-hypopnea syndrome;VMHC: voxel-mirrored homotopic connectivity.

表2 OSAHS组较对照组VMHC值增高的脑区Tab.2 The brain regions with increased VMHC value in OSAHS group compared with control group

2.3 偏相关分析结果

后扣带回和岛叶的VMHC 值与SRM 选择时间呈正相关（r=0.318，P=0.010；r=0.437，P＜0.001）（图2，图3）。未发现任何异常脑区的VMHC 值与SRM 正确率、SSP、SSP 反应时间、SWM 总错误数及SWM 完成总时间存在相关性。未发现任何异常脑区的VMHC 值与PSG指标间存在相关性。

图2 后扣带回VMHC 值与SRM 选择时间的偏相关分析。 图3 岛叶VMHC 值与SRM 选择时间的偏相关分析。VMHC：镜像同伦连接；SRM：空间再认记忆。Fig.2 Partial correlation analysis between VMHC value in posterior cingulate cortex and the selection time of SRM.Fig.3 Partial correlation analysis between VMHC value in insular and the selection time of SRM.VMHC: voxel-mirrored homotopic connectivity; SRM: spatial recognition memory.

3 讨论

静息状态下，OSAHS 患者存在广泛脑区功能异常，而基于VMHC 方法的研究却非常少见。并且，以往研究大多采用的是传统的纸质量表，这对患者认知损害的评估可能不够精确及敏感。本研究基于VMHC 分析及先进的剑桥认知评估发现，与对照组相比，OSAHS 患者双侧后扣带回、岛叶和颞上回的VMHC值显著增加，并且后扣带回和岛叶的VMHC 值均与SRM 选择时间呈正相关。以上发现为OSAHS 的发生机制及认知损害的神经机制探索提供了影像学依据。

3.1 VMHC增强的适应性代偿机制

本研究发现OSAHS 患者存在多个脑区的VMHC 值显著增加，而未发现VMHC 值显著降低的脑区。VMHC值增加意味着相应脑区半球间FC 增强，连接更加紧密。之前仅有的一项VMHC研究针对29名OSAHS患者和20 名正常对照，同样发现了患者部分脑区的VMHC值显著增加[10]。CABEZA 等[13]提出脑区过度激活是一种补偿机制，且与认知表现呈正相关。再结合既往结构及fMRI 研究均有发现OSAHS 患者部分脑区的皮层厚度增加或功能活动增强的现象[14-16]，我们推测VMHC 增强可能也是一种适应性代偿反应，即大脑试图通过加强与自身对称脑区的联系以维持正常的功能。事实上，代偿现象在睡眠研究中常有报道，例如，ZHU等[17]研究证实睡眠剥夺后多个脑区的VMHC值显著增加，该研究同样认为这可能是大脑的一种功能代偿，即大脑通过加强半球间的FC 来维持睡眠剥夺后低唤醒时的认知能力。

3.2 OSAHS组在双侧后扣带回同伦连接增强

本研究通过剑桥神经认知测试发现，OSAHS 患者SRM 正确率明显减低，SSP 反应时间和SWM 完成总时间明显增加，这表明OSAHS患者涉及多个领域的认知损害，包括视觉记忆、工作记忆和执行功能方面。此前OSAHS相关的认知损害也频繁被报道，目前认为间歇性缺氧和睡眠片段化可能是主要原因，但其确切神经机制尚不清楚[18]。本研究发现OSAHS 患者双侧后扣带回的VMHC 值显著高于对照组，既往多个研究已证实OSAHS患者后扣带回灰质体积减小、白质完整性破坏和功能活动异常[19-22]，均在一定程度上支持本研究的结果。后扣带回作为默认网络（default mode network, DMN）的关键节点，在支持内部导向认知、调节注意焦点和记忆提取过程中扮演重要作用[23]。有学者采用种子点FC 方法发现OSAHS 患者后扣带回与多个脑区间存在FC 异常，提示后扣带回的网络枢纽作用被破坏，推测这可能进一步导致疾病加重和认知功能受损[21]。本研究结果显示双侧后扣带回的VMHC 值与SRM 选择时间呈正相关，笔者推测后扣带回的半球间协调障碍可能与OSAHS 患者的视觉记忆损害密切相关。类似研究也发现OSAHS 患者两侧后扣带回的功能活动异常，并且与认知评分显著相关[22]。遗憾的是，本研究并未发现异常脑区的VMHC 值与反映工作记忆（SSP、SSP 反映时间）和执行功能（SWM 总错误数、SWM 完成总时间）的认知指标间存在显著相关性，我们推测样本量相对较小可能是原因之一；另一方面，OSAHS 患者的认知功能可能在一定程度上存在代偿空间。众所周知，AD 的认知能力下降与tau 病理密切相关，最近有文献指出睡眠障碍也与tau 病理有关，睡眠异常被认为是AD 病理和认知损害的潜在风险因素[24]。同时以往研究表明以后扣带回为核心的默认网络功能异常被认为是AD的重要发病机制[25]，我们推测OSAHS 可能与AD 具有类似的神经机制，双侧后扣带回的功能异常在OSAHS患者认知功能损害的发生过程中可能具有重要意义。

3.3 OSAHS组在双侧岛叶和颞上回同伦连接增强

最初认为岛叶与情感体验、疼痛和感觉运动有关，作为突显网络的重要区域，近年来越来越多的研究证实岛叶还参与高级认知和决策过程。既往研究报道OSAHS 患者表现为岛叶皮层厚度、灰质密度下降[19,26]，提示岛叶是一个脆弱且敏感的脑区。本研究结果显示双侧岛叶VMHC 异常，偏相关分析进一步发现其与SRM选择时间呈正相关，表明岛叶可能参与了OSAHS 患者的认知功能损害过程。与本研究结果相似，有学者发现OSAHS 患者右岛叶和DMN 之间的静息态FC 异常，并且与工作记忆显著相关[6]。此外，还有研究采用磁共振波谱技术发现OSAHS 患者存在岛叶代谢产物异常，提示岛叶的神经元损伤，同时指出这可能是OSAHS 患者产生焦虑、抑郁的原因[27]。最后，本研究还发现了颞上回的VMHC 异常。颞叶主要负责调控记忆、情感和听觉等高级神经活动，其中颞上回与认知和记忆有关。以往研究发现OSAHS患者存在颞上回ALFF 值及Reho 值减低，提示颞上回 功 能 受 损[28-29]。LI 等[30]对21 名 中 重 度OSAHS 患 者持续气道正压通气（continuous positive airway pressure, CPAP）治疗前后进行对比研究，发现基线时OSAHS 患者颞上回ReHo 值较正常对照者减低，经CPAP 治疗后这种情况可逆转，表明颞上回在OSAHS的发病机制中可能具有重要作用，这与本研究结果相一致。

3.4 研究的不足及展望

本研究尚存在以下不足：首先，由于OSAHS 在广大人群中较高的发病率，本研究在执行过程中AHI值正常者的招募存在一定困难（共21 例），为了增大样本量及统计力度，本研究参照以往文献[31]将轻度OSAHS 患者和AHI 值正常者一起纳入了对照组，中重度OSAHS 患者归为患者组，尽管如此，两组间AHI 仍存在显著差异，因此本研究认为该分组方式能够反映OSAHS的致病机制。其次，本研究中对照组受教育年限略高于OSAHS组，尽管我们将受教育年限作为协变量纳入统计模型，但是受教育年限可能仍对结果存在影响，后续我们将继续扩大AHI值正常者的招募来完善匹配研究。

4 结论

综上所述，本研究通过VMHC 分析发现OSAHS 患者表现为特定脑区（后扣带回、岛叶和颞上回）的半球间FC增强，并与认知功能损害存在一定的相关性，这可能有助于了解OSAHS 的发生机制及OSAHS 导致认知损害的潜在神经影像学机制。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：伋立荣起草和撰写稿件，获取、分析及解释本研究的数据；范国华设计本研究的方案，对稿件重要内容进行了批判性审阅及关键性修改，对最终发表的论文进行了全面把关；王二磊参与文章选题和设计，参与磁共振成像数据的分析与解释，对稿件相关内容提供修改意见；陈锐提供研究经费支持，提供PSG 数据的质量控制及分析指导等技术支持；王婧、苏桐、程超虹参与PSG 数据及剑桥认知数据的采集及分析解释；亚洋参与磁共振成像数据的采集及分析解释。陈锐获得了国家自然科学基金的资助；范国华获得了苏州市科技发展计划、江苏省老年健康科研项目的资助；伋立荣获得了苏州大学附属第二医院青年职工预研基金项目的资助；王二磊获得了苏州市医学会“影像医星”科技立项项目的资助。全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。