静息态功能MRI对儿童及青少年难治性颞叶癫痫脑动态功能连接研究

何玉伦,冉海峰,谢雨辛,李清会,胡 杰,陈贵琴,张体江

(遵义医科大学附属医院 放射科,贵州 遵义 563003)

癫痫为临床常见神经系统疾病,全球有超过7 000 万人受到癫痫影响,中国约1 000万患者,癫痫患病率约219.69/10万[1]。难治性颞叶癫痫(drug-resistant temporal lobe epilepsy,DRTLE)为癫痫的常见类型,表现为对药物治疗抵抗,反复痫性发作或异常的行为、感觉,偶尔的丧失意识。既往研究表明[2-3],DRTLE患者存在脑网络连接异常,伴有广泛的认知功能障碍,包括记忆力、注意力、言语和执行功能等均可受累。痫性发作对儿童的影响可能导致儿童终身的脑功能异常,甚至危及生命安全[4]。rs-fMRI(resting state functional magnetic resonance imaging)成像技术无电离辐射并可稳定评估大脑无任务状态下的脑功能连接。传统脑功能连接MRI研究多基于脑活动在扫描期间是静止的假设,然而动态功能连接研究方法可以更符合现实世界脑的动态活动。Yang等[5]对不同癫痫亚型的动态脑网络研究发现,所有癫痫亚型脑网络状态均不稳定,并共享默认模式网络的高时间变异性。本文从脑动态网络连接角度探讨6～16岁常规MRI阴性DRTLE患者脑网络连接改变,并分析其与发病年龄、病程、发作频率和智力评分的关系,以提高该年龄阶段脑功能连接改变对患者脑发育轨迹影响的理解。

1 对象与方法

1.1 对象 收集在遵义医科大学附属医院按照2010年国际抗癫痫联盟癫痫诊断标准确诊为DRTLE患者41例,同期招募性别、年龄、受教育水平和利手匹配的正常对照组35例,每名受试人员均在MRI检查前30 min完成中国-韦氏儿童智力量表Ⅳ版智力测试。DRTLE组纳入标准:(1)依据2010年国际抗癫痫联盟诊断标准确诊为DRTLE的患者;(2)年龄6～16岁;(3)常规MRI阴性。DRTLE组排除标准:(1)不能配合完成智力评估及MRI检查使用镇静剂;(2)其他神经精神疾病及药物滥用者;(3)心、肝、肾等重要器官功能障碍者;(4)颅脑外伤、手术史;(5)颅内器质性病变、严重伪影。本研究经遵义医科大学伦理委员会批准通过,伦理审查批件号为伦审〔2021〕1-080号。所有受试人员均由监护人签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 检查设备及扫描参数 采用美国GE公司 Discovery MR750W 3.0T磁共振扫描仪行数据采集,采用头部专用32通道线圈。所有受试人员佩戴降噪耳机,海绵垫固定头部以减少运动,嘱其闭目、安静、放松和保持清醒。扫描序列及参数:(1)T2-FLAIR(T2-fluid attenuated inversion recovery):重复时间(repetition time,TR):7 000 ms;回波时间(echo time,TE):105 ms;视野(field of vision,FOV):256 mm×256 mm;矩阵(matrix):256×256;层厚:1 mm;反转时间(inversion time,TI):1 862 ms;翻转角(flip angle,FA):90°;扫描层数:312;扫描时间:7.04 min。(2)3D-T1WI(three dimension T1weighted imaging,3D-T1WI):重复时间(TR):8.5 s;回波时间(TE):3.2 ms;视野(FOV):256 mm×256 mm;矩阵(matrix):256×256;层厚:1 mm;翻转角(FA):20°;反转时间(TI):450 ms;扫描层数:288;扫描时间:4 min。(3)rs-fMRI:重复时间(TR):2 000 ms;回波时间(TE):30 ms;视野(FOV):240 mm×240 mm;矩阵(matrix):64×64;层厚:3.75 mm;层间距:0 mm;翻转角(FA):90°,采集时相:210时间点;扫描层数:35层;扫描时间:7 min。

1.2.2 数据处理及分析

1.2.2.1 rs-fMRI 数据预处理 首先将所有受试人员的rs-fMRI原始DICOM图像转化为NIFTI格式。后续基于Matlab2021b平台采用SPM12和DPABI V6.0软件包对数据进行预处理,主要步骤如下:(1)去除前10个扫描时间点(考虑磁场稳定性达到磁化平衡及受试人员对环境的适应),得到200个时间点;(2)时间层校正,纠正机器隔层扫描采集的时间延迟;(3)头动校正,重新对齐数据剔除扫描过程中头动旋转大于3°和平移超过3 mm数据;(4)空间标准化,图像归一化到蒙特利尔神经学研究所使用的脑模板进行配准,体素大小为3 mm × 3 mm × 3 mm;(5)空间平滑处理,使用6 mm × 6 mm × 6 mm 的全宽半高高斯核空间平滑处理。

1.2.2.2 组水平独立成分分析及成分挑选 在Matlab2021b平台的fMRI工具箱(GIFT, version 3.0b, http://mialab. mrn.org/software/gift/)完成组水平独立成分分析(group independent component analysis,GICA)。独立成分分析方法可以在没有先验知识或假设前提下分解出rs-fMRI图像的时间及空间独立成分(independent components,ICs),属于矩阵分解算法中的一种数据驱动方法[6]。根据Allen、Tu等[7-8]文献报道,采用GICA将所有受试人员的数据降维为38个ICs,分析的流程主要为:(1)数据降维;(2)成分数估计(infomax算法在ICASSO中重复500次);(3)反重建及Fisher-Z变换;(4)成分挑选。具体挑选原则及标准:(1)静息态脑网络标准模板结合解剖自动标定选择高度吻合成分;(2)独立成分激活峰值坐标位于皮质及皮质下;(3)与伪影、血管和脑室脑脊液重叠较少。最后据先验知识、既往文献、挑选原则及标准排除部分ICs,将得到29个ICs归为8个静息态脑网络。

1.2.2.3 动态功能网络连接分析 在GIFT软件用滑动时间窗方法进行脑动态功能连接(dynamic functional connectivity,dFC)分析,主要在软件的动态功能连接(Temporal dFNC)分析模块,计算dFC时间参数指标。(1)平均滞留时间:某个状态(state)功能连接矩阵连续出现的时间窗的平均时间;(2)时间分数:某个state时间窗的功能连接矩阵在所有状态总量中的占比;(3)转换次数:为每名受试人员在不同state之间转换的次数。

1.3 统计学分析 使用SPSS 29.0 (IBM Corp, Armonk, NY, USA, Version 29.0)对两组人口统计学特征(年龄、性别和教育水平)、临床变量(发病年龄、病程和发作频率)、智力评分(言语理解、知觉推理、工作记忆、加工速度和总智商)和时间参数指标(平均滞留时间、时间分数和转换次数)行组间差异比较。根据变量分布是否符合正态分布,使用独立样本t检验或Mann-WhitneyU检验。分类变量(性别)使用卡方检验。对两组间的dFC矩阵在GIFT软件的state模块行双样本t检验,采用错误率校正(false discovery rate,FDR)进行多重比较校正(q<0.05),以年龄、性别和受教育水平为协变量。对有组间差异的时间参数指标分别与发病年龄、病程、发作频率和智力评分行相关分析,若指标值服从正态和线性分布,则行Pearson相关分析;反之,则选用Spearman相关性分析。P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 人口统计学和智力评分 DRTLE组和对照组在年龄、性别和教育水平差异均无统计学意义(P>0.05)。与对照组比较,DRTLE组在言语理解、知觉推理、工作记忆、加工速度及总智商均降低,差异有统计学意义(P<0.05,表1)。

表1 难治性颞叶癫痫组与正常对照组临床与智力评分资料

2.2 rs-fMRI 数据分析结果 按照前文所述独立成分挑选原则及标准,得到以下8个功能网络:默认模式网络(default mode network,DMN)、听觉网络(auditory network,AN)、基底节网络(basal ganglia network,BGN)、语言网络(language network,LAN)、楔前叶网络(precuneus network,PRE)、视觉网络(visual network,VSN)、运动网络(motor network,MN)、执行控制网络(executive control network,ECN)。8个功能网络的详细信息和空间图详见图1。

所有受试人员在组水平的独立成分网络空间图基于解剖和功能特性分为8个功能网络,颜色代表不同ICs;X、Y、Z代表每个网络的代表性峰值坐标,包括默认模式网络(DMN,IC2、4、9、12、16、18、21、33)、听觉网络(AN,IC1、17、35)、基底节网络(BGN,IC10)、语言网络(LAN,IC19、38)、楔前叶网络(PRE,IC5、24、34)、视觉网络(VSN,IC7、8、15)、运动网络(MN,IC13、26)、执行控制网络(ECN,IC22、23、25、30、31、32、36)。

2.2.1 动态功能网络连接 应用k-means算法聚类后,通过肘部法则评估最优聚类数,得到4种dFC矩阵,矩阵上方显示了每个state的dFC窗口数量及其所占所有受试人员百分比(图2)。值得注意的是,并不是每一个受试人员都会呈现4种连接状态,因此每个状态的受试人员数量多不相同。总体而言,与对照组比较,DRTLE组脑功能网络连接呈减弱状态。在这4种状态下,state 2占比为41%,state 1、3、4占比分为31%、17%和11%。State 1出现的频率较高,总体呈现连接增强,具有较强的网络内和网络间连接,呈功能连接整合,主要正连接出现在DMN-DMN/BGN/LAN/PRE,VSN-VSN,主要负连接出现在MN-ECN/LAN/DMN/AN。State 2出现频率最高,总体呈现连接减弱,呈功能连接分离,明显负连接出现在DMN-PRE、PRE-MN、VSN-MN。State 3出现频率较低,总体呈现连接增强,具有较强的网络内和网络间连接,呈功能连接整合,主要正连接出现在DMN-BGN/PRE、PRE-PRE、VSN-VSN、LAN-LAN/ECN/PRE/VSN。State 4出现频率最低,总体呈现连接增强,是一种具有高度网络内和网络间连通性的状态,呈功能连接整合,主要正连接出现在LAN-ECN/VSN/ANN之间,负连接在DMN、BGN、ECN三者之间。

A～D:聚类state1-4连接矩阵,横轴和纵轴为每个功能网络所属独立成分,每个矩阵上方对应State所占百分比、受试人员构成和对应受试人员人数,颜色条为功能连接的z值(皮尔逊相关系数);DRTLE:难治性颞叶癫痫,HC:对照组。

暖色调表示连接增强,冷色调表示连接减弱。

2.2.2 动态脑网络连接组间比较 结果发现,与对照组比较,DRTLE组4个state的动态功能连接差异具有统计学意义(q<0.05,FDR校正,图 3)。总体来说,DRTLE组的脑网络主要表现为连接减弱。两组间脑网络连接差异涉及8个脑网络(DMN、AN、BGN、LAN、PRE、MN和ECN):(1)在state 1增强的脑网络主要是LAN-DMN和LAN-BGN,其中连接明显增强的脑网络在LAN-DMN;连接减弱的脑网络主要在AN-AN、VSN-VSN。(2)在state 2连接减弱脑网络主要是DMN-PRE、LAN-ECN/VSN、ECN-ECN,且普遍存在弱连接状态。(3)在state 3连接增强的脑网络主要是:DMN-ECN/LAN/AN、LAN-ECN/MN/AN/DMN,其中连接明显增强的脑网络在LAN-DMN;脑网络内及网络间的连接减弱主要在DME-PRE、AN-AN/MN、VSN-VSN、MN-ECN。(4)在state 4连接增强的脑网络主要是DMN-ECN/LAN、LAN-PRE,其中连接明显增强的脑网络在LAN-PRE之间;连接较弱主要在ECN-ECN/MN/VSN/PRE和VSN-VSN。

2.2.3 动态功能网络时间参数 结果显示在所有个体rs-fMRI扫描中反复出现了4种动态功能连接状态模式。与对照组比较,DRTLE组平均滞留时间在state 1、state 2、state 3的组间差异具有统计学意义(Z=-5.957,-7.551,-2.349;P<0.001,P<0.001,P=0.019);DRTLE组时间分数在state 1、state 2、state 3的组间差异具有统计学意义(Z=-6.214,-7.637,-2.681;P<0.001,P<0.001,P=0.007),而state 4在平均滞留时间和时间分数两组间差异无统计学意义(Z=-1.342,-1.532;P=0.180,P=0.126);转化次数在两组间差异无统计学意义(Z=-0.517,P=0.605)。具体而言,DRTLE组较对照组在state 2下的平均滞留时间显著延长(图4)。

A、B:时间分数(fraction time)和平均滞留时间(mean dwell time)在两组的state1-3间存在差异;C:转换次数(number of transitions)在组间比较未见差异;DRTLE:难治性颞叶癫痫组;HC:对照组。

2.2.4 相关性分析 Spearman分析具有组间差异的时间参数指标与DRTLE组发病年龄、病程、发作频率和智力评分的相关性。结果发现在state 1中时间分数与病程呈负相关(r=-0.337,P=0.031)、平均滞留时间与病程呈正相关(r=0.401,P=0.009),state 1的平均滞留时间和言语智商、知觉推理呈负相关(r=-0.323,P=0.039;r=-0.323,P=0.040),如图5所示。时间分数、平均滞留时间在state2、3、4中未发现与其它临床变量和智力评分有相关性。

A、B:病程与状态1的时间分数、平均滞留时间呈负相关、正相关;C、D:状态1的平均滞留时间与言语理解指数、知觉推理指数呈负相关。

3 讨论

本研究在儿童及青少年DRTLE发现了4种异常状态(state)的dFC模式,state 2出现频率最高,state 4出现频率最低;DRTLE组在state 1、2、3的时间参数指标异常;相关性分析发现动态脑功能连接指标与病程及认知评分之间存在相关性。提示动态脑网络连接指标的变化或许可作为研究DRTLE认知功能改变及神经机制的潜在生物标志物。

脑网络的功能分离与功能整合是大脑对内部及外部的刺激做出的成本效益平衡性反应[9]。人类老龄化进程中,脑网络内功能连接增加,伴随网络间功能连接相对减弱,即功能分离[10-13]。在正常婴幼儿早期,脑网络分离逐渐增加及整合不断降低以适应认知的需求[14]。来自幼儿到青春早期的研究表明,脑功能的分离保持稳定,整合逐渐加强[12]。本研究结果显示DRTLE患者更容易进入一种脑网络连接减弱的状态,即稀疏功能连接状态,提示癫痫的疾病进展使网络的信息传递效率更低、更不稳定和更加紊乱,即神经网络分离和整合均减少。然而,既往对成人DRTLE的研究发现,患者局部信息传递效率提高,同时网络小世界属性维持稳定,表明整体的整合和局部分离之间存在最优平衡[15-16]。本研究结果提示,在儿童及青少年DRTLE,脑网络连接状态的活跃程度和脑网络的连接改变可能是该疾病伴随认知障碍的一种脑网络改变的生物行为过程,这种改变和成人DRTLE脑FC改变不一致,可能是患儿适应脑发育的正常化的需求。这种结果可能在未来发育过程中产生负向影响。

本研究发现,DRTLE组在动态功能连接的4个状态均存在组间差异。根据大脑RSN的不同作用,将其分为高级认知网络(DMN、PRE和ECN)、低级知觉网络(MN、VSN、LAN和AUD)和皮层下网络(BGN)。State 2所占窗口和时间的比例最大,其主要特征是整体呈负连接,表现为网络内和网络间的连接稀疏,即分离状态增加,是一种功能网络脆弱性表现。具体来说,DRTLE在高发生频率的state 2中,网络内具有组间连接差异的只有减弱的ECN-ECN,而网络间具有组间连接差异出现在减弱的DMN-PRE、LAN-ECN/VSN,这与该年龄段功能网络的功能分离保持稳定的概念不一致[12]。研究结果和之前难治性癫痫功能连接减少(分离和整合均减少)的结果一致[3]。结合本研究入组患者发病年龄有大部分在幼儿期,推测这是认知功能降低的主要原因;state1、3、4发生的频率均比健康组明显降低,所占窗口也较少,总体特征是多数呈正连接,表现为网络内和网络间的连接增强,即整合状态增加。3个状态出现的频率均比健康对照组明显降低。虽然DRTLE并没有比正常参与者经历更多的状态转换,但本研究观察到在滑动窗口的功能连接的时间变异性显著增加。这些结果提示DRTLE患者存在大脑功能网络连接状态的改变,这种不稳定的状态强调了功能网络在病情随时间演变过程中从代偿到失代偿的一种变化[17]。本研究结果可提示临床该阶段对DRTLE患者异常脑网络连接进行干预治疗可能对患者预后起积极作用,可使癫痫发作频率减少或不发生[18-19]。

既往研究表明[2],DRTLE患者存在大规模的脑网络连接异常,同时伴有广泛的认知功能损伤,包括记忆力、注意力、言语、执行功能等均可受累。本研究中,入组受试人员均为6～16岁的儿童及青少年常规MRI阴性的DRTLE,结果显示,平均滞留时间越长,患者的病程越长,这与之前对病程小于5年的结果一致[20];另外,分析发现平均滞留时间越长对认知影响越大,特别是言语智商和知觉推理,这与柯铭等[21]对青少年肌阵挛癫痫的研究结果类似;同时对时间分数指标分析发现,该指标改变也反映癫痫患者的病程;本研究结果提示DRTLE在state 1出现较高频率,整个脑功能连接呈现一种分离增加的状态,同时整合状态的出现比例相对下降。因此,推测疾病在某个脑状态的平均滞留时间越长,和(或)所占时间分数(分窗口比例)降低,所对应的疾病病程越长。以上结果提示动态脑功能连接的时间参数改变在神经网络的分离增加及整合降低更加明显,同时伴认知功能下降,提示DRTLE患者大脑大范围网络功能连接改变可能是认知损害的神经网络机制。而dFC时间参数指标与发病年龄及发作频率未发现相关性,原因可能是抗癫痫药物的影响,DRE患者确诊后均处于服药控制癫痫发作状态。癫痫是一种慢性脑网络疾病,病程很大程度上持续地介导了脑网络的改变。

综上所述,儿童及青少年DRTLE患者动态脑网络连接存在多个状态异常改变,且与病程和认知功能相关,推测患者随着病程增加脑动态功能网络的改变超出代偿范围从而伴随相应的认知功能障碍。动态脑网络指标变化或许可作为DRTLE认知功能改变及神经机制研究的一种潜在生物标志物。