静息态fMRI观察左侧基底核区脑梗死特定频段低频振幅改变

李琼阁，单 艺，赵 澄，张 苗，马青峰，戎冬冬，曹燕翔，卢 洁，3 *

(1.首都医科大学宣武医院放射科，3.核医学科，4.神经内科，北京 100053；2.磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053)

基底核区脑梗死通常是由穿支动脉粥样硬化引起的深部缺血性脑血管疾病[1]，最常见临床表现为运动功能障碍。低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation, ALFF)是静息态fMRI的重要研究指标，可反映大脑自发信号的低频振荡[2]。目前将ALFF用于基底核区脑梗死的研究已较为成熟[3]，但特定频段下基底核区脑梗死低频振荡的机制仍有待研究。各脑区在不同频率段下表现出的ALFF不同。本研究基于经典的slow-4频段(0.027～0.073 Hz)和slow-5频段(0.010～0.027 Hz)，采用计算和分析ALFF方法探究左侧基底核区梗死患者神经元活动在特定频段的敏感性，追踪左侧基底核区脑梗死患者急性期与慢性期、慢性期与正常人脑功能对比的纵向变化。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2008年12月—2012年2月25例左侧基底核区梗死患者(梗死组)，男18例，女7例，年龄39～73岁，平均(51.8±10.5)岁。纳入标准：①新发梗死，出现首发症状7天内入院；②DWI显示左侧基底核区梗死，包括基底核核团及其周围白质、内囊；③无其他神经或精神类疾病；④常规MRI未显示其他病灶。排除标准：①左利手或双利手；②随访期间复发梗死或继发性出血。

对梗死组于急性期(发病后7天内)和慢性期(发病后90天左右)行静息态fMRI和临床评分测试，后者包括Fugl-Meyer运动评分、美国国立卫生研究院卒中量表(National Institute of Health stroke scale， NIHSS)评分及Barthel指数(Barthel Index, BI)评分。

同期招募年龄、性别相匹配的26名志愿者为对照组，男15名，女11名，年龄33～70岁，平均(52.7±8.1)岁；均为右利手，无颅脑外伤史，无颅内病变及精神疾病病史，神经功能、神经心理评估、语言、认知功能等均正常。本研究通过我院医学伦理委员会批准，所有受试者均自愿参加，并签署书面知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Trio Tim 3.0T MR扫描仪，12通道头线圈，梯度场强23 mT/m。扫描时固定受试者头部，使其安静平躺于扫描床上，尽量不做任何思考活动，处于自然放松状态。采用梯度回波序列采集fMRI数据，TR 3 000 ms，TE 30 ms，翻转角90°，层厚4 mm，层数47层，矩阵64×64，体素大小3 mm×3 mm×3 mm，共扫描124个时间点，扫描时间6 min 12 s。

1.3 数据预处理 应用基于SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)平台的DPABI工具包(http://rfmri.org/dpabi)对fMRI数据进行预处理[4]。①转换数据格式；②去除前4个时间点的数据；③时间层校正；④头动校正；⑤应用EPI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采用4 mm高斯半高宽的核函数进行平滑；⑦去线性漂移。

1.4 ALFF计算 基于预处理后的数据进行ALFF计算。通过傅里叶变换将给定体素的时间序列转换到频域，得到功率谱后，在预先设定频率域区间内求平均值，计算得到的均方根即为给定体素下的ALFF，其度量的是在给定频段内自发低频振荡的绝对强度。分别计算梗死组(急性期和慢性期)和对照组在slow-4和slow-5两个频段内的ALFF值，并将ALFF值进行标准z变换，用于统计学分析。

1.5 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。计量资料不符合正态分布，以中位数(上下四分位数)表示，采用Wilcoxon检验比较梗死组患者急性期与慢性期的临床评分。采用两独立样本t检验比较2组间年龄差异，性别比较采用χ2检验。P<0.05为差异有统计学意义。

表1 梗死组患者急性期与慢性期临床评分比较[中位数(上下四分位数)，n=25]

采用DPABI统计分析软件对ALFF值进行混合效应分析，分别比较梗死组慢性期与急性期、梗死组慢性期与对照组ALFF值的频率间主效应差异、组间主效应差异和交互作用。随后分别在slow-4和slow-5频段内进行组对比的事后检验，对梗死组慢性期与急性期采用配对t检验，梗死组慢性期与对照组采用两独立样本t检验。最后，基于非参数随机重排检验(5 000次)，采用无阈值簇群增强(threshold-free cluster enhancement, TFCE)的统计方法[5]进行多重比较校正(family-wised error,FWE)。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

梗死组与对照组年龄(t=0.34，P=0.74)、性别(χ2=1.06，P=0.29)差异均无统计学意义。梗死组患者慢性期Fugl-Meyer运动评分、NIHSS评分及BI评分与急性期比较差异均有统计学意义(P均<0.01，表1)。

2.1 梗死组慢性期与急性期 频段间主效应分析结果显示，相较于slow-4频段，梗死组慢性期和急性期slow-5频段下双侧内侧前额叶皮层、楔前叶、颞叶、枕叶的ALFF值较高；相较于slow-5频段，slow-4频段下大脑双侧额叶、脑岛、扣带回、海马、丘脑及基底核区ALFF值均较高(P均<0.05，FWE校正，图1A)。梗死组慢性期与急性期之间主效应及交互作用分析结果均无统计学差异(P均>0.05)。事后检验结果显示，在slow-4频段，与急性期比较，慢性期双侧顶上小叶、楔前叶、枕叶和健侧颞叶ALFF值升高；双侧扣带回和辅助运动区(supplementary motor area, SMA)ALFF值下降(P均<0.05，FWE校正，图1B)。slow-5频段梗死组急性期与慢性期无ALFF值差异脑区(P均>0.05)。

2.2 梗死组慢性期与对照组 频率间主效应分析结果显示，相较于slow-4频段，梗死组慢性期和对照组slow-5频段下双侧内侧前额叶皮层、楔前叶、颞叶、枕叶ALFF值较高；相较于slow-5频段，slow-4频段下双侧额叶、脑岛、扣带回、海马、丘脑、基底核区ALFF值较高(P均<0.05，FWE校正，图2A)。梗死组慢性期与对照组主效应分析结果显示，相较于对照组，梗死组慢性期健侧后扣带回(posterior cingulate cortex, PCC)和患侧中央前回ALFF值降低，健侧侧部额叶脑回和额极ALFF值代偿性升高(P均<0.05，FWE校正，图2B)。事后检验结果显示，在slow-4频段，与对照组比较，梗死组慢性期健侧额上回、扣带回中部、PCC后部、距状沟ALFF值下降，健侧侧部额叶脑回的ALFF值升高(P均<0.05，FWE校正，图2C)；slow-5频段无ALFF值差异脑区(P均>0.05，FWE校正)。交互作用分析结果均无统计学差异(P均>0.05)。

3 讨论

脑梗死是临床常见的缺血性脑血管疾病，发病部位较为复杂。slow-4和slow-5这2个特定频段反映灰质信号变化。本研究观察梗死组同侧(左侧)基底核区梗死患者slow-4和slow-5这2个频段的静息态神经元信号活动的变化，计算获得ALFF值，发现基底核区梗死患者自发神经元活动对slow-4频段的依赖性，且梗死患者在恢复过程中发生多个脑区ALFF值纵向改变及脑功能重构。

图1 梗死组慢性期与急性期ALFF值(红色代表ALFF值升高，蓝色代表ALFF值降低) A.频率间主效应差异脑区； B.Slow-4频段下慢性期与急性期ALFF值差异脑区

图2梗死组慢性期与对照组ALFF值(红色代表ALFF值升高，蓝色代表ALFF值降低) A.频率间主效应差异脑区；B.组间主效应差异脑区； C.Slow-4频段下组间差异脑区

3.1 ALFF值频率间对比差异 本研究发现，左侧基底核区脑梗死患者多个脑区ALFF值在2个频段下存在显著差异，且频率间差异脑区相似；slow-5频段下ALFF值较高脑区(内侧前额叶皮层、楔前叶、颞叶)主要集中在默认网络(default mode network, DMN)。既往研究[6-7]显示，较低频率振荡能整合生成神经元网络。笔者推测，在slow-5频段下，DMN神经元活动更为活跃。本研究中梗死组慢性期与急性期slow-4频段下ALFF值较高脑区(脑岛、基底核区、海马、丘脑等)主要位于皮层下。slow-4和slow-5频段下神经元低频振荡的内在生理学机制虽未完全阐明，但相邻频率域之间存在相互竞争作用[6，8-9]，且slow-4频段下皮层下区域的ALFF值高于slow-5频段，slow-5频段下DMN的ALFF值高于slow-4频段[10]。由此推测slow-4频段对检测大脑皮层下脑区的脑活动异常更为敏感，而slow-5对检测DMN脑区更为敏感。

3.2 ALFF值纵向对比差异 左侧基底核区梗死患者慢性期与急性期ALFF值的纵向对比中，slow-4频段上慢性期患者较急性期双侧扣带回和SMA的ALFF值降低，双侧顶上小叶、楔前叶、枕叶和颞叶ALFF值升高，且升高脑区主要集中在健侧。扣带回与丘脑、基底核区在结构和功能上存在相互关联，参与躯体运动功能；SMA是基底神经节行程环路的部分，与运动功能相关。慢性期患者扣带回和SMA ALFF值降低，提示在运动恢复过程中与基底核区相关、涉及运动功能的脑区仍有缺陷，但同时多个脑区发生了神经元信号的代偿性激活。楔前叶是DMN的主要脑区，参与调控感觉运动功能；顶上小叶涉及感觉、视觉和空间感知功能；颞叶涉及听觉感知等功能[11]。这些脑区ALFF值升高提示，随着运动功能恢复，其他脑功能也发生了代偿性变化。

左侧基底核区慢性期梗死患者与对照组ALFF值的对比中，慢性期患者在健侧PCC和患侧中央前回表现为ALFF值下降；健侧侧部额叶脑回和额极表现为ALFF值升高。PCC是DMN的主要脑区之一，具有定向和自体识别功能；中央前回为运动区，主司全身骨胳肌运动[12-13]；这2个脑区ALFF降低反映梗死患者在运动功能上的缺陷；而健侧侧部额叶脑回和额极ALFF值升高为左侧基底核区脑梗死患者的运动功能障碍提供了代偿。事后检验中，于slow-4频段下发现的梗死区慢性期与对照组间ALFF差异脑区与主效应差异脑区相似，进一步提示基底核区梗死患者神经元自发活动对slow-4频段的敏感性。

基底核脑梗死患者在恢复过程中发生一系列生理学机制改变，包括运动功能变化、脑皮质功能重组等。本研究结果显示慢性期患者运动评分较急性期有显著改善，提示其运动功能明显恢复；组间差异对比发现，随着运动功能恢复，神经元信号激活的脑区逐渐由第二运动区(SMA、楔前叶等)转移至主运动区(中央前回、额极等)，提示此过程中神经元自发活动发生改变的脑区首先集中在第二运动区；随着运动功能提升，主运动脑区神经元自发活动开始发生重塑性变化，且随着患者运动康复，双侧脑区的代偿性激活逐渐转变为健侧脑区激活。上述结果与Li等[11]关于基底核区梗死的纵向研究所见一致，提示随着梗死患者运动恢复，主运动区功能逐渐占据主导，且健侧大脑半球逐渐呈现出代偿效应；这种代偿效应可能是维持患者慢性期运动功能恢复的一种生理学机制，表明基底核区脑梗死患者脑功能存在可塑性。

3.3 slow-4频段研究脑疾病的意义 slow-4频段在重复测量神经元信号上更可靠。李海军等[14]发现阻塞性睡眠呼吸暂停综合征患者在slow-4频段具有广泛ALFF值的异常。Hoptman等[15]指出，slow-4频段能对精神分裂症等疾病提供更多病理生理学信息。本研究的事后检验结果同样发现，在slow-4频段，基底核区脑梗死患者ALFF值表现出广泛的脑区差异，结合slow-4频段下皮层下脑区激活更为显著的结果，推测slow-4频段可以作为检测皮层下脑损伤神经元自发活动异常的敏感指标。

总之，本研究发现左侧基底核区脑梗死患者在运动恢复过程中存在多个脑区神经元自发活动异常，且这些脑区的自发活性仅在slow-4频段下表现出显著差异，提示slow-4频段对检测基底核区脑梗死神经元活动敏感，可为阐述包括基底核区脑梗死在内的神经损伤类疾病的病理生理学机制提供支持。