无先兆偏头痛患者基于皮层的功能磁共振局部一致性研究

李匡时,张 勇,任 毅,张 华,谭中建,邹忆怀

无先兆偏头痛患者基于皮层的功能磁共振局部一致性研究

李匡时,张 勇,任 毅,张 华,谭中建,邹忆怀

目的应用功能磁共振技术对无先兆偏头痛患者的大脑局部一致性的特征性变化进行初步研究。方法对10例无先兆偏头痛患者及与之性别和年龄相匹配的10名健康受试者进行静息态功能磁共振成像。将得到的功能影像数据应用Freesurfer、AFNI、SPM8、REST等软件进行处理后,进行肯德尔系数相关性分析,得到大脑皮层的局部一致性数据。结果与健康受试者相比,无先兆偏头痛患者左侧前扣带回及后扣带回、左侧梭状回、左侧颞下回,右侧额中回及额下回、右侧中央前回及中央后回、右侧舌回局部一致性减弱。结论功能磁共振技术有助于从脑功能层面探讨无先兆偏头痛患者疼痛发作及伴随症状发生的脑功能机制,对临床上无先兆偏头痛的预防、诊疗和评价具有重要意义。

无先兆偏头痛;静息态;局部一致性;皮层计算

偏头痛是由于神经、血管功能失调所引起一种临床常见病。严重的未控制的偏头痛会明显影响患者工作及生活质量。世界卫生组织已经将偏头痛与四肢瘫痪、精神障碍和痴呆列为最严重的慢性功能障碍性疾病[1,2]。应用脑功能成像作为技术手段探讨偏头痛的生理病理机制已经成为近年来的研究热点[3]。近期的研究发现,无先兆偏头痛患者的胼胝体神经纤维细微结构完整性较健康人有明显损害[3],且这种损害与无先兆偏头痛长期的疼痛刺激具有明显相关性。而脑结构的变化势必导致患者脑功能的变化[4],既往的功能影像研究也证实患者脑功能的变化与疼痛病程及发作程度有明显关联性[5,6]。研究表明无先兆偏头痛患者脑功能改变的区域主要集中在前扣带回、双侧岛叶、双侧中央后回、双侧丘脑[57]、枕叶皮层[8,9]、前额叶皮层及颞叶[10]等。然而不论是脑区间的功能连接研究还是特定脑区内的同质性研究,既往的功能影像研究更多的是基于全脑体素的计算,这种使用空间标准化的计算方法往往造成不同被试者的功能解剖位置出现偏差,从而影响计算结果。为了得到更为精确的数据结果,本研究拟应用基于皮层的计算方法对无先兆偏头痛患者大脑皮层的特征性功能异常变化进行探究。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2013年6月—2013年12月就诊于北京中医药大学附属东直门医院神经内科的无先兆偏头痛患者10例,其中男2例,女8例,年龄20岁～ 55岁,病程1年～10年。同时纳入与无先兆偏头痛患者性别和年龄相匹配的健康受试者10名。

1.2 纳入及排除标准 纳入标准:符合2004年国际头痛学会(IHS)制定的“头痛疾患的国际分类”(ICHD-2)中无先兆偏头痛的诊断标准;年龄18岁～60岁;右利手;近3个月来平均每月头痛发作2次～6次;有1年以上偏头痛病史;无镇痛药长期服用史;近3个月内未服用精神类药物及血管活性药物;无核磁扫描禁忌证;签署知情同意书。排除标准:其他类型的头痛患者;合并焦虑、抑郁等相关疾病的患者;合并有心脑血管疾病及其他内科疾病的患者;有药物或酒精成瘾或滥用史的患者;有核磁扫描禁忌证的患者。

1.3 数据采集 将纳入的无先兆偏头痛患者和健康受试者分别进行静息态功能磁共振扫描和T1结构像扫描。所有成像均应用东直门医院核磁室西门子3.0T磁共振设备完成。其中功能像参数为FOV:225×225,矩阵:64×64,层厚:3.5 mm,TR:2000 ms,TE:30 ms,翻转角:90°;结构像参数为FOV:250×250,矩阵:256× 256,层厚:1 mm,TR:1900 ms,TE:2.52 ms,翻转角: 90°。进行以下数据质控:女性被扫描者要求避开月经期3 d以上;偏头痛患者要求避开疼痛发作24 h以上;扫描前,要求被扫描者休息20 min后进入扫描室;扫描期间,要求被扫描者保持清醒且尽量不进行思维活动。

1.4 统计分析 所有的功能影像数据统计分析过程均应用自编软件统一至AC-PC线,使用FreeSurfer软件包将每个被试的高分辨率T1像进行皮层分割,然后使用AFNI-SUMA软件包对所有皮层模型重新计算,使其具有与标准皮层模型相同数目的顶点,即转换为标准皮层空间模型。皮层模型外观基本没有改变,但不同被试的标准模型中,相同序号的顶点指向统一解剖区域。传统的功能磁共振计算方法大多是基于体素,然而这种方法输出的图像往往采用3 cm×3 cm× 3 cm或2 cm×2 cm×2 cm的体素大小进行输出,这严重限制了图像的精细程度,而将功能像投射到经过AFNI-suma标准化后的皮层模型上,可按1 cm×1 cm×1 cm体素输出,解剖位置完全对应,而其在硬件允许的情况下,可以任意调配皮层模型顶点数,可以达到基于体素计算无法达到的精细程度。

使用SPM8软件包对所有功能像数据依次进行时间层校正、头动矫正[11],使用REST软件包进行去线性漂移、低通滤波filter为0.01 Hz～0.08 Hz。处理过的功能像与AC-PC对齐的T1像配准,并投射到标准皮层模型中,得到预处理后的功能像。通过评估皮层每个顶点与以其为圆心半径6 mm内相邻顶点的时间序列之间的肯德尔系数(Kendall’s coefficient of concordance,KCC)得到每个被试者的局部一致性图像,将单个被试者的局部一致性图像进行Fisher-Z转换,患者组与对照组间进行独立t检验,比较结果限定P<0.01(未校正),使用蒙特卡罗模拟迭代1 000次进行簇校正,以限定簇大小。

2 结 果

使用肯德尔系数进行相关性分析,计算无先兆偏头痛患者及健康受试者各脑区的局部一致性(ReHo值)。结果显示,与健康受试者相比,无先兆偏头痛患者左侧前扣带回及后扣带回、左侧梭状回、左侧颞下回,右侧额中回及额下回、右侧中央前回及中央后回、右侧舌回部一致性减弱,未显示局部一致性增强区域。详见表1。

表1 无先兆偏头痛患者ReHo值较健康对照降低的脑区

3 讨 论

脑功能成像的静息态研究是近年来的热点之一,基于静息态的功能磁共振研究对于研究疾病的生理病理机制有着至关重要的意义,有些学者认为静息状态是一种自发组织的神经活动,与任务态相比更能反映疾病的神经病理机制[12]。本研究应用静息态功能磁共振技术对无先兆偏头痛患者大脑皮层区域的局部一致性进行分析。研究结果表明,与健康受试者相比,无先兆偏头痛患者左侧前扣带回及后扣带回、左侧梭状回、左侧颞下回,右侧额中回及额下回、右侧中央前回及中央后回、右侧舌回部一致性减弱。这些区域与既往关于无先兆偏头痛患者基于体素的局部一致性研究结果相吻合[4-10]。

本研究中于无先兆偏头痛患者较健康对照组在左侧前扣带回及后扣带回、左侧梭状回、左侧颞下回,右侧额中回及额下回、右侧中央前回及中央后回、右侧舌回等脑区的局部一致性减低。既往研究认为前扣带回是重要的疼痛调节脑区,其局部一致性与无先兆偏头痛病程有着密切联系[13],这可能与疼痛调节通路失调,导致疼痛调节脑区过度兴奋有关。而前扣带回的通过胼胝体的联合纤维相连,有研究显示无先兆偏头痛患者的这些纤维会有轻微损害[3,14,15],这些研究的结果与当前研究结果可以相互印证。

在既往研究中,静息状态下无先兆偏头痛患者与健康人在前扣带回、后扣带回、顶下小叶、前额叶皮层均表现出较高的局部一致性,这与默认模式网络基本吻合[13]。既往研究表明无先兆偏头痛患者较健康人在默认模式网络中的区域局部一致性降低[16]。在本研究中无先兆偏头痛患者较健康对照组在左侧后扣带回区域表现出局部一致性的降低,而后扣带回在默认模式网络中扮演着极为重要的角色,这种结果也印证了既往研究中关于默认模式网络在无先兆偏头痛中扮演的重要角色。既往研究中前额叶皮层及颞叶亦有着重要的地位,PET研究显示偏头痛发作期较发作间期相比,显示出背侧脑桥、扣带回、小脑、丘脑、岛叶、前额叶皮层及颞叶的激活,这表明偏头痛的发生于皮层下传入通路失调有关[17]。Rocca等[18]的报道无先兆偏头痛患者额叶和颞叶灰质的密度显着下降,其减少和年龄、病程有关。因此,认为本研究中无先兆偏头痛患者右侧额中回及额下回、左侧颞下回、后扣带回的局部一致性减低或许与无先兆偏头痛患者传导通路的失调有关。

本研究中病例组较健康对照组的部分枕叶皮层局部一致性降低,Bramante等[19]的研究证明偏头痛发作过程中,枕叶皮层兴奋性下降,其程度与偏头痛发作的频率和严重程度成正比,亦有研究指出无先兆偏头痛患者PET显像同样观察到枕、颞、顶叶的血流降低[20]。无先兆偏头痛患者在长期病程中可能导致结果区域的血流降低,从而影响这些区域的功能。

在结果中也应该注意到右侧的中央前回及中央后回局部一致性减低,这个区域恰恰处于与疼痛相关的背侧注意网络之中[21],而中央后回亦是躯体感觉的重要中枢,因此该区域与疼痛密切相关,这一区域局部一致性的异常可能是由于长期疼痛刺激和生物应答的结果。

值得指出的是,尽管有既往研究的支持,但是对于局部一致性升高或者降低的意义,现在功能磁共振的研究领域仍然没有定论,因此需要更多的观察予以验证。而本研究也存在着样本量偏小、流行病学分层欠缺、缺乏多模态分析等问题。而多模态分析恰恰是目前的研究热点,因此为了更深入的分析无先兆偏头痛患者的脑功能特征性变化,应该将临床、结构、功能三者紧密结合起来,对无先兆偏头痛患者的生理、病理机制做更深入的探讨。对无先兆偏头痛患者脑功能异常变化的研究将对临床上该病的预防、诊疗和评价具有重要指导意义。

本研究表明,无先兆偏头痛患者与正常人静息状态下大脑皮层的局部一致性存在差异;无先兆偏头痛患者静息态时较健康对照组在左侧前扣带回及后扣带回、左侧梭状回、左侧颞下回,右侧额中回及额下回、右侧中央前回及中央后回、右侧舌回表现出局部一致性减弱。这些结果有助于从脑功能层面探讨无先兆偏头痛患者疼痛发作及伴随症状发生的脑功能机制,对临床上无先兆偏头痛的预防、诊疗和评价具有重要意义。

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Study on the Cortex Regional Homogeneity Based on Functional Magnetic Resonance Imaging in Migraine Patients without Aura

Li Kuangshi,Zhang Yong,Ren Yi,Zhang Hua,Tan Zhongjian,Zou Yihuai
Dongzhimen Hospital,Beijing University of Chinese Medicine,Beijing 100700,China Corresponding Author:Ren Yi

ObjectiveTo study the intrinsic changes in brain regional homogeneity in migraine patients without aura using resting state functional magnetic resonance imaging(fMRI).MethodsTen patients diagnosed of migraines without aura and another 10 genders and age matched healthy subjects were recruited to receive resting state fMRI scanning.The fMRI images were first processed with the software of Freesurfer,AFNI,SPM8,REST.Then,analyzed correlation of the images using Kendall’s coefficient of concordance, and achieved theregional homogeneity data of the cerebral cortex.ResultsCompared with healthy subjects,the regional homogene-i ty of migraine patients without aura showed decreased in left anterior cingulate gyrus and posterior cingulate gyrus,left fusiform gyrus,left inferior temporal gyrus,right middle frontal gyrus and inferior frontal gyrus,right precentral and postcentralgyrus,right lingual gyrus.ConclusionThe results are helpful to explore the brain mechanism associated with pain and symptoms on migraine patients without aura from the aspect of brain function.It is great significance for the prevention,treatment and evaluation of clinical migraine without aura.

migraine without aura;resting state;regional homogeneity;cortical computing

R743R255

:Adoi:10.3969/j.issn.1672-1349.2015.02.017

:1672-1349(2015)02-0181-04

2014-08-21)

(本文编辑郭怀印)

北京市高校青年英才计划项目资助(No.YETP0823);北京中医药大学自主选题项目资助(No.2013-JYBZZ-JS-201,2014-JYBZZ-XS-142)

北京中医药大学东直门医院(北京100700)

任毅,E-mail:rywendy1982@sina.com