基于功能连接的急性脑干梗死默认功能网络研究
引言
脑梗死是老年人的常见病和多发病，常造成严重的运动和认知障碍，并留下后遗症。脑干梗死在脑梗死中约占9.0%～21.9%[1]，虽然其范围较为局限，且离皮层的脑功能区较远，但其集中了大量的灰质核团和白质纤维束，该部位的梗死往往表现严重的临床症状，如语言障碍、神志不清、昏迷、偏瘫等。目前较多的研究集中于脑梗死后运动功能的恢复，而对于认知障碍的恢复研究较少。默认功能网络（Default Mode Net Work，DMN）是大脑在静息状态下最重要的一个子网络，它维持着大脑在静息状态下的认知功能。DMN主要由后扣带回（Posterior Cingulate Cortex，PCC）、内侧前额叶（Medial Prefrontal Cortex，MPFC）、楔前叶、顶下小叶、颞下回以及一些其它脑区组成[2]。因此，研究脑干梗死患者的默认功能网络改变对于认识其认知状态及其后的康复具有重要意义。本研究采用静息态fMRI功能连接（Functional Connectivity，FC）的方法探讨急性期脑干梗死对默认功能网络的改变。
1 材料与方法
1.1 临床资料
总结我院2017年MRI发现的急性期脑干梗死患者26例，其中男18例，女8例，年龄46～87岁，平均68.2岁。入组标准：① 脑干急性期梗死；② 患者可以配合完成MRI检查；③ 右利手。排除标准：① MRI发现颅内其它部位梗死灶；② MRI发现颅内其他病变，如占位、出血、感染等；③ 患者有药物依赖史或精神疾患史；④ 头动过大或图像质量欠佳。同时选取26例性别、年龄、受教育程度与患者相匹配的健康志愿者作为对照组，并签署知情同意书。
1.2 静息态功能磁共振数据采集
采用荷兰Philips Achieve 3.0 T磁共振扫描仪对所有被试者进行数据采集。被试者取仰卧位闭眼，嘱其保持安静并尽量不思考，头部适当固定以减少头动。扫描序列包括3DT1WI、血氧水平依赖序列（Blood Oxygen Level Dependent，BOLD）、T2WI、液体衰减反转恢复序列（Fluid Attenuated Inversion Recovery，FLAIR）、DWI及MRA。3D T1WI采用T1W-3D-FFE序列，TE 3.7 s，TR 8.1 s，FOV 240 mm×240 mm，矩阵240×222，层厚1.0 mm，层间距0 mm，扫描170层，扫描时间329 s。静息态数据采用梯度回波—回波平面脉冲序列，TE 30 ms，TR 2000 ms，反转角90°，FOV 240 mm×240 mm，矩阵64×62，层厚4.0 mm，层间距0.5 mm，共扫描36层。每次采集230个时间点。BOLD序列扫描时间为488 s。
1.3 数据处理
1.3.1 预处理
在Matlab（R2012a）软件平台上使用DPABI 2.3（Data Processing & Analysis for Brain Imaging）进行数据预处理。首先将收集到的静息态数据去除前10个时间点，以避免扫描刚开始时磁场及受试者的不稳定状态影响结果。对余下的220个时间点进行时间层校正、头动校正。然后将图像配准到MNI（Montreal Neurological Institute）空间即空间标准化。以半高全宽为6 mm的高斯核进行平滑，线性回归去除6个头动参数，去除脑灰白质、脑脊液以及全脑平均信号，带通滤波0.01～0.08 Hz，并去线性漂移。以平移2 mm及旋转2°为标准剔除头动过大的数据。
1.3.2 DMN提取
仍然采用DPABI软件，选取DMN的核心节点PCC作为种子点，根据既往研究[3]确定PCC的MNI坐标（0，-52，26），半径10 mm。计算每个被试者种子点与全脑所有体素在时间序列上的相关性，从而获得DMN的FC图，再进行Fisher-Z变换，将相关系数r转换成Z值，以提高其正态性，然后对Z值进行下一步统计分析。
1.4 统计学分析
使用DPABI软件中的统计分析模块分别对患者组及对照组进行单样本t检验，设置P＜0.01为差异有统计学意义，并采用假阳性率校正法进行多重比较校正。使用双样本t检验，比较患者组和对照组DMN的差异，设置P＜0.05为差异有统计学意义，并采用高斯随机场理论进行多重比较校正，体素水平P＜0.01，簇水平P＜0.05。
2 结果
患者组和对照组均成功提取出DMN，并且加载到MNI标准模板上，提取的DMN包括：双侧后扣带回/楔前叶、双侧顶下小叶、双侧前额叶内侧皮质和双侧颞叶外侧皮质（图1～2）。患者组与对照组的差异可以从功能连接图上看到（图3），患者组在内侧额上回的功能连接减低，左侧枕上回及右侧枕叶梭状回的功能连接增高，见表1。
图1 患者组DMN脑区FC图
注：主要包括双侧后扣带回/楔前叶、双侧顶下小叶、双侧前额内侧皮质和双侧颞叶外侧。
图2 对照组DMN脑区FC图
注：主要包括双侧后扣带回/楔前叶、双侧顶下小叶、双侧前额内侧皮质和双侧颞叶外侧。
图3 患者组和对照组经过双样本t检验
注：显示DMN在不同区域FC的增强和减弱。蓝色为减低，红色为增高。
表1 脑干急性期梗塞患者组与对照组FC值的组间比较结果
自动解剖标记脑区Brodmann分区反应簇内最大激活点MNI坐标(X, Y, Z)体素 t值减弱脑区 内侧额上回 9 12, 45, 42 45 5.22内侧额上回 10 3, 60, 3 64 4.66增强脑区 左枕上回 18 -24, -69, 24 159 5.61右枕叶梭状回 18 21, -87, -9 53 5.41
3 讨论
认知活动的完成是由大脑的额叶、颞叶、顶叶、基底结区的灰质核团、脑干及小脑的灰质核团及其间的白质纤维构成的神经网络共同完成的。一种认知活动是由多个脑区或神经结构共同参与完成的，而一个脑区或神经结构则可能参与多种认知活动[4]。Inoue等[5]研究认为脑干网状结构不仅维持大脑的觉醒状态、参与调节和整合各种运动及感觉功能，而且与注意、情绪等认知功能有密切关系。而国外已有的一些研究表明脑干梗死后造成认知功能障碍有很高的发生率[6-10]。脑干梗死后的康复曾长期以躯体功能的恢复为主，而躯体功能恢复的同时往往不伴有认知功能的恢复[9]。DMN是大脑在无任务静息状态下最重要的一个网络，主要由后扣带回、楔前叶、前额叶内侧皮层、双侧顶下小叶等构成，Greicius等[11]和Shulman等[12]研究认为后扣带回在DMN中起着最为关键的作用。DMN脑区及其活性与意识水平相关，也与睡眠、麻醉和意识障碍等变化的意识状态相关。已有研究表明DMN在监测机体内外环境、维持大脑的意识觉醒等多种高级认知功能中具有重要作用[13]。而大脑任何部位的梗死都会造成皮层功能的紊乱，梗死后DMN功能连接的减低可以解释患者出现认知障碍的原因[14]。
静息态fMRI功能连接的方法是在静息状态下分析不同感兴趣区（Region of Interest，ROI）之间或感兴趣区与整个大脑所有体素之间的BOLD信号在时间序列上的相关性。计算功能连接有两种方法，一种是Voxel-wise：先定义一个ROI，然后与全脑的每个体素做时间序列的相关，得到一个功能连接图；另一种是ROI-wise：定义两个或更多ROI，基于这些ROI，计算每两个ROI之间的相关系数。
目前，国内外用静息态fMRI研究DMN的文献已经很多，但是用静息态fMRI功能连接的方法研究急性期脑干梗死DMN改变的文献则很少。本研究运用功能连接Voxelwise的方法以后扣带回这一DMN的核心节点作为种子点，提取DMN的经典脑区，通过比较患者组与对照组DMN脑区之间的差异，来探讨患者在脑干梗死的急性期发生认知障碍的机理。在正常人，后扣带回、内侧前额叶、楔前叶、顶下小叶、颞下回等脑区具有很强的功能连接，本研究的对照组也予以了证实。患者组与对照组比较，我们发现MPFC与PCC之间的功能连接显著减低，而左侧枕上回及右侧枕叶梭状回与PCC的功能连接显著增高。MPFC 主要参与了记忆提取、思维推理、语言加工、执行控制、情感调整及自我评价等认知过程和行为[15]，PCC是监控感觉和立体定位及记忆作用的组织。脑干梗死早期即出现MPFC与PCC之间功能连接的减低，可能是急性期脑干梗死患者出现认知功能障碍的重要原因。有研究表明，MPFC与PCC之间较强的功能连接以及对于缺血的敏感，可能是其在梗死急性期就出现损害的原因[16]。因此，在患者发生脑干急性梗死时，不仅梗死灶本身由于梗死而发生功能障碍，在远隔部位DMN的两个核心节点MPFC与PCC之间功能连接也显著减低，这与患者发生认知障碍有密切关系。而左侧枕上回及右侧枕叶梭状回等脑区与PCC之间功能连接的增高则可能是代偿的结果。脑梗死患者不仅要进行药物治疗，还应有康复治疗[17]。脑干梗死时，以往的观点集中在躯体功能的康复。而近来的研究则专注于梗死后出现的短暂或永久的认知障碍[18]。根据本研究的结果，在康复中进行有助于加强MPFC与PCC之间功能连接的治疗，特别是在梗死早期，针对这两个核心节点相关功能的康复则有可能改善患者的认知障碍。
本研究也存在一些局限性，样本量比较小，未对左右脑干梗死后DMN改变的差异进行分析，也未对患者临床症状与功能连接减低程度进行相关性分析。同时，也只进行了脑干梗死的急性期研究，未对这些患者亚急性及慢性期以及治疗后DMN的改变进行纵向研究，今后本人还将对这些方面进行深入探讨。
综上所述，急性期脑干梗死的患者，其DMN的MPFC与PCC之间功能连接显著减低，这有助于解释其产生认知障碍的原因，为临床后续的治疗和康复提供帮助。
[1] 曹凡,代大伟,王勋.脑干梗死综合征的研究进展[J].中国临床神经科学,2017,25(1):68-76.
[2] Ding X,Li CY,Wang QS,et al.Patterns in default-mode network connectivity for determining outcomes in cognitive function in acute stroke patients[J].Neuroscience,2014,277(10):637-646.
[3] 程悦,沈文,黄黎香,等.肝硬化患者肝移植术后一个月默认模式网络功能连接改变的静息态功能MRI研究[J].中华放射学志,2016,50(5):339-343.
[4] 尹义臣,陈卓铭,杜志宏.卒中后认知功能康复与神经可塑性[J].中国康复医学杂志,2005,20(6):471-474.
[5] Inoue Y,Miyashita F,Koga M,et al.Panmedullary edema with inferior olivary hypertrophy in bilateral medial medullary infarction[J].J Stroke Cerebrovasc,2014,23(3):554-556.
[6] Garrard P,Bradshaw D,Jäger HR,et al.Cognitive dysfunction after isolated brain stem insult. An underdiagnosed cause of long term morbidity[J].J Neurol Neurosur Ps,2002,73(2):191.
[7] Maeshima S,Osawa A,Kunishio K.Cognitive dysfunction in a patient with brainstem hemorrhage[J].Neurol Sci,2010,31(4):495-499.
[8] Hoffmann M,Cases LB.Etiology of frontal network syndromes in isolated subtentorial stroke[J].Behav Neurol,2008,20(3-4):101-105.
[9] Van ZM,De HE,Van GJ,et al.Cognitive functioning in patients with a small infarct in the brainstem[J].J Int Neuropsych Soc,2003,9(3):490.
[10] Hoffmann M,Cases LB.Etiology of frontal network syndromes in isolated subtentorial stroke[J].Behav Neurol,2008,20(3-4):101-105.
[11] Greicius MD,Krasnow B,Reiss AL,et al.Functional connectivity interesting brain: a network analysis of the default mode hypothesis[J].Proc Nail Acad Sei USA,2003,100(1):253-258.
[12] Shulman GL,Fiez JA,Corbetta M,et al.Common blood flow changes across visual tasks: II. decreases in cerebral cortex[J].J Cognitive Neurosci,1997,9(5):624-647.
[13] Ouchi Y,Kikuchi M.A review of the default mode network in aging and dementia based on molecular imaging[J].Rev Neurosci,2012,23(3):263-268.
[14] Tuladhar AM,Snaphaan L,Shumskaya E,et al.Default mode network connectivity in stroke patients[J].PLoS One,2013,8(6):e66556.
[15] 张晨,张敬,孟亮亮,秦文,等.脑梗死患者脑默认网络改变的功能磁共振研究[J].中华老年心脑血管病志,2015,(3):287-290.
[16] Andrewshanna JR,Reidler JS,Sepulcre J,et al.Functionalanatomic fractionation of the brain's default network[J].Neuron,2010,65(4):550-562.
[17] 关利利,刘爱贤,莫林宏,等.康复治疗在脑卒中后认知功能障碍中的应用效果[J].陕西医学杂志,2017,46(5):572-574.
[18] 王潋滟,常履华.脑干卒中与认知功能障碍的研究现状[J].实用临床医学,2015,(1):100-103.
Study of Default Mode Network Based on Functional Connections with Acute Brainstem Infarction