功能磁共振成像技术研究肝硬化病人静息态脑网络异常改变

功能磁共振成像技术研究肝硬化病人静息态脑网络异常改变

在过去的10年里，功能磁共振成像（mri）取得了迅速的发展，深入到认知科学、精神疾病和神经退行性疾病的不同分支，扩大和加深了对脑科学的了解和理解。经典的fMRI研究中所显示的功能脑区是任务状态与无任务的静息状态相减得出的,也就是说,以往的fMRI研究是将对照状态设定为基线状态来研究任务状态的激活脑区的。而近来的研究发现,即使在清醒的闭眼静息状态,人脑也存在功能活动,这种现象引起了学者们的极大兴趣。Raichle等提出在静息状态人脑存在默认功能网络,即扣带回后部皮层、楔前叶、前额叶内侧皮层。学者们还利用不同的分析方法研究了阿尔茨海黙病(AD)、幻听等病人的默认功能脑区的fMRI激活特点,发现扣带回后部皮层和楔前叶最易受累,提出其可作为敏感而特异的诊断AD的指标。目前尚没有见到关于肝硬化病人静息态脑功能网络的研究报道。行为学的研究发现,肝硬化病人可出现以注意功能障碍为基础的认知异常。本研究小组也利用Stroop任务作为靶任务的组块式fMRI证实了上述现象。本研究即在前述研究的基础上,主要针对肝硬化病人无任务的对照状态的脑激活特点进行研究。1材料和方法1.1临床症状及病理组织学检测2005-07—2006-02期间共14例肝硬化病人自愿参加了本研究。其中,男12例,女2例,年龄23～58岁,平均(45±9)岁。4例病理证实为肝硬化(3例为肝移植病肝切除,1例经活检证实),余10例经影像学及临床其他检查综合诊断为肝硬化。14例均为肝炎后肝硬化,1例病人曾患肝性脑病,13例无明显肝性脑病的临床症状,其中7例经临床神经心理学测试判定为MHE,6例为单纯肝硬化病人。14例中Child-Pugh分级A级2例;B级5例;C级7例。均为右利手,视力正常,无精神性疾病、全身性疾病及其他可能影响脑结构与功能的疾病及不良生活习惯(如酗酒)和药物滥用史。14例性别、年龄及受教育程度匹配的健康志愿者参加了本研究,均为右利手,男10例,女4例,年龄24～58岁,平均(42±10)岁。所有受试者裸眼视力均正常。均无肝脏病史,近2月经肝脏超声、CT或MRI检查未见肝脏形态和密度(信号或回声)异常。均无精神性疾病、无全身性疾病和其他可能影响脑结构和功能的不良生活习惯(如酗酒)和药物滥用史。1.2se-epi法脑fmri扫描采用MarconiEclipse1.5T超导型磁共振成像系统,标准正交头线圈。用海绵垫固定受试者头部以减少运动伪影。先行冠状面SE-T1WI扫描,以保证横断面回波平面成像(EPI)左右对称,采集参数:TR/TE335ms/12ms,FOV24cm×24cm,翻转角90°,矩阵192×256,层厚5.5mm,间隔0.5mm,层数17,扫描时间55s。然后行横断面SET1WI扫描,采集参数:TR/TE500ms/12ms,FOV24cm×24cm,翻转角90°,矩阵192×256,层厚6mm,间隔0mm,层数20,扫描时间3min12s。接下来进行横断面SE-EPI血氧水平依赖法脑fMRI扫描,采集参数:TR/TE3000ms/40ms,FOV24cm×24cm,翻转角90°,矩阵64×64,层厚6mm,间隔0mm,层数20,完全复制SE-T1WI序列,帧数90帧/层,共计1800帧,扫描时间270s。最后利用射频扰相稳态快速采集(RF-FAST)序列进行全脑三维扫描,采集参数:TR/TE12ms/4.47ms,FOV24cm×24cm,翻转角20°,矩阵192×256,层厚1mm,间隔0mm,层数182,扫描时间8min26s。1.3颜色命名任务正交头线圈的正上方装置自制的有机玻璃制成的固定架,以固定反射镜。所有刺激均为倒置的大小一致的字,经投影仪投射到白色的屏幕中央,投影角度不超过10°,受试者于正交头线圈内经反射镜可看见正立的字。所用的4个汉字为“红绿黄蓝”。试验包括2个任务,即不一致的认字任务(以下简称认字任务)和不一致的颜色命名任务(以下简称颜色命名任务),每个任务由9个组块构成,包括4个刺激组块和5个对照组块,每个刺激组块包括10个期相(视觉呈现10个字),以伪随机的方式呈现,对照组块为白色的“+”,出现时要求受试者仅注视该“+”,而不想任何事情。所有刺激内容均在黑色背景上呈现。2个任务使用同样的刺激内容。所不同的是,第1个任务要求受试者识别屏幕上出现的汉字(认字任务),而第2个任务则要求受试者识别屏幕上出现的汉字的颜色(颜色命名任务)。在屏幕上出现的汉字字义均与字的印刷色不同。均要求受试者采用默读的方式处理。进行第1个任务前,对受试者进行认字训练(均为字色不一致的汉字),直到其能熟练朗读呈现的汉字,而忽视汉字的印刷色时为止。相反,颜色命名试验则在fMRI扫描开始前向受试者解释清楚试验要求。要求受试者在试验期间尽量保持头部及身体其他部位固定不动,以减少头动及其他相关伪影。1.4印刷色字的要求所有检查完毕后,对受试者进行Stroop的行为学测试。测试试纸上随机排列“红绿黄蓝”共50个字,分别以不同于字义的颜色书写,比如“红”字以绿色书写(红),“蓝”字用红色书写(蓝)。要求受试者按操作者的要求以随机顺序首先尽可能快地读字而忽视字本身的印刷色,然后再读字的印刷色而忽视字本身。分别记录完成50个字的总反应时间以及错误数,包括受试者在认错字或色时纠正错误的时间。1.5功能相对于任务的比较使用统计参数图(SPM99)软件完成图像分析。接受运动校正、空间标准化和图像平滑处理,半最大值全宽采用8mm。本研究主要针对的是对照状态的功能活动进行分析,因此设定的所有对比均是以对照状态减去任务状态进行的。最后将功能图像叠加到经过标准化的解剖图像或受试者的横断面T1WI上。利用SPM99基本模式(basicmodel)中的单样本t检验或两样本t检验进行正常对照组和病人组不同任务的组分析和组间比较。兴奋体素以P≤0.01,连续兴奋体素>10为有统计学意义。利用SPSS10.0版本对2组行为学数据进行配对或独立样本t检验,以P≤0.05为差别有统计学意义。2结果2.1执行错误与执行认字任务的反应时间对反应时间而言,正常对照组和病人组进行颜色命名试验的反应时间长于执行认字试验的反应时间,差别有高度统计学意义(t=-8.188,P=0.000;t=-12.447,P=0.000);病人组执行认字试验及颜色命名试验的反应时间均长于正常对照组的反应时间(表1),提示病人组存在执行功能障碍。对错误数而言,正常对照组执行认字任务与颜色命名任务错误数的差别无统计学意义(t=-1.031,P=0.320),病人组执行颜色命名试验的错误数高于认字试验,差别有高度统计学意义(t=-7.089,P=0.000)。与正常对照组相比,病人组执行认字试验错误数虽然存在增多的趋势,但差别没有达到统计学意义;而执行颜色命名任务的错误数明显增多,差别有统计学意义。以上提示2组均存在Stroop干扰效应,病人组存在执行功能障碍。2.2颜色命名任务的去激活部位组分析结果显示,正常对照组在认字任务时的去激活脑区主要包括:双侧额叶内侧回(BA8/10)、双侧额上回(BA9/10)、左侧额中回(BA6/9)、双侧额下回(BA47)、海马旁回(BA30/35)、楔前叶(BA7)、扣带回后部皮层(BA31)、扣带回前部皮层(BA24)、颞上回(BA13/22/29/38/39/42)、颞中回(BA21/38/39)、右侧颞下回(BA20)。病人组认字任务的去激活脑区主要包括:双侧额叶内侧回(BA9/11)、右侧额上回(BA10/11)、双侧颞上回(BA38)、左侧颞中回(BA38)、双侧颞下回(BA20/21)。从以上对比及图1和图2中可以得知,肝硬化病人执行认字任务时的静息态默认功能网络出现异常改变,扣带回后部皮层(BA31)和楔前叶(BA7)未见激活,提示其是肝硬化病人脑内最易受累的部位。组分析结果显示,正常对照组颜色命名任务的去激活脑区主要包括:双侧额上回(BA9/10)、双侧额中回(BA10)、左额叶中央旁小叶(BA6)、左额叶中央前回(BA6)、双侧中央后回(BA1/3)、左顶下小叶(BA40)、双侧楔前叶(BA7)、双侧扣带回后部皮层(BA30)、左侧前扣带回(BA24)、双侧颞上回(BA38)、左侧颞中回(BA21)。病人组颜色命名任务的去激活脑区主要包括:左侧额叶内侧回(BA6)、双侧额上回(BA8/10)、右侧额中回(BA11)、前扣带回(BA24)、双侧楔前叶(BA7)、双侧扣带回后部皮层(BA23/31)、左顶下小叶(BA40)、双侧颞上回(BA22/39)、双侧颞中回(BA21/38/39)、双侧颞下回(BA20/21)。从以上对比及图3和图4中可以得知,肝硬化病人执行颜色命名任务时的静息态默认功能网络亦出现异常改变,扣带回后部皮层(BA23/31)和楔前叶(BA7)去激活明显增加。本研究还同时对病人组2任务的任务相关的激活与任务相关的去激活脑区进行了观察,结果发现了一个非常有趣的现象。在认字任务中,与正常对照组相比,肝硬化病人动用了很多的脑区以完成任务,而其静息态脑功能网络却明显减少,尤其是扣带回后部皮层(BA31)和楔前叶(BA7)未见激活脑区;颜色命名任务时肝硬化病人任务相关的激活脑区明显少于正常对照者,但其去激活脑区激活强度明显增加。以上提示,任务相关的激活与去激活脑区之间存在一种动态平衡,这种动态平衡的破坏导致了肝硬化病人行为学的异常改变。3讨论3.1静息态的脑功能脑功能成像中,静息态被定义为受试者清醒、静息平卧于检查床,闭眼、平静呼吸;固定头部并最大限度地减少头部及其他部位的主动及被动运动;同时要求尽量不要做任何思维活动。以往研究中也利用固定视物(+)或被动看与刺激任务相同的视觉任务作为对照任务,虽不是理想的静息态,但却得出了与前述相似的静息态脑功能活动网络。Raichle等发现静息闭眼状态与被动视“+”之间许多脑区的血流量没有差别。本研究中采用的对照任务是“+”,呈现时要求受试者仅注视该“+”而不做任何思维活动,头部及身体各部位亦不能运动。从正常对照组2任务的去激活脑区来看,本研究结果与以往的静息态脑功能活动网络基本一致,即人脑在静息态存在着由扣带回后部皮层、楔前叶、前额叶内侧皮层构成的默认脑功能网络。虽然越来越多的研究证实人脑存在静息态的默认功能网络,然而有关其确切的功能意义还知之甚少。目前认为其和情景记忆的提取、对周围环境与自我内省状态的监测以及持续进行的认知和情感的相互作用过程有关。认识静息态的脑活动有着重要的意义。首先,越来越多的研究表明,静息态不是真正的神经元活动的休止状态,一些脑区存在着大量的神经活动。这种现象对fMRI的试验设计提出了更大的挑战。其次,静息态的脑活动不是孤立的现象,脑的默认功能网络在很多疾病均出现异常的活动,这些脑区的异常活动可能是发病的原因。最后,在脑的静息态默认功能网络与任务相关的激活网络之间存在着动态的平衡。本研究进一步证实了上述论点。3.2盘问一:扣带回表面织构与静息态脑功能网络的关系本研究发现了2个现象值得关注。肝硬化病人执行认字任务时的静息态默认功能网络出现异常改变,扣带回后部皮层(BA31)和楔前叶(BA7)未见激活,提示其是肝硬化病人脑内最易受累的部位。本研究中,肝硬化病人执行认字任务的静息态默认功能网络的异常改变在以往有关、幻听等的文献中也见报道,有学者认为扣带回后部皮层(BA31)和楔前叶(BA7)去激活消失可作为诊断AD的生物学标记。本研究小组同期进行的血管性痴呆病人的fMRI去激活研究中也发现了同样的现象。因此,静息态脑网络的异常改变不是一个特异的诊断标记,而更可能是一个普遍的现象,即扣带回后部皮层(BA31)和其邻近的楔前叶(BA7)是最易受累的部位。很多疾病均会出现扣带回后部皮层和其邻近的楔前叶的选择性累及,包括一氧化碳中毒、弥漫性脑缺血、AD。异常高的代谢率以及动脉解剖分布可以解释其易感性。本研究小组同期关于磁共振波谱(MRS)的研究发现,肝硬化病人脑扣带回的MRS表现为Glx/Cr比值升高、mI/Cr及Cho/Cr比值降低,且与静脉血氨值之间存在相关性,提示高氨血症是这些改变的病理生理学基础。可能高氨血症也导致了扣带回后部皮层和其邻近的楔前叶的功能异常。这些发现为研究肝硬化病人的脑损害提供了新的途径。本研究中肝硬化病人执行颜色命名任务时的静息态默认功能网络亦出现异常改变,但与认字任务不同,扣带回后部皮层(BA31)和楔前叶(BA7)激活明显增加。与认字任务出现截然不同的去激活特点似乎难以解释。然而,本研究在病人组任务相关的激活与任务相关的去激活脑区观察中发现:在认字任务中,肝硬化病人与正常对照组相比动用了更多脑区以完成任务,而静息态脑功能网络却明显减少,尤其是扣带回后部皮层和楔前叶未见激活脑区;颜色命名任务时肝硬化病人任务相关的激活脑区明显少于正常对照者,但去激活脑区激活强度明显增加。以往研究也曾发现,在完成不需要认知参与的一般运动、感觉与知觉等任务时,相关脑活动对静息态网络几乎无影响;而在完成认知任务时,相关脑活动对该网络会产生一定影响,认知的难度越大,影响就越明显,两者呈负相关关系,可能反映的是任务状态注意力的集中与刺激非依赖性思维过程之间的竞争。本研究关于肝硬化病