楊宇軒 陶 玲* 錢志余 薛 莉 郁 蕓

(南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106)

引言

神經(jīng)膠質(zhì)瘤是中樞神經(jīng)系統(tǒng)最常見的顱腦腫瘤，當(dāng)腫瘤生長(zhǎng)在鄰近或累及腦皮質(zhì)功能區(qū)時(shí)，會(huì)造成患者認(rèn)知水平下降。大腦是一個(gè)有機(jī)功能作用的整體，其局部的病變不僅導(dǎo)致局部功能的改變，還間接地、次級(jí)地影響其他功能信息的傳遞模式，最終導(dǎo)致腦腫瘤患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)的異常。手術(shù)是膠質(zhì)瘤的主要治療手段，臨床手術(shù)過(guò)程中通常認(rèn)為位于額葉、顳葉等區(qū)域的腫瘤屬于非功能區(qū)，為了最大程度地切除病灶，通常采用大范圍切除。神經(jīng)外科醫(yī)生通常根據(jù)臨床解剖學(xué)定位方法，避開很容易識(shí)別的“基本神經(jīng)功能區(qū)”，而對(duì)于解剖學(xué)上很難定位的“高級(jí)神經(jīng)功能中樞”則很少考慮；同時(shí)，大腦還存在其他次要區(qū)域的代償機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些認(rèn)知缺陷的彌補(bǔ)[1]，而這些區(qū)域一旦切除，會(huì)導(dǎo)致明顯的認(rèn)知功能障礙。因此，研究膠質(zhì)瘤患者術(shù)前大腦損傷的模式及術(shù)后可能存在的腦功能代償機(jī)制，可以為患者手術(shù)計(jì)劃的合理制訂提供幫助，在最大程度切除腫瘤的同時(shí)，有效地保護(hù)患者的重要功能區(qū)域，提高患者的手術(shù)成功率，為術(shù)后神經(jīng)功能的康復(fù)提供指導(dǎo)。

近10多年來(lái)，不同模態(tài)的神經(jīng)影像技術(shù)如結(jié)構(gòu)、彌散和功能磁共振fMRI已被廣泛應(yīng)用于大腦神經(jīng)功能損傷的研究中?，F(xiàn)有的研究更多地關(guān)注少數(shù)幾個(gè)腦功能區(qū)之間或者一個(gè)腦功能區(qū)與全腦功能區(qū)域之間的相互依賴關(guān)系[2-3]，將大腦分解為6個(gè)內(nèi)源性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)：默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)、視覺(jué)、聽覺(jué)、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)域和自我參照網(wǎng)絡(luò)[4]，分析腦腫瘤對(duì)功能分化的內(nèi)源性局部網(wǎng)絡(luò)的影響[5-6]。然而，人類大腦的功能活動(dòng)基于兩個(gè)基本的組織原則：功能分化和功能整合。大腦作為一個(gè)整體系統(tǒng)，各個(gè)腦功能區(qū)如何相互作用、調(diào)節(jié)，僅依賴從系統(tǒng)功能模塊內(nèi)部之間的相互作用分析是不完整的，還需要從一個(gè)全局的大尺度角度進(jìn)一步分析，探索腦功能網(wǎng)絡(luò)的工作機(jī)制和功能重組機(jī)制?；诖耍狙芯糠謩e從腦功能組織的功能分化和整合原則出發(fā)，對(duì)額顳葉腫瘤患者的大腦局部功能和整體功能分別采用獨(dú)立成分分析(ICA)和小世界網(wǎng)絡(luò)分析(大尺度腦網(wǎng)絡(luò)分析)方法，探討腫瘤的病變對(duì)患者內(nèi)源性網(wǎng)絡(luò)的影響。目前相關(guān)方面的深入研究還未見報(bào)道。

默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)是人類靜息狀態(tài)時(shí)進(jìn)行相關(guān)認(rèn)知活動(dòng)的重要網(wǎng)絡(luò)，而感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是影響著人類進(jìn)行日?；顒?dòng)的重要腦區(qū)。大量研究表明，大腦神經(jīng)性疾病會(huì)改變默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)[7]；臨床上典型的額顳葉膠質(zhì)瘤患者，常常表現(xiàn)為感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能的下降和行為上的認(rèn)知缺陷[6-8]。課題組前期的研究同樣發(fā)現(xiàn)，額顳葉腫瘤患者在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)模塊和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊上均表現(xiàn)為不同程度的異常。基于此，本研究階段著重分析患者靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)中的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的異常變化。后續(xù)的研究將對(duì)其他的功能模塊做進(jìn)一步的系統(tǒng)分析。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理

本研究的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)來(lái)源于南京腦科醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，47例健康志愿者和9例腦額顳葉腫瘤患者(右側(cè)額葉腫瘤患者4例，右側(cè)顳葉腫瘤患者5例)，所有被試者均為右利手，采集的腦腫瘤患者數(shù)據(jù)包括術(shù)前、術(shù)后靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，額顳葉腫瘤數(shù)據(jù)見表1。數(shù)據(jù)采集采用SIEMENS MAGNETOM Trio Tim 3.0 Tesla磁共振成像儀，采用場(chǎng)回波-平面回波成像序列(EPI)在T1相同平面掃描。掃描參數(shù)：TR=2 000 ms，TE=30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，視野256 mm×256 mm，矩陣為64×64 mm，層厚為3 mm，共30層，采樣體素點(diǎn)為1。T1結(jié)構(gòu)像采集使用MPRAGE序列，掃描參數(shù)：TR=1 900 ms，TE=2.49 ms，層厚為1 mm，翻轉(zhuǎn)角9°，TI=900 ms，F(xiàn)OV=250 mm×250 mm，采集矩陣為256×256，體素為1 mm×1 mm×1 mm。功能圖像掃描方位完全同結(jié)構(gòu)像，共采集140個(gè)時(shí)間點(diǎn)。研究經(jīng)南京腦科醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)通過(guò)。

采用SPM8軟件工具包(statistical parametric mapping, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)，對(duì)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括時(shí)序校正、頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化和空間平滑。采用帶通(0.01～0.08 Hz)進(jìn)行濾波和去線性漂移處理。

1.2 腦功能網(wǎng)絡(luò)的提取

采用GIFT(http://icatb.sourceforge.net/)軟件，對(duì)所有被試的腦功能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分離。具體方法：對(duì)每個(gè)被試者fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行空間獨(dú)立成分分析，根據(jù)GIFT軟件提供的基于最小描述長(zhǎng)度準(zhǔn)則，估出最佳分解成分?jǐn)?shù)，本研究選擇了30個(gè)獨(dú)立成分，這樣就可得到30個(gè)獨(dú)立的腦激活圖以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間序列。將每個(gè)空間腦圖標(biāo)準(zhǔn)化為z值，z值越大，激活就越顯著，功能連通越強(qiáng)，反之則表示激活程度減弱，連通強(qiáng)度降低。

根據(jù)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所包含的主要功能分區(qū)[9]，在解剖模板(automated anatomical labeling, AAL)上提取相對(duì)應(yīng)的位置[9]，制成相對(duì)應(yīng)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模板。在所分離出的獨(dú)立成分中引入goodness-of-fit方法，挑選最優(yōu)默認(rèn)模式和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)：用一個(gè)模板匹配程序選擇與網(wǎng)絡(luò)模板最匹配的成分，該模板匹配程序主要是計(jì)算每個(gè)空間獨(dú)立成分中落在模板內(nèi)體素的ICA的z值的平均值與模板外體素的z值的均值之差，定義為擬合度值(goodness-of-fit scores)，選擇擬合度值最大的成分作為最匹配的空間成分，即可提取出相應(yīng)個(gè)體的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。最后通過(guò)組內(nèi)單樣本分析，便可提取出正常健康者和腫瘤患者的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。

1.3 腦小世界網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

小世界網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建過(guò)程如圖1所示。首先，利用解剖AAL模板將大腦分割成90個(gè)腦區(qū)[10]，將每一個(gè)腦區(qū)定義為網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)腦區(qū)進(jìn)行編號(hào)；其次，對(duì)每位被試者的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，計(jì)算每個(gè)時(shí)間點(diǎn)每個(gè)腦區(qū)的平均血氧水平依賴(BOLD)信號(hào)強(qiáng)度，得到90個(gè)腦區(qū)的BOLD信號(hào)的平均時(shí)間序列，再計(jì)算這90個(gè)時(shí)間序列兩兩之間的相關(guān)系數(shù)，爾后得到90×90的相關(guān)系數(shù)矩陣。最后，進(jìn)行Fisher轉(zhuǎn)換，將相關(guān)矩陣轉(zhuǎn)換為二值連接矩陣。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建出腦腫瘤患者與正常人的大腦功能網(wǎng)絡(luò)，再分別計(jì)算各網(wǎng)絡(luò)特性度量參數(shù)，從而研究大腦小世界網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)特性。

圖1 大腦小世界網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

1.4 核心節(jié)點(diǎn)的計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)是節(jié)點(diǎn)和連線。網(wǎng)絡(luò)中存在的少量核心節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的全局信息傳遞效率起著非常重要的作用，其損失將會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的完整性和連通性，通常將這部分的節(jié)點(diǎn)定義為核心節(jié)點(diǎn)[11]。尋找核心節(jié)點(diǎn)是分析功能網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

介數(shù)中心度法和節(jié)點(diǎn)度法是目前定義核心節(jié)點(diǎn)常用的兩種方法[12]。在網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)度是通過(guò)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的邊的數(shù)目并反映其與其他節(jié)點(diǎn)的連接情況，而介數(shù)中心度是網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑中通過(guò)某一節(jié)點(diǎn)的路徑所占的比例。顯然，介數(shù)中心度更能反映出該節(jié)點(diǎn)在信息傳遞中的重要性，因此本研究采用介數(shù)中心度法來(lái)求取大腦網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)[13]。

為了進(jìn)一步衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)整合效率和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中的重要性程度，引入易損性的概念[14]。易損性表示當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中去除一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，網(wǎng)絡(luò)的全局效率變化的大小。顯然易損性越大，該節(jié)點(diǎn)的破壞對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的影響程度越高。節(jié)點(diǎn)i的易損性表示為

(1)

對(duì)于一個(gè)用N×N鄰接矩陣E表示的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的全局效率Eglob表達(dá)為

(2)

式中，dij=min{Lij}指的是從一節(jié)點(diǎn)到另一節(jié)點(diǎn)所要經(jīng)歷的邊的最小數(shù)目。

1.5 數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析流程

首先，采用ICA分析方法對(duì)正常對(duì)照組、患者術(shù)前組和術(shù)后組數(shù)據(jù)進(jìn)行功能模塊分解，篩選出每個(gè)被試的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的成分，并采用單樣本t檢驗(yàn)提取各組的功能激活區(qū)。其次，在正常對(duì)照組和患者組(術(shù)前)之間進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)，在患者術(shù)前組和術(shù)后組之間進(jìn)行配對(duì)雙樣本t檢驗(yàn)，尋找兩組之間的顯著性差異。接著，構(gòu)建每個(gè)被試的小世界網(wǎng)絡(luò)，采用網(wǎng)絡(luò)特征度量參數(shù)對(duì)腦功能網(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行分析；基于網(wǎng)絡(luò)特征度量參數(shù)，采用介數(shù)中心度法求出患者組手術(shù)前后和正常被試組的核心節(jié)點(diǎn)，并將這些核心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行腦區(qū)定位，進(jìn)行比較分析。最后，為了觀察手術(shù)對(duì)具體功能區(qū)的影響，對(duì)大腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能模塊中的核心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，采用基于介數(shù)中心度值比較的方法，分析腫瘤患者手術(shù)前后大腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊中的網(wǎng)絡(luò)特性的改變，探索手術(shù)對(duì)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)模塊和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊中重要功能區(qū)的影響。

2 結(jié)果

2.1 大腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊

采用單樣本t檢驗(yàn)(P<0.05)，得到每個(gè)被試的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的空間分析圖，結(jié)果如圖3所示。其中，DMN表示默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)，SMN表示感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)?？梢钥闯?，相對(duì)于健康組，患者組無(wú)論在手術(shù)前還是手術(shù)后，在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊上的功能激活區(qū)均有不同程度的變化。

圖3 膠質(zhì)瘤患者和健康對(duì)照組組腦靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)模塊空間激活分布

采用雙樣本t檢驗(yàn)(P<0.05)，得到患者組與健康組相比顯著性差異的腦區(qū)圖，結(jié)果如圖4所示。其中，MTG表示顳中回，SFGdor表示背外側(cè)額上回，MFG表示額中回，PreCG表示中央前回，IPL表示頂下緣角回；冷色表示患者組的功能連接強(qiáng)度相比健康組呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，暖色表示患者組功能連接強(qiáng)度相比健康組呈現(xiàn)升高趨勢(shì)。相對(duì)于健康組，膠質(zhì)瘤患者默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)中顳中回和右側(cè)背外側(cè)額上回呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，而左側(cè)額中回呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，左側(cè)頂下緣角回呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而右側(cè)中央前回呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)(見表2)。

表2 患者組與健康組相比顯著性差異的腦區(qū)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

表3 患者組手術(shù)前后顯著性差異的腦區(qū)(均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

圖4 患者組與健康組相比顯著性差異的腦區(qū)

采用配對(duì)雙樣本t檢驗(yàn)(P<0.05)，得到患者組術(shù)前與術(shù)后相比顯著性差異的腦區(qū)圖，結(jié)果如圖5所示。其中，MTG表示顳中回，SFGdor表示背外側(cè)額上回，MFG表示額中回，PreCG表示中央前回，IPL表示頂下緣角回?？梢钥闯?，相對(duì)于術(shù)后，患者術(shù)前靜息態(tài)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)中左側(cè)額中回和背外側(cè)額上回呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。而感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中呈現(xiàn)上升趨勢(shì)的腦區(qū)為左側(cè)中央后回和補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)區(qū)，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的腦區(qū)則為右側(cè)緣上回(見表3)。

圖5 患者組手術(shù)前后顯著性差異的腦區(qū)

2.2 大腦小世界網(wǎng)絡(luò)特性

求出患者組手術(shù)前后和正常被試組的核心節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行腦區(qū)定位，結(jié)果如圖6所示。圖中觀察到正常對(duì)照組的核心節(jié)點(diǎn)多集中在額葉部位，而腫瘤患者(腫瘤均在腦右側(cè))術(shù)前的核心節(jié)點(diǎn)發(fā)生明顯偏移，多集中在左側(cè)，可認(rèn)為是腫瘤的存在使得核心節(jié)點(diǎn)向?qū)?cè)移動(dòng)。術(shù)后右側(cè)核心節(jié)點(diǎn)顯著增多，可以認(rèn)為是手術(shù)后被腫瘤抑制的節(jié)點(diǎn)又重新激活。

表4 大腦小世界網(wǎng)絡(luò)特性對(duì)比分析

圖6 患者組術(shù)前術(shù)后以及正常對(duì)照組的核心節(jié)點(diǎn)對(duì)比。(a)術(shù)前;(b)術(shù)后;(c)正常對(duì)照組

2.3 大腦功能模塊上的節(jié)點(diǎn)分析

由于選取的患者腦腫瘤在右側(cè)，手術(shù)后腫瘤的切除使得右側(cè)腦區(qū)整體活動(dòng)變得強(qiáng)烈，介數(shù)中心度值升高(術(shù)前：0.012 5±0.000 5，術(shù)后：0.018 4±0.001 0)；左側(cè)腦區(qū)整體活動(dòng)變得緩和，介數(shù)中心度值降低(術(shù)前：0.018 0±0.001 1，術(shù)后：0.012 2±0.000 6)。

對(duì)腫瘤患者手術(shù)前后大腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊介數(shù)中心度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7、8所示。由圖可見，腫瘤對(duì)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)中的后扣帶回影響最大，而且術(shù)后各個(gè)腦區(qū)右側(cè)的數(shù)值較術(shù)前都有所上升，左側(cè)腦區(qū)的數(shù)值有所回落。術(shù)后感覺(jué)運(yùn)動(dòng)模塊中主要的功能區(qū)的介數(shù)中心度值較術(shù)前都有所上升，而患者的臨床測(cè)試結(jié)果也顯示，患者術(shù)后的運(yùn)動(dòng)理解能力較術(shù)前有明顯提高。

圖7 術(shù)前、術(shù)后默認(rèn)模式腦網(wǎng)絡(luò)介數(shù)中心度對(duì)比

圖8 術(shù)前、術(shù)后感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)介數(shù)中心度對(duì)比

3 討論

研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)瘤患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊都存在異常連接，表明腫瘤對(duì)大腦功能網(wǎng)絡(luò)造成了明顯的功能損害。手術(shù)后，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為左側(cè)腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值下降，右側(cè)腦區(qū)(病灶)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值提高，可以認(rèn)為病灶半球經(jīng)過(guò)手術(shù)后，被病灶抑制的節(jié)點(diǎn)可能被重新激活，使得患者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間康復(fù)治療后，在臨床上表現(xiàn)為認(rèn)知障礙得到改善。膠質(zhì)瘤患者術(shù)前、術(shù)后以及對(duì)照組均符合小世界網(wǎng)絡(luò)特性，但患者組的術(shù)后腦功能網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性低于術(shù)前，說(shuō)明術(shù)后病人的腦功能網(wǎng)絡(luò)整體聚合能力下降。通過(guò)大腦網(wǎng)絡(luò)全局參數(shù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，患者組術(shù)后的簇系數(shù)較術(shù)前明顯下降。簇系數(shù)用于衡量網(wǎng)絡(luò)的局部集團(tuán)化程度，患者術(shù)后的簇系數(shù)變小，可以認(rèn)為是醫(yī)生在進(jìn)行臨床手術(shù)切除腫瘤時(shí)破壞了腫瘤周圍的腦區(qū)組織，使得被破壞的腦區(qū)的局部集團(tuán)化程度減弱，與周圍腦區(qū)的信息交流也隨之減弱。核心節(jié)點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)，患者術(shù)前核心節(jié)點(diǎn)向?qū)?cè)正常半球偏移，術(shù)后被病灶抑制的節(jié)點(diǎn)重新激活。該結(jié)果和大腦功能模塊的分析結(jié)果一致。

3.1 大腦功能模塊

膠質(zhì)瘤患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)模塊中，顳中回和背外側(cè)額上回的功能連接強(qiáng)度較健康組顯著降低。Price在對(duì)綜述語(yǔ)言的理解和表達(dá)進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，有意義的言語(yǔ)會(huì)導(dǎo)致左側(cè)顳中回的激活[15]；相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，右側(cè)背外側(cè)額上回在工作記憶中的推理和長(zhǎng)時(shí)間記憶提取中有著至關(guān)重要的作用[16]。根據(jù)這一結(jié)果，膠質(zhì)瘤患者可能會(huì)出現(xiàn)言語(yǔ)理解和記憶功能的障礙。在本研究中，選取的患者為右腦腫瘤，患者在左側(cè)額中回的激活程度較健康組呈上升趨勢(shì)，考慮到腫瘤對(duì)右側(cè)額中回功能區(qū)的破壞，可以認(rèn)為腫瘤患者在左側(cè)對(duì)應(yīng)區(qū)域出現(xiàn)了功能代償現(xiàn)象。膠質(zhì)瘤患者的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊中，右側(cè)中央前回和右側(cè)中央溝蓋較健康組激活程度顯著下降。中央前回是感知運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵腦區(qū)，腫瘤對(duì)右側(cè)腦區(qū)中中央前回功能的破壞是造成患者運(yùn)動(dòng)障礙的關(guān)鍵。

在對(duì)患者手術(shù)前后的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)模塊和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)模塊對(duì)比分析中發(fā)現(xiàn)，術(shù)前左側(cè)腦功能區(qū)的激活程度顯著高于術(shù)后，而術(shù)后右側(cè)腦區(qū)的激活程度高于術(shù)前。由于患者的腫瘤均在右側(cè)，術(shù)前腫瘤的存在對(duì)右側(cè)腦區(qū)產(chǎn)生了抑制作用，在左側(cè)發(fā)生了代償；而術(shù)后右側(cè)腦區(qū)的激活程度高于術(shù)前，可能是因?yàn)槟[瘤的切除，使得受腫瘤影響的右側(cè)腦區(qū)重新得到一定程度的激活。本研究結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果一致：Holodny等研究表明，當(dāng)大腦受到損傷時(shí)，能夠進(jìn)行自發(fā)的大腦半球的功能代償[17]；Cabeza則通過(guò)認(rèn)知正常的年輕人和認(rèn)知下降的老年人以及認(rèn)知正常的老年人做比較，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知正常的老年人通過(guò)潛在的對(duì)側(cè)功能區(qū)的激活，彌補(bǔ)了認(rèn)知功能缺失的問(wèn)題[18]。

3.2 小世界網(wǎng)絡(luò)特性

大腦功能網(wǎng)絡(luò)是個(gè)抽象的網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，人腦具有小世界屬性，小世界網(wǎng)絡(luò)具有較大的簇系數(shù)和較小的平均路徑長(zhǎng)度[19]。在本研究中，膠質(zhì)瘤患者組的術(shù)后腦功能網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性低于術(shù)前，說(shuō)明術(shù)后病人的腦功能網(wǎng)絡(luò)整體聚合能力下降。He等的研究發(fā)現(xiàn)，即使大腦功能發(fā)生改變，其網(wǎng)絡(luò)仍具有較高的拓?fù)鋵W(xué)效應(yīng)，具有小世界網(wǎng)絡(luò)特性，且大腦的小世界屬性受損傷程度的影響，損傷越嚴(yán)重，小世界屬性破壞越明顯[20]。相關(guān)研究表明，不同類型的腦疾病將會(huì)造成大腦功能的紊亂，必然導(dǎo)致大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點(diǎn)位置的改變。核心節(jié)點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)，患者術(shù)前核心節(jié)點(diǎn)向?qū)?cè)正常半球偏移，術(shù)后被病灶抑制的節(jié)點(diǎn)重新激活。該結(jié)果和大腦功能模塊的分析結(jié)果一致。

3.3 大腦功能模塊上的節(jié)點(diǎn)分析

Wallentin等的研究發(fā)現(xiàn)，左側(cè)顳中回在運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言方面起著重要作用[21]。在圖6中，術(shù)后的左側(cè)顳中回(MTG.L)參數(shù)小于術(shù)前的值，可以認(rèn)為是手術(shù)造成大腦結(jié)構(gòu)的破壞所導(dǎo)致的。Enatsu和Parisi等人的研究中發(fā)現(xiàn)，后扣帶回(PCG)和前扣帶回(ACG)在大腦網(wǎng)絡(luò)中起到重要的連接作用[22-23]。圖6中ACG.L、PCG.L的數(shù)值在術(shù)后明顯下降，而這兩個(gè)腦區(qū)右側(cè)術(shù)后的值較術(shù)前有所回升，且PCG.L在術(shù)前的值明顯高于PCG.R。由于病例組中均為右側(cè)腦腫瘤，并且后扣帶回(PCG)在大腦的活動(dòng)中起到至關(guān)重要的作用，說(shuō)明腦腫瘤對(duì)右側(cè)重要功能區(qū)的活動(dòng)起到一定的抑制作用，但在左側(cè)相應(yīng)腦區(qū)得到一定程度的代償，術(shù)后右側(cè)的重要功能區(qū)被重新激活。

Nakajima等人指出輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(SMA)對(duì)動(dòng)作具有記憶功能，且術(shù)后病人的輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(SMA)都出現(xiàn)一定的功能補(bǔ)償[24]。圖7中，病人術(shù)后的SMA值都比術(shù)前大，這體現(xiàn)出手術(shù)后SMA活動(dòng)更為活躍。Costanzo發(fā)現(xiàn)右側(cè)頂下緣角回(IPL.R)的激活會(huì)提高文字識(shí)別能力[25]。圖7中，不論是術(shù)前還是術(shù)后左右IPL的值都有所上升。根據(jù)南京腦科醫(yī)院提供的病人測(cè)試評(píng)分表發(fā)現(xiàn)，術(shù)后對(duì)病人記憶相關(guān)的測(cè)試和對(duì)文字理解的測(cè)試分?jǐn)?shù)較術(shù)前均有所上升，本研究結(jié)果和臨床測(cè)試結(jié)果一致。

綜上所述，患者術(shù)后的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)為左側(cè)腦區(qū)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值下降，右側(cè)腦區(qū)(病灶)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值提高，這是因?yàn)椴≡畎肭蚪?jīng)過(guò)手術(shù)后，被病灶抑制的節(jié)點(diǎn)可能被重新激活，使得患者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間康復(fù)治療后，在臨床上表現(xiàn)為認(rèn)知障礙得到改善。由南京腦科醫(yī)院提供的臨床測(cè)試評(píng)分發(fā)現(xiàn)，本研究中患者術(shù)后的認(rèn)知評(píng)分較術(shù)前有所提高，這同樣說(shuō)明，雖然手術(shù)對(duì)大腦認(rèn)知模塊產(chǎn)生了一定程度的影響，但由于大腦高級(jí)神經(jīng)皮層的可塑性和重組性，導(dǎo)致大腦高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)發(fā)生功能代償和功能恢復(fù)現(xiàn)象，使得患者的認(rèn)知障礙在術(shù)后可以得到康復(fù)。

3.4 患者手術(shù)前后大腦損傷機(jī)制分析及后續(xù)研究

綜上所述，本研究從大腦功能分化和功能整合兩個(gè)角度分析了膠質(zhì)瘤患者手術(shù)前后的大腦損傷機(jī)制?；诠δ芊只难芯?，發(fā)現(xiàn)腫瘤的存在對(duì)額顳葉腫瘤患者的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)造成了明顯的功能損害，但在病灶對(duì)側(cè)大腦正常半球出現(xiàn)了功能代償現(xiàn)象。手術(shù)后受損的右側(cè)腦區(qū)的激活程度較術(shù)前明顯提高，可能是因?yàn)槟[瘤的切除使得受腫瘤影響的右側(cè)腦區(qū)重新得到一定程度的激活。上述研究表明，大腦作為一個(gè)有機(jī)功能作用整體，其局部的病變雖然導(dǎo)致了局部功能的改變，但由于大腦高級(jí)皮層功能的可塑性，大腦受損功能可以在非病灶區(qū)得到代償，也就是說(shuō)大腦內(nèi)部的突觸、神經(jīng)元之間可以建立新的連接，從而以某一處的功能代替病灶區(qū)的功能。

基于功能整合的角度，大腦任何一個(gè)復(fù)雜的功能及其可塑性變化都并非以大腦皮層代表區(qū)的形式存在，而是以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的形式存在?；诖?，本研究在功能分化的基礎(chǔ)上，采用大尺度網(wǎng)絡(luò)特性和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析技術(shù)，對(duì)手術(shù)前后患者的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性(高級(jí)神經(jīng)功能區(qū))進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，相比正常對(duì)照組，腫瘤患者表現(xiàn)了更強(qiáng)的簇系數(shù)和小世界屬性，并且術(shù)前的簇系數(shù)和小世界屬性較術(shù)后更強(qiáng)。就網(wǎng)絡(luò)整體信息傳輸而言，腦腫瘤改變了正常大腦原來(lái)的傳輸路徑，使得一些腦區(qū)間原本可以直接進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂较ВP者認(rèn)為腫瘤患者之所以表現(xiàn)出更強(qiáng)的簇系數(shù)和小世界屬性是因?yàn)槿四X的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重塑，腦區(qū)尋找非病灶區(qū)的其他盡量短的路徑進(jìn)行信息傳輸，導(dǎo)致腦功能重組，在非病灶區(qū)出現(xiàn)功能代償，因此在臨床測(cè)試評(píng)分中并未表現(xiàn)出明顯的認(rèn)識(shí)障礙。術(shù)后腦腫瘤患者的簇系數(shù)和小世界屬性下降，說(shuō)明手術(shù)對(duì)患者的認(rèn)知產(chǎn)生了影響，使得部分功能得到抑制。術(shù)前核心節(jié)點(diǎn)向?qū)?cè)正常半球偏移，從而在非病灶區(qū)可能出現(xiàn)腦功能代償現(xiàn)象；術(shù)后被病灶抑制的節(jié)點(diǎn)重新激活，使得患者經(jīng)過(guò)一段時(shí)間康復(fù)治療后，在臨床上表現(xiàn)為認(rèn)知障礙得到改善。因此，神經(jīng)醫(yī)生在做手術(shù)計(jì)劃時(shí)，不僅要關(guān)注解剖學(xué)上的核心腦區(qū)，同時(shí)要關(guān)注出現(xiàn)代償現(xiàn)象的非核心腦區(qū)，以及術(shù)后可能被重新激活的重要腦區(qū)。

下一步的工作將進(jìn)一步結(jié)合臨床認(rèn)知評(píng)分量表，建立患者個(gè)體認(rèn)知損傷和功能代償機(jī)制的分析模型，將患者受損腦區(qū)、核心腦區(qū)、代償腦區(qū)和術(shù)后可能被激活的腦區(qū)通過(guò)可視化技術(shù)進(jìn)行直觀顯示。

4 結(jié)論

本研究基于靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)，研究了腦腫瘤患者術(shù)前術(shù)后腦功能網(wǎng)絡(luò)的改變，及腫瘤對(duì)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的影響。通過(guò)提取腦腫瘤患者手術(shù)前后和正常對(duì)照組的大腦靜息態(tài)默認(rèn)系統(tǒng)模塊和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)模塊，發(fā)現(xiàn)腫瘤病灶對(duì)大腦內(nèi)源性網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)模塊造成了明顯的損害，并且手術(shù)后患者在兩個(gè)模塊上的損傷較手術(shù)前更明顯。通過(guò)構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)并分析網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)正常人和腦腫瘤患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)均符合小世界特性，腦腫瘤患者的小世界特性比正常人弱。通過(guò)計(jì)算正常人及腫瘤患者術(shù)前、術(shù)后的核心節(jié)點(diǎn)，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，腫瘤患者的核心節(jié)點(diǎn)向腫瘤對(duì)側(cè)偏移，術(shù)后被抑制的節(jié)點(diǎn)可能被重新激活。通過(guò)比較分析患者術(shù)前、術(shù)后默認(rèn)模式腦網(wǎng)絡(luò)和感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)路中腦區(qū)的具體變化，發(fā)現(xiàn)腫瘤對(duì)病人的認(rèn)知能力和運(yùn)動(dòng)能力有一定的影響，手術(shù)后有一定改善，并且根據(jù)測(cè)試評(píng)分表發(fā)現(xiàn)術(shù)后的認(rèn)知測(cè)試情況較術(shù)前有所改善。

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