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靜息態(tài)功能磁共振在CSVD認(rèn)知障礙中的研究進(jìn)展

2022-01-01 18:56高文鑫劉華瓊
影像技術(shù) 2022年6期
關(guān)鍵詞:頂葉連通性腦區(qū)

高文鑫,劉華瓊,許 昌

(濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院 放射科,山東 256600)

腦小血管病 (Cerebral Small Vessel Disease,CSVD)是指由于腦內(nèi)小動脈及穿支動脈硬化[1]導(dǎo)致臨床癥狀、影像學(xué)的綜合改變。CSVD的臨床表現(xiàn)缺乏特異性,主要引起認(rèn)知功能障礙、運(yùn)動及情緒變化[2]。CSVD 癥狀輕微,容易被臨床醫(yī)師忽視,在癥狀前階段通常形成輕度認(rèn)知障礙;在其晚期,CSVD常伴有神經(jīng)癥狀,特別是腔隙性缺血性中風(fēng),以及從輕度認(rèn)知缺陷到血管性癡呆[3]。在癡呆病例中,血管源性因素約為20%,僅次于阿爾茲海默病。既往研究[4]表明,CSVD患者認(rèn)知功能下降主要表現(xiàn)在執(zhí)行能力的下降,通常無記憶功能的損害。CSVD病理進(jìn)程以卒中[5]、癡呆為終末事件,早期發(fā)現(xiàn)并干預(yù)能有效延緩認(rèn)知障礙的進(jìn)展,提高患者生活質(zhì)量,甚至延長壽命。

常規(guī)MRI檢查成為診斷CSVD的常用手段,檢測病變區(qū)發(fā)生病理改變后腦組織信號的改變,其影像學(xué)表現(xiàn)主要包括腔隙性腦梗死、腦白質(zhì)病變、血管周圍間隙擴(kuò)大、腦微出血等腦結(jié)構(gòu)的改變[6]。靜息態(tài)功能磁共振(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI),是在靜息狀態(tài)下依賴血氧水平信號的改變來反映神經(jīng)元的自發(fā)活動,反映了大腦生理狀態(tài)下的自發(fā)活動,在檢測全腦或具體腦域功能活動改變方面具有獨(dú)特的價(jià)值。

大腦網(wǎng)絡(luò)可以劃分為若干個(gè)腦區(qū)[7],各個(gè)腦區(qū)功能不同,又互相連接,密切相關(guān)。很多研究表明,大腦的感覺、運(yùn)動及認(rèn)知是一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)連接功能的改變是CSVD患者發(fā)生認(rèn)知障礙的基礎(chǔ)[8]。本文就rs-fMRI的研究方法對CSVD患者進(jìn)行分析,探討CSVD認(rèn)知功能障礙可能的損傷機(jī)制。

1 功能連接

獨(dú)立成分分析(independent component analysis,ICA)是一項(xiàng)可以提取患者所有可識別網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析的早期技術(shù),但I(xiàn)CA只能顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并不能體現(xiàn)體素之間的連接強(qiáng)度。目前,功能連接,特別是基于ROI的相關(guān)性分析是使用最多的分析方法,優(yōu)點(diǎn)是可以任意選取感興趣的區(qū)域作為種子點(diǎn),分析全腦其他體素與種子點(diǎn)的相關(guān)性及關(guān)聯(lián)強(qiáng)度。但是同時(shí),它的缺點(diǎn)也暴露出來,選擇種子點(diǎn)不可避免存在主觀因素,會對結(jié)果造成偏差。

功能連接的下降可能是認(rèn)知障礙的發(fā)生基礎(chǔ)。在靜息狀態(tài)腦電圖的α波段,阿爾茨海默病患者的大腦連接能力會降低[9],早在 2014 年,Yao 等(2014)[10]在對輕度認(rèn)知功能障礙研究中發(fā)現(xiàn),功能連接性下降主要發(fā)生在杏仁核和顳枕系統(tǒng)及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(Default Mode Network,DMN)中包括的腦區(qū)之間。但在功能連接研究[11]中更是得出后扣帶回(posterior cingulate cortex,PCC)與其他腦區(qū)之間存在連接中斷及功能連通性的增加或降低,例如,不對稱的后扣帶皮層-左側(cè)海馬,右側(cè)背外側(cè)前額葉皮層和右側(cè)丘腦連接中斷;左額葉-頂葉皮層顯示出增加的連通性。

結(jié)構(gòu)連通性為功能連通性提供基礎(chǔ),Sakh等(2014)[12]利用 ICA 識別 DMN 的結(jié)構(gòu)連接,然后將后扣帶皮層作為種子點(diǎn),分析結(jié)構(gòu)連接與功能連接之間,結(jié)構(gòu)連接更強(qiáng)的節(jié)點(diǎn)對之間具有更強(qiáng)的功能連接。Liang 等(2012)[13]基于種子功能連通性研究還發(fā)現(xiàn),在認(rèn)知功能患者的執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)(Execution Control Network,ECN)內(nèi)存在顯著的功能斷開,并且頂葉內(nèi)溝與右額下回的連通性減少,與ECN內(nèi)左額區(qū)連通性增加。邊緣上回與額葉、頂葉等區(qū)域的連通性降低,與顯著性網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分皮層下區(qū)域的連通性增加,這可能暗示輕度認(rèn)知障礙患者中存在損傷與補(bǔ)償共存的機(jī)制。Song 等(2021)[14]薈萃分析了涉及情感、注意力、情緒和認(rèn)知資源之間切換的顯著性網(wǎng)絡(luò)(Salience Network,SN)在輕度認(rèn)知障礙患者中受到顯著影響,SN中特定的功能改變和SN與其他網(wǎng)絡(luò)的相互作用也可能是輕度認(rèn)知障礙個(gè)體潛在的損失機(jī)制。

2 圖論

圖論的方法是從整體和分離的角度分析大腦病變?;趫D論的分析方法無需區(qū)域特定性的假設(shè)檢驗(yàn),在CSVD中更避免了病變異質(zhì)性給組間分析帶來的困難,但目前多種腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊的定義使圖論指標(biāo)的可靠性有待進(jìn)一步研究。在既往研究[15-16]中都強(qiáng)調(diào)了網(wǎng)絡(luò)中斷在CSVD認(rèn)知功能障礙中的重要作用,Boot等(2020)[17]利用圖論的方法,得出整體效率與認(rèn)知指數(shù)的關(guān)聯(lián)最強(qiáng),而特征路徑長度與記憶的關(guān)聯(lián)最強(qiáng),二元局部效率顯示出與注意力和執(zhí)行功能的關(guān)聯(lián)最強(qiáng)。結(jié)果表明,網(wǎng)絡(luò)效率測量,即全局效率和局部效率,在CSVD認(rèn)知下降的成因中起關(guān)鍵作用。

Zhu 等(2020)[18]根據(jù)圖論的方法研究了腦白質(zhì)疏松癥患者功能性腦連接與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系,全腦網(wǎng)絡(luò)中存在小而高效的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-“small world”-小世界,路徑的長度與信息在大腦區(qū)域間的傳遞速度有關(guān),構(gòu)成了認(rèn)知加工的基礎(chǔ)。腦白質(zhì)疏松癥患者腦內(nèi)存在異常的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),存在潛在的建設(shè)重組[19],絕對路徑長度和標(biāo)準(zhǔn)化路徑長度增加,降低了全局和局部的傳輸效率。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了與腦白質(zhì)疏松癥患者相關(guān)的斷開網(wǎng)絡(luò)[18],該網(wǎng)絡(luò)由連接不同大腦模塊和單個(gè)模塊的連接組成,推測這些網(wǎng)絡(luò)斷開導(dǎo)致功能性腦連接體的紊亂,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)失序,進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知功能障礙。

根據(jù)圖論的方法,Qin 等(2019)[20]還研究了丘腦腔隙與腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)性,指出有丘腦腔隙的CSVD患者整體效率降低,而特征路徑長度增加,丘腦上的腔隙在介導(dǎo)CSVD患者神經(jīng)功能改變中起重要作用,且與輕度認(rèn)知功能損害相關(guān)。

3 低頻振幅

常用的功能分離主要為低頻振幅分析(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)和局域一致性(regional homogeneity,ReHo)。 ALFF 是每個(gè)體素BOLD信號中低頻信號的強(qiáng)度,反映大腦局部活動的強(qiáng)度,ALFF值越高代表體素對應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)自發(fā)活動越強(qiáng)烈,在認(rèn)知功能障礙的研究中應(yīng)用較多。

王蘇珊等(2021)[4]利用低頻振幅分析其與認(rèn)知功能損害的相關(guān)性,得出CSVD患者額葉與認(rèn)知功能的關(guān)系密切,額中回、額上回,尤其是眶部額中回、左眶部額上回的完整性與認(rèn)知功能下降相關(guān)。在神經(jīng)精神量表的檢查中,注意到CSVD患者主要在執(zhí)行能力、注意力、空間構(gòu)象方面存在認(rèn)知障礙。曹明明等(2018)[21]也提出,前額葉-皮質(zhì)下環(huán)路是信息加工處理的路線,額頂葉幾乎與腦內(nèi)所有高級認(rèn)知功能有關(guān),因此額葉ALFF值降低導(dǎo)致執(zhí)行力、注意力等認(rèn)知功能下降。

Feng 等(2021)[22]研究指出,CSVD 組右側(cè)島葉、殼核和左側(cè)楔前葉的ALFF值顯著升高。Kokubo等(2015)[23]研究得出孤立的殼核出血可引起無行為癥狀的中度額葉功能障礙,額葉更是與認(rèn)知功能的關(guān)系密切。因此,島葉和殼核都與認(rèn)知和執(zhí)行功能密切相關(guān)。而楔前葉可能與更高級的認(rèn)知功能有關(guān),如情景記憶、注意力改變等[24]。同時(shí)Feng等(2021)[22]也指出右側(cè)中央前回和中央后回的 fALFF值降低,表明軀體感覺網(wǎng)絡(luò)的完整性受到損害。樊響等(2018)[25]研究指出,海馬旁回、邊緣系統(tǒng)的左側(cè)島葉的ALFF值降低,可能與認(rèn)知功能下降相關(guān)。

4 局域一致性

ReHo測量的是某個(gè)體素與周圍體素時(shí)間信號的一致性,ReHo值越高說明局部體素與相鄰體素的一致性越好,但不代表局部腦區(qū)神經(jīng)自發(fā)活動越顯著。

左側(cè)楔前葉、梭形回、右側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)和額上回的ReHo值增加[22],與ALFF分析方法得出結(jié)論基本一致。在血管源性認(rèn)知障礙的研究中[26],ReHo值增加的腦區(qū)在左側(cè)顳上回、右側(cè)額葉、左側(cè)額葉和左側(cè)額下回。顳葉和枕葉是參與大腦皮層下回路的重要腦區(qū),血管源性認(rèn)知障礙患者存在認(rèn)知障礙,即自發(fā)腦活動異常增加。同時(shí),ReHo值在左側(cè)顳葉、枕葉和左側(cè)顳中回降低,與 Chen 等(2016)[27]的研究結(jié)果一致,表明上述腦區(qū)的自發(fā)腦活動減少,在一定程度上反映了患者的整體認(rèn)知障礙。

近期一項(xiàng)關(guān)于ReHo的研究[28]得出,小腦左后側(cè)的ReHo值越高,患者M(jìn)oCA評分越低,即ReHo與認(rèn)知功能呈顯著負(fù)相關(guān);同時(shí)扣帶皮層中段的ReHo值與執(zhí)行功能指標(biāo)也呈負(fù)相關(guān)。在沒有評估小腦的CSVD患者研究[29]中也指出,扣帶皮層的ReHo與大腦白質(zhì)高信號的嚴(yán)重程度顯著相關(guān)。這表明ReHo的變化與特定區(qū)域的功能失調(diào)或功能補(bǔ)償有關(guān)。

5 靜息態(tài)大腦網(wǎng)絡(luò)

最近一些研究表明靜息態(tài)功能連接模式與認(rèn)知功能之間存在直接聯(lián)系,主要集中在DMN的認(rèn)知行為[30],DMN是指在靜息狀態(tài)下、具有相互連接的解剖學(xué)定義下的大腦區(qū)域集合[31]。 也有研究[32]指出,CSVD的執(zhí)行能力及注意障礙依賴于多個(gè)相互連接和相互作用的網(wǎng)絡(luò),主要包括DMN、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(Dorsal Attention Network,DAN)及前額頂葉控 制 網(wǎng) 絡(luò) (frontoparietal control network,F(xiàn)PCN)。DMN主要與內(nèi)部定向認(rèn)知有關(guān),在靜息狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)出更強(qiáng)的活動;DAN主要支持外部注意,在大腦執(zhí)行任務(wù)時(shí)激活,在大腦活動中,這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)呈負(fù)相關(guān)。

王輝等(2021)[33]關(guān)于節(jié)點(diǎn)度的研究顯示,與對照組比較患者活動減弱的腦區(qū)主要位于左頂葉中央后回、左頂下小葉、左頂上小葉,都是在左頂內(nèi)溝附近,與 DAN 和 FPCN 相關(guān)。Liu 等(2019)[34]研究中指出,CSVD影響FDCN的連通性,F(xiàn)DCN連通性的變化與認(rèn)知功能的改變有關(guān),F(xiàn)DCN可以補(bǔ)償CSVD伴認(rèn)知功能障礙患者的網(wǎng)絡(luò)損害,重新分配認(rèn)知功能的資源,因此推斷FDCN可以對抗有害的功能障礙,預(yù)防神經(jīng)精神障礙。

這些結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過DMN,認(rèn)知功能障礙可能與更多的大腦網(wǎng)絡(luò)改變有關(guān)。 在 Liang 等(2012)[13]的研究中,追蹤到了三個(gè)功能網(wǎng)絡(luò),即執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)、DMN和顯著性網(wǎng)絡(luò)。將頂葉下皮層三個(gè)細(xì)分區(qū):頂葉內(nèi)溝、角回和邊緣上回作為功能連接的種子,分析三個(gè)網(wǎng)絡(luò)在輕度認(rèn)知障礙患者中的改變。DMN內(nèi)角回連通性顯著降低與既往研究中PCC作為種子,PCC與角回之間功能連接性下降及獨(dú)立成分分析DMN區(qū)域功能活性下降[12]等結(jié)論一致。

6 小結(jié)與展望

利用大腦網(wǎng)絡(luò)之間功能連通性的改變,fMRI進(jìn)一步分析CSVD潛在的發(fā)病機(jī)制,今后將出現(xiàn)更多的分析方法,根據(jù)不同處理方法分析功能連接與認(rèn)知功能障礙之間的關(guān)系,以更好地探測復(fù)雜的人類大腦,并可能將功能連接作為一種新的疾病標(biāo)志物。

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