额叶肿瘤静息态功能磁共振比率低频振幅的研究*

赵翠花，陶玲，俞宙，武江芬，孙金洋，周晖

(南京航空航天大学自动化学院，南京 210016)

1 引 言

额叶肿瘤是颅内常见肿瘤，其发生率居目前各部位脑肿瘤首位，约占颅内肿瘤总数的1/5。在神经外科的脑肿瘤手术中，必不可少地要清除一些即将失活的脑组织，有观点认为，脑肿瘤手术范围越大、肿瘤切除越彻底越好，很少考虑患者的认知功能。而随着认知神经科学的快速发展，人类大脑的神经机制及高级认知功能如学习、 记忆、注意、意识、情绪等的研究受到广泛关注。在临床上，额叶肿瘤患者不仅表现有局部功能的认知下降症状，在平躺静息状态下也常伴随有认知、听觉、情感和行为等认知缺陷[1-5]。因此，了解肿瘤患者认知发生变化的病理、生理机制，对患者治疗、护理和生活质量的改善具有重大意义。

随着影像技术的发展，功能磁共振成像技术(functional magnetic resonance imaging，fMRI)已经成为目前人们所掌握的唯一具有无创伤、无辐射性、高时空分辨率等多重优势的脑功能检测方法，其基于血氧水平依赖(blood-oxygen level dependent，BOLD)原理，是研究人脑自发活动的最佳手段之一。静息态fMRI自发性比率低频振幅(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)方法是间接的通过观察脑功能活动的BOLD信号相对基线变化的比值，提示脑部神经元的自发活动，已用于重度抑郁症、注意缺陷多动障碍的研究[6-7]。本研究在静息状态下采用fALFF方法研究了额叶肿瘤患者与正常被试的脑部自发性神经活动的变化，旨在从能量的角度探讨额叶肿瘤患者脑功能改变的病理生理机制。

2 材料和方法

2.1 材研究对象

研究采用的14例额叶肿瘤患者静息态fMRI数据均来自南京医科大学附属医院南京脑科医院影像科，并招募了14名健康志愿者，性别、年龄和受教育程度均与额叶肿瘤数据相匹配。所有参与者都获得书面知情同意书。该研究经南京脑科医院院医学伦理委员会批准通过。

2.2 数据采集

数据采集使用德国西门子3.0 T超导磁共振扫描仪进行数据采集。受试者在整个扫描过程中保持平卧及闭目休息状态，并固定头部，用橡皮耳塞降低噪音。采用梯度回波-平面回波成像(GRE-EPI)序列：TR/TE=2 000 ms/30 ms，翻转角(FA)=90°，扫描层数=30层，视野(FOV)=240 mm×240 mm，采集矩阵=64×64，扫描时间持续280 s。

2.3 数据处理分析

2.3.1数据处理 使用DPARSF软件(http://rfmri.org/DPARSF)进行图像处理。为排除开始磁共振扫描时的磁场不均匀及受试者不适应对结果造成的影响，剔除前10个时间点的数据，保留130个时间点的数据进行分析。(1)预处理：首先对图像进行DICOM格式转换、时间及空间上的对齐，头动校正，剔除头动平动大于2 mm、转动大于2°的被试，再将图像配准到标准空间，并以3 mm的各向同性的体素进行采样，而后对图像数据以4 mm×4 mm×4 mm全宽半高进行高斯平滑，以提高图像的信噪比。(2)fALFF分析：将预处理后的数据进行去线性漂移，无须经过带通滤波。然后，将低频率(0.01 Hz

2.3.2统计分析 利用SPM8软件(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)对额叶肿瘤组和正常对照组标准化后的fALFF脑图进行统计分析，组内统计采用单样本t检验，两组间的差异采用独立双样本t检验，当P<0.05(AlphaSim校正)且丛大小>2673 mm3(99个体素)时，认为差异具有统计学意义。结果用Xjview软件读取，并在蒙特利尔(montreal neurological institute, MNI)坐标上确定有统计意义的脑区的具体解剖位置。

3 结果

3.1 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值升高的脑区

额叶肿瘤组与正常对照组相比，在右侧颞上回、右侧眶额回、右侧颞中回、右侧辅助运动区、左侧海马旁回、左侧后扣带回、左侧内侧和旁扣带回及旁中央小叶，见表1。

3.2 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值降低的脑区

与正常对照组相比，额叶肿瘤组fALFF值降低的脑区主要集中在双侧背外侧额上回、双侧内侧额上回和小脑，见表2。

3.3 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值发生变化的脑区位置显示

用SPM8软件对额叶肿瘤组和正常对照组标准化后的fALFF脑图进行独立双样本检验，得到统计结果SPMT_0001图，用Xjview软件对结果进行查看，见图1、图2。

表1 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值升高的脑区

注：P<0.05，AlphaSim校正，体素个数大于99。

表2 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值降低的脑区

注：P<0.05，AlphaSim校正，体素值大于99个。

图1 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值变化的脑区红色表示升高，蓝色表示降低

图2 额叶肿瘤组与正常对照组相比fALFF值变化的脑区

4 讨论

结果显示，与正常对照组相比，额叶肿瘤组在右侧颞叶、右侧眶额回、右侧辅助运动区、左侧海马旁回、左侧后扣带回和左侧内侧和旁扣带区域的fALFF值升高，而在双侧背外侧额上回、双侧内侧额上回和小脑的fALFF值均降低。fALFF可以探测大脑自发活动产生血氧水平依赖信号变化的局部强度，能反映大脑局部脑区的激活强度，异常的fALFF说明了该脑区功能异常[8]。本研究表明，在静息态下额叶肿瘤患者的额叶功能活动降低，这与额叶肿瘤部分组织的失活有关。前额叶是执行能力的高级皮层，执行功能缺陷在额叶肿瘤患者认知损伤中表现比较明显。同时观察表2可知，额叶肿瘤患者的左侧额叶的损伤程度较右侧严重，这与之前利用神经心理测验方法及威斯康辛卡片分类测验和连线测验方法对额叶肿瘤执行功能的评估结果相一致[9-10]。此外，较对照组而言，小脑区域的激活在额叶肿瘤患者组中更低。小脑在时间监测、空间记忆中起重要作用，这也从影像学角度解释了额叶肿瘤患者表现出记忆力减退，自知力和判断力逐渐丧失，对时间的定向力存在障碍等现象。表1中除旁中央小叶和辅助运动区外，其余脑区均位于Raichle等[11]提出的人脑静息态下存在的默认网络(default mode network，DMN)区域内，而DMN的功能活动与情景记忆的提取、认知和情感发生过程以及维持大脑对周围环境自省状态的监测有关。可推测DMN脑区出现高激活区域是因为额叶肿瘤患者的额叶所丧失的功能在DMN脑区中得到了补偿。在此之前，大量的脑损伤、脑功能成像和电生理研究证实了额叶对社会认知的重要作用[12-14]。汪凯等人[15]的研究也显示额叶损伤的患者认知存在损伤。郭红军等[16]研究发现额叶肿瘤患者存在明显的认知功能障碍，右侧肿瘤患者的认知功能损害更严重，本研究的结果与其相一致。

本次研究还发现额叶肿瘤患者右半脑辅助运动区的fALFF值显著增高，辅助运动区在运动和策划中扮演重要角色[17]。由于额叶被认为存在辅助运动区、运动前区，通常在作复杂、协调动作时起作用[18-19]，但当病变影响到主要运动区时，也可能起到一定的代偿作用[20]。额叶是大脑发育中最高级的部分，它包括初级运动区、前运动区和前额叶，而旁中央小叶是前运动皮层的一部分，这个负责运动的皮层活动异常增加，可能是因为肿瘤诱导了脑功能重组，在额叶脑区发生了功能代偿[21-22]，但是具体神经机制及是否与认知功能有关尚需进一步深入的研究。

5 结论

本研究采用比率低频振幅测量技术，从能量的角度探讨额叶肿瘤患者认知功能失调的病理机制。研究表明，默然网络在一些主要的功能区如扣带回后皮质/楔前叶、颞叶皮质等区域都出现明显激活，激活区域与已知的结论基本吻合，在小脑处的激活明显降低，该研究结果说明额叶肿瘤患者的默然网络和小脑均发生了明显的功能损害，而在旁中央小叶和辅助运动区出现明显激活，可推测其与额叶肿瘤运动障碍的代偿有关。这一结果有助于从系统功能的角度了解额叶肿瘤患者的某些临床症状的发病机理，为早期额叶肿瘤临床症状的研究和肿瘤切除手术提供一定的帮助。