帕金森病全脑比率低频振幅静息态功能磁共振研究

田琦　黄丹青　孙奕　张志宇

[摘要] 目的 利用靜息态功能磁共振比率低频振幅的方法探讨帕金森病可能的病理生理机制及异常的脑功能变化。方法 选取本院神经内科2015年7月～2016年10月收治的帕金森病患者22例，并选取22例年龄、性别、受教育程度都与其匹配的健康对照者；对帕金森“关”期和帕金森“开”期分别进行静息态功能磁共振扫描，用比率低频振幅算法分析帕金森病患者服药前后脑功能的变化。 结果 相对于健康对照组，帕金森病“关”期比率低频振幅值升高的脑区位于双侧颞叶、左侧小脑前叶、左侧枕叶、左侧顶叶及双侧楔前叶等脑区，而比率低频振幅值减少的脑区位于双侧小脑后叶、双侧壳核、右侧额中回等脑区。相对于帕金森病“关”期，“开”期时增高的脑区位于左侧枕叶、右侧舌回、左侧小脑前叶、左侧丘脑、左侧运动前回、左侧壳核等脑区，而比率低频振幅值减少的脑区主要位于双侧小脑后叶、左侧额中回、右侧顶下小叶、左侧楔前叶等脑区。PD患者的UP3改善率与PD患者“开-关”期左侧丘脑的fALFF差值呈显著的正相关。 结论 利用比率低频振幅这种算法，我们发现帕金森病患者某些局部脑区相对于健康对照发生了明显变化，这些变化最终导致相关运动环路受损，而有些脑区可能在帕金森病发病过程中起到代偿作用。服用美多芭后对基底节环路具有修饰作用。丘脑作为运动环路的一个重要节点，其fALFF值变化可以作为反映疾病进展程度的一个标志。

[关键词] 帕金森病；美多芭；功能磁共振；比率低频振幅

[中图分类号] R742.5；R445.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2017）36-0030-05

[Abstract] Objective To investigate the possible pathophysiological mechanism and abnormal brain function changes of Parkinson's disease by using the low frequency amplitude of low-frequency fluctuation of resting-state functional magnetic resonance imaging（MRI）. Methods 22 patients with Parkinson's disease admitted from July 2015 to October 2016 in our hospital were enrolled and 22 healthy controls with matched age， gender and educational attainment were selected. The patients were divided into healthy control group， Parkinson "off-term" group， Parkinson "open-term" group， and were scanned by resting state functional magnetic resonance. The changes of brain function before and after taking the drug changes were analyzed using fractional low-frequency fluctuation method. Results Compared with those of the healthy control group， the brain regions with elevated fractional low-frequency amplitude of Parkinson's disease "off-term" were located in bilateral temporal lobe， left anterior cerebellar， left occipital， left parietal and bilateral anterior wedge， while the brain regions with decreased fractional low-frequency amplitude were located in the bilateral posterior cerebellar， bilateral putamen， right frontal gyrus. Relative to those of Parkinson's disease "off-term"， the brain regions with elevated fractional low-frequency amplitude were located in the left occipital lobe， right lingual gyrus， left anterior cerebellar lobes， left thalamus， left premotor gyrus， left putamen. While the brain regions with decreased fractional low-frequency amplitude were located in the bilateral posterior cerebellar， left middle frontal gyrus， right inferior parietal lobule， left wedge anterior lobe. The improvement rate of UP3 in PD patients was significantly and positively correlated with the difference of fALFF in the left thalamus of PD patients with "on-off" phase. Conclusion Using the fractional low-frequency amplitude method， we found that some local brain regions in patients with Parkinson's disease have significant changes relative to healthy controls， and these changes eventually lead to impairment of the relevant motor circulation， while some brain regions may play a compensatory role in the pathogenesis of Parkinson's disease. Taking metadopus has a role in modification of the basal ganglia circuits. The FALFF value changes of thalamus， as an important node in the motor cycle， can be used as a marker of disease progression.

[Key words] Parkinson's disease； Madopar； Functional magnetic resonance imaging； Fractional amplitude of low-frequency fluctuation

帕金森病（Parkinsons disease，PD）是仅次于阿尔兹海默病的中枢神经系统第二大变性病[1]，常见于55～65岁的老年人，60岁以上老人的发病率为1%～2%，而到了85～89岁发病则增加到3.5%[2]。我国65岁以上的老年人PD患病率为1700/10万[3]，主要的临床表现为运动迟缓、静止性震颤、肌强直和姿势步态障碍，还包括一些常见的非运动症状，如精神障碍、自主神经功能紊乱等。随着年龄增长，PD发病率不断提高，给社会和家庭带来严重的负担。根据目前的研究发现，PD的两个主要病理变化是：①黑质多巴胺能神经元进行性退变；②由α-synuclein蛋白聚集形成的路易小体在PD患者多个神经系统的异常聚集及折叠[4]。但目前引起PD所有运动症状的病理生理机制并不完全清楚。

功能磁共振成像技术（functional magnetic resonance imaging， fMRI）是指用血氧饱和度检测（blood oxygenation level dependent，BOLD）的磁共振方法对脑组织的活动状态记录成像的无创性技术，最早是Ogawad等[5]首次报道。Biswal等[6]在1995年首次发现静息状态下大脑运动区的信号存在低频振荡（low frequency fluctuations，LFF）特征，频率<0.1 Hz，为静息态脑功能磁共振的研究奠定了基礎。所谓静息态fMRI是指被试者在安静平躺、保持清醒、闭眼、全身放松且尽量不进行刻意思考的状态下进行的头颅磁共振扫描，该技术是目前脑研究的热点方向。Zang YF等[7]在2007年提出的低频振幅（amplitude of low frequency fluctuation，ALFF）研究方法是对LFF的引申。ALFF值反映的是静息状态下，计算特定低频范围内（0.01～0.08 Hz）大脑某一特定区域自发神经活动引起的BOLD信号的振荡幅度，能较好体现区域神经元的自发活动。Zou QH等[8]在ALFF基础上改良得到比率低频振幅（fractional amplitude of low frequency fluctuation， fALFF）算法，将低频段（0.01～0.08 Hz）信号的能量除以整个频段（0～0.25 Hz）上的能量，可有效消减ALFF中生理性噪声的干扰，提高检测自发神经活动的敏感性和特异性。检索相关文献发现，利用fALFF方法来研究PD病理生理机制的研究目前报道较少，因此本文拟利用这种方法来进一步探讨PD发生的可能病理生理机制及异常的脑功能变化，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取本院收治的原发性PD患者22例，其中男12例，女10例；健康对照组22例，男12例，女10例。见表1。

1.2 入组与排除标准

1.2.1 入组标准 所有入组的PD患者均符合英国脑库原发PD的诊断标准，且服用左旋多巴类药物有效；年龄在60～70岁，平均发病病程3.5年；仅有轻微的震颤以避免对磁共振信号造成干扰；PD综合评分量表（Unified Parkinsons disease rating scale-motor part Ⅲ，UPDRSⅢ）平均“关期”（受体激动剂类药物停服24 h、多巴胺类药物停服12 h以上）得分21.5分，开期（服用1片美多芭后1 h）平均分为11.1分；利用汉密尔顿抑郁量表排除抑郁患者；所有入组者均为右利手；帕金森病H-Y分级≤2.5期；同时选取与PD患者年龄、性别、受教育程度相匹配的健康对照（Normal control，NC）组。

1.2.2 排除标准 两组入选者均无明显头部外伤，无药物滥用及酗酒史；无磁共振检查禁忌证、严重心脑血管病病史、精神疾病及其他能干扰本研究的一些病史。本试验已经获得了我院伦理委员会批准，且两组患者均已签署知情同意书。

1.3 研究方法

1.3.1 数据采集 利用我院德国西门子3.0 T核磁扫描仪，扫描前向受试者详细说明扫描的过程及注意事项。要求受试者保持相对静息状态，闭眼且尽量不进行任何特别思考。22例PD患者停服所有治疗PD药物至少12 h以上。健康对照组只进行一次MRI扫描，而PD患者分别进行“关期”（停用所有治疗PD药物的基线状态）和“开期”（所有PD受试者空腹服用1片美多芭后1 h）2次磁共振扫描。美多芭含左旋多巴200 mg及苄丝肼50 mg，由上海罗氏公司生产。采集3D、REST数据，横断面解剖图像是利用t1-FLAIR获得，重复时间（TR）/回波时间（TE）=2530 ms/3.34 ms，翻转角7°，矩阵256×192，视野（FOV）256 mm×256 mm，层厚/层间隔1.33 mm/0.5 mm。功能磁共振数据采集采用单次激发梯度回波平面回波（echo planar imaging，EPI）序列进行检查。EPI序列扫描参数：层数31层，重复时间（TR）/回波时间（TE）=2000 ms/30 ms，翻转角90°，层厚3.5 mm，间隔0.6 mm，视野（FOV）220 mm×220 mm，矩阵64×64。最后用三维磁化准备快速梯度回波成像（magnetization prepared rapid gradient echo imaging，MPRAGE）序列行连续128层覆盖全脑扫描。排除2例因头动过大（>2.0 mm或2°）的PD患者。

1.3.2 数据预处理 功能磁共振数据均是在Matlab7.6平台上用DPARSF（http：//rfmri.org/DPARSF）数据处理软件进行预处理。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。时间层校正，头动校正；然后进行空间标准化，将数据标准化到蒙特利尔神经病学研究所（Montreal neurological institute，MNI）标准脑空间的功能像EPI模板，同时重采样至3 mm×3 mm×3 mm；之后以4.0 mm为半高全宽进行高斯平滑，增加信噪比；无需进行滤波处理；将低频率（0.01 Hz

1.4 统计学分析

采用SPSS19.0软件进行统计分析，计量资料以均数±标准差表示。分类变量组间比较采用χ2检验。利用REST软件（http：//restfmri.net/forum/REST_V1.8）对PD组和NC组进行统计检验，组内统计采用配对样本t检验，组间差异采用独立双样本t检验。结果采用蒙特卡罗模拟AlphaSim多重比较校正，统计域值设定为P<0.05，核团体积>75设定为差异有统计学意义的脑区，结果叠加在标准CH2模板上显示。进一步提取PD患者“开”期与 “关”期左侧丘腦有差异的所有fALFF值及其开关期UP3改善率并做相关度分析，行Pearson相关度检测，规定P<0.01。

2 结果

2.1 PD 组“关”期与NC组行双样本独立T检验结果比较

见表2及封三图1。PD组“关期”相对于NC组，fALFF值增高的脑区位于双侧颞叶、左侧小脑前叶、左侧枕叶、左侧顶叶及双侧楔前叶等脑区，而fALFF值减少的脑区位于双侧小脑后叶、双侧壳核、右侧额中回等脑区。

2.2 PD组“开”期与PD组“关”期行配对T检验结果比较

见表3及封三图2。PD组“开期”相对于“关期”，fALFF值增高的脑区位于左侧枕叶、右侧舌回、左侧小脑前叶、左侧丘脑、左侧运动前回、左侧壳核等脑区，而fALFF值减少的脑区主要位于双侧小脑后叶、左侧额中回、右侧顶下小叶、左侧楔前叶等脑区。

2.3 fALFF值与PD患者“开”期与“关”期对UP3评分改善率相关度分析

同时提取出22例PD患者“开”期与“关”期左侧丘脑有差异的所有fALLF值及其UP3评分改善率[UP3评分改善率的计算公式：（开期-关期）/关期×100%]做相关度分析，发现PD患者的UP3评分改善率与左侧丘脑的fALLF值呈显著正相关。见图1。

3 讨论

本研究利用fALFF方法研究PD患者服药前后及与健康对照组局部脑活动的差异。fALFF是目前新开发出来的一种处理功能磁共振数据的方法。其着眼于体素的研究，测量局部神经元自发活动振幅，进而从能量角度反映静息状态下各个体素自发活动水平的高低[9]。fALFF值增高表面脑区兴奋性增高，减弱表明神经元抑制、活性减弱[10]。这种方法已广泛用于临床对疾病的研究，Hoptman等[11]将这种方法用于精神分裂症的研究，发现精神分裂患者的fALFF值在舌回、楔叶、楔前叶等部位降低，而在左侧海马旁回增高。本研究利用这种方法，发现PD“关”期相对于健康对照组，fALFF值增加的脑区主要位于双侧颞叶、左侧小脑前叶、左侧枕叶、左侧顶叶及双侧楔前叶等脑区；而减少的脑区主要位于双侧小脑后叶、双侧壳核、右侧额中回等区域。我们目前对PD出现各种运动症状的理解主要归因于基底节运动环路的异常。基底节的环路复杂，目前的研究认为基底节的环路主要由包括大脑皮质-新纹状体-苍白球内侧部-丘脑-皮层运动区组成的直接环路、大脑皮质-新纹状体-苍白球外侧部-丘脑底核-苍白球内侧部-丘脑-皮层运动区组成的间接环路、皮层运动区直接到达丘脑底核组成的超投射路径[12]。从纹状体到丘脑的连接可分为直接通路与间接通路，直接通路易化大脑皮层发动运动；间接通路的活动具有抑制皮层发动运动，正常人以直接通路的活动为主[13]。PD运动障碍的出现主要与黑质致密部多巴胺能神经元的变性有关，导致纹状体内多巴胺的减少，而其中壳核减少的最为明显[14]。我们研究发现相对于健康对照组，PD“关”期患者的双侧壳核fALFF值明显减少，提示PD患者壳核的活性降低，导致了对直接通路与间接通路不平衡的修饰作用，使直接通路的活动减弱、间接通路活动增强，从而导致大脑皮层对运动的发动受到抑制，导致PD各种运动症状的出现。主流的观点认为小脑的主要功能与运动的控制及协调有关，但最新研究利用病毒跨神经元示踪剂表明小脑与神经系统的大部分区域有着更广泛的联系，这些区域包括额叶、后顶叶等皮层[15]。并且小脑与基底节相互联系也越来越多地得到证明，这提示作为两个皮层下结构，二者之间有着紧密的相互作用网络。我们发现双侧小脑后叶的fALFF值活性降低，可能是该环路与基底节环路存在异常病理联系有关，而双侧小脑前叶fALFF值活性增高可能与其代偿作用有关。颞叶的主要功能是处理听觉信息及学习、情绪、奖赏机制等[16]，我们发现相对于健康对照组，PD患者双侧颞叶的fALFF值是明显变化的，提示PD患者相关的学习、记忆能力发生了变化。Wu T等[17]利用局部一致性的研究方法也得到与我们类似的研究结果。脑默认网络（default mode network，DMN）是指在静息状态下大脑中线和外侧区域皮质功能活动相对活跃的区域，其已成为认知神经科学及神经放射学等研究的热点。其主要区域包括内侧前额叶皮层、内侧顶叶皮质、部分枕叶、双侧顶下小叶及楔前叶/后扣带回区域[18]，普遍认为其与人类记忆检索、对周围环境和自我内省状态的监控、情绪等认知过程有关，并且在多种神经精神疾病时呈现出异常改变[19]。我们发现，相对于健康对照组，PD组“关”期时DMN区域，如双侧楔前叶、左侧顶叶、左侧枕叶等区域，fALFF值出现异常，提示以上区域脑活动明显异常，可能与PD患者非运动症状（如抑郁、幻觉等症状）有关，PD组的MMSE得分也明显低于健康对照组，可能也与以上区域的异常活动有关。

为进一步验证PD患者服用美多芭后对其生理病理机制的影响，我们给予PD“关”期患者服用1片美多芭，1 h后进行相关运动量表评分及静息态功能磁共振扫描。美多芭为左旋多巴和苄丝肼的复方制剂，通过补充脑基底节中多巴胺含量，从而发挥作用。有研究显示，摄入美多芭后患者M1区及辅助运动区BOLD信号明显增加，左旋多巴通过影响相关环路，从而改善患者的运动症状[20]。Wu T等[21]研究发现，PD患者摄入1片美多芭后，相对于健康对照其功能连接的模式发生了变化，其中辅助运动区、壳核等脑区的连接度减少，而小脑、左侧M1区、顶叶的连接度增加，摄入美多芭可在一定程度上修正这种异常的功能连接。此次研究中，我们发现左侧丘脑、左侧运动前回、左侧壳核等脑区的fALFF值在摄入美多芭后明显增加，可能与补充美多芭后作用于相关的基底节运动环路有关；而一些与代偿功能的脑区，如双侧小脑后叶、右侧顶下小叶等脑区其fALFF值明显减少，可能与摄入美多芭后其代偿功能受到抑制有关。

丘脑是直接通路与间接通路上的一个十分重要的节点，在人类的感觉、运动功能的传输中发挥着重要作用。通过服药前后对比，我们发现左侧丘脑的fALFF值也是明显变化的，因此进一步提取了有差异的丘脑的fALFF值，与患者的UP3评分改善率进行相关度分析，提示呈明显相关。随着左侧丘脑fALFF值增高，患者的UP3评分改善率也明显提高，症状改善也越来越明显，提示左侧丘脑的fALFF值可以作为预测疾病进展程度的一个指标。

本研究利用fALFF的研究方法，研究了健康對照及PD患者在服药前后相关脑区的变化，阐述了PD患者相对于健康对照者异常的脑环路变化。通过对比PD患者服药前后fALFF值差异，进一步揭示了美多芭对相关环路可能的作用机制。通过这种方法，我们找到了左侧丘脑可以作为预测疾病进展程度的一个影像学标志，这对我们更好地认识PD可能的病理生理机制提供了新的途径，并为进一步研究提供基础。

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（收稿日期：2017-10-03）