近红外脑功能成像对卒中后抑郁神经机制的研究

李泓钰，王 强,2,3，杜晓霞,2,3，王 静，徐 舒，王 曼，宋鲁平,2,3

1.首都医科大学康复医学院，北京市100068；2.中国康复研究中心北京博爱医院，北京市100068；3.神经损伤与康复北京市重点实验室，北京市100068；4.首都医科大学基础医学院，北京市100069

卒中后抑郁(post-stroke depression,PSD)是指发生于卒中后，表现出脑卒中症状以外的一系列以情绪低落、兴趣缺失为主要特征的情感障碍综合征[1-2]，是急性脑血管病的常见并发症[3]。大约1/3脑卒中幸存者伴有抑郁[1]。PSD与脑卒中的不良预后密切相关，不仅会增加患者的认知功能损害，影响康复预后以及生活质量[4]，还会导致死亡率升高[5]。

PSD的发生机制尚不清楚，严重的抑郁症常常伴有皮层激活和兴奋性的改变，尤其是在前额叶皮层(prefrontal cortex,PFC)[6]。近红外脑功能成像(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)技术为一种新兴的光学成像技术，可以得到大脑活动期间脑组织氧合血红蛋白(oxy-hemoglobin,Oxy-Hb)和/或脱氧血红蛋白(deoxygenated hemoglobin,Deoxy-Hb)的实时变化情况[7]，反映认知活动期间大脑有氧代谢的变化。在神经精神疾病及认知心理学研究方面广泛应用，但目前在PSD患者中的研究相对较少。

本研究将应用fNIRS系统，采用情绪面孔性别判断任务及“1-back”工作记忆任务，观察PSD患者在认知加工期间前额叶Oxy-Hb相对浓度变化值，初步探讨PSD的神经机制和工作记忆功能变化。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2017年2月至8月北京博爱医院神经康复中心收治的脑卒中患者40例，其中PDS患者20例，作为PDS组；非抑郁患者20例，作为对照组。

诊断标准：①符合1995年全国第四届脑血管病学术会议制定的缺血性及出血性卒中诊断标准[8]，并经头部CT或MRI证实；②符合《美国精神障碍诊断和统计手册第五版》(Diagnostic and Statistical Manual of Mental DisordersⅤ,DSM-Ⅴ)[9]中PSD的诊断标准。

纳入标准：①年龄18～70岁；②病程1～12个月；③汉密尔顿抑郁量表(Hamilton Depression Scale,HAMD)(24项)总分≥8分；④首次抑郁发作；⑤能够配合完成各项测试并签署知情同意书。

排除标准：①重度抑郁；②患有其他神经精神疾病；③头部有金属植入物；④患有意识障碍、严重认知障碍、严重失语；⑤简易智力状态检查(Mini-Mental State Examination,MMSE)评分≤9分；⑥重要脏器如心、肺、肝、肾有严重疾患或功能衰竭；⑦有酗酒或药物滥用史；⑧不能配合及耐受该研究方案的各种情况。

两组一般资料无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

所有研究对象均对本研究知情同意并签署知情同意书。本研究方案已经中国康复研究中心伦理委员会审查通过。

1.2 方法

1.2.1 工作原理

采用便携式fNIRS系统(美国NIRSport)记录皮层血液动力学信息。本系统使用的近红外光波长为760 nm和850 nm。有7个检测光极和8个发射光极，光极之间的距离2.5～3.5 cm，发射光极与接收光极之间的位点为检测区域，共20个检测通道。见图1。fNIRS系统信号采集频率10 Hz。两个波长的光强变化依据朗伯比尔定律(Lambert-Beer Law)转化为Oxy-Hb相对浓度变化，单位为任意单位(arbitrary unit,a.u)。通过配套NIRS LAB软件进行数据处理与分析，得到PFC的Oxy-Hb浓度变化。

表1 两组一般资料比较

图1 光极分布图

1.2.2 检测任务

1.2.2.1 情绪面孔性别判断任务

任务设计参考文献[10]并进行改良。从中国化面孔情绪图片系统(Chinese Facial Affective Picture System,CFAPS)[11]中挑选出高兴、愤怒和中性面孔各10张(男性5张，女性5张)作为实验的刺激材料，共30个面孔。采用E-Prime 2.0软件编写实验程序。首先进行24 s静息状态任务前基线数据采集；任务开始时呈现情绪面孔图片，共分为正性、中性与负性三部分，每部分情绪面孔各10张，要求患者对情绪面孔的性别进行判断，“男性”按左键，“女性”按右键，每张图片呈现固定时间2.4 s，共24 s，每部分之间间隔时间为24 s；任务结束后进行24 s静息状态任务后基线数据采集。

1.2.2.2 “1-back”工作记忆任务

任务设计参考文献[12]。采用E-Prime 2.0软件编写实验程序。刺激材料为0～9共10个阿拉伯数字，要求患者将出现的数字与前一个数字进行比较，数字相同时按鼠标左键。首先进行30 s静息状态任务前基线数据采集；之后进行“1-back”工作记忆任务，每个数字呈现2 s，数字之间空屏1 s，共30个数字；任务结束后进行30 s静息状态任务后基线数据采集。

1.3 评价方法

将光极安放在患者PFC区域，参照国际10.20电极配置法确定额极中线点(frontopolar midline point,Fp)，确保中间光极发射光极位于Fp点上，安放时需拨开患者头发，将光极贴于头皮上。采集在安静、避光环境中进行，要求患者使用健侧手进行按键反应，限制患者身体活动，尤其是头部，避免影响数据。

进行情绪面孔性别判断任务及“1-back”工作记忆任务时PFC的激活程度，以PFC的Oxy-Hb浓度值的相对变化来反映。

1.4 统计学分析

采用SPSS 20.0软件进行统计学分析。计量资料符合正态分布，采用表示，组间比较采用独立样本t检验；计数资料的组间比较采用χ2检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 情绪面孔性别判断任务

2.1.1 数据结果

对照组在三种情绪面孔图片呈现后，PFC的Oxy-Hb相对浓度变化值无显著性差异(P＞0.05)；PSD组在三种情绪面孔图片呈现后，Oxy-Hb相对浓度变化值有非常显著性差异(P＜0.01)，其中负性情绪面孔图片呈现后的Oxy-Hb相对浓度变化值明显低于正性情绪面孔图片呈现后变化值(P＜0.01)。在正性及中性情绪面孔图片呈现后，PSD组Oxy-Hb相对浓度变化值与对照组无显著性差异(P＞0.05)；在负性情绪面孔图片呈现后，PSD组Oxy-Hb相对浓度变化值显著低于对照组(P＜0.001)。见表2。

表2 两组情绪面孔性别判断任务时Oxy-Hb相对浓度(10-4×a.u)

2.1.2 波谱曲线结果

对照组Oxy-Hb在三种情绪面孔图片呈现后，波谱变化趋势统一为：任务开始后，从基线水平开始上升，到达峰值之后有下降趋势。见图2。

而PSD组在正性和中性情绪面孔图片呈现后，波谱变化趋势为：任务开始后，从基线水平开始上升，到达峰值之后有下降趋势。而在负性图片呈现后，波谱变化趋势为：任务开始后，曲线波动幅度较小，无明显上升趋势及峰值，有轻微下降趋势。见图3。

图2 对照组波谱曲线结果

图3 PSD组波谱曲线结果

2.2 “1-back”工作记忆任务

PSD组PFC和左侧PFC的Oxy-Hb相对浓度变化值低于对照组(P＜0.05)。两组右侧PFC的Oxy-Hb相对浓度变化值无显著性差异(P＞0.05)。见表3。

表3 两组“1-back”工作记忆任务时Oxy-Hb相对浓度(10-4×a.u)

3 讨论

本研究分别应用情绪面孔性别判断任务及“1-back”工作记忆任务，观察PSD患者在认知加工期间前额叶氧合血红蛋白相对浓度变化值，初步探讨PSD的神经机制和工作记忆功能变化。

情绪障碍与大脑网络功能障碍相关，作为大脑情绪网络(主要包括前额叶皮层、杏仁核和边缘系统)的一部分，前额叶功能障碍在情绪障碍中发挥了重要的作用[13]。有研究发现，抑郁患者表现出对正性和负性事件的情绪反应钝化，影响个体对环境的敏感性，降低其情绪激活水平[14]。本研究发现，在负性情绪面孔图片呈现后，PSD组Oxy-Hb相对浓度变化值显著低于对照组，PFC激活程度降低。Kerestes等[15]发现，与正常对照组相比，重度抑郁症(major depressive disorder,MDD)患者在负性情绪时左侧背外侧PFC激活程度降低，与本研究结果一致。Hassel等[16]研究发现，与健康对照组相比，双相障碍(bipolar disorder,BD)患者在轻度愉悦面孔时左侧纹状体激活程度显著升高，在中性、中到重度愉悦面孔时左侧背外侧前额叶激活程度降低，在中性及轻到重度恐惧面孔时左侧背外侧前额叶激活程度降低。但也有日本学者研究发现[17]，在威胁负性情绪任务中，与健康对照组相比，BD患者表现出左下PFC区域Oxy-Hb显著增加，而MDD患者左中部PFC区域Oxy-Hb显著增加。关于MDD患者在负性情绪下PFC激活程度的结果并不一致，在悲伤和生气负性面孔呈现后，背外侧前额叶激活程度增加或者降低，并且两者报道数量基本一致；同样不一致的结果也出现在愉悦等正性面孔呈现后[18]。

目前国内外在PSD患者中应用fNIRS的相关研究还较少。杨智权等[19]在PSD患者中应用fNIRS，进行认知激活任务言语流畅性测验(verbal fluency test,VFT)，发现在执行VFT任务期间，对照组中Oxy-Hb的波谱呈现出升高后下降的重心在前的抛物线，Deoxy-Hb呈现出下降后回升的趋势；而PSD组的Oxy-Hb的波谱曲线虽总体趋势与对照组类似，但波谱曲线上升速度较慢及达峰时间较长，整体变化幅度较小。本研究中，对照组中Oxy-Hb的波谱曲线从基线水平开始上升，到达峰值之后有下降趋势，与杨智权等[19]的研究结果一致。但PSD组对于三种情绪图片呈现后的反应有所不同，在负性图片呈现后，波谱曲线波动幅度较小，无明显上升趋势及峰值，有轻微下降趋势，这可能与PFC在负性情绪呈现后激活程度降低有关。随后杨智权等[20]的研究还发现，Oxy-Hb峰值浓度是一个较为敏感的指标，可用于中度、重度PSD患者的观察，PSD程度不同的患者，呈现出前额叶功能激活下降状态的生物学特征也有差异，重度抑郁状态的患者前额叶有氧代谢功能失调情况更严重，表现更为典型。

在健康人群中，n-back工作记忆任务可以激活双侧PFC区域[21]。许多神经心理学研究表明，MDD患者工作记忆功能受损[22-23]。本研究结果显示，PSD组PFC的Oxy-Hb相对浓度变化值低于对照组。Pu等[24]的研究发现，在进行工作记忆任务时，MDD患者与正常对照相比，表现出更小的血液动力学反应与更差的任务表现，与本研究结果一致。但也有一些先前的研究表明[25]，使用n-back工作记忆任务时，抑郁患者表现出增加的皮层激活程度。这种差异可能是由于任务的难易程度不同，在更复杂的任务中，抑郁患者表现出PFC激活程度增加。

有研究显示，MDD患者的左侧PFC血流量减少、代谢减慢，而右侧PFC代谢亢进[26]。本研究中发现了类似的结果，在1-back任务中，PSD组左侧PFC的Oxy-Hb相对浓度变化值低于对照组，而右侧无统计学差异，PSD患者左侧PFC工作记忆功能受损。

PSD患者在负性情绪呈现后，PFC激活程度降低，并且左侧PFC工作记忆功能受损，表明PSD患者PFC有氧代谢功能失调。PFC涉及的功能非常复杂，本研究仅使用两个检测任务，并不能全面地反映PFC功能情况。目前在PSD患者中进行fNIRS的相关研究较少，而在抑郁症患者中的相关研究结果也有争议，在今后的研究中还需扩大样本量，规范实验操作，进行深入研究，揭示PSD患病的神经机制，以发现诊断PSD的特征性生物学指标，为临床诊断与治疗提供理论依据。

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