应用VBM-DARTEL方法研究颞叶癫痫患者脑灰质和白质及与执行功能的关系

呙丹妮，高玉军，李亚平，郑金瓯

（广西医科大学第一附属医院神经内科，广西 南宁 530021）

颞叶癫痫（Temporal lobe epilepsy，TLE）患者存在注意功能障碍越来越引起重视[1]，Posner等[2]提出，注意作为一个认知系统，可以分为警觉、定向和执行控制3个相对独立的子网络，其中执行功能为人类高级的认知活动之一，是人类完成各类复杂任务的先决条件，对其他认知过程进行调节与控制是它的本质。TLE患者已被证实存在执行功能的异常[3]，且患者具有广泛的脑灰质和白质体积的改变[4]，但TLE患者脑灰质和白质的损害与执行功能的相关性研究目前少见报道。为了研究TLE患者的执行功能，并对其脑MRI图像实现精确而又敏感的定位，本研究联合运用了Ashburner[5]提出的基于体素的形态学测量方法结合李代数微分同胚配准算法（Voxel-based morphometry-diffeomorphic anatomical registration through exponential lie algebra，VBM-DARTEL）和Fan等[6]设计的注意网络测试，旨在揭示TLE患者全脑灰质和白质体积的变化、执行功能的改变及两者之间的关系。

1 资料与方法

1.1 资料

连续收集2013年9月—2016年12月在广西医科大学第一附属医院神经内科住院或门诊就诊的TLE患者。所有患者均接受综合的临床评估（包括病史采集和脑电图监测），遵照国际抗癫痫联盟癫痫发作和癫痫综合征的治疗指南（2006）规范化使用抗癫痫药物。致痫侧根据癫痫发作特征、发作期和发作间期脑电图及MRI检查而确定。所有的受试者均在同一台仪器上接受相同序列的MRI扫描，所有患者均在检查前24 h内无发作。同期招募与上述TLE患者性别、年龄及受教育年限相匹配的健康志愿者，所有健康对照者均无中枢神经系统疾病、脑外伤或酗酒史。本研究取得患者和志愿者知情同意，并获得广西医科大学第一附属医院伦理委员会批准。

1.2 MRI扫描

使用荷兰Philips公司Achieva 3.0T超导磁共振扫描仪在标准的头线圈内完成扫描，受试者头部用软垫固定，尽量避免头部活动及有意义的思考，带上耳塞以减少噪音的影响。首先采用快速自旋回波序列行常规头部扫描以排除脑器质性疾病，扫描参数：T2WI（重复时间（TR）/回波时间（TE）=1858 ms/80 ms）、T1WI（TR/TE=190 ms/2.3 ms）及 T2W-FLAIR（TR/TE=6000 ms/120 ms）；接着采用快速梯度回波序列行3D-T1WI全脑图像采集，扫描参数：层数156，TR=20 ms，TE=3.5 ms，间隔时间 0，层厚 5 mm，视野 （FOV）=240 mm×240 mm×156 mm， 矩阵 512×512，激励次数 1，扫描时间 401.8 s。

1.3 图像处理

在MATLAB 2013a下运行SPM8软件包，采用VBM-DARTEL方法分析脑体积。处理步骤：①图像格式转换，使用dcm2niigui软件将原始DICOM图像文件转换成NII格式的文件；②调整图像原点位置，手动将所有受试者MRI图像的坐标原点调整至前-后联合（AC-PC）附近；③图像分割，将调整后的图像使用New Segment分割为灰质、白质和脑脊液3个部分；④计算体积，利用分割后的灰质、白质、脑脊液图像在MATLAB上通过自写运算程序计算灰质、白质体积；⑤生成模板，利用DARTEL配准方法生成最优模板；⑥标准化到MNI（Montreal Neurological Institute）空间，此步骤包括进行高斯平滑核FWHM=8 mm的空间平滑处理以提高信噪比及生成体积调制图，MNI是蒙特利尔神经学研究所脑图谱的坐标空间，体素的大小为1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm。

1.4 执行功能评价

执行功能测试使用的是注意网络测试软件（Eprime软件）。受试者眼距屏幕约60 cm，注视点为电脑屏幕中心点的“+”，手指置于反应按键上，正确且尽可能快地对靶箭头的方向做出判断。刺激信号分两种情况，可以为屏幕中心点出现的提示信号“*”，也可以为靶信号“→”。提示信号出现的形式分4种：在中心点位置出现、在中心点上方或者下方单独出现（空间提示）、在中心点上方和下方同时出现（双重提示）以及没有出现；靶信号出现的形式分2种：①5个朝向一致的箭头（Congruent）；②双朝向的5个箭头，即中间的1个箭头朝向与其他4个箭头朝向相反（Incongruent），靶信号为位于中间的箭头。测试正式开始之前，向受试者详细介绍测试规则并让受试者进行操作练习，待受试者完全熟练并理解测试规则后再开始正式测试。注意网络测试软件将自动记录受试者的反应时间 （Reaction time，RT）及操作的正误次数，测试结果精确到1 ms，我们将测试正确率大于60%的受试者纳入分析。执行网络效率值=双朝向目标RT-朝向一致目标RT，执行网络效率值越小，代表执行功能测试成绩越好。

1.5 统计学分析方法

在SPSS 21.0上对左侧颞叶癫痫 （Left-sided temporal lobe epilepsy，lTLE）组、右侧颞叶癫痫（Right-sided temporal lobe epilepsy，rTLE） 组和健康对照者（Healthy control，HC）组的人口学资料（年龄、性别和受教育年限）、临床特征（起病年龄和病程）、注意网络测试正确率、执行网络效率值、标准化的脑灰质体积（Normalized grey matter volume，nGMV）和标准化的脑白质体积（Normalized white matter volume，nWMV）行单因素方差分析；计量资料（性别）行卡方检验；nGMV、nWMV分别与患者的执行网络效率值行以性别、年龄和受教育年限作为控制变量的Pearson偏相关分析；组间多重比较选用LSD-t检验。以上统计分析阈值均设为α=0.05。为消除不同受试者间颅内容积大小的差异对研究结果造成的影响，本研究将每一个受试者的脑灰质、白质体积分别除以全脑体积后得到nGMV和nWMV用于统计分析，全脑体积为灰质、白质和脑脊液3者体积值相加。脑图像的分析则采用SPM8中的一般线性模型，利用DARTEL生成的体积调制图，把全脑体积作为全局变量，灰质或白质体积分别作为协变量，行全脑的协方差分析，由于本研究的样本量较小，故以 P＜0.001、uncorrected、K≥50 个体素的簇为差异具有统计学意义。SPM可获得每个簇中F值最大的体素在MNI空间的坐标值，通过xjView软件将具有显著性差异的簇叠加在T1WI模板上生成伪彩图，分别显示全脑灰、白质差异脑区。

2 结果

2.1 人口统计学资料和临床特征

研究对象共计80例，均为右利手。TLE患者共计42例，lTLE组16例，男8例，女8例，年龄（29.1±7.4）岁，受教育年限（12.3±1.8）年，病程（88.5±87.8）月，起病年龄（21.7±7.6）岁；rTLE 组 26 例，男16 例，女 10 例，年龄（27.6±7.2）岁，受教育年限（12.5±2.7）年，病程（115.6±86.6）月，起病年龄（17.9±10.7）岁；健康志愿者38例，男18例，女20例，年龄（26.8±5.4）岁，受教育年限（13.5±2.6）年。 各组年龄、受教育年限以及性别分布均无统计学差异；两组患者病程和起病年龄均无显著差异，治疗过程（药物种类、剂量、疗程）由于患者的个体差异而存在差别，但入组患者均行规范化抗癫痫治疗。

2.2 脑灰质和白质体积改变

①灰质体积减少的脑区：lTLE组主要位于两侧颞叶，左侧丘脑、扣带回，右侧额中回、顶下小叶及脑岛；rTLE组出现在两侧颞叶、额叶、顶叶及尾状核，右侧丘脑、扣带回；rTLE组的楔前叶较lTLE组明显减少。②白质体积减少的脑区：lTLE组主要在双侧颞上回，左侧海马，右侧楔前叶、后扣带回；rTLE组则主要在两侧的海马和豆状核，左侧尾状核和右侧额叶也有一定程度的萎缩；两组患者白质体积的减少并未发现差异。未发现灰质和白质体积增加的脑区。详细资料见表1，2及图1。

2.3 执行功能测验结果

HC组的注意网络测试正确率和执行网络效率值分别为（0.99±0.01）%和（90.50±34.21） ms，lTLE 组分别为（0.95±0.10）%和（126.38±38.73） ms，rTLE 组分别为（0.98±0.06）%和（102.25±36.09） ms。 3 组间正确率无统计学差异 （P=0.147）；rTLE组的执行网络效率值与健康对照组相比无显著差异（P=0.200）；lTLE组的执行网络效率值相较于rTLE组明显延长（P=0.001）。

表1 lTLE组、rTLE组与HC组灰质体积减少主要脑区分布比较

表2 lTLE组、rTLE组与HC组白质体积减少主要脑区分布比较

图1 lTLE组、rTLE组与HC组灰质和白质萎缩脑区分布的比较。图1a：与HC组相比，lTLE组灰质体积减少主要位于两侧颞叶、左侧丘脑；图1b：与HC组相比，rTLE组灰质体积的减少主要位于两侧颞叶、额叶、尾状核及右侧丘脑；图1c：rTLE组的楔前叶灰质体积较lTLE组明显减少；图1d：与HC组相比，lTLE组白质体积的减少主要位于双侧颞上回、左侧海马、右侧楔前叶及后扣带回；图1e：与HC组相比，rTLE组白质体积的减少主要位于两侧的海马、左侧尾状核和右侧额叶。lTLE组与rTLE组白质体积减少无显著差异；未发现灰、白质体积增加的脑区；P＜0.001，uncorrected，K≥50；L=左侧，R=右侧；色条所示为对应F值。Figure 1. Distribution of grey and white matter atrophy in lTLE patients,rTLE patients and healthy controls.Figure 1a:Compared to HC group,the grey matter volume reduction in the lTLE group was mainly located in the bilateral temporal lobe and the left thalamus;Figure 1b:Compared to HC group,the reduction of grey matter volume in the rTLE group was mainly located in the bilateral temporal lobe,frontal lobe,caudate nucleus and right thalamus;Figure 1c:The volume of grey matter in the precuneus of the rTLE group was significantly lower than that in the lTLE group;Figure 1d:Compared to HC group,the decrease of white matter volume in the lTLE group was mainly located in the bilateral superior temporal gyrus,left hippocampus,right precuneus and posterior cingulate gyrus;Figure 1e:Compared to HC group,the decrease of white matter volume in the rTLE group was mainly located in the bilateral hippocampus,left caudate nucleus and right frontal lobe.There was no significant difference in the volume of white matter between lTLE group and the rTLE group,and no increase in the volume of grey and white matter was found.P＜0.001,uncorrected,K≥50;L=left side,R=right side;color bar shown F value.

2.4 nGMV和nWMV及与执行网络效率值的相关

HC组的 nGMV和 nWMV分别为 （455.25±6.93） mL 和 （368.58±6.44） mL，lTLE 组 分 别 为（450.87±8.67） mL 和 （366.92±7.07） mL，rTLE 组分别为（447.50±10.48）mL 和（368.44±11.23）mL。 3 组受试者nWMV无统计学差异 （P=0.791）；lTLE组的nGMV与HC组和rTLE组相比均无显著差异 （P＞0.05）；rTLE组的 nGMV较 HC组显著减少 （P=0.001）。将nGMV与nWMV分别与两组患者的执行网络效率值进行相关分析，发现rTLE组的执行网络效率值与其nGMV值呈显著负相关（图2）。

3 讨论

图2 rTLE组执行网络效率值与nGMV的相关性。X轴为rTLE患者的执行网络效率值，Y轴为rTLE患者nGMV；rTLE患者执行网络效率值与nGMV呈显著负相关。Figure 2. Correlation of executive network efficiency value with nGMV in rTLE patients.The X axis for rTLE patients’executive network efficiency values;the Y axis for nGMV of rTLE patients;executive network efficiency value was negatively correlated with nGMV in rTLE patients.

本研究对TLE患者行全脑VBM分析发现TLE患者存在全脑广泛的灰质和白质体积减少，灰质体积减少最为明显的部位是颞叶，其次是额叶和边缘系统（丘脑和扣带回），尾状核也有一定的损伤；白质体积的减少则主要位于颞叶和海马，后扣带回也有损伤，上述改变与以往的研究结果基本一致[7-8]，这些改变可能是因为致痫灶反复的痫性放电通过Papez环路或直接的纤维连接向全脑扩散所致。TLE患者致痫侧对侧的结构也会出现损害，但仍以致痫侧重，丘脑、扣带回的致痫侧损害尤其明显。既往研究表明，丘脑参与构成了TLE患者的脑病理网络，在调节癫痫活动和痫性放电的传播中起重要作用[9]。本课题组既往的研究也发现了rTLE患者丘脑的功能连接改变以致痫侧重[10]，并提出丘脑在致痫灶定侧问题上可能有重要的诊断价值，本研究的结果进一步支持了本课题组提出的上述假说。

我们的研究还发现了lTLE、rTLE患者均存在执行功能的损害，这与国外学者的研究具有一致性[11]，提示颞叶参与了执行功能的调控，这种调控的主要机制为：颞叶起源的痫性放电常通过穹隆、钩束纤维等优势通道扩布至额叶，引起额叶功能的受损导致患者执行功能的损伤[12]。既往已证实前额叶皮质、扣带回皮层是与执行功能相关的主要脑区[13-14]，我们的研究结果也显示lTLE、rTLE患者均有两侧额叶和扣带回的损伤，这进一步支持了这种损伤机制的成立。左右侧进一步对比发现，lTLE患者的执行功能损伤较rTLE患者更严重，Kucukboyaci等[15]研究也发现了lTLE患者较rTLE患者显示出更加严重的认知功能障碍，与本研究的结果具有一致性。此外，有研究报道，lTLE患者存在更加广泛的网络改变[16]。综上，我们考虑TLE患者执行功能的损害可能具有一定的偏侧性，lTLE患者的执行功能损害更重。

相关分析显示，rTLE患者全脑灰质体积的减少与执行功能的损害程度存在相关，但并未在lTLE患者中检测到这种相关性。本研究中，rTLE组右侧楔前叶灰质、lTLE组右侧楔前叶白质均较HC组明显减少，rTLE组右侧楔前叶的灰质体积较lTLE组显著减少。楔前叶在收集信息并对信息进行分配方面起重要作用，对动物的研究也指出楔前叶对环境的定位发挥重要作用，若损伤上述功能，就可能导致执行功能的受损。目前，关于楔前叶是否参与TLE患者执行功能的调控暂未见报道，但已有学者在帕金森病患者中发现了其与认知功能损害的相关性[17-18]。综上，我们考虑楔前叶可能是与TLE患者执行功能相关的脑区，但这仍需要进一步的研究来证明。

本研究仍存在一定的局限性，首先，我们所有的入组患者均有抗癫痫药物治疗史，但药物治疗的具体过程不尽相同，因此，lTLE组与rTLE组相比较可能存在一定的异质性，目前暂无法排除药物可能对实验结果造成的影响；再者，lTLE组未能检测出nGMV、nWMV的改变及与执行功能的相关性还可能与样本量太小有关，今后拟进一步增大样本量并细化分组，以期得到更加准确的结果。总之，本研究发现了TLE患者不仅存在大脑广泛的结构损伤，且执行功能也受到了损害，lTLE患者执行功能的损害较rTLE患者更重，而rTLE患者执行功能的损伤与全脑灰质体积的减少有关，楔前叶可能参与了TLE患者执行功能的调控。