冻结步态帕金森病患者脑部结构fMRI：基于体素的形态学分析

陈静勿，胡杉，谢新凤，杨粤龙，吴晓玲，杨云竣，黄飚

冻结步态(freezing of gait，FOG)是帕金森病(Parkinson's disease，PD)晚期患者中常见的致残性步态障碍。2010年在美国华盛顿举办的冻结步态研讨会上将其定义为在准备行走时出现前进脚步的短暂性、偶发性缺乏或明显减少，患者感到脚被粘在地面上不能行走[1]。因FOG易导致患者发生跌倒而造成骨折等并发症，严重影响患者的生活质量和社会功能[2]，所以FOG被认为是PD患者较严重的症状之一。目前对冻结步态的病理生理机制尚未明确，部分合并FOG的PD患者长期得不到正确有效的治疗。左旋多巴胺类药物能有效改善PD患者的运动障碍，如静止性震颤、肌强直和运动迟缓等，但对FOG治疗效果欠佳，多巴胺类药物甚至会诱发或加重某些PD患者的FOG[3]。脑深部电刺激(deep brain stimulation，DBS)疗法对FOG也无明显改善作用。

越来越多的研究者认为PD-FOG不仅仅是单纯的运动障碍，而是运动和认知两大因素之间相互影响、相互作用所致，其中认知功能障碍可能起着主要作用。随着MRI技术的发展，有较多的学者应用fMRI和DTI对PD-FOG患者进行研究，Tessitore等[4]应用fMRI中的独立成份分析法分析PD-FOG患者的静息态fMRI数据，发现所提取的5个神经网络中，执行-注意(右侧额中回和角回)网络和视觉网络(右顶枕回)功能连接下降；Fling等[5]应用DTI技术的研究结果亦显示PD-FOG患者脚桥核与额叶皮质多个区域的连接减少，提示认知功能障碍可能与FOG的发生机制有关。但目前PD-FOG患者出现脑部区域灰质萎缩的相关区域尚不明确。目前应用基于体素形态学分析法(voxel-based morphometry,VBM)分析PD-FOG患者的国内研究较少，因此本研究应用VBM法来分析PD-FOG患者脑灰质的形态学，旨在进一步探讨本病的病理生理机制。

材料与方法

1.临床资料

搜集广东省人民医院2014年1月-2016年12月经临床确诊的38例帕金森病患者的病例资料，其中PD-FOG患者20例(男14例，女6例)，PD-nFOG患者18例(男9例，女9例)。同时招募21例健康志愿者作为正常对照组(healthy controls，HCs)，年龄、性别和受教育程度与PD组相匹配。所有被试为右利手。

所有患者经神经内科医师参照1992年英国帕金森病协会脑库临床诊断标准明确诊断。冻结步态的评估采用冻结步态调查问卷评测法(New FOG-Questionnaire，NFOG-Q)，NFOG-Q评分≥1认为有冻结步态同时结合患者在10米步行、转弯和穿过狭窄门口的情况进行综合评估。

所有患者进行相应的量表评分，包括统一帕金森病等级量表(unified Parkinson's disease rating scale，UPDRS)-III、简易智能精神状态量表(mini-mental state examination，MMSE)和H-Y分期(Hoehn & Yahr stage)。

排除标准：①脑部常规MRI检查发现有颅脑的占位性病变、脑血管疾病或其它颅脑病变等；②头部存在影响图像质量的金属异物，因运动伪影影响图像质量，受试者因不能忍受检查而导致检查序列不全等；③具有严重的心、肝、肺和肾等脏器疾病引起的精神障碍，有长期嗜酒史，或者有甲状腺功能异常等影响认识的相关疾病；④脑深部受刺激或极严重的静止性震颤的患者；⑤有精神分裂等其它精神性疾病；⑥存在影响运动功能的骨骼、肌肉或关节疾病。

本研究经本院伦理委员会批准。所有PD患者及健康志愿者签署了知情同意书，并由研究员告知本研究的目的、注意事项等相关内容。

2.检查方法

所有患者在清晨(停用抗帕金森药物12 h以上)行磁共振检查。使用GE Signa Excite II HD 3.0T超导型磁共振成像系统和头颈联合线圈。所有患者行T1WI、T2WI、FLAIR及矢状面三维T1WI扫描。矢状面三维T1WI使用快速扰相梯度回波反转恢复序列，扫描基线平行于前后联合，扫描范围自顶叶顶端至小脑半球下部。扫描参数：TR 8.4 ms，TE 3.3 ms，矩阵256×256，视野24 cm×24 cm，翻转角13°，层厚1 mm，共获得146帧图像。

3.数据处理

所有数据处理均在Matlab(R2013a)平台上进行。解剖像数据采用DPABI分析软件进行自动化流程处理，主要流程如下：①图像转换，将所有受试者原始图像数据的DICOM格式转换成NIFTI图像格式；②空间标准化，将每个被试转换后图像映射到MNI标准坐标系统中；③组织分割，将分割后的灰质图像行体积调制为原始图像的组织体积；④图像平滑，采用8mm半高全宽高斯核对脑灰质图像进行空间平滑。

4.统计学分析

使用SPM8软件，对获得的3组数据采用独立样本t检验进行比较，并同时以年龄、性别作为协变量输入软件内进行分析，将P<0.005(AlphaSim校正)且相连灰质脑区体积>80个体素为差异有统计学意义的脑区，得到统计参数图，应用XjView软件对有统计学意义的脑区进行显示，并进一步提取相应脑区的相关信息，包括解剖位置、体素大小、Brodmann(BA)分区、蒙特利尔神经病学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)坐标及激活强度(用t检验统计值T表示)。

使用SPSS 20.0软件，对3组受试者的临床统计资料进行统计学分析。对三组间年龄、受教育程度的比较采用单因素方差分析(ANOVA分析)，对性别差异的比较采用卡方检验；对PD-FOG组和PD-nFOG组间病程差异的比较采用两独立样本t检验，对MMSE评分、H-Y分期和UPDRS-Ⅲ评分的比较采用独立样本非参数检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

表1 三组受试者的基本临床资料及比较

注：括号内为上下四分位数。

结 果

1.临床资料分析结果

三组受试者的基本临床资料及统计分析结果见表1。PD-FOG组、PD-nFOG组和HCs组中受试者的性别、年龄和受教育程度的差异均无统计学意义(P>0.05)。

三组间MMSE评分的差异有统计学意义(P<0.05)；进一步两两比较，PD-FOG组与PD-nFOG组间MMSE评分的差异无统计学意义(P>0.05)，而PD-FOG组与HCs组间、PD-nFOG组与HCs组间MMSE评分的差异均有统计学意义(P<0.05)。

PD-FOG组与PD-nFOG组间病程、H-Y分期的差异有统计学意义(P<0.05)，而UPDRS-Ⅲ评分的差异无统计学意义(P>0.05)。

2.VBM分析结果

PD-FOG组较PD-nFOG组脑灰质体积减少的脑区及其分布特征见表2。与PD-nFOG组比较，PD-FOG组中脑灰质体积减少的脑区主要位于右额叶和右顶叶(图1)。

表2 PD-FOG组较PD-nFOG组脑灰质体积减少的脑区

PD-FOG组较HCs组脑灰质体积减少的脑区及其分布特征见表3。与HCs组比较，PD-FOG组中脑灰质体积减少的脑区主要位于左侧小脑(山顶、山坡、小脑扁桃体和蚓结节)、右额叶和右顶叶(图2)。

表3 PD-FOG组较HCs组脑灰质体积减少的脑区

讨 论

本研究利用VBM技术研究PD-FOG、PD-nFOG患者和HCs的脑部灰质结构，发现与PD-nFOG患者比较，PD-FOG患者的额叶(BA4、BA6)和顶叶(BA3、BA40)皮质萎缩；与HCs患者比较，除上述提及的脑部区域外，PD-FOG患者的小脑灰质也存在萎缩。研究结果显示PD-FOG患者出现了与认知功能相关的额叶结构改变，提示FOG的发生可能不仅仅是运动功能受损，也与PD患者的认知、执行功能受损相关，为PD-nFOG患者治疗方法的确立提供了理论依据。

通常认为正常行走不仅仅是一种自主性运动，需要大脑网络中的注意力、执行功能和视觉运动的整合[6-7]。这些大脑网络的早期损伤与缓慢步态和步态失衡有关，任何一个环节出现障碍均可引起FOG。有研究者[8]认为PD患者步态障碍不但涉及皮质-基底节-丘脑-皮质等运动环路，还涉及到感觉认知系统，需要认知和注意功能对已破坏的运动环路进行补偿，而感觉认知过程主要由额叶皮质完成，提示与认知相关的额叶功能损伤与FOG密切相关，可能是FOG形成的根本原因。本研究结果显示，FOG患者额叶皮层萎缩，其中包括位于BA6的额叶中央前回的前端区皮层和辅助运动区，辅助运动区的功能多样，与运动的计划和学习以及认知功能的关系密切。本组结果进一步提示认知功能的损害与FOG的发生有着密切的联系。

图1 MR VBM图像， 显示PD-FOG组较PD-nFOG组脑灰质体积减少的脑区主要位于右额叶和右顶叶(呈红色)。a)横轴面图像；b)冠状面图像；c)矢状位图像；d)三维图像(上面观)；e)三维图像(侧面观)。

图2 MR VBM图像， 显示PD-FOG组较HCs组脑灰质体积减少的脑区主要位于右额叶、右顶叶和左小脑(呈红颜色)。a)横轴面图像；b)冠状面图像；c)矢状面图像；d)三维图像(侧面观)；e)横轴面图像；f)冠状面图像；g)矢状面图像；h)三维图像(上面观)。

笔者的研究团队在以往的研究中利用fMRI局部功能一致性(ReHo)方法来研究静息状态下脑功能，结果显示与PD-nFOG患者比较，PD-FOG组的左侧辅助运动区(BA6)及左侧额上回的脑功能活动性下降[9]。Jha等[10]通过神经心理学测试发现PD-FOG患者存在认知功能障碍，同时他们应用VBM方法研究大脑灰质体积的改变，发现PD-FOG患者中参与感觉认知功能的额叶体积发生了改变。同样地，Kostic等[11]对17例PD-FOG和20例PD-nFOG患者及34例HCs的研究中发现，与PD-nFOG患者比较，PD-FOG患者的认知功能明显受损，且额叶的执行能力下降；同时VBM法分析结果显示，FOG的严重程度与额顶叶灰质萎缩有显著相关性。本研究结果显示，FOG患者中与步态有关的额叶皮层存在萎缩，与上述研究结果基本一致。额叶皮层在周围环境改变时对控制步态模式有重要作用，因此当额叶区发生功能障碍时，将导致运动程序中注意力集中能力和执行程序能力出现下降，从而可能导致FOG的发生。

本研究结果显示，PD-FOG患者的顶叶皮质有多处出现萎缩表现，涉及的区域主要为前顶叶区和缘上回。虽然目前大多数对PD-FOG患者脑部结构的研究中，显示额叶功能障碍是导致FOG发生的重要机制，但亦有较多研究中发现了顶叶功能结构的改变。Li等[12]利用体素镜像同伦功能连接方法(VMHC)分析21例PD-FOG和33例PD-nFOG患者及24例HCs的脑静息态功能成像数据，发现与PD-FOG、HCs组比较，PD-FOG双侧顶下小叶的VMHC值降低，即自发性同步下降，提示双侧顶下小叶VMHC值的降低可能有助于鉴别PD-FOG与PD-nFOG患者。此外，Herman等[13]应用VBM对22例PD-FOG和22例PD-nFOG进行VBM分析，发现顶下小叶及角回有着明显皮质萎缩，顶下小叶和角回在各种高级认知功能中发挥着重要作用，在动作执行过程中，顶下小叶被激活，进行时空信息的感知整合，顶下小叶的萎缩可能会使帕金森病患者出现步态失控，从而导致FOG。此外与Herman等[13]的研究结果相比，本研究新发现了缘上回灰质萎缩，缘上回(BA40)属于次级体感皮层，是Wernicke区的一部分，主要功能是响应躯体刺激、完成结构区分任务，同时也能感知空间和肢体位置，因此其结构的损伤可能导致PD患者出现FOG。Gottlieb等[14]分析例相关的神经生理研究常规，提出顶叶皮质是连接知觉、动作和认知功能的桥梁，结合本研究结果，我们认为顶叶的异常也是PD-FOG患者重要的神经病理基础之一。

Fling等[5]的研究结果支持FOG出现的是由于脊髓上运动神经网络包括脑桥核、小脑、基底节和额叶执行皮质区功能障碍导致的，说明小脑可能也与FOG有关。本研究也发现PD-FOG患者小脑灰质体积异常减少。不少研究表明小脑在维持运动能力方面具有补偿性作用[15-16]。小脑主要的功能是参与躯体平衡、控制姿势与步态、调节肌张力以及精细运动的启动、计划和协调。小脑-丘脑-皮质环路是指来自齿状核发出的纤维束交叉后至对侧红核，上行至丘脑，再传至大脑皮质运动区及运动前区，参与椎体束及椎体外系的调节，可见小脑和SMA也是其重要组成部分之一。小脑-丘脑-皮质环路的某一部分出现功能障碍则导致运动及部分认知功能障碍。Wang等[17]应用fMRI对14例PD-FOG、16例PD-nFOG和16例HCs研究发现PD-FOG患者脚桥核的功能连接出现异常，主要是皮质-脑桥-小脑通路(双侧小脑、脑桥)和视觉颞叶区域受到损害。Schweder等[18]应用基于纤维束骨架的空间统计(tract-based spatial statistics,TBSS)技术研究发现脚桥核-小脑的连接性下降。此外一项VBM研究分析结果也显示PD-FOG组小脑的灰质体积存在明显的萎缩[10]。本研究结果显示小脑(山顶、山坡、小脑扁桃体和蚓结节)灰质体积异常减少，提示FOG的发生与小脑结构的损伤也有关系。

有研究结果表明PD-FOG患者存在视觉空间功能的损害，负责视觉处理的枕颞叶脑功能网络的连接性下降或皮质萎缩[10,17]，但本研究没有发现枕颞叶灰质结构的异常，这可能与样本量小有关，今后将继续收集PD-FOG患者大样本数据，以期能得出更全面地分析结果。此外本研究是一项横断面研究，如能获得纵向数据，则可以更加集中地对FOG患者进行分析，减少个体差异的混杂效应。

总之，本研究结果显示PD-FOG患者不仅与运动相关的脑区中顶叶及小脑灰质的体积减少，而且与认知相关的额叶灰质的体积也有减少。提示尽管FOG的表现似为运动障碍，实际上FOG患者不仅是运动功能受损所致，而是运动和认知功能障碍相互影响、相互作用的结果。本研究结果有助于进一步深入了解揭示PD-FOG的神经病理学机制，为采用改善认知功能的治疗方法来治疗PD-FOG患者提供了理论依据。