脑膜瘤与低级别胶质瘤基于小波变换运动功能网络动态连接的差异

牛 晨，任雨寒，刘 翔，温 鑫，王茂德，郭建新，张 明*

(1.西安交通大学第一附属医院医学影像科，2.神经外科，陕西 西安 710061)

大脑可塑性是持续的重塑过程，目的在于优化大脑功能网络[1-3]。生长缓慢的肿瘤可能引起更显著的功能重塑[4-5]。脑膜瘤及低级别胶质瘤均属于生长缓慢的颅内肿瘤，目前对其所致大脑动态可塑性改变是否受肿瘤组织病理类型影响尚不明确。传统方法不能在给定时间周期内反映功能连接(functional connectivity, FC)的动态变化。小波变换(wavelet transform, WT)是提取非静止时间序列特征的重要工具，可用于观察时域和频域时间序列之间的二元关系[6-7]。本研究采用小波变换一致性(wavelet transform coherence， WTC)分析方法检测脑膜瘤与低级别胶质瘤运动功能网络的动态连接，以探究动态连接与大脑可塑性之间的潜在关联。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2016年12月—2019年3月于西安交通大学第一附属医院接受手术治疗的脑膜瘤(脑膜瘤组)及低级别胶质瘤(胶质瘤组)患者各14例，均经常规CT或MR扫描确定颅内单发肿瘤，邻近大脑中央沟，位于或靠近主要运动皮层区，且未跨越大脑中线结构。脑膜瘤组男2例，女12例，年龄39～70岁，平均(53.0±11.0)岁；胶质瘤组男11例，女3例，年龄27～65岁，平均(46.5±10.2)岁。同时招募14名性别、年龄相匹配的健康成人作为对照组，男8名，女6名，年龄25～65岁，平均(48.5±10.1)岁。本研究经本院伦理委员会批准(2017伦审科字[169]号)，所有受试者均知情同意。

1.2 仪器与方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR扫描仪，8通道标准正交头线圈。扫描前对受检者进行运动任务培训，以确保完全理解任务并认真配合完成扫描。嘱受检者仰卧，佩戴耳塞，以软垫固定其头部，闭目放松但不要入睡；于常规MRI后行功能MRI(functional MRI, fMRI)检查。常规MR序列及参数：轴位T1W，TR 2 360 ms，TE 21.9 ms，层厚5.0 mm，FOV 25.6×25.5，矩阵256×256，共28层；轴位T2W，TR 4 900 ms，TE 4 119.4 ms，矩阵256×256，FOV 25.6×25.6，层厚5 mm。血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent, BOLD)-fMRI采用T2*加权单次激发梯度回波序列，TR 2 500 ms，TE 40 ms，视野256 mm，矩阵64×64，层厚3 mm，像素3.75 mm×3.75 mm×3.00 mm，共47层，无间隔扫描。

1.3 运动任务设计 fMRI包括静息状态及双手运动的任务状态扫描，先行静息状态扫描，再行运动任务扫描。运动任务采用组块设计，即30 s静止休息状态及30 s双手运动任务相交替，整个任务过程由6个静息状态、5个任务状态组成；引导受检者面对每个视觉刺激画面时反复进行打开手掌和关闭手掌的运动任务。

1.4 数据分析与处理 采用FSL软件 (www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/)分析运动任务fMRI数据。分别对数据进行运动矫正、空间平滑及高通滤过器预处理。通过3D结构像与MNI152标准大脑空间对功能图像进行标准化。采用FSL中的FEAT做广义线性相关模型分析，以P<0.05为设定阈值。提取大脑双侧主要运动皮层区及大脑辅助运动皮层区的最大激活区作为种子点，以确定运动功能网络。采用AFNI及FSL软件共同处理静息态fMRI。首先行运动矫正，时间带通滤波及空间标准化、空间平滑等。以Pearson相关分析计算运动功能激活脑区之间的相关性，采用Fisher-z变换提高相关系数的正态性。采用 WT MATLSB数据包分析运动网络的动态连接。

1.5 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。计量资料以±s表示，2组间比较采用t检验，多组间比较采用单因素方差分析。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

基于双手运动任务刺激及广义线性模型分析确定3组受检者的运动功能网络节点，分别位于左侧主要运动皮层(left primary motor cortex, LPMC)、右侧主要运动皮层激活区(right primary motor cortex, RPMC)及辅助运动皮层区(supplementary motor area, SMA)，见图1～3。

图1 对照组，男，45岁 A.轴位T1WI； B.fMRI显示运动功能网络主要节点激活(箭) 图2 脑膜瘤患者，女，42岁 A.轴位T1WI； B.fMRI显示运动功能网络主要节点激活(箭) 图3 胶质瘤患者，男，53岁 A.轴位T1WI； B.fMRI显示运动功能网络主要节点激活(箭)

2D彩色编码WTC图(图4～6)中，红色区域内的箭头代表LPMC-RPMC间功能连接在时间-频率平面上特定的相位角，当其同时指向一个方向时，代表LPMC-RPMC间功能连接存在较强的一致性。图中锥形部分区域为“影响锥”(cone of influence, COI)，表示小波谱区域及相应的边缘效应；COI内小波谱值下降，图像中以锥形轮廓外的褪色区域表示。本研究中，相比脑膜瘤及胶质瘤组，对照组LPMC-RPMC之间存在很强的一致性；而胶质瘤组低频段WTC较脑膜瘤组明显减弱。在运动网络LPMC、RPMC、SMA的ROI内，脑膜瘤组、胶质瘤组LPMC-SMA、RPMC-SMA及LPMC-RPMC的WTC均低于对照组(P均<0.05)，胶质瘤组均低于脑膜瘤组(P均<0.05)，见表1。

图4 对照组，女，45岁 A.LPMC及RPMC的时间序列曲线； B.彩色编码WTC示LPMC-RPMC间功能连接时间-频率相位角一致性高(红色区域较多) 图5 脑膜瘤患者，女，42岁 A.LPMC及RPMC的时间序列曲线； B.彩色编码WTC示LPMC-RPMC间功能连接时间-频率一致性下降(红色区域减少) 图6 胶质瘤患者，男，49岁 A.LPMC及RPMC的时间序列曲线； B.彩色编码WTC示LPMC-RPMC间功能连接时间-频率一致性明显下降(仅有散在红色区域)

表1 3组LPMC-SMA、RPMC-SMA、LPMC-RPMC的WTC比较(±s，n=14)

表1 3组LPMC-SMA、RPMC-SMA、LPMC-RPMC的WTC比较(±s，n=14)

组别WTCLPMC-SMARPMC-SMALPMC-RPMC脑膜瘤组0.61±0.08*#0.62±0.02*#0.64±0.06*#胶质瘤组0.37±0.08*0.37±0.050.40±0.06*对照组0.84±0.050.84±0.060.89±0.03F值143.42184.58320.22P值<0.05<0.05<0.05

注：*：与对照组P<0.05；#：与胶质瘤组P<0.05

3 讨论

脑膜瘤及低级别胶质瘤均属缓慢生长的颅内占位性病变，其运动功能网络连接并非静止，而呈动态改变。传统FC分析方法利用相关系数整合整个时间点，虽能阐明2个脑区之间在完整的时间段内的整体关系，但无法在既定时间范围内动态显示大脑的时间-频率变化。既往研究[8]发现，大脑网络的动态时间-频率关系可能提供与疾病相关的重要临床信息。CHANG等[8]利用WTC的时间-频率分析方法对正常受试者进行分析，发现清醒状态下其后扣带回与默认网络其他区域的功能连接的一致性、相位及强度均随时间推移而呈动态改变。WT是用于分析非稳态信号的时间-频率方法，适用于分析非稳态神经振荡的功能连接[8-10]，能够检测到相位移动的时间动态改变，已广泛用于多种成像技术，如fMRI、EEG及脑磁图等[11-14]。本研究利用WTC方法识别静息状态下脑膜瘤及低级别胶质瘤的大脑运动网络功能连接差异，以期为进一步理解不同类型肿瘤造成的大脑运动功能可塑性改变提供参考。

不同病理条件下，大脑功能区会出现可塑性改变，包括脑肿瘤所致功能区重组[15-17]。既往研究[2]结果表明，脑肿瘤可造成大脑连通性破坏及大脑基本节律改变，进而导致功能网络连接的异常改变，可能与肿瘤诱导的血流动力学变化或活跃的神经元缺失有关[18]。HOU等[19]认为脑肿瘤造成的生理变化如新生血管形成、占位效应及水肿等可能诱发神经血管解偶联效应，导致功能区内血液动力学改变。ULMER等[20]进一步发现病变引起的神经血管解耦联可导致病灶周围重要功能区内的fMRI信号降低，而在同源的大脑区域则表现为活动正常或增加，从而刺激病灶同源测的皮层重组，导致大脑可塑性改变。脑膜瘤及低级别胶质瘤之间运动功能的动态一致性存在显著差异，推测可能原因在于其组织细胞构成不同，引起不同的血管非耦合效应，致低频振荡的时间-频率改变不同。脑膜瘤生长过程中可出现病灶内小血管紊乱，导致静脉回流受损、血液瘀滞，造成脑膜瘤内血管过度形成而致局部血流动力学改变；这种血管过度形成可能是导致脑膜瘤fMRI激活减弱的主要原因[21]。

本研究结果显示，在运动网络LPMC、RPMC、SMA的ROI内，脑膜瘤组、胶质瘤组LPMC-SMA、RPMC-SMA及LPMC-RPMC的WTC均低于对照组，胶质瘤组均低于脑膜瘤组，由此可能造成脑膜瘤周围血管耦合化改变，导致BOLD信号的自发振荡发生改变。脑膜瘤对大脑的损伤常局限于大脑皮层；而低级别胶质瘤不仅会累及皮层，还可侵犯大脑白质区域，通过白质纤维束的连接而引起远距离皮层功能区域受损，从而影响大脑功能网络连接，使得低级别胶质瘤的此种改变对大脑功能连接的影响比脑膜瘤更为明显。胶质瘤通常位于深部脑白质区域，呈浸润性生长，可能损伤周围脑组织，引起邻近功能区改变，从而降低相应皮层区域的功能连接。此外，低级别胶质瘤常会破坏血脑屏障，造成血流动力学改变及局部神经元损伤，所引发的水肿及占位效应可改变大脑血流量，造成神经血管失耦合化效应[19]。

总之，利用WTC方法能够敏感地观察邻近或位于运动功能区的不同类型肿瘤造成的动态连接改变。脑膜瘤与低级别胶质瘤的运动功能网络连接均非静止，而呈动态变化。