原发全面强直阵挛癫痫分频段功能MRI度中心度研究

王俊，刘光耀，张鹏飞，黄文静，樊凤仙，张静*

1.兰州大学第二医院核磁共振科，甘肃兰州 730030；2.兰州大学第二临床学院，甘肃兰州 730000；

原发全面强直阵挛癫痫（idiopathic generalized epilepsy with generalized tonic-clonic seizure,IGEGTCS）是一种特发性/遗传性癫痫综合征。全面发作性强直阵挛随时会发生，但主要出现在患者觉醒时，尤其是在睡眠剥夺和过度饮酒后[1-2]。长期的病理状态会使患者伴发神经心理和认知功能障碍，如记忆力下降、注意力下降和执行功能障碍[3]。静息态功能磁共振成像（fMRI）度中心度（degree centrality，DC）可作为网络节点（脑区）信息传递能力的度量指标[4]。静息态fMRI 的信号分析通常在滤波信号（0.01～0.1 Hz）进行，但神经振荡尺度具有明显的层次结构特征。这种分布方式使频段间干扰最小且耦合最佳。大尺度的功能连接网络在不同频段上显示出一定的频率特异性。不同频段相互耦合，共同调节大脑的运作[5]。多项研究基于先验经验依赖性频段划分方法进行，主要包括Buzsáki 等[6]提出的四频段划分法、统一频率步长、使用带通滤波器等方法；但均存在对先验知识的依赖性和主观性的局限。Thompson 等[7]将时间序列细分为一组跨越静息状态范围的78 个频率带，并为每个频率带导出一个连接矩阵。随后的图论分析显示，网络内部和跨网络的连接在不同频段差异显著，并存在明显的交互作用，这些交互作用可能在经典相关性分析中被平均。Yeh 等[8]提出基于数据驱动的互补集合经验模态分解（complementary ensemble empirical mode decomposition，CEEMD）方法，根据固有模态函数（intrinsic mode function，IMF）对频带进行分解。既往研究探索了GTCS 患者脑网络的改变[9]，但对其潜在的时间变异性了解较少。本研究采用静息态fMRI 中的DC 方法探讨GTCS 患者发作间期静息态下脑网络节点的改变及其相关的病理生理机制与临床意义，并探讨在不同频段下脑节点属性的改变对频率变化的依赖性。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2014年2月—2015年10月兰州大学第二医院收治的19 例GTCS 患者，依据2017年国际抗癫痫联盟分类标准[10]。所有患者常规脑电图检查可见痫样波，常规头颅MRI 及CT 检查正常。患者扫描前3 d 无癫痫样发作，以减轻可能因发作残余脑电信号对静息态fMRI 数据产生的影响。采用国立医院癫痫严重程度量表（national hospital seizure severity scale，NHS3）对每位患者疾病严重程度进行评估。以上诊断及量表评估均由1 名神经内科主治医师独立诊断。招募性别、利手、年龄和受教育程度与GTCS 患者匹配的22 例健康志愿者作为对照组，均无神经、精神疾病，常规MRI 检查颅脑无异常。本研究经兰州大学第二医院医学伦理委员会批准。所有受检者均对本研究目的和内容知情同意，并签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Verio 3.0T MR 扫描，并使用32 通道头部线圈。嘱受检者闭目保持清醒放松。fMRI 扫描采用平面回波成像（echo-echo planar imaging，EPI）序列，扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，反转角90°，视野240 mm×240 mm，矩阵64×64，层厚3.8 mm，层间距0.38 mm，层数34。采集200 个时间点，扫描时间6 min 40 s，横断面图像覆盖全脑。

1.3 图像处理及分析

1.3.1 图像预处理 使用基于SPM12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）的DPARSF 软件（http://www.restfmri.net）对fMRI 数据进行预处理[11]，预处理过程：①去除开始阶段因受检者不适应和磁饱和效应产生的噪声，稳定MR 信号，分析剩余的190 个时间点信号。②校正不同时间点信号到同一时间点。③头动校正，减少因受检者不自主运动引起的噪声。剔除平动>2 mm、转动>2°的数据，本组受检者数据均符合标准。④将受检者的原始空间配准到MNI 标准空间，采用两步配准法，以便作脑激活区的定位，并对每个体素重采样至3 mm 活区的定位。⑤采用6 mm FWHM对标准化后的图像进行平滑。⑥去除包括6 项头动参数、全脑信号、白质信号、脑脊液信号在内的协变量，及由于采集时间过长而积累的线性趋势。

1.3.2 互补集合经验模态分解 CEEMD 采用自适应信号处理方法将信号分解为有限个IMF[12]。在数据预处理后进行计算，将每个体素的时间序列分为5 个固有振荡节律，并具有不同的对应频段，包括IMF5（0～0.016 Hz）、IMF4（0.015～0.025 Hz）、IMF3（0.025～0.055 Hz）、IMF2（0.055～0.120 Hz）和IMF1（0.120～0.250 Hz）。

1.3.3 DC 计算 随后采用Rest 1.8 软件数据分析工具包（http://www.restfmri.net）进行DC 分析，计算基于体素的不同频段下全脑DC 图（阈值为0.25）。经过Fisher Z-score 转换将相关系数转换为Z 值。

1.4 统计学方法 采用SPSS 17.0 软件，计量资料以表示，组间比较采用独立样本t检验；计数资料组间比较采用χ2检验。采用基于MATLAB 的REST软件对Z变换后的DC 图进行分析，组内比较采用单样本t检验（FDR 校正）；组间比较采用双样本t检验（AlphaSim 校正，体素>54），并记录其坐标及相应t值。对GTCS 组NHS3 评分与DC 增加（降低）脑区的均值进行Pearson 相关分析。P<0.05 表示有统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料 两组受检者性别、利手、年龄和受教育程度比较，差异无统计学意义（P>0.05，表1）。

2.2 DC 组内及组间改变 IGE-GTCS 患者不同频段组内和组间差异有统计学意义的脑区见图1、2 及表2。与对照组相比，GTCS 组DC 值增高的脑区主要包括左内侧前额叶（0～0.016 Hz）、左后扣带回（0.015～0.025 Hz、0.120～0.250 Hz、0.120～0.250 Hz）、左楔前叶（0.015～0.025 Hz）、颞中回（0.025～0.055 Hz、0.055～0.120 Hz）、右中央前回及右颞中回（0.120～0.250 Hz），DC 减低的脑区主要包括背侧丘脑（0～0.016 Hz）、前扣带回（0～0.016 Hz、0.025～0.055 Hz、0.055～0.120 Hz）、右侧顶下小叶（0.015～0.025 Hz）、左侧豆状核（0.015～0.025 Hz）及左侧丘脑（0.055～0.120 Hz）。以上组间差异均有统计学意义（AlphaSim 矫正，P<0.05）。

表1 GTCS 组与对照组临床资料比较

图1 GTCS 组与对照组不同亚频段DC 值单样本t 检验（P<0.05，FDR 校正）及双样本t 检验（P<0.05，AlphaSim 校正，体素>54）改变的脑区。红色代表DC 增高脑区，蓝色代表DC 减低脑区

图2 IMF2 组间DC 值差异有统计学意义的脑区。红色区域表示GTCS 组DC 值增高，蓝色区域表示GTCS 组DC 值减低（Alphasim 校正，P<0.05），DC 值增高的脑区包括右侧颞中回及左侧楔叶（t=4.52、5.08），DC 值减低的脑区包括左侧前扣带回及左侧丘脑（t=-3.55、-3.31）

表2 不同频段GTCS 组与对照组间DC 差异有统计学意义的脑区

续表2

2.3 节点 DC 异常与疾病严重程度的相关性IMF4 亚频段：GTCS 组NHS3 评分与后扣带回的平均DC 呈正相关（r=0.65，P=0.002），与内侧颞叶的平均DC 呈负相关（r=-0.51，P=0.024）；IMF3 亚频段：GTCS 组NHS3 评分与前扣带回的平均DC呈负相关（r=-0.50，P=0.029）；IMF1 亚频段：GTCS组 NHS3 评分与后扣带回的平均 DC 呈正相关（r=0.54，P=0.017；图3）。

图3 GTCS 组DC 增加（减少）脑区均值与NHS3 评分的相关性。A、B.IMF4 频段下后扣带回、楔前叶/颞中回与NHS3 评分分别呈正、负相关；C.IMF3 频段下前扣带回与NHS3 评分呈负相关；D.IMF1 频段下后扣带回与NHS3 评分呈正相关

3 讨论

静息态fMRI 的DC 分析方法可以评估脑重要节点对整个大脑的影响程度，节点DC 发生改变提示该节点与其他节点之间的功能同步性出现异常[4]。既往研究表明，在特发性全身性癫痫中，结构网络和功能网络的失耦合不仅降低了颞下回、后扣带回的DC，而且增加了丘脑、前扣带回、右侧杏仁核和壳核的DC[13]。多项研究发现，GTCS 脑活动改变集中在丘脑、上脑干、内侧前额叶皮质、后中脑区和顶叶皮质等脑区，均表明其作为一种网络障碍疾病的属性[14-16]。有研究认为默认网络（default mode network，DMN）的异常脑活动可能是GTCS 患者癫痫发作时意识完全受损的神经相关因素。Jia 等[9]研究发现全身性癫痫患者与对照组相比缺乏静息状态下扣带回/楔前叶的低频激活。尽管难以确定异常DMN 激活是否是癫痫患者的尖峰和慢波放电症状的结果或先行因素，但至少可以部分解释癫痫患者表现出更为严重认知功能障碍的原因。

3.1 组间DC 值差异分析 与对照组相比，DC 减低的脑区大部分集中在DMN 的重要网络节点和丘脑及豆状核，与既往研究结果一致[12,17]。前扣带回和顶下小叶的DC 值异常减低可能反映了DMN 中心节点在长期异常放电的情况下导致的结构破坏与功能丧失。大脑连接性减低可能与意识丧失等症状有关。丘脑DC 值在多个频段减低表明丘脑-皮层环路异常可能是IGE-GTCS 的病理机制之一[18]。因此，本研究推测在癫痫活动期间，长期痫样放电使IGE-GTCS 患者的大脑活动受损或大脑活动不完全同步，导致DMN 的节点DC 异常减少。

DC 增高的脑区包括内侧前额叶、颞中回及后扣带回，提示这些节点（脑区）在网络中的中心作用增强，这些脑区与认知及睡眠密切相关。Guo 等[15]报道，后扣带回是DMN 中的核心节点，并与其他节点存在直接交互作用。其中心地位的增强可能反映了GTCS患者的大脑为保持认知需求的代偿机制，也表明扣带回在癫痫放电中可能发挥一定的调节作用。在IMF3和IMF4 2 个亚频段中均表现出后扣带回DC 增高。随着频率增高，两组差异并未发生明显改变，其中内侧前额叶DC 值增高仅出现在IMF5 频段。DMN 的特征是极低频神经元振荡，在不同的大脑区域之间提供时间同步[15]。内侧前额叶皮层的这种特殊表现可能具有一定的代表性。DMN 网络内节点DC 异常的空间分布具有一定的特征性，表明在静息状态下，GTCS患者DMN 中的功能整合发生了异常。

3.2 不同频段间DC值结果分析 本研究发现，DMN脑网络的节点异常在不同频段中仍然占主导地位。GTCS 患者在频率上存在节点异常同步，其中后扣带回、颞中回及前扣带回在不同频带上有一定的重叠，提示大脑不同脑区神经元活动具有频率特异性，节点空间分布的独特频率依赖性可能涉及不同振荡信号的起源。此外，疾病严重程度与前扣带回（IMF3）及颞中回/楔前叶（IMF4）呈负相关，表明在IMF3 频段对检测GTCS 引起的功能异常更为敏感。在IMF1 频段，GTCS 组均观察到左后扣带回、右中央前回及右颞中回DC 增加。部分学者将fMRI 在高频段（IMF1，0.12～0.25 Hz）上显示的区域效率差异归因于磁化率伪影。因IMF1 等频段被0.1～0.5 Hz 的呼吸频率和心脏搏动间隔覆盖，其生理意义有待进一步研究[19]。

随着fMRI 技术的发展和时间分辨率的逐步提高，亚秒时间频段的全脑fMRI 可显著改善心脏和呼吸噪声对信号的干扰。

志谢：感谢兰州理工大学柯铭副教授在文章构架指导上给予帮助，感谢浙江大学张喆博士后在数据处理方面给予指导。