颞下颌关节紊乱病患者静态与动态脑功能异常的磁共振研究

尹圆圆 李飞 何姝姝 陈嵩

1.口腔疾病研究国家重点实验室 国家口腔疾病临床医学研究中心四川大学华西口腔医院正畸科，成都610041；2.四川大学华西医院放射科华西磁共振研究中心，成都610041

作为口腔临床发病率最高的4种疾病之一，颞下颌关节紊乱病（temporomandibular disorders，TMD） 的主要临床表现为面部和耳前区局部疼痛、下颌运动障碍、关节弹响及杂音，部分患者可伴有其他临床症状如头颈部疼痛、头晕、耳鸣等[1]。目前对TMD 的病因和病理生理机制的理解尚无定论[1]，近期有学者提出TMD 可能与慢性疲劳综合征和慢性下背痛等疾病具有类似的、涉及中枢神经系统的病理生理特征[1-2]。 已有研究[3-8]表明，TMD 患者存在异常的自发脑功能活动和脑区间功能连接，并与患者的疼痛感知、情绪调节和运动控制等有关。

静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI） 是一种非侵入性的脑功能检测技术，通过血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD） 信号反映受试者大脑功能活动。以往TMD 相关rs-fMRI 研究都是基于在扫描过程中（5～10 min） 人脑处于静止状态这一假设，以整个扫描的BOLD 信号均值来量化大脑活动和功能连接。然而，近期研究[9]证实，静息状态下大脑实际上是一个极其动态的系统，内部功能状态随时间波动，同时提出大脑的动态特征可通过测量大脑自发活动和功能连接的时间变异性来表征，具有良好的可重复性，能提供具有生理病理学意义的用于诊断和评估预后的脑影像学信息[10]。

局部脑功能活动反映了大脑BOLD 信号波动的内在属性，且与心理和认知过程相关[11]。低频振幅（amplitude of low frequency fluctuation，ALFF）是常用的反映静息态大脑自发活动强度的脑影像特征[12]。结合 “滑动窗口” 方法（sliding-window approach），动态ALFF （dynamic ALFF，dALFF）可通过衡量ALFF 随时间变化的变异程度来计算[13]，目前已在焦虑[14]、原发性失眠[15]、颈椎间盘源性疼痛[16]等疾病中有所应用，是对静态ALFF（static ALFF，sALFF） 研究的有力补充。本研究拟采用ALFF 指标探究TMD 患者静态和动态脑功能改变以及两者之间相似或互补的特征，以促进对TMD病理生理机制的理解。

1 材料和方法

1.1 研究对象

本研究获得四川大学华西口腔医院伦理委员会批准，所有被试者自愿参与实验并签署书面知情同意书。本研究于四川大学华西口腔医院正畸科的初诊患者中招募30 名TMD 患者作为患者组，并通过社会公开招募的方式收集20 名健康志愿者作为对照组。患者组纳入标准包括：1） 根据TMD研究用分类及诊断标准（research diagnostic criteria for TMD，RDC/TMD）[17]诊断为TMD；2） 无正畸修复治疗史、无偏侧咀嚼习惯和磨牙、无与TMD 无关的慢性颌面部或身体其他部位的疼痛；3） 无TMD 相关治疗史；4） 牙列式完整；5） 右利手。所有被试者的排除标准包括：1） 有幽闭恐惧症等不适宜行磁共振检查者；2） 使用精神障碍诊断和统计手册非患者版的结构化临床访谈，排除受试者患有抑郁障碍、广泛性焦虑障碍等精神障碍；3） 目前或既往有药物滥用史或其他严重疾病；4） 妊娠期或哺乳期妇女。

1.2 TMD相关临床症状检查

根据RDC/TMD量表对所有被试者进行问卷调查和临床检查。使用RDC/TMD轴Ⅱ中基于症状自评量表-90 的抑郁和非特异性躯体症状量表来评估所有被试者的抑郁和躯体化症状，记为抑郁和非特异性躯体症状等级。伴疼痛的TMD 患者记录疼痛病程，同时根据RDC/TMD轴Ⅱ的慢性疼痛分级量表记录疼痛强度和疼痛所致功能障碍指数。计算患者的Helkimo 指数[18]，包括对TMD 主观症状指数（anamnestic dysfunction index，Ai） 和临床功能障碍指数（clinical dysfunction index，Di） 的评分和分级。

1.3 正中关系（centric relation，CR）-最大牙尖交错位（maximum intercuspation，MI）不调检查

对所有被试者进行CR-MI 不调检查，包括面弓转移、上架及髁突分析[19]。首先采用双手诱导法配合负荷试验获取并验证患者的正中关系，然后进行面弓转移，取正中关系咬合蜡、转关系上架。在髁突位置测量仪上分别测量CR 位和MI 位的髁突位置，从而获得CR-MI 左右侧矢状向和垂直向及横向不调的程度，精确到0.1 mm。根据以往研究[20]报道，将CR-MI 位置差异在矢状向/垂直向≥1.0 mm 或横向≥0.5 mm 定义为CR-MI 不调。以上操作由同一名研究者完成。2周后从两组中各抽取10 个样本，由该名研究者再次测量不调量，采用Dahlberg公式[21]对前后两次数据进行一致性检验，结果显示两次测量误差小，矢状向为0.01 mm、垂直向为0.02 mm，表明测量的可重复性高。

1.4 磁共振数据采集

所有被试者均在四川大学华西医院使用Siemens 3.0T Trio MR 成像系统（Siemens 公司，German） 和八通道头线圈完成扫描。被试者平躺于磁共振扫描床上，软垫固定以减少头部运动，佩戴耳塞以减少噪音干扰，要求保持不动，闭眼的同时保持清醒。

对所有被试者进行高分辨三维T1 结构像和rsfMRI扫描。1） 结构像采用三维磁化准备快速梯度回波序列进行扫描，并由一名放射科主治医师阅片以排除颅内肿瘤等脑部器质性异常，参数：重复/回波时间（repetition/echo time，TR/TE） 1 900/2.26 ms，层厚1 mm，共176 层，翻转角9°，视野范围256 mm×256 mm， 体素大小1 mm×1 mm×1 mm；2） rs-fMRI 扫描时嘱咐患者下颌放松、处于息止颌位。使用梯度回波-回波平面成像序列平行于大脑前后联合线平面进行逐层扫描，参数：TR/TE 2 000/30 ms，层厚5 mm，共30 层，无层间距，翻转角90°，矩阵64×64，视野范围240 mm×240 mm，体素大小3.8 mm×3.8 mm×5 mm，共采集180个时间点。

1.5 数据处理及分析方法

基于Matlab 2012b平台，利用静息态功能磁共振数据处理助手（data processing assistant for resting-state fMRI，DPARSF） 5.0[22]对脑影像数据进行预处理，流程包括：1） 去除前10个时间点；2）时间层校正和头动校正，排除头动平移＞2 mm、旋转角度＞2°的被试者，本研究无被试者被排除；3） 将Friston 24个方向的头动参数、白质和脑脊液信号作为协变量去除，获得每个被试者的平均帧向位移（frame-wise displacement，FD）[23]头动参数；4） 结构像配准到功能像后，体素重采样至3 mm×3 mm×3 mm，匹配到蒙特利尔神经研究所（Montreal neurological institute，MNI） 标准空间；5） 高斯函数平滑（半高全宽8 mm） 并去线性漂移；6） 带通滤波。预处理后对全脑0.01～0.08 Hz的低频信号进行快速傅里叶变换，将所有体素的时间序列由频率谱转变为功率谱，经开方处理后得到的平方根即为该体素的sALFF 值，再除以全脑平均值进行标准化处理。

使用DynamicBC 工具箱[24]，将全长BOLD 信号时间序列分割成长度为30 TR （60 s） 的正方形窗口，并以1 TR （2 s） 的步长位移，每个被试者最终得到141个窗口。计算单个被试者每个体素在所有窗口下ALFF值的方差，再除以全脑平均值得到标准化后的dALFF 值。为验证dALFF 分析结果的可重复性，另选择窗长20 TR、步长1 TR 以及窗长30 TR、步长2 TR两种情况进行分析。

1.6 统计分析

所有数据使用SPSS 23.0 软件进行统计学分析，分析前进行正态分布和Levene方差齐性检验，计量资料以均值±标准差表示。计量资料的组间比较使用两独立样本t检验或Mann-WhitneyU检验，计数资料使用卡方检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

使用DPARSF 的统计模块在标准化灰质模板（mask） 内对患者组与对照组的全脑sALFF 和dALFF 空间图进行两独立样本t检验，以年龄、性别和平均FD 值作为协变量排除其影响，对统计结果进行AlphaSim校正（体素水平P＜0.005，簇水平P＜0.05）。如在全脑水平上的结果无法通过多重比较校正，则选取未校正P=0.005时具有组间差异的脑区所属的MNI AAL （anatomical automatic labeling） 区域作为感兴趣区（region of interest，ROI），再次进行相同阈值的AlphaSim 校正。最终将结果叠加在标准模板上显示，记录差异具有统计学意义脑区的峰值点MNI坐标及对应T值。

在患者组内，以组间出现sALFF 和dALFF 统计学差异的脑区作为感兴趣区提取sALFF 及dALFF 具体数值，并与Di、CR-MI 不调指数和疼痛指标进行相关性分析，以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 人口及临床特征统计结果

患者组与对照组的年龄、性别、身高、体重、教育年限、抑郁和非特异性躯体症状等级以及平均FD值的差异均无统计学意义（表1）。本研究30名TMD 患者中，22 名同时有肌肉和关节症状（其中14 名伴慢性疼痛，疼痛来源为：6 名肌肉和关节区、5 名仅肌肉、3 名仅关节区），8 名仅有关节症状（2名伴关节区慢性疼痛，6名不伴疼痛）。伴慢性疼痛的16 名中，平均疼痛病程（17.3±22.4）个月，平均疼痛强度得分（41.4±14.0） 分，疼痛所致功能障碍得分（26.7±18.9） 分。患者组Helkimo 指数结果为：AiⅠ5 名（16.7%），AiⅡ25 名（83.3%）；DiⅠ4 名（13.3%），DiⅡ12 名（40%），DiⅢ14 名（46.7%），Di 指数为9.53±4.78。患者组中共23名存在CR-MI不调，具体见表2。

表1 被试者基本信息情况Tab 1 Basic data of all subjects

2.2 2组sALFF、dALFF的比较

与对照组相比，患者组后扣带回（posterior cingulate cortex，PCC） 的sALFF 和dALFF 均增加（全脑水平未校正P=0.005；AAL ROI 水平Alpha-Sim 校正时，体素水平P＜0.005，簇水平P＜0.05，体素分别为39 和44；表3，图1）。此外，患者组内侧眶额回皮质（medial orbitofrontal cortex，mOFC） 的dALFF 显著增加（全脑水平AlphaSim校正，体素水平P＜0.005，簇水平P＜0.05，体素为83；表3，图1）。不同窗长、步长对动态脑功能组间差异的验证结果与主结果类似（图2）。

图2 不同窗长、步长验证dALFF组间差异结果的脑区分布图Fig 2 The validation results with different window length and step length

表3 2组存在差异的脑区Tab 3 Brian regions with significant differences of two groups

图1 2组间存在差异的脑区分布图Fig 1 Brain regions with significant differences of two groups

2.3 ALFF与临床指标间的相关性

在患者组23 名CR-MI 不调患者中，PCC 的dALFF 值与左侧（r=-0.468，未校正P=0.024） 和右侧（r=-0.466，未校正P=0.025） 髁突垂直向偏斜存在负相关（图3）。PCC 的dALFF 值与Di和疼痛相关指数均无显著相关性。

图3 TMD患者后扣带回dALFF与左右侧髁突垂直向不调的相关性（P＜0.05，未校正）Fig 3 Significant correlations between the dALFF of posterior cingulate cortex and bilateral condylar vertical discrepancies in patients with TMD（P＜0.05，uncorrected）

3 讨论

本研究结合静态与动态ALFF 探讨TMD 患者静息态脑功能活动，结果显示，与对照组相比，TMD 患者PCC 的sALFF 和dALFF 均升高，且dALFF 值与CR-MI 不调指数存在负相关关系。此外，患者mOFC 的dALFF 值亦显著高于正常。这些结果可能反映了与TMD 患者自我相关思维增加、负面情绪及情绪调节异常相关的潜在中枢改变。

与对照组相比，TMD 患者PCC 的sALFF 显著升高。 PCC 是默认网络（default mode network，DMN） 的关键节点[25]，DMN 是一组功能上相互关联的大脑区域，其活动反映了自我监控和对内部状态信息的处理，参与自我意识的维持并负责将注意力引向内部世界[26-27]。 以往研究已在偏头痛[28]、广泛性焦虑[29]、抑郁症[30]等疾病中发现PCC局部功能活动升高增强。PCC 功能活动升高以及与DMN 其他脑区功能连接增加被认为可能是导致负面情绪相关的自我沉思（rumination） 的神经基础，即内心过度关注令人痛苦的想法和刺激[31-32]。Kucyi 等[4]发现TMD 患者的PCC/楔前叶与DMN 另一关键脑区——内侧前额叶的静息态功能连接显著增加，且与患者疼痛沉思程度呈正相关。因此，本研究中TMD 患者PCC 局部功能活动升高可能表明患者对自我的过度关注，而这可能是TMD 相关临床症状如关节区弹响、杂音、张口受限和疼痛等所带来的负面情绪影响。事实上，已有研究[33]表明，TMD 患者在执行认知任务时表现较差、DMN 异常激活，这可能是由于他们在认知控制过程中难以将注意力从与自我相关的想法转移到外部刺激。此外，PCC 可被情绪性刺激激活[34]。例如，健康志愿者在观看令人厌恶场景时特定激活的脑区便位于PCC[35]。Weissman-Fogel 等[33]也发现在情绪干扰任务中TMD 患者PCC 的功能活动比对照组更活跃。故笔者推测本研究中PCC 功能的改变可能也反映了所纳入TMD 患者的负面情绪状态。

dALFF 是一种基于高时间分辨率的捕捉大脑瞬时活动模式的手段。大脑瞬时活动过度变异或过度稳定可能是大脑功能改变和病理状态的表现[36]。本研究发现TMD 患者PCC 的dALFF 升高，且与CR-MI 不调中双侧髁突垂直向不调指数呈负相关。CR-MI 不调在TMD 患者中很常见[19]，其定义为下颌沿肌力闭合道闭合至最大牙尖交错位的过程中，由于咬合干扰早接触，牙周膜内本体感受器产生神经反馈使翼外肌下头出现非生理性收缩，髁突被牵拉偏离关节窝正中、最前、最上的位置，下颌偏离正中关系位。CR-MI 不调可表现为咬合不调，影响正常咀嚼运动，且来源于牙齿、口周肌肉和关节的异常感觉传入刺激可引起大脑皮质的适应性改变[37]。此外，动物实验已经证明咬合不调可激活下丘脑-垂体-肾上腺轴，导致皮质醇升高，诱导类焦虑样负面情绪反应[38-39]。因此，Ono等[40]将咬合不调描述为一种慢性应激源，而慢性应激已被证明与TMD 本身[41]以及焦虑等情绪障碍[42]的发生发展密切相关。本研究发现不调程度越严重的TMD 患者，ALFF 动态变异度越小。结合PCC 的sALFF 结果，提示不调指数越严重的TMD 患者其PCC 的动态功能越稳定且静态功能维持在高水平，反映出患者的自我关注程度越高。因此，推测CR-MI 不调作为慢性应激源可能与TMD患者过高的自我意识和负面情绪有关。

值得注意的是，PCC 的dALFF 值与不调指数的相关性无法通过多重比较校正。此外，PCC 静态和动态ALFF组间比较的结果在全脑水平上无法通过多重比较校正，但ROI 水平上的校正以及不同窗长、步长对主结果的验证在一定程度上控制了假阳性结果的可能。PCC 在静态和动态功能上的异常改变体现出PCC 局部功能在TMD 神经病理生理机制中的重要性，但仍然亟需进一步扩大样本量来重复并验证本研究结果。

本研究还发现TMD 患者mOFC 的ALFF 动态变异度增大，意味着其局部功能波动不稳定。既往研究发现，TMD 患者眶额回皮质（orbitofrontal cortex，OFC） 周围白质纤维束的各向异性分数异常降低[43]，且OFC 功能激活强度在患者接受颞部疼痛刺激时低于接受手指刺激时[44]。OFC 负责编码情感配价，即对刺激/事件产生正面或负面的情绪[45]。此外，OFC 与内感刺激相关的认知重新评价和情绪调节也有关[46]。神经质（neuroticism） 是一种对负面情感刺激高度敏感的人格特质，正常情况下应与OFC 皮层厚度呈负相关[47]， 然而Moayedi 等[48]发现TMD 患者神经质得分与OFC 皮层厚度呈异常的正相关关系。本研究中mOFC 的ALFF 动态变异度升高，表明局部脑活动存在异常的时间波动、功能不稳定，这种改变可能与TMD患者的情绪调节异常有关，加重患者的自我意识和负面情绪。

本研究的优势之一为结合静态与动态ALFF分析方法综合探讨TMD 患者静息态脑功能改变。此外，本研究所纳入的患者均未接受过TMD 相关物理或药物治疗，排除了治疗对脑功能的影响。但仍存在以下局限性：1） 研究样本量较小，统计效能受限，且为横断面研究，缺乏纵向数据支持，无法推断TMD 脑功能改变与临床指标的因果关系；2） 本研究TMD 患者组样本的临床异质性较大，未来可根据疼痛和症状来源等将患者群体细分进行更深入研究；3） 本研究通过RDC/TMD 量表轴Ⅱ对所有被试者的抑郁和非典型躯体症状进行了评估，患者组的这两项指标得分均值虽高于对照组，但组间差异无统计学意义。未来的研究应对患者的心理方面进行更细致全面的评估，包括对焦虑、压力、沉思、灾难化、神经质水平等进行评估，探讨其对TMD 脑功能影响的神经机制；4） 本研究揭示的TMD 患者脑功能异常局限于与自我意识及情绪相关的脑区，以往研究[43,49]发现TMD 患者运动功能相关脑区存在结构异常改变，提示后期可结合脑功能和结构两方面进行更全面的研究。

综上，本研究结合静态和动态ALFF分析发现TMD 患者PCC 和mOFC 静息态脑功能存在异常改变，可能反映了与TMD 患者过高的自我意识、负面情绪状态和情绪调节异常相关的潜在中枢改变。但鉴于本研究样本量有限，且未记录患者的焦虑、痛苦沉思、血浆皮质醇水平等临床指标，需要未来大样本研究进行更深入的探讨。

利益冲突声明：作者声明本文无利益冲突。