探索原发性痛经患者大脑自发性活动的动态性及一致性变化

刘军莲，张亚男，刘妮，吴俊辰，洪月颖，任蒙蒙，张健睿，郝瑛，黄怡然，霍健伟

1. 首都医科大学附属北京中医医院 放射科，北京 100010；2. 北京国际数学研究中心，北京 100871；3. 北京中医药大学 针灸推拿学院，北京 100029

引言

痛经作为妇产科的常见病，严重困扰着青春期及育龄期女性。世界范围内痛经的发病率报道不一[1-3]，但严重的月经痛造成了缺课、旷工及日常生活的受限，给患者带来经济损失及心理、生理负担。因此寻找发病原因并进行针对性治疗是首选任务。与继发性痛经不同，原发性痛经（Primary Dysmenorrhea，PDM）没有盆腔器质性病变，发病原因较为复杂，尚不明确，目前主要认为与前列腺素的分泌失衡相关。近些年关于PDM的中枢神经系统大脑功能的变化成为研究其发病机制的热点，并取得了一些成果[4-6]，有望在今后给临床诊疗提供一些帮助。

脑功能研究中应用最广泛的方法当属静息态功能磁共振成像（resting-state functional Magnetic Resonance Image，rs-fMRI），此项技术安全、无创、没有辐射，患者容易配合，而且时间、空间分辨力高，是脑功能研究中最具潜力的手段。rs-fMRI主要反映大脑在静息状态下的自发活动，评估指标较多，包括低频振荡振幅（Amplitude of Low Frequency Fluctuations，ALFF）、局 部 一 致 性（Regional Homogeneity，ReHo）、功能连接（Functional Connectivity，FC）、体素-镜像同伦功能连接（Voxel-Mirrored Homotopic Connectivity，VMHC） 及 度 中 心 度（Degree Centrality，DC）等。ALFF主要刻画了大脑活动低频振荡的幅度，ReHo表示局部脑区活动的一致性，VMHC主要反映了双侧大脑半球对称区域脑活动的同步性[7]，DC是衡量脑网络中节点中心性的度量指标。在PDM发病机制的rs-fMRI研究中，部分疼痛相关的脑区出现了神经元活动的异常。

先前的神经影像学研究表明PDM的中枢机制与默认网络密切相关，通过与健康人群的比较，PDM患者表现出楔前叶、背内侧前额叶皮质和前扣带回皮质的ALFF升高，而丘脑的ALFF降低[8]。进一步的FC分析发现了患者楔前叶与左侧背内侧前额叶皮质和右侧前扣带回皮质之间的FC降低，而楔前叶与左侧丘脑之间的FC增强。此外，患者左侧背内侧前额叶皮质升高的ALFF与痛经的病程呈正相关，为进一步阐明PDM的病理生理机制提供依据。上述研究观察的是处于无痛状态的PDM患者，我们前期研究针对患者月经期疼痛最严重的1～3 d进行观察，发现了患者ALFF减低的区域主要位于右侧小脑后叶、右侧颞中回、右侧海马及海马旁回、右侧脑干及左侧顶叶[5]，上述脑区涉及疼痛发生及调节的不同环节。除此之外，针对ReHo的研究也很多，有作者探讨了月经不同时期大脑活动的变化情况，结果表明PDM随着月经周期变化而出现神经元活动的变化，调节脑区涉及下行疼痛调节系统、默认网络及感觉调节系统[9]。另有学者研究PDM患者的围排卵期ReHo变化，同样发现了默认模式网络的异常[10]。除了上述指标，本课题组从VMHC的角度探讨了PDM患者双侧对称大脑半球的FC功能状态，结果表明双侧膝下皮层/眶额区同伦功能连接增强[11]。

目前大多数rs-fMRI研究仅关注PDM患者脑活动的静态特征，忽略了脑自发活动在时间维度上的动态变化。有研究表明人的大脑在多种时间维度上通过动态的整合与调整对内部或外界刺激做出反应[12]。除了动态特征，rs-fMRI指标间动态变化的一致性代表了不同功能层面的整合程度[13]。关于大脑自发性活动动态变化的研究目前已应用于精神分裂症、双相情感障碍、重性抑郁障碍等疾病中[14]，且发现了动态特征及一致性的异常，为阐明精神类疾病的中枢机制提供了新的角度和方向。至今未见有关于PDM各个指标间动态特征及一致性变化的研究，其是否存在异常是一个需要探索的方向。本研究首次应用滑动时间窗的方法，探索rs-fMRI的5种指标的神经元活动的动态性及一致性变化，以期为深入理解PDM病理机制提供帮助。

1 材料与方法

1.1 受试者

本研究受试者均为来自北京各大高校的在校大学生或研究生，招募时间为2016年12月至2019年7月，受试者包括PDM患者46例，性别、年龄及文化水平相匹配的健康人群44例。所有受试者均被充分告知研究相关内容，自愿参与研究并签署知情同意书。研究通过了北京中医药大学医学伦理委员会的批准（批号为2015BZHYLL0112），研究内容符合《赫尔辛基宣言》中的规定。

实验组入组标准：① 诊断标准遵循加拿大妇产学会2017年发布的原发性痛经共识指南中的标准[15]；② 年龄为16～30岁，女性；③ 月经大致规律，行经天数为（28±7） d；④ 痛经病程≥6个月；⑤ 近1个月没有使用任何治疗PDM的方法；⑥ 回顾最近3个月经周期，患者根据自己感受的疼痛程度给出疼痛视觉模拟评分（Visual Analogue Scale，VAS）的平均值至少40 mm（疼痛程度分值为0～100 mm，0代表没有疼痛，100 mm表示难以忍受的剧烈疼痛[16]）。排除标准：① 通过盆腔B型超声诊断的盆腔器质性病变引起的继发性痛经者；② 严重危及生命的心、肝、肾、脑等疾病及精神疾病；③ 近6个月内接受其他治疗且影响实验结果的受试者；④ 具有磁共振检查禁忌证的受试者；⑤ 发现脑部结构明显不对称及占位性病变者。健康人群的纳入排除标准与PDM患者大致相同，除了没有痛经病史。本研究入组的所有受试者要求没有生育史，且为右手优势。

1.2 磁共振扫描方案

所有受试者在首都医科大学附属北京中医医院磁共振室完成颅脑影像检查。机器型号为西门子skyra 3.0 T磁共振成像仪（德国，埃尔朗根，西门子医疗系统），使用的线圈为头/颈20通道线圈。rs-fMRI数据采集的时间为受试者月经期的第1～3 d。成像时受试者平躺在扫描床上，需达到放松、闭眼、不能睡着的状态，避免思考具体问题；用海绵垫限制头动，耳塞减低噪音。主要扫描参数为：高分辨三维T1结构像：重复时间=2300 ms，回波时间=2.32 ms，翻转角度=8°，视野=240 mm×240 mm，矩阵=256×256，体素大小=0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm，层数=192；完成rs-fMRI的平面回波成像序列：重复时间=3000 ms，回波时间=30 ms，翻转角度=90°，视野=220 mm×220 mm，矩阵=94×94，体素大小=2.3 mm×2.3 mm×3.0 mm，层数=40。

1.3 rs-fMRI指标预处理流程

本研究的数据预处理使用基于Matlab R2015b平台的DPABI 3.0和SPM 12软件。rs-fMRI序列的预处理包括：① 删除前10个时间点的被试数据；② 时间层校正；③ 头动矫正（剔除各方向头动位移大于3 mm和（或）超过3°的被试者）；④ 把与功能像对齐后的结构像分割成灰质、白质及脑脊液，然后去除白质及脑脊液信号、头动参数等协变量；⑤ 应用DARTEL方法[17]将功能像从个体空间配准到蒙特利尔神经科研研究所的标准空间；⑥ 对于VMHC，应先将受试者功能像进行平滑，然后配准到镜像对称的模板上，剩下rs-fMRI的所有指标均不平滑。

1.4 rs-fMRI各个指标的动态时域分析

采用DPABI软件中的滑动时间窗方法[18]计算5种rsfMRI指标的动态特征及指标间的一致性变化。5种指标包括ALFF、ReHo、VMHC、DC及全局信号相关（Global Signal Correlation，GSCorr）。窗型选择hamming窗，窗宽为32个重复时间，步长为4个重复时间。然后计算各体素的每一种指标随时间变化的标准差，接着将标准差进行Z标准化。最后，除VMHC外，对各rs-fMRI指标的标准差进行平滑（平滑核为4 mm）。

1.5 统计学分析

应用统计学软件SPSS 22.0对所有受试者的临床资料进行分析。对于年龄、月经周期及行经天数，采用双样本t检验分析两组受试者的差异（P<0.05表示具有统计学差异）。对于患者的首次痛经发病年龄、病程及VAS进行描述性分析。

应用DPABI软件对PDM组和健康人群之间的ALFF、ReHo、DC、VMHC和GSCorr 5个指标的动态性进行分析，检验方法为双样本t检验，多重比较校正应用高斯随机场理论（体素水平P<0.001，组水平P<0.05）。采用5种指标在空间模式上的肯德尔和谐系数作为逐一窗口时间点的一致性，对两组受试者5种指标的一致性时间序列的均值和标准差进行双样本t检验，以衡量痛经患者功能整合的水平和稳定性。

2 结果

2.1 临床数据

排除数据不全及头动幅度较大的受试者后，36例PDM患者和41例健康人群的数据被统计分析，结果表明两组受试者在年龄、月经周期及行经天数基线方面差异无明显统计学意义（表1）。

表1 受试者的临床资料

2.2 原发性痛经患者rs-fMRI局部指标动态性异常

相对于健康人群，PDM患者显示出广泛的ALFF和ReHo的动态性异常，而在DC、VMHC及GSCorr三个指标中未发现时间维度的动态异常。就ALFF而言，患者表现出左侧颞上、中及下回、左侧小脑半球、左侧海马及右侧缘上回的动态性增高，未发现减低脑区。就ReHo而言，患者在左侧额上、中回眶部、左侧直肌、右侧杏仁核、右侧海马及海马旁回、右侧颞下回动态性增高，而在左侧颞中回动态性减低（图1、表2）。

图1 PDM患者较健康人群在ALFF和ReHo动态性显著差异的脑区

表2 PDM患者与健康人群在ALFF和ReHo指标显著差异的脑区

2.3 rs-fMRI各个指标间一致性动态特征结果

与健康人群相比，PDM患者在rs-fMRI的5个指标间一致性动态特征无明显统计学差异（P>0.05）。

3 讨论与总结

随着rs-fMRI研究指标的不断丰富，多种指标的动态性及之间的一致性研究受到了重视，并可能在未来发展成为新的影像学标记物。因此，本研究应用滑动时间窗的方法，首次探讨了rs-fMRI 5种指标的动态特征及一致性变化。结果表明PDM患者存在ALFF和ReHo的动态异常，表现为左侧颞叶、左侧小脑半球、左侧海马及右侧缘上回ALFF的动态性增高，而患者在左侧额上、中回眶部、左侧直肌、右侧杏仁核、右侧海马及海马旁回、右侧颞下回ReHo动态性增高，左侧颞中回ReHo动态性减低。PDM患者rs-fMRI各个指标间一致性变化与健康人群无明显差异。PDM患者表现出ALFF和ReHo的动态性异常相同脑区位于颞叶、海马及海马旁回。颞叶被认为与情绪相关，一项关于电针三阴交对PDM患者中脑导水管周围灰质FC影响的研究表明，针刺治疗后三阴交组表现出以颞极区及颞中回为主的颞回与中脑导水管周围灰质的FC明显减低，作者推测可能因为颞叶通过调节情绪状态参与了针刺治疗痛经的过程[19]。本研究中颞叶随着时间推移的动态性明显增强，可能表明此脑区参与了患者当时疼痛状态的调节。除此之外，海马和海马旁回与疼痛处理相关[20]，既往两者被认为对焦虑相关行为和长期记忆的中枢处理有很大贡献[21]。持续、慢性的疼痛导致海马及其周围结构的可塑性变化及功能障碍。我们前期研究结果显示月经期间海马的静息态ALFF值降低，表明海马可能参与了疼痛的处理过程[5]，提示边缘系统功能障碍在疼痛或不舒服感觉的加工过程中可能与PDM的产生机制相关。当前研究发现了海马及周围结构ALFF及ReHo的动态性增强，进一步阐明边缘系统动态参与了月经痛的调节过程。

ALFF的动态性异常还出现在PDM患者的小脑半球。既往神经影像研究分析已经证实小脑涉及疼痛及疼痛调节的多个维度，包括情绪、认知、感觉和运动控制[22]。一项关于PDM的脑功能研究表明右侧小脑后叶ALFF值下降，说明小脑可能参与痛经的二次感觉加工和疼痛认知[5]。另外一项基于正电子发射计算机断层显像的研究表明针刺后患者的小脑糖代谢增加，说明针灸治疗有可能通过激活相关区域来缓解疼痛[23]。从静息态脑功能和葡萄糖代谢的角度都证实了小脑参与了疼痛的调节过程，本研究与既往研究相同，进一步从动态特征方面证实了小脑的异常涉及PDM发生及发展的中枢机制。

ReHo的动态性异常还出现在杏仁核，其作为边缘系统的一部分，有研究探讨了PDM患者排卵期杏仁核和全脑FC的变化情况，发现了杏仁核与默认网络和奖赏网络FC的受损可能参与PDM的发生、发展机制[24]。另外本研究中发现ReHo动态性异常的脑区为额上、中回，属于前额叶。前额叶是高级认知功能的核心部位，整合了所有的感知觉，不仅与大脑皮质有联系，还接受边缘系统、中脑以及间脑的纤维传入，参与情绪调节。一项针刺三阴交治疗PDM患者的研究显示，激活脑区位于额内侧回、额上回、额中回（属于前额叶），作者认为针刺治疗PDM可能通过针刺信号、情绪反应等多种信号在前额叶的整合调节起到作用[25]。杏仁核及额叶的动态指标异常在本研究结果中已呈现，从动态特征角度为PDM中枢机制的阐释提供了一定参考。

本研究首次应用了滑动时间窗技术，计算了PDM患者大脑自发活动的动态性及一致性，发现了一些脑区存在ALFF和ReHo的动态异常，但仍有一些不足需要注意。首先研究所涉及rs-fMRI的5种指标，只有2个指标出现了动态性的异常，其余3个指标是否存在异常需要进一步扩大样本量证实；其次5种rs-fMRI指标间功能整合的一致性与健康人群没有明显差异，造成阴性结果可能与样本量、计算方法有关，后续我们会加强研究；最后由于rsfMRI指标一致性为阴性，故未进一步统计其与临床疼痛程度评估VAS指标的相关性，需在今后的研究进一步完善。

综上所述，本研究发现了PDM患者在ALFF和ReHo两个指标的动态性异常，涉及脑区包括颞叶、边缘系统、额叶及小脑半球等，为理解月经痛的产生及调节病理机制提供了新的角度及见解。