应用功能性近红外光谱成像技术探讨前额叶皮质在帕金森病冻结步态中的作用

杨晶晶，迟明，周璐，金凤，孙路，王蝶，梁战华

帕金森病(PD)是一种常见的慢性、进展性神经系统退行性疾病，以运动迟缓、肌强直、静止性震颤和姿势步态异常等运动症状为主要表现。步态异常是其特征性表现之一，除了典型的“慌张步态”，目前普遍认为冻结步态(FOG)是PD的一个独立的核心症状，多发生于疾病中晚期。患者表现为在起步或行走过程中突发的、短暂的运动不能，FOG发生时患者常感觉双脚粘在地板上，迈步困难，可持续数秒甚至数分钟[1]。起步、转弯、通过狭窄空间、经过障碍物、到达终点、执行双重任务以及焦虑、抑郁时易触发FOG，而集中注意力、提供视觉或听觉线索、心情愉快有助于FOG的克服[2-6]。FOG是PD的重要致残症状，研究[7-8]表明超过50%的PD患者会出现FOG，而在PD晚期，FOG的发生率甚至会高达80%，约26%的跌倒与FOG相关，严重影响患者生活质量。

FOG的发病机制尚不明确，目前提出“阈值模型”、“干扰模型”、“认知模型”、“解耦模型”4种理论模型，其中认知模型认为，高级皮质功能，尤其是认知功能损害在FOG发生过程中起重要作用[9-12]。有研究[13]发现PD伴FOG患者左侧额下回、中央前回和顶下回灰质萎缩明显，且灰质体积与FOG的严重程度具有相关性，任务态功能MRI(T-fMRI)研究发现在认知加工过程中,PD伴FOG与不伴FOG相比存在不同的脑区激活模式。同时有研究[14]采用静息态功能MRI(RS-fMRI)进行研究发现“执行-注意”网络(右侧额中回、角回)以及视觉网络(右侧枕-颞回)脑功能连接减少，且与FOG的临床严重程度显著相关。这些结果均表明双侧额叶、顶叶皮质中特定模式的脑网络损害与PD-FOG的发生密切相关，认知功能损害,尤其是执行功能损害在FOG的发生过程中起重要作用，但FOG与认知功能障碍复杂相互作用关系尚未明确，有关结论仍需更多研究支持。

近年来，随着脑功能成像技术的快速发展，PET和功能MRI(fMRI)在FOG神经机制的研究中得到了广泛的应用。然而，上述两种脑功能成像技术都存在一定的局限性。PET需在受检者体内注射放射性生物示踪药物，而药物的放射性会给受检者造成一定影响，fMRI需要强大的外加磁场、对受检者要求高，EEG、事件相关电位(ERP)空间分辨率不高，同时PET和fMRI设备体积大、成本昂贵、使用不便，以上因素均制约了其在认知神经科学领域的发展。

功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)是一种以神经-血管偶联机制为基础的比较全新的无创脑功能成像技术[15]，以其高时间分辨率、低成本、便携、操作简单、对实验环境及受检者行动无严格限制等优点，为PD-FOG认知神经机制的研究提供了一条崭新的途径。其利用700～900 nm波长的近红外波段在人体组织中具有低吸收、高散射的特性，到达深度可满足大脑皮质功能检测的需求。fNIRS以氧合血红蛋白(oxy-Hb)、还原血红蛋白(deoxy-Hb)、细胞色素氧化酶等生物组织中的一些生色基团具有不同吸收光谱为基础，通过测量出射光所携带的组织生化信息得到组织中血氧含量变化情况，进而提供相关的脑功能信息[16-17]。本研究采用ETG-4000脑功能定量成像装置仪，言语流畅性测验(VFT)作为认知激活任务，对PD伴FOG患者与不伴FOG患者在执行认知任务过程中额叶的激活情况进行比较，探索PD伴FOG患者在认知加工过程中前额叶脑区是否存在不同的激活模式，深入探讨PD伴FOG认知相关的病理生理学机制，为我国PD-FOG的诊断、治疗提供理论依据，提高PD患者的生活质量。

1 对象与方法

1.1 对象 入选从2016年9月到2020年2月在大连医科大学附属第一医院神经内科定期随诊诊断为原发性PD并行fNIRS检查的患者24例，其中男性16例，女性8例。入选标准：(1)符合英国脑库PD的临床诊断标准；(2)年龄≥45岁，男女均可；(3)右利手；(4)Hoehn-Yahr(H-Y)分期2～3期；(5)药物控制PD症状稳定8周以上；(6)MMSE≥24分；(7)药物关期状态下能独立行走10米以上。排除标准：(1)存在严重影响行走的疾病，如下肢关节病变、脊柱病变、严重心肺疾病等；(2)有明确病因的帕金森综合征患者，如反复脑血管病史、毒物药物接触史等；(3)其他神经或精神疾病史(脑炎、癫痫、痴呆、精神分裂症、重症抑郁症等)；(4)病情危重或伴有肿瘤、肝肾功能严重异常等严重影响健康的其他系统疾病的患者；(5)研究者认为不适宜参加本次临床试验者。

1.2 方法

1.2.1 分组方法 同时满足以下2个条件即为PD伴FOG患者,入PD-FOG+组：(1)FOG评定量表(FOGQ)第3项(您在行走、转弯或启动过程中有无双脚粘在地面上的感觉？)得分>1分；(2)2名以上高年资PD专科医生临床观察到患者FOG发作。最终共收集了PD-FOG+12例，其中男性6例，女性6例。不符合上述条件的入PD-FOG-组，共收集PD-FOG-患者12例，其中男性10例，女性2例。

1.2.2 量表评估 (1)由专人对患者于药物关期(即停服抗PD药物12 h后)行统一PD评定量表(UPDRS)第Ⅲ部分评估，同时使用H-Y量表对PD患者疾病严重程度进行分级。(2)由专人对患者进行MMSE、蒙特利尔认知评估量表(MoCA)、额叶功能评定量表(FAB)、汉密尔顿抑郁量表(HAMD)评估。(3)由专人对患者行FOGQ评估，以对患者进行分组并了解FOG临床严重程度。

1.2.3 实验装置与原理 fNIRS利用700～900 nm波长的近红外波段在人体组织中具有低吸收、高散射的特性，经过头皮、颅骨CSF可探测大脑皮质的组织信息，故将700～900 nm波长范围称为光学窗口。水、oxy-Hb、deoxy-Hb在这个光谱范围内的吸收谱系不同。因此经过组织对光线吸收、散射，通过探头测定透过大脑皮质的出射光强度，根据修订的Beer-Lambert定律可以推算出实时的区域血氧变化情况。为了确定血氧浓度的具体数值，则至少需要2条不同波长的光线综合计算，不同NIRS仪器选取波长数量等方面不同。本研究采用日立公司的ETG-4000脑功能定量成像装置仪进行信号采集。ETG-4000共有52个测量通道，利用2种波长分别为695 nm和830 nm的近红外光源检测大脑皮质oxy-Hb、deoxy-Hb以及总血红蛋白(total-Hb)。

1.2.4 实验范式 本研究应用VFT作为认知激活任务，VFT是简易的执行功能检查方法反映了复杂的认知活动，作为一种激活额叶的实验范式已广泛应用于fNIRS检测中[18]。本研究VFT测试流程由3部分组成，第1部分为等待时间，时间设定30 s，要求被试从1～5重复数数。第2部分为刺激呈现，期间受试者会依次听到“江”“日”“家”三个字，要求以听到字为首无限制组词或成语，直到听到下一个字，每个字组词或成语的时间为20 s。第3部分为放松时间，时间设定为70 s,同样从1～5重复数数直到检查结束。

1.2.5 实验操作步骤 两组患者均于药物关期(停用抗PD 12 h后)进行实验，要求环境安静，受试者以舒适坐姿坐在椅子上，利用可供调节长度的弹力绳将带有33个近红外探头的塑料片固定于受试者前额部，注意避免头发遮挡。对应EEG检测的10/20系统，最下面一排中间探头(记录探头26)放置于Fpz点，确保检测位置准确。实验开始前由对受检者病情及分组情况未知的主试人员用统一的指导语讲解VFT任务要求及注意事项，在确保受试者能够正确完成VFT任务后，进入正式实验。

1.2.6 数据处理 根据以往的研究结果，本次研究选取32个额叶通道进行数据分析。由于oxy-Hb与deoxy-Hb相比能更直接的反应大脑的认知活动，故本研究针对oxy-Hb数据进行分析[19]。将fNIRS所得数据以“整合模式”进行分析，首先对采集到的信号进行低通滤波处理(0.5 Hz)以去除高频噪声所造成的信号干扰，设置移动窗宽度为5 s以消除短期运动伪影。“任务基线期”设置为任务前10 s。

2 结 果

2.1 两组临床资料的比较 见表1。与PD-FOG-组相比，PD-FOG+组FOGQ评分明显增高，FAB评分、VFT词组或成语个数明显降低(均P<0.05)。

2.2 两组fNIRS数据的比较

2.2.1 两组前额叶激活情况的比较 PD-FOG+组与PD-FOG-组32个通道平均oxy-Hb浓度变化平均波形的比较见图1。PD-FOG+组在VFT任务期32个额叶通道中共有18个通道被激活(CH6、CH7、CH24、CH25、CH27～29、CH35～39、CH45～50),PD-FOG-组除了CH5、CH15外绝大部分前额叶脑区均有非常显著的激活，PD-FOG+组前额叶的激活区域较PD-FOG-组少且平均oxy-Hb浓度变化曲线较低平。

表1 两组临床资料的比较( x±s)一般资料PD-FOG+组PD-FOG-组P值性别(男/女)6/610/20.19年龄(岁)65.83±9.6863.83±8.160.59病程(年)7.50±2.887.00±1.800.62文化程度(年)9.66±3.4210.50±3.650.57UPDRS-Ⅲ(分,关期)30.75±5.0527.50±7.330.22H-Y分级(级,关期)2.50±0.302.37±0.380.38左旋多巴等效剂量(mg)486.56±139.69384.45±133.300.11MMSE(分)25.83±1.8025.17±1.110.28MoCA(分)24.25±1.4224.67±2.250.47HAMD(分)10.16±3.717.75±4.630.17FAB(分)12.75±1.4214.41±1.880.02FOGQ(分)13.08±3.372.75±1.600.00VFT词组或成语个数7.08±2.359.33±2.570.04 注:关期,停服抗PD药时间>12h

图1 PD-FOG+组与PD-FOG-组额叶32个通道oxy-Hb浓度值的平均波形图。红色线条为PD-FOG-组，紫色线条为PD-FOG+组

2.2.2 两组各通道激活情况的比较 见表2。PD-FOG+组患者在进行VFT任务期有2个通道(CH40、CH50)的平均oxy-Hb浓度变化值显著低于PD-FOG-组，差异有统计学意义(均P<0.05)，CH40、CH50主要分布在左侧腹外侧前额叶皮质区。

2.3 相关性分析 应用Spearman相关分析发现，PD-FOG+组FOGQ评分与VFT词组或成语个数呈负相关(r=-0.046，P<0.05),FAB评分与VFT词组或成语个数无相关性。PD-FOG+组各通道在VFT任务下平均oxy-Hb浓度变化值与FOGQ评分在5个通道(CH27：r=-0.695，CH36：r=-0.709，CH38：r=-0.618，CH46：r=-0.782，CH47：r=-0.646；均P<0.05)呈负相关(图2)。

表2 两组VFT任务期平均oxy-Hb浓度变化值的比较( x±s,n=12)通道PD-FOG+组PD-FOG-组t值P值CH30.040±0.0640.080±0.100-1.170.25CH40.010±0.0480.051±0.056-1.960.06CH50.006±0.0480.041±0.074-1.370.18CH60.037±0.0560.055±0.054-0.770.45CH70.031±0.0440.054±0.044-1.270.22CH80.035±0.0550.061±0.092-0.860.40CH130.037±0.0590.054±0.065-0.700.49CH140.024±0.0590.086±0.102-1.830.08CH150.009±0.0540.025±0.062-0.690.49CH160.021±0.0450.038±0.050-0.850.41CH170.039±0.0410.049±0.057-0.540.59CH180.029±0.0540.076±0.071-1.860.08CH190.043±0.0810.105±0.064-2.080.05CH240.043±0.0490.108±0.108-1.890.07CH250.036±0.0560.069±0.081-1.170.25CH260.025±0.0430.049±0.036-1.510.14CH270.039±0.0480.037±0.0420.110.92CH280.052±0.0580.052±0.065-0.030.99CH290.053±0.0780.109±0.072-1.870.07CH340.052±0.0870.113±0.110-1.520.14CH350.051±0.0690.099±0.069-1.710.10CH360.052±0.0610.069±0.053-0.760.46CH370.055±0.0620.067±0.068-0.460.65CH380.065±0.0610.058±0.0630.270.79CH390.073±0.0760.110±0.079-1.180.25CH400.057±0.1320.197±0.114-2.760.01CH450.103±0.1130.142±0.101-0.900.38CH460.062±0.0600.089±0.064-1.090.29CH470.056±0.0470.079±0.107-0.670.51CH480.069±0.0670.091±0.114-1.100.28CH490.072±0.0640.124±0.096-1.550.14CH500.062±0.0830.207±0.109-3.670.01

图2 PD-FOG+组各通道在VFT任务下平均oxy-Hb浓度变化值与FOGQ评分的相关性

3 讨 论

本研究将VFT作为认知激活任务，比较PD-FOG+与PD-FOG-在认知加工过程中两组患者完成任务情况，同时采用fNIRS技术检测前额叶大脑皮质局部脑血流变化情况，比较两组前额叶脑区是否存在不同的激活模式，进而探讨PD-FOG可能的病理生理学机制。首先行为学数据结果表明，在执行VFT任务时，PD-FOG+组在60 s内组出的词或成语数明显少于PD-FOG-组，且PD-FOG+组FOGQ评分与VFT词组或成语个数呈负相关，直接反映了PD-FOG+组语言运用能力、记忆、认知灵活性较PD-FOG-组相比明显下降。同时发现PD-FOG+组患者前额叶大脑皮质的激活区域较少且oxy-Hb变化曲线较低平，其中以左侧腹外侧前额叶皮质的CH40、CH50区最为明显，其oxy-Hb平均变化量与FOGQ得分呈负相关。说明FOG患者左侧腹外侧前额叶皮质区存在结构性及功能性损害。这也就可以解释为什么FOG患者在复杂环境下行走时，会诱发FOG的发生。据此推测，FOG患者在行走过程中，遇到需要进行选择、记忆、反应抑制等较为复杂的认知活动时，不能有效的募集左侧腹外侧前额叶皮质相关区域参与，导致协调认知和运动神经网络的功能障碍，从而诱发FOG。这一推测与Vandenbossche等[20]提出的“认知模型”相符。

PD-FOG+多见于PD进展期及临床“关”期，其发生与PD病程及病情严重程度显著相关，在疾病早期“关”期FOG对左旋多巴治疗反应较好，可通过延长“开”期减少FOG的发生，提示纹状体多巴胺耗竭在FOG的病理生理机制中起重要作用[21-22]。然而在PD早期及临床“开”期也可出现FOG，且对左旋多巴治疗反应欠佳，甚至可加重FOG[23-24]。另外FOG不仅见于PD患者，也见于多系统萎缩、正常颅压脑积水、进行性核上性麻痹以及血管性帕金森综合征等其他疾病[25]，说明FOG不仅是纹状体多巴胺能耗竭所致，还存在其他导致相同结局的不同病理生理机制[26]。FOG作为一种短暂、阵发性的步态障碍，可由很多环境、情感、认知等外部因素触发或克服。如患者在起步、转弯、通过狭窄空间、经过障碍物、到达终点、执行双重任务以及焦虑、抑郁时易触发FOG，而集中注意力、提供视觉或听觉线索、心情愉快有助克服冻结[3-6,27]。这些外部因素大多为认知来源，提示FOG的发生与脊髓及脑干运动中心损害相关，高级皮质功能尤其是认知功能损害在FOG发生过程中起重要作用。

近期大量影像学的研究也提出，前额叶特定模式的脑网络损害与FOG的发生密切相关。Imamura等[28]应用司来吉兰对PD伴FOG患者进行治疗，经SPECT研究发现冻结者双侧额极皮质、双侧额眶叶皮质、以及前扣带回背侧区脑血流量显著减少，药物治疗改善了FOG患者眶额叶皮质的脑血流量，FOG的发生频率也随之减低，证明了眶额叶皮质在FOG发生中的重要作用，FOG可能存在额叶功能障碍或额叶-基底神经节环路断联。Kostic等[13]选取17例PD-FOG+患者、20例PD-FOG-和34名正常人进行全面的神经心理学评估，并应用基于体素的形态学分析技术(VBM)检测其脑内灰质萎缩情况，结果发现PD伴FOG患者额叶执行功能明显受损，左侧额下回、中央前回和顶下回灰质萎缩明显，且FOG的严重程度与额叶执行功能及双侧额叶、顶叶皮质灰质体积具有相关性。Shine等[29]应用任务态功能MRI(T-fMRI)在虚拟现实环境中探索PD患者在不同认知负荷条件下左右脚交替踏板时的脑内活动，结果发现在高认知负荷条件下PD伴FOG患者双侧前脑岛、腹侧纹状体、前辅助运动区血氧水平依赖性反应(BOLD)相对减低，前脑岛和腹侧纹状体区域参与任务的评估、决策、执行以及反馈的加工处理，是认知控制网络(CCN)的重要节点，这些区域BOLD信号减低可能反映了FOG患者在运动的同时执行认知任务时不能有效的募集认知控制网络中特定的皮质及皮质下区域，导致冻结发生。以上研究均支持了FOG的发生可能是由于“执行-注意”网络缺陷，增加额外的认知任务，会导致辅助运动区与额叶-基底节环路相互竞争，从而引起基底节输出核的过度活动，触发FOG。

本研究尚存在一些不足之处：(1)本研究fNIRS探头仅放置在患者前额叶，未来可扩大检测范围，甚至进行全大脑皮质的静息态、任务态实时检测以得到更多有价值的信息。(2)未来进一步应用fNIRS实时监测FOG患者起步、转弯、到达目的地及执行双任务时大脑血氧变化情况。