儿童失神性癫痫的静息态fMRI指标一致性分析

余倩倩, 刘高平, 许 强, 张其锐, 卢光明, 张志强

儿童失神性癫痫(childhood absence epilepsy,CAE)是最常见的儿童癫痫综合征之一,典型表现为无抽搐发作的意识丧失以及脑电图(electroencephalogram,EEG)上频繁的3～5 Hz全面性棘慢波发放(generalized spike-and-wave discharges,GSWD),一般认为具有遗传因素[1]。应用血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent,BOLD)的静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,fMRI)技术飞速发展,衍生出的众多指标能从不同侧面反映正常或病理状态下的自发脑功能活动[2]。例如,低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)及分数低频振幅(fractional amplitude of low-frequency fluctuation,fALFF)反映了大脑自发活动的局部活动强度。局域一致性(regional homogeneity,ReHo)衡量局域神经活动的一致性[3-4];功能连接密度(functional connectivity density,FCD)描述了给定体素与整个大脑之间的关系来反映其中心性或功能重要性[5]。格兰杰因果关系密度(Granger causality density,GCD)是反映每个体素与整个大脑其余体素之间的平均有效连接强度的一种新方法[6]。静息态fMRI滞后分析(resting-state fMRI lag analysis,RSLA)能反映自发脑活动的动态改变[7]。Hurst指数则反映脑活动复杂度的改变[8]。这些指标被广泛用于正常脑认知、发育及精神、神经疾病的研究中[9-11]。以往CAE研究多采用单一静息态指标,Yan等[12]发现治疗后的CAE患儿的ALFF在双侧丘脑、额顶叶及壳核有所升高。Yang等[13]发现未经治疗的CAE患儿相比正常对照组默认模式网络(default mode network,DMN)相关脑区的ReHo下降。然而,Wang等[14]发现CAE患儿表现为丘脑、中央后回和中央前回度中心性增加,内侧额叶、额上回、颞中回、角回和楔前叶度中心性减少。以上研究显示不同静息态fMRI指标

观察到的CAE患儿异常脑活动区存在一致性及差异性。因此,为了解决CAE研究中不同静息态fMRI指标的不一致性,本研究旨在CAE患儿中同时观察11个静息态fMRI指标[ALFF、fALFF、ReHo、FCD、短程功能连接密度(local functional connectivity density,Local FCD)、长程功能连接密度(long functional connectivity density,Long FCD)、流入格兰杰因果连接密度(Granger causality density-inflow,GCD_in)、流出格兰杰因果连接密度(Granger causality density-outflow,GCD_out)、净流入格兰杰因果连接密度(Granger causality density-inflow,GCD_int)、RSLA、Hurst],并直接观察不同静息态fMRI指标间关系是如何受疾病状态影响,进而加强对CAE的病理生理机制的理解。

1 对象与方法

1.1研究对象 回顾性收集2010年2月至2021年9月于金陵医院明确诊断为CAE的20例患儿,共收集了47段包含棘慢波发放的fMRI数据,排除2段头动较大及一段图像质量较差的数据后,共有18例患儿(CAE患儿组)的包含棘慢波发放的44段fMRI数据被纳入研究。其中男10例,女8例,年龄(10.78±4.14)岁。另选性别、年龄匹配的94名正常儿童为正常对照组,其中男52名,女42名,年龄(9.77±2.29)岁。两组年龄(t=1.479,P=0.142)及性别(χ2=0.0003,P=0.985)差异均无统计学意义。CAE患儿的纳入标准:(1)临床表现根据国际抗癫痫联盟(International League Against Epilepsy,ILAE)的诊断标准[15],由2位高年资神经内科医师共同诊断;(2)常规或长程EEG上表现为典型的正常背景下双侧全面3～5 Hz棘慢波发放。排除标准:(1)伴有其他癫痫发放类型,如全面强直-阵挛、肌阵挛或部分性发作;(2)患有其他神经和精神类疾病。所有受试者为右利手,常规MRI检查未见异常。本研究已获得医院伦理委员会审核批准(2018NZKY-020-02),所有被试者或其家属知情同意并签署知情同意书。

1.2数据采集

1.2.1 EEG数据采集 采用德国Brain Products公司32通道与MR兼容EEG记录仪,电极为非磁材料的Ag/AgCl电极,每个电极的保护阻抗为5 kΩ,参考电极为FCz,另外有一个电极接在患者的背部记录心电图(electrocardiogram,ECG),所有电极与皮肤的接触阻抗皆在10 kΩ以下。EEG的采样频率为5 kHz,高输入阻抗采集头皮EEG信号,放大的信号通过光纤传输到磁共振室外的电脑上,该系统的分辨率为100 nV,电压动态范围为±3.2 mV。

1.2.2 fMRI数据采集 采用Siemens TIM Trio 3.0T磁共振扫描仪和8通道头颅线圈。所有受试者经扫描训练后取仰卧位,嘱放松平静,闭目保持清醒,不做意向性思考,同时以医用海绵垫固定头部、耳塞降低噪声来使受试者尽量保持不动。首先采用3D高分辨T1-磁化准备快速梯度回波(T1 magnetization prepared rapid gradient echo,T1-MPRAGE)序列扫描,重复时间(repetition time,TR)2 300 ms,回波时间(echo time,TE)2.98 ms,反转时间(inversion time,TI)400 ms,翻转角(flip angle,FA)9°,扫描视野256 mm×256 mm,矩阵256×256,激励次数(number of excitation,NEX)1次,层厚1 mm,层间距0 mm,扫描时间590 s,矢状位扫描,共176层。然后采用梯度回波-平面回波成像(gradient-recalled echo-planar imaging,GRE-EPI)序列采集静息态fMRI图像,TR 2 000 ms,TE 30 ms,FA 90°,扫描视野240 mm×240 mm,体素大小3.75 mm×3.75 mm×4 mm,扫描层数30层。为了观察结果的稳定性,功能像每次采集500个时间点,每例患儿均采集2次。正常对照组仅进行MRI数据采集,除进行一次250个时间点的BOLD信号采集外,其他采集参数同CAE患儿。为了保持CAE患儿组与正常对照组之间fMRI数据的一致性,本研究将所有fMRI数据长度统一截取为250个时间点,并进行后续分析。

1.3数据处理

1.3.1 同步EEG数据处理 采用德国Brainproducts公司的Analyzer 2.0软件离线去除MR梯度和心电伪迹。由2位经验丰富的专家阅读去除伪迹后的EEG信号,标出棘慢波的起始与终止时间。

1.3.2 fMRI数据处理 采用DPARSF 5.1(http://rfmri.org/DPARSF)对fMRI数据进行预处理,处理步骤包括层时间校正、头动校正、归一化等。具体步骤:(1)格式转换(DICOM-NFITI);(2)剔除每段时间序列的前10个时间点信号;(3)时间层间校正;(4)头动校正,剔除每段头动平动>3 mm或转动>3°的受试者,5段BOLD信号被排除;(5)使用多元线性回归分析方法去除协变量,包括6个头动参数;(6)空间标准化,将数据转换到标准蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)空间,并重采样为3 mm×3 mm×3 mm。基于以上预处理数据,分别计算ALFF、fALFF、ReHo、FCD、Long FCD、Local FCD、GCD_in、GCD_out、GCD_int、Hurst及RSLA值,具体步骤如下:(1)ALFF及fALFF值:ALFF及fALFF

的计算数据首先采用全宽半高(full width and half max,FWHM)为8 mm的高斯核进行空间平滑处理。对每个体素的时间序列进行傅里叶变化后,ALFF值是0.01～0.1 Hz频段上BOLD信号振幅的平方根。最后,将每个体素的ALFF值除以全脑平均ALFF值,得到标准化ALFF值。标准化的ALFF值除以整个频段上的ALFF值,从而得到每个体素标准化的fALFF值。(2)ReHo值:计算给定体素的时间序列与其最近26个体素的时间序列之间的肯德尔一致性系数。(3)FCD、Long FCD及Local FCD值:首先计算某两个体素的BOLD信号时间序列间的Pearson相关系数,体素之间相关系数>0.25则视为存在功能连接,FCD值是任意一个给定体素存在功能连接的体素数。最后将每个体素的FCD值除以全脑平均FCD值来标准化数据,并采用8 mm×8 mm×8 mm FWHM进行高斯平滑处理,得到平滑后的标准FCD值。Local FCD是由每个体素和它周围12 mm的距离内体素之间的BOLD时间序列的相关性分析测得的。Long FCD由全局FCD减去Local FCD得到。(4)GCD_in、GCD_out及GCD_int值:GCD分析使用加权连接密度图的方法,反映每个体素与全脑其余体素之间的平均效应连接强度,能从全脑体素水平观察癫痫相关脑网络的信息流流向。GCD_in代表的是从过阈值(P<0.05)的全脑其余体素流向目标体素的流入信息流总量。GCD_out代表的是从目标体素输出信息流向过阈值的全脑其余体素的流出信息流总量。GCD_in和GCD_out两者之差定义GCD_int,代表净流入信息流总量。(5)RSLA值[7]:RSLA能反映大脑依次活跃的顺序。首先将大脑灰质细分为6 mm3大小的体素,然后提取任意两个体素的时间序列计算滞后交叉协方差矩阵。利用抛物线估计每个体素与其他体素之间的RSLA值,然后投射到标准图谱空间中。(6)Hurst值[16]:Hurst指数能揭示脑区或脑网络的有序性。脑内每个体素的Hurst指数是采用在小波域的极大似然估计得到。

2 结果

2.1两组各静息态fMRI指标的组间比较 结果显示,与正常对照组相比,CAE患儿组ALFF主要在双侧丘脑、右侧舌回、双侧尾状核及右侧内侧前额叶升高,在左侧顶下小叶和左侧额下回降低;fALFF主要在右侧丘脑和右侧舌回升高,在内侧前额叶、左侧额下回、楔前叶和左侧顶下小叶降低;ReHo主要在双侧丘脑、右侧舌回、双侧尾状核及右侧内侧前额叶升高,在左侧顶下小叶、楔前叶及左侧额下回降低;FCD主要在楔前叶、双侧角回、双侧内侧前额叶及后扣带回升高,而在双侧丘脑降低,Long FCD与FCD类似;Local FCD主要在双侧丘脑、尾状核、左侧颞下回及右侧内侧前额叶升高,在楔前叶及左侧额下回降低;GCD_in主要在右侧丘脑和双侧内侧前额叶升高,在双侧额下回降低;GCD_out主要在双侧丘脑升高,在右侧内侧前额叶下降;GCD_int主要在双侧前额叶升高,在双侧岛叶和丘脑降低;RSLA主要在双侧前额叶升高,在双侧丘脑和楔前叶降低;Hurst主要在双侧丘脑升高,在双侧额下回降低。各静息态fMRI指标差异脑图的空间分布频次热图显示,各指标组间差异结果在部分脑区存在重合,主要位于双侧丘脑及右侧内侧前额叶。见图1。

在11个静息态fMRI指标的组间比较脑图中,红色代表CAE患儿组较正常对照组显著升高脑区。蓝色代表CAE患儿组较正常对照组显著降低脑区。白色轮廓线内代表校正后结果(GRF校正,体素水平P<0.01,团块水平P<0.05)。在频次图中,红色代表超过75%指标重叠的区域。

2.2两组感兴趣区水平疾病状态与各静息态fMRI指标间耦合的交互效应分析结果 根据之前的空间分布频次热图分界结果,选取双侧丘脑及右侧内侧前额叶作为感兴趣区,感兴趣区内正常对照组及CAE患儿组的各静息态fMRI指标间关系热度图见图2。由于FCD与Long FCD,ReHo与Local FCD在正常对照组及CAE患儿组中的相似性过高(r>0.95),因此后续分析仅纳入其中之一,纳入了FCD和ReHo。双侧丘脑感兴趣区显示,相比正常对照组,CAE患儿组耦合度增加的指标包括ALFF-fALFF、ReHo-ALFF、RSLA-GCD_int、GCD_int-ALFF、GCD_int-ReHo、GCD_in-FCD、Hurst-fALFF和GCD_int-FCD;耦合度下降的指标包括FCD-fALFF及GCD_in-GCD_out(见图3)。右侧内侧前额叶感兴趣区显示耦合度增加的指标包括GCD_in-GCD_int、RSLA-GCD_in和GCD_int-RSLA;耦合度下降的指标包括FCD-ALFF、fALFF-GCD_in、fALFF-GCD_out和GCD_in-GCD_out(见图4)。

HC为正常对照组;CAE为患儿组。黄色虚线框内的为所选择的感兴趣脑区,框内数字为相关系数r值,黑色框线加粗的指标间相关系数具有统计学意义(P<0.05)

ⓐ显示的是CAE患儿组较正常对照组在丘脑上耦合度增加的指标(P<0.05);ⓑ显示的则是耦合度下降的指标(P<0.05)

ⓐ显示的是CAE患儿组较正常对照组在右侧内侧前额叶上耦合度增加的指标(P<0.05);ⓑ显示的则是耦合度下降的指标(P<0.05)

3 讨论

本研究全面观察多个不同静息态fMRI指标在CAE患儿中一致性的变化。结果表明:(1)与正常对照组相比,各静息态fMRI指标在CAE患儿中有着广泛和区域的脑活动异常,其差异脑图的空间分布频次热图显示,各指标组间差异结果在双侧丘脑及右侧内侧前额叶重合度最大。(2)通过研究疾病状态对区域内神经活动、区域间FCD、信息动态流向及复杂度之间耦合关系的交互作用,发现反映了区域内神经活动、FCD的指标受到疾病状态的影响较大。

3.1各静息态fMRI指标组间比较结果 以往的研究分别采用fALFF、ReHo、FCD来描述CAE患儿自发脑活动的特征。Yan等[12]利用fALFF方法发现未经治疗的CAE患儿较正常对照组表现为壳核和丘脑fALFF升高,前扣带回皮质、顶下小叶、额下回、辅助运动区的fALFF降低。与其研究发现一致的是,本研究发现CAE患儿fALFF在右侧丘脑升高,在内侧前额叶、左侧额下回、楔前叶和左侧顶下小叶降低。Yang等[13]发现未经治疗的CAE患儿大范围脑区,包括楔前叶、后扣带皮层、双侧顶下小叶、双侧丘脑、尾状核及小脑后叶的ReHo降低,而双侧岛叶及左侧枕叶ReHo升高。与其研究结果相似的是,本研究发现CAE患儿的ReHo左侧顶下小叶、楔前叶及左侧额下回降低。大脑的连接可以通过FCD来测量,FCD是一种基于图论的功能连接算法,FCD值较高的脑区被认为有着较强的整合能力[17]。Wang等[14]发现与正常对照组相比,CAE患儿在基线时的内侧前额叶、颞中回、楔前叶和角回FCD降低,丘脑的FCD升高,但在服用抗癫痫药物后这些异常趋于正常。但本研究结果与其相反,可能是由于本研究纳入的CAE患儿组内有接受药物治疗的患儿。FCD不能反映不同脑区间功能连接方向,使用加权连接密度图的方法,根据群落组织计算状态信息集的总和GCD分析方法可很好地描述相关脑活动的信息流流向。Dai等[6,18]研究发现在伴中央颞区棘波的良性儿童癫痫(benign childhood epilepsy with centrotemporal spikes,BECTS)中,GCD有潜力作为癫痫灶发现及不同亚组分类的一个可靠、有效的影像学标志物。本研究GCD_in在丘脑和内侧前额叶升高;GCD_out在丘脑升高,在内侧前额叶下降;GCD_int在双侧前额叶升高,在双侧丘脑降低,提示在CAE患儿中丘脑信息流出大于流入,更多起着一个驱动的作用,而内侧前额叶则被动接受更多信息。反映脑活动时间顺序的RSLA在CAE患儿中显示在双侧前额叶升高,在双侧丘脑降低,提示丘脑的脑活动先于内侧前额叶的,这与本课题组之前的研究采用动态fMRI技术在CAE发生过程中发现丘脑在发作前就有BOLD信号的改变保持一致[19]。本研究还用Hurst指数观察了CAE的脑活动,发现双侧丘脑Hurst升高,双侧额下回Hurst降低,提示GSWD存在时,丘脑的活动活跃紊乱,而负责认知意识的前额叶处于“沉默”状态。丘脑和大部分DMN相关脑区在多个静息态fMRI中都显示脑活动异常,这表明这些区域的多个功能属性异常,也可能是不同的指标存在一定的理论共性。另一方面,某些异常脑活动区被特定的静息态fMRI指标检测到。本研究中ALFF、ReHo及Local FCD还发现了尾状核的异常,表明静息态fMRI指标在CAE患儿中具有不同的敏感性和特异性。

3.2CAE疾病状态与各静息态fMRI指标间关系的交互效应 丘脑和DMN相关脑区在CAE发病机制中的重要性在之前的研究中被多次强调[20-22]。本研究第一部分在多个静息态fMRI指标组间比较结果的频次图中也发现了在丘脑和右侧内侧前额叶有着最大的重叠。以这2个重要中枢作为感兴趣区,发现CAE不仅影响了单个指标的变化,还改变了不同指标间的耦合。血流动力学变化与脑神经活动之间关系密切,神经元兴奋时局部血管舒张会使引起抗磁性的氧合血红蛋白含量增加,而带去顺磁性的去氧血红蛋白,这也是fMRI的基本原理[23]。癫痫发作是由大脑神经元异常同步化引起的。癫痫发作时神经元代谢需求增加,脑血流量若不能及时调整,则会使得癫痫患儿的神经血管解耦合[24]。基础研究已经证实,癫痫发作的哺乳动物的血脑屏障受损[25]。兴奋性和抑制性神经元的激活都可以诱导神经血管耦合异常[26]。既往的静息态fMRI研究为特发性全面性癫痫(idiopathic generalized epilepsy,IGE)患儿提供了神经元损伤和脑灌注变化的神经影像学证据[27-28]。本研究中多个fMRI指标之间的耦合度改变可能是由于GSWD带来的神经血管耦合异常引起的,脑血流的变化受神经元活动的控制,神经活性较高的区域会增加其血液供应,反之亦然。以往CAE患儿GSWD的EEG-fMRI研究主要发现是双侧丘脑BOLD信号增加,而DMN相关脑区BOLD信号减少[29-30]。BOLD信号的增加意味着更强烈的神经元激活,而BOLD信号减少被认为是神经元受抑制的表现[31]。GSWD存在时,丘脑神经元兴奋性提高,增强了局域脑活动和脑血流量,ALFF-fALFF、ReHo-ALFF及RSLA-GCD_int正相关性进一步增强,提示可能是指标一致性的同步改变,与前部分结果中CAE有着更大ALFF、更高的ReHo、更多的净信息流出和更早出现的异常活动相符合。而原本在正常对照组中无明显相关甚至呈负相关的GCD_int-ALFF、GCD_int-ReHo、GCD_in-FCD、Hurst-fALFF和GCD_int-FCD在CAE中都是较正常对照组升高呈显著的正相关,这可能更多是增大的ALFF、增强的ReHo及减少的FCD单方面带来的,其能预测更多的信息流出和更大的混乱程度。FCD-fALFF及GCD_in-GCD_out耦合度下降也与丘脑局域活动、FCD及信息流向非同步化改变相符合。与丘脑相比,内侧前额叶耦合度增加的GCD_in-GCD_int、RSLA-GCD_in及GCD_int-RSLA,可能提示是更多信息流入带来更少的净信息流出,进而引起延迟的异常脑活动;而耦合度下降FCD-ALFF、fALFF-GCD_in、fALFF-GCD_out及GCD_in-GCD_out则也是内侧前额叶ALFF、FCD及信息流向非同步化改变引起。本研究与Yan等[32]在正常人中发现ALFF、fALFF、ReHo及FCD彼此之间有着较强的相关性结果一致。本研究还发现GSWD的存在引起这些指标之间关系的改变以及对其他指标的影响。指标及指标间不同程度的变化可能是疾病状态下调节脑血流量以维持神经元活动平衡的不同反映。然而需要进一步的研究来全面了解这些发现背后的机制。

本研究有一定的局限性。第一,样本量相对较小。第二,不能完全消除药物对CAE的影响。本研究全面观察多个不同维度的静息态fMRI指标在CAE患儿中变化模式的一致性,发现不同静息态fMRI指标均能在特定区域(丘脑及相关DMN脑区)发生不同程度的变化。此外,分析指标间的相互关系揭示了反映脑功能分离和整合指标之间的紧密联系,以及疾病状态改变了它们的耦合。总之,本研究结果增加了丘脑及DMN是CAE病理生理机制重要脑区结论的证据,并提供了重要脑区内各静息态fMRI指标变化如何相互关联的新见解。