缺血性中风患者脑功能活动局部一致性改变与认知功能障碍的研究

丁菊容，李原，华波，奉晨宇，唐智灵，杨呈浩，丁鑫

0 前言

中风是全球范围内第二大致死原因，也是第三大致死和致残的综合原因，其中缺血性中风（ischemic stroke, IS）约占所有中风事件的70%[1]，中国每年预计新增超过200 万IS 患者[2]。IS 是一种主要由大脑中动脉短暂性或永久性的血栓堵塞造成的异质性疾病，较高的病死率、致残率和复发率是其主要的特点[3-4]。认知功能障碍是IS 患者最常见的残疾症状，严重的患者极大概率会发展为痴呆[5]，造成患者缺乏生活独立性，生活质量受到严重的影响。因此，探究患者认知功能障碍的大脑机制，对患者的治疗和预后评估具有非常重要的临床意义，但IS 患者认知功能障碍潜在的病理生理机制尚不明确。

静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）技术通过血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）信号可间接显示出活体大脑内受激活的脑区，具有非侵入性、无电离辐射、高空间分辨率和对采集对象低要求等特点[6]，已被广泛应用于脑疾病研究。近期，MIN 等[7]基于rs-fMRI 技术发现患者受损伤大脑的代偿机制有助于促进认知功能的恢复。ZHU等[8]的研究表明患者发作后的首月是改善认知功能的关键阶段，而前三个月是视觉、注意力机制恢复的关键时期。因此，这些研究表明rs-fMRI技术在探索认知功能相关的脑功能活动方面具有较大潜力，有助于对疾病的全面认识。

局部一致性（regional homogeneity, ReHo）[9]是一种基于rs-fMRI 测量自发性脑功能活动的分析方法，通过肯德尔一致性系数（Kendall's coefficient concordance, KCC）来测量目标体素与其最近邻居体素的时间序列之间的一致性。ReHo 可以反映自发性大脑功能活动的局部特征，其值的异常降低或增高均反映了大脑局部功能活动的同步性或协调性异常，这可能是致使患者产生认知功能障碍的主要内在原因[10]。由于IS 患者存在认知功能障碍，我们推测IS 患者可能存在ReHo 改变，并且这种改变可能与患者认知功能相关。因此，本研究采用rs-fMRI技术和ReHo 方法探究IS 患者的局部脑功能活动改变和认知功能障碍潜在的病理生理机制，以期为患者的临床诊疗和预后评估提供神经影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本前瞻性研究严格遵守《赫尔辛基宣言》的原则，经成都市第二人民医院医学伦理委员会评估批准（批准文号：2023202），所有被试或其家属签署了书面知情同意书。2021 年12 月至2022 年11 月期间于成都市第二人民医院共招募20例IS患者被试[均为右利手，男15 例，女5 例，年龄48～86（66.45±12.92）岁]和27 例健康对照被试[均为右利手，男12 例，女15 例，年龄50～70（61.00±6.58）岁]。IS 的诊断标准如下：（1）急性起病；（2）局灶神经功能缺失（一侧面部或肢体无力或麻木，语言障碍等），少数为全面神经功能缺损；（3）影像学出现责任病灶或症状/体征持续24 h 以上；（4）排除非血管性病因；（5）脑CT/磁共振成像排除脑出血。

本研究IS患者的纳入标准如下：（1）神经科医生诊断为IS；（2）均为首发IS；（3）发病后24～72 h 内完成影像学评估；（4）患者能配合rs-fMRI 扫描。排除标准如下：（1）被试者具有颅脑手术史、颅脑损伤史或者颅内占位性病变史等；（2）其他可能会引起大脑组织结构异常的疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病或局灶性癫痫等；（3）大概率会影响被试者当前认知状态的疾病或行为，如流感、中毒及酗酒等；（4）有磁共振成像扫描禁忌，如体内具有植入式金属医疗设备或幽闭恐惧症等。

此外，从成都市第二人民医院的医务工作人员中招募的27名健康对照者，纳入标准如下：（1）年龄和性别与IS患者被试匹配；（2）右利手；（3）影像资料完整。排除标准如下：（1）具有颅脑损伤和手术史；（2）任何医学、神经或精神病史；（3）存在长期药物或酒精滥用或依赖史；（4）有磁共振成像扫描禁忌。由两名经验丰富的临床放射科医生对所有被试进行常规的脑磁共振扫描和目视检查，并进行全面的临床检查报告。采用简易精神 状 态 检 查 量 表（Mini-Mental State Examination,MMSE）和蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）评分评估本次研究中所有被试者当前的认知状态。

1.2 扫描方法及技术参数

rs-fMRI影像数据的采集均在成都市第二人民医院飞利浦Ingenia 3.0 T 全数字磁共振扫描仪（Philips Ingenia 3.0 T Medical Systems,Philips Healthcare, Best, Netherlands）上进行，该扫描仪配备有64 通道头颅线圈。在rs-fMRI 扫描之前，被试者被简单地叮嘱在数据采集过程中平躺身体，尽量保持身心放松，闭上眼睛休息且不要有强烈的意向性思维活动。医生给所有被试者提供泡沫填充物和软耳塞等辅助物品，以减少被试头部旋动或平动，并尽可能隔绝扫描仪和环境噪声。利用单次激发梯度回波 平 面 成 像（gradient-recalled echo planar imaging, GRE-EPI）脉冲序列获取覆盖全脑的fMRI影像学数据，磁共振扫描仪扫描时沿着平行于前后联合轴位进行。扫描参数包括：（1）功能数据，TR/TE 2000 ms/30 ms，翻转角90°，视野240 mm×240 mm，矩阵80×80，体素3 mm×3 mm×3.6 mm，层厚3.6 mm，层间距0.7 mm，共245个时间点，为了提高采集功能数据的信噪比，GRE-EPI脉冲序列对被试重复扫描两次；（2）高分辨T1 加权结构图像，TR/TE 5.2 ms/2.2 ms，翻转角10°，矩 阵230×230，体 素0.57 mm×0.57 mm×0.5 mm，306层，图像数据通过3DSPGR序列进行采集。

1.3 数据预处理

利用脑成像数据处理与分析（DPABI_V6.1_220101；http://rfmri.org/dpabi）[11]工具包对rs-fMRI影像数据进行预处理。处理步骤如下：（1）格式转换；（2）去除前10个时间点；（3）时间层校正；（4）头动校正，排除头部平动参数超过2.5 mm 或旋动参数大于2.5°的被试，本步骤共排除4 名IS 患者和5 名健康对照；（5）空间标准化，采用回波平面成像模板对头动校正后的数据匹配到蒙特利尔神经研究所标准空间，并将体素重采样为3 mm×3 mm×3 mm；（6）回归协变量（Friston-24头部运动参数、线性趋势、脑白质和脑脊液信号）和带通滤波（0.01 Hz＜f＜0.08 Hz）处理。

ReHo参数的计算：使用DPABI工具包对预处理后的影像数据进行ReHo分析[9,11]。具体步骤如下：（1）计算单个被试的ReHo图，即目标体素与其相邻26个体素在时间序列上的KCC值；（2）标准化ReHo图像，ReHo图中单个体素KCC值除以全脑总体素的KCC均值，以减少个体化差异；（3）运用半高宽（full width at half maximum, FWHM）为4 mm的高斯核进行空间平滑处理，以减少空间噪声，并增强ReHo图像的信噪比。

1.4 统计分析

人口统计学与认知量表采用SPSS 25.0（https://www.ibm.com/spss）软件进行统计分析，统计表中连续变量除另有说明外，均以均值±标准差的方式来表示，P＜0.05 表示差异具有统计学意义。年龄和性别分别采用双样本t检验和卡方检验进行组间比较。

基于MATLAB软件中的DPABI工具包进行ReHo的统计分析。采用单样本t检验和无阈值聚类增强（threshold-free cluster enhancement, TFCE）校正以分析和显示两组被试各自的标准化ReHo图像在大脑激活的空间分布模式，P＜0.05 表示差异具有统计学意义。在具有激活意义的大脑区域内，进行双样本t检验以揭示IS 患者组和健康对照组之间的显著差异脑区，基于静息态功能磁共振数据处理（resting-state functional magnetic resonance imaging data analysis toolkit, REST,http://www.restfmri.net/forum/REST_V1.8）工具包来对组分析结果进行AlphaSim 多重比较校正，其中Monte Carlo 算法迭代模拟次数为1000 次。AlphaSim 校正前单个体素显著性阈值水平P设置为0.01，经过AlphaSim 校正后得到最小的集群团块体素数量为23，对应AlphaSim 校正后的显著性阈值水平P为0.001。最后，采用Pearson 相关分析评估患者中有显著差异脑区的ReHo 值与认知量表的相关性，显著性水平设为P＜0.05。

2 结果

2.1 人口统计学与认知量表分析结果

经过头动校正后共排除了9 例头部平动参数超过2.5 mm 或旋动参数大于2.5°的被试数据，包括4 例IS 患者，5 例健康对照。因此，后续共有16 例IS患者[男12例，女4例，年龄48～86（64.75±12.57）岁]和22 例 健 康 对 照[男9 例，女13 例，年 龄50～70（59.32±6.07）岁]参与研究。两组被试在年龄（P＞0.05，双样本t检验）和性别（P＞0.05，双侧Fisher精确检验）上差异均无统计学意义。IS 患者组的MMSE和MoCA评分均显著低于健康对照组（P＜0.001，双样本t检验），见表1。

表1 IS患者组和健康对照组的人口统计学与认知量表分析Tab.1 Analysis of demographic and cognitive scales in patients with IS and healthy controls

2.2 ReHo空间分布结果

两组被试ReHo图像在大脑激活的空间分布模式见图1 和图2（P＜0.05，TFCE 校正）。目视检查可以发现，两组被试双侧大脑区域的ReHo 值显著高于其他区域。激活区域包括辅助运动区、内侧和旁扣带回、中央后回以及额中回等大脑部分区域，激活在统计学上是具有意义的。

图1 健康对照组局部一致性空间分布结果。 图2 缺血性中风患者组局部一致性空间分布结果。 图3 局部一致性组分析结果。暖色和冷色分别代表IS患者局部一致性显著大于和低于健康对照被试。每幅图像左上角的数字代表蒙特利尔神经学研究所空间层数。L：左侧；R：右侧；IS：缺血性中风。Fig.1 Results of regional homogeneity spatial distribution in the healthy control group.Fig.2 Results of regional homogeneity spatial distribution in the ischemic stroke patient group.Fig.3 Results of group analysis of regional homogeneity.Hot and cold colors indicate significantly greater and lower regional homogeneity in IS patients than in healthy controls, respectively.The number in the upper left corner of each image represents the number of Montreal Neurological Institute spatial layers.L: left; R: right; IS: ischemic stroke.

2.3 ReHo组分析结果

两组被试组间双样本t检验结果见图3 和表2（P＜0.001，AlphaSim 校正）。相较于健康对照组，IS 患者组在双侧辅助运动区、内侧和旁扣带回、左侧顶上回、楔前叶和中央旁小叶区域的ReHo 值显著升高，而右侧额中回、中央后回、颞中回和左侧三角部额下回区域的ReHo值显著降低。

表2 缺血性中风患者ReHo显著升高/降低脑区Tab.2 Regional homogeneity increased/decreased significantly in patients with ischemic stroke

2.4 与认知量表分析结果

选取IS患者显著升高和降低的脑区作为感兴趣目标区域，并提取这些感兴趣目标区域内的ReHo 值分别与IS 患者的MMSE 和MoCA 评分进行Pearson 相关性分析（年龄和性别作为协变量）。相关性分析结果显示双侧辅助运动区和左侧顶上回的ReHo值增高与MMSE 评分呈现显著的负相关性（r=-0.640，P=0.014；r=-0.541，P=0.046；r=-0.563，P=0.036），见图4。其余感兴趣目标区域脑区ReHo 值与认知量表之间无显著相关性（P＞0.05）。

图4 缺血性中风患者ReHo 值与MMSE 评分之间的相关性结果。ReHo：局部一致性；MMSE：简易精神状态检查量表。Fig.4 Results of the correlation between ReHo values and MMSE scores in patients with ischemic stroke.ReHo: regional homogeneity; MMSE:Mini-Mental State Examination.

3 讨论

本研究基于rs-fMRI技术和ReHo分析了IS患者与健康对照者之间的脑功能活动改变，结果显示IS患者异常脑区主要涉及默认网络（default mode network, DMN）和 感 觉 运 动 网 络（sensorimotor network, SMN）。IS 患者在双侧辅助运动区、内侧和旁扣带回、左侧顶上回、楔前叶和中央旁小叶的脑功能活动ReHo 值显著增强，而在右侧额中回、中央后回、颞中回和左侧三角部额下回的脑功能活动ReHo值显著降低。此外，双侧辅助运动区和左侧顶上回的ReHo 值增高与MMSE 评分呈现显著的负相关性。ReHo 分析能反映静息态下大脑区域内部神经元活动异常情况，即自发性大脑功能活动的局部特征[10]，ReHo 值的显著增高或降低均反映了该区域的脑功能活动的同步性或协调性异常[12]，可揭示大脑功能代偿与失代偿并存以及认知和行为功能的调控机制[13]。本研究结果表明了ReHo 值异常脑区可能在IS 的发生和发展中起着不可忽视的作用，也间接提示了其在IS患者认知功能障碍病理生理机制中具有极其重要的意义。本研究可能为IS患者认知功能障碍潜在的病理生理机制提供客观的脑影像学生物标志物，并为IS患者临床诊疗和预后评估提供依据。

3.1 涉及DMN网络的异常脑区

右侧额中回、颞中回以及左侧三角部额下回（ReHo 值显著降低）和双侧内侧和旁扣带回、左侧顶上回、楔前叶以及中央旁小叶（ReHo 值显著升高）主要涉及DMN网络。DMN网络是神经影像学中至关重要的功能网络，在内部与外部信息整合和自我认知调节中具有非常重要的作用[14]。DMN 前部的内侧额叶皮层包含右侧额中回和左侧三角部额下回等大脑区域，在社会认知和情绪调节中起着至关重要的作用[15]。额中回作为中线额叶皮层的一部分参与了认知控制，与注意力、执行力和沟通能力息息相关，其功能异常可能会影响IS 患者的语言表现和情绪表现[16]。值得注意的是，额中回脑区具有不对称特性，其中左侧额中回负责识字功能，右侧额中回负责识数功能[17]。一项中风后语义和音韵流畅性研究指出，额中回和左侧三角部额下回分别在音韵流畅性和语义流畅性中发挥了至关重要的作用[18]，在首发精神分裂症患者的研究中也发现了类似的结论[19]，均验证了本研究的发现。右侧颞中回区域的ReHo 值显著降低，表明IS患者该区域的功能活动受到抑制，这可能与听觉和视觉信息整合[20]和敏感度[21]降低有关。因此，本研究结果中右侧额中回、颞中回以及左侧三角部额下回的功能活动同步性异常，可能表明IS 患者在认知控制、注意力互补机制、言语记忆等方面的功能受到抑制，这可能解释了IS患者常出现失语、注意力不集中、记忆缺失、沟通障碍等系列的认知功能障碍症状[22]。

此外，在双侧内侧和旁扣带回、左侧顶上回和楔前叶的ReHo 值显著增强，主要涉及DMN 网络后部。楔前叶作为DMN的功能核心，与顶上回和顶下缘角回构成了DMN的主要后部，与高水平认知和复杂信息整合有关[23]。一项研究表明中风患者的楔前叶区域异常代谢和激活较为活跃[24]，这与本研究的结果基本一致。MA 等[25]研究发现中风患者在运动执行任务时，损伤同侧的顶上回被激活。值得注意的是，本研究还发现左侧顶上回的ReHo 值与MMSE 评分呈现显著的负相关性，这可能为IS 患者认知损伤和信息整合异常提供了更多的影像学证据。内侧和旁扣带回是DMN 网络的关键节点，对信息传递和认知处理具有很大的贡献[26]。此前，有学者利用ReHo 分析发现双侧内侧和旁扣带回、额中回和额下回等组成的脑功能网络与认知功能障碍患者认知逆转息息相关[27]。本研究结果表明，DMN 后部的代谢增强或过度激活可能是对认知和行为功能下降的补偿机制。

3.2 涉及SMN网络的异常脑区

IS 患者在大脑右侧中央后回（ReHo 值显著降低）、双侧辅助运动区以及左侧中央旁小叶（ReHo 值显著升高）主要涉及SMN网络的关键性节点。中央后回主要由初级躯体感觉皮层构成，负责躯体感觉，如疼痛刺激、温度变化和触摸等[28]，同时也包括了次级躯体感觉皮层，在躯体感觉刺激和记忆整合中发挥重要的作用[29]。此外，一项中风研究表明，患者中央后回损伤可能造成运动感知错觉，即静止触觉刺激在呈现时为运动状态[30]。本研究发现IS 患者右侧中央后回的ReHo 显著降低，可能与IS 患者躯体感觉功能下降相关。SMN 网络整合了初级运动皮层、前运动区和辅助运动区，负责躯体的自主运动功能[31]。既往研究发现，辅助运动区内侧和旁扣带回作为额叶中重要的区域，主要涉及躯体运动控制功能和广泛的认知功能，如时间处理和语言处理等[32]。中央旁小叶作为中央前回和中央后回内侧的中间区域，除了调控下肢自主运动外，还服务于运动功能和空间注意力[33-34]。值得注意的是，先前关于中风患者的研究表明，患者双侧辅助运动区、中央旁小叶以及枕中回的结构和功能重组与运动功能变化有关[35]，这与本研究的结果基本一致。一项头部针灸治疗后的IS患者研究发现辅助运动区、枕下回、楔前叶、内侧和旁扣带回、中央旁小叶以及前扣带回等脑区功能增强，这是患者大脑对认知、视觉和运动控制等功能的补偿机制[36]。此外，本研究发现双侧辅助运动区ReHo 的改变量与MMSE 评分呈现显著的负相关性，进一步反映了患者感觉运动功能受损和认知损伤。因此，本研究中IS 患者双侧辅助运动区和左侧中央旁小叶的ReHo 显著增强，表明了IS 患者在以上大脑区域存在过度激活，反映了SMN脑功能活动增强是对感觉运动功能下降的代偿与失代偿激活机制并存，可能揭示了IS患者对躯体感觉和空间定向功能的调控机制。

3.3 研究的不足与展望

本研究仍存在一定的局限性。首先，本研究样本数量相对较少且来自单一研究中心，后续研究应增加多研究中心的大样本数量。但由于两组被试的性别和年龄均相互匹配，并不会影响本研究结果的稳健性。其次，本研究未进行患者ReHo的纵向研究。未来需要进行多中心、大样本量数据的纵向追踪研究，以便全面探究IS患者认知功能障碍的大脑机制。

4 结论

综上所述，本研究结合rs-fMRI 和ReHo 方法探究了IS 患者脑功能活动与认知功能障碍之间的关系，结果发现IS 患者在额中回、三角部额下回、中央后回、颞中回、辅助运动区、内侧和旁扣带回、顶上回、楔前叶以及中央旁小叶存在脑功能活动同步性自发改变，部分异常改变与患者认知量表有关。本文研究结果提示ReHo 值异常改变可能在IS 患者认知功能障碍发生和发展中具有非常重要的作用，表明异常大脑区域的ReHo 值可能是IS 中潜在的影像学生物标志物。本研究将有助于解释IS患者存在认知功能障碍的原因，为患者的临床诊疗和预后评估提供神经影像学证据。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：丁菊容直接参与包括酝酿和设计实验、实施研究、分析/解释数据，文章撰写包括起草文章、对文章的知识性内容作批评性审阅，且负责数据统计分析、技术/材料支持；李原直接参与包括酝酿和设计实验、实施研究、分析/解释数据，文章撰写包括起草文章、对文章的知识性内容作批评性审阅，工作支持包括统计分析、技术或材料支持、指导；华波直接参与分析/解释数据，对文章的知识性内容作批评性审阅，统计分析、指导；奉晨宇、唐智灵直接参与分析/解释数据，起草文章，统计分析；杨呈浩直接参与分析/解释数据，对文章的知识性内容作批评性审阅；丁鑫直接参与分析/解释数据，对文章的知识性内容作批评性审阅。丁菊容获得国家自然科学基金资助；杨呈浩获得人工智能四川省重点实验室开放基金资助；丁鑫获得成都市卫生健康委员会基金资助。全体作者都同意发表最后的修改稿，同意对本研究的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。