基于V1区种子点应用静息态功能磁共振的功能连接技术分析正常眼压性青光眼患者脑部功能连接的变化△

臧苗苗 范彩媚 姜 建 邵 毅 王丽君 曾璐瑶 易 澄 武天硕 李汉林

正常眼压性青光眼(NTG)具有与其他青光眼相似的视盘凹陷或者扩大和视野缺损及相应的视盘周围视网膜神经纤维层厚度(RNFLT)变薄,区别在于,与其他青光眼相比,NTG患者的房角结构正常,在未经任何治疗的情况下24 h眼压均不超过21 mmHg(1 kPa=7.5 mmHg),且无任何其他继发性因素(如眼部或全身系统性疾病)[1]。有研究推测,20年后全球青光眼患病人数将超过1.1亿[2-4]。而在我国,NTG在原发性开角型青光眼(POAG)患者中的占比为51.43%～83.58%[5]; NTG发病特点为早期隐匿、可无症状及进行性视力损害,当出现临床症状时,其视功能损害已难以逆转[6]。有研究表明,即使在降低眼压的治疗下,NTG患者的视野损害仍在进展[7]。静息态功能磁共振(rs-fMRI)是检测脑部疾病和神经代谢异常的新型技术,通过分析脑的功能连接性研究疾病的发病机制,并帮助临床医师做出诊断。

功能连接是基于rs-fMRI的一种算法,我们可以利用此技术建立基于种子点(ROI)对NTG的研究,目前基于ROI的研究已经成为多疾病脑区功能连接分析的主要手段,这类研究的重点往往在于ROI的选取。V1区位于距状沟最中心的位置,是视觉系统中的核心脑区,其在青光眼疾病中更易受到损伤[8]。所以本研究选取V1区作为ROI,运用功能连接(FC)技术分析NTG患者与健康对照者脑部各区域之间连接强度的变化[9-11]。以期探究NTG患者的早期诊断方法和明确其病理机制。

1 资料与方法

1.1 一般资料

采用前瞻性病例对照研究。将2020年11月至2022年11月间在南昌大学第一附属医院确诊的14 例NTG患者纳入NTG组,其中,男6例,女8例,年龄20～65(45.44±14.04)岁;选取同期招募的14 例健康对照者为HCs组(选择受教育程度相匹配的研究对象以平衡两组受试者认知基线,尽可能避免认知差异对结果造成干扰),其中,6名男性及8名女性,年龄20～65(42.00±9.63)岁。健康对照者的年龄与NTG患者相匹配。受试者皆为右利手的中国人。本研究符合《赫尔辛基宣言》原则,并经过南昌大学伦理委员会批准进行(批号:20212BAG70032),患者和14位健康志愿者均签署知情同意书。

NTG组患者纳入标准:(1) 24 h眼压峰值≤21 mmHg且未经任何治疗; (2) 均为原发性青光眼,无造成青光眼的继发性原因; (3) 有典型的青光眼视神经损害(视盘周围RNFLT变薄或青光眼视野缺损);(4) 前房角结构无异常;(5)无神经及精神疾病; (6) 无磁共振检查禁忌证(如金属牙,植入的金属钉、金属板等); (7)无全身系统性疾病;(8)无其他内眼疾病、眼部手术史及眼部结构功能异常; (9)年龄18～65岁;(10)最佳矫正视力(BCVA)≤0.8。

HCs组健康者纳入标准: (1) 除视力及视神经相关数据外其他一般资料与NTG 组患者相匹配; (2)BCVA≥1.0;(3)无眼部疾病;(4)余同NTG组(4)-(9)的纳入标准。

所有受试者均接受了完整的眼科评估,包括:眼前节检查、房角镜检查、裸眼视力和BCVA及眼底检查,中央角膜超声测厚仪(德国欧科路)测量角膜厚度,使用Goldmann眼压计(英国凯乐)测量眼压(12次/24 h,以排除昼夜眼压峰值的存在),使用运行30-2 程序的SITA-Standard视野计(日本NIDEK)记录视野,使用OCT(德国海德堡)的视盘立方体 200×200扫描仪测量视盘周围RNFLT。

1.2 MRI数据采集

MRI数据采集时要求所有受试者保持清醒,但不进行认知活动,且所有受试者均在检查前 1 d 禁酒、咖啡、茶及镇静催眠药物;在MRI数据采集过程中排除人为干扰因素的影响,并采用橡胶耳塞减小机器扫描时的噪音。由两名经验丰富的影像科医生运用德国西门子 3.0T MRI扫描仪采集所有受试者的图像,扫描范围从颅底到头顶。

首先采集常规颅脑图像排除明显脑部病变者,T1WI及T2WI参数:脉冲重复时间为1 900 ms,脉冲回波时间为3.00 ms,翻转角度为9°,层厚为1.0 mm,层间距为0.5 mm,视野为240 mm×240 mm,矩阵为256×256。

rs-fMRI 数据采集持续8 min,使用回波平面成像序列获取功能数据,参数:脉冲重复时间为2 000 ms,脉冲回波时间为30 s,翻转角度为90°,层厚为 4.0 mm,层间距为1.0 mm,视野为240 mm×240 mm,矩阵为64×64。

1.3 MRI数据预处理

rs-fMRI采集的功能数据通过MRIcro(www.MRIcro.com)软件分析,去除不合格的数据,并使用SPM5(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)进行rs-fMRI图像格式转换处理。删除前10个时间点的BOLD 数据以规避初始MRI信号可能不稳定及参与者需要一定时间适应环境,包括机器噪音等情况;对于剩余的230卷数据使用DPABI这一工具根据一定的算法进行时间校正,即头动校正(基于运动校准的估计,受试者头部平移>2 mm 和/或旋转>2°将被排除)。采用标准回波平面成像模板进行空间标准化,满足蒙特利尔神经病学研究所标准(重采样为3 mm×3 mm×3 mm体素大小)。然后,对于空间标准化后的受试者功能图像运用 6 mm 全宽半高(FWHM)高斯核进行平滑处理降低标准误差。使用0.01～0.08 Hz滤波来降低低频漂移和高频噪声的影响。

1.4 基于V1区ROI的rs-fMRI功能连接

rs-fMRI功能连接分析的感兴趣区依据蒙特利尔神经科学研究所的研究结果,选取左右两侧的V1区作为ROI。提取ROI及整个大脑中所有体素的时间序列,将ROI与大脑其他所有体素的时间序列进行Pearson 相关分析获得功能连接相关系数图。然后对功能连接相关系数图进行Fishers Z转换,使所获得的数据更接近正态分布,再行进一步分析。

1.5 统计分析

采用SPSS 26.0统计学软件,对两组受试者的计量资料使用独立样本t检验,计数资料采用卡方检验;检验与ROI功能连接显著差异脑区的功能连接值与临床变量之间是否存在关系,NTG患者不同脑区功能连接值与RNFLT进行Pearson相关分析。检验水准:α=0.05。运用rs-fMRI 数据工具包对HCs组及NTG组受试者的V1区与全脑域的功能连接图进行两独立样本t检验,结果采用AlphaSim进行多重比较校正(阈值设置为P<0.005,体素数>30,对应为校正后的阈值P<0.05)。

2 结果

2.1 一般资料

NTG组与HCs组受试者间年龄、性别、体重、杯盘比及24 h平均眼压相比差异均无统计学意义(均为P>0.05),NTG组与HCs组受试者间视盘周围RNFLT及左眼、右眼BCVA相比差异均有统计学意义(均为P<0.01)(表1)。

表1 NTG组与HCs组受试者一般资料比较

2.2 NTG组患者功能连接与临床数据之间的相关性分析

Pearson相关性分析结果显示,NTG组患者V1区异常功能连接均与RNFLT具有相关性(均为P<0.05)。ROI1-左侧额上回(SFG)、ROI1-右侧SFG、ROI2-左侧扣带回(CC)和ROI2-右侧额中回(MFG)与RNFLT均呈显著正相关(均为P<0.05)(表2)。

表2 NTG组患者ROI功能连接减低的脑区与视盘周围RNFLT的相关性

2.3 NTG组与HCs组受试者静息态功能连接差异对比

与HCs组受试者相比,NTG组患者ROI1与左侧SFG、右侧SFG功能连接减低;与HCs组受试者相比,NTG组患者ROI2与左CC、右侧MFG等区域功能连接减低(表3、表4、图1、图2)。

高斯随机场理论双尾校正,体素水平P<0.01、簇水平P<0.05。T值越小,颜色越冷,表示功能连接越弱。图1 NTG组与 HCs 组受试者右侧V1区功能连接差异脑区示意图

表3 NTG组与 HCs 组受试者ROI1与全脑功能连接差异对比

表4 NTG组与 HCs 组受试者ROI2与全脑功能连接差异对比

3 讨论

NTG是一种进行性视神经病变,眼压在统计学正常范围(≤21 mmHg)内。NTG的病因及发病机制目前尚不明确。因为NTG的发病较隐匿,往往发现时已至疾病晚期,患者视神经出现严重损害,预后较差,且在亚洲各国的发病率居高不下,故一种可以发现早期NTG的有效检查方法对挽救NTG患者的视功能及延缓NTG患者视神经损害极有意义。我们所有视觉信息均首先经V1区整合后再传递到高级视觉皮层区域,本研究探索的V1区与大脑其他脑区之间功能连接的变化对于探究NTG病理生理机制及早期诊断方法至关重要。rs-fMRI中功能连接技术是研究脑部结构及功能变化的常用方法,这种方法已经被广泛应用于老年失智、脑老化等疾病的研究中,也已经被用于其他类型青光眼的研究中。本研究是通过应用rs-fMRI 的功能连接技术发现脑部V1区与其他脑区的异常功能连接状态,来探究NTG患者的发病机制及早期诊断方法。

本研究发现,NTG患者ROI1与双侧SFG之间的功能连接均减低。额叶约占人脑的三分之一,位于大脑半球中央沟以前、大脑外侧沟以上的部分[12];SFG占额叶的三分之一,是主要的前运动区域,在情绪、认知和注意力中起着重要作用[13],SFG病变可能导致精神障碍、记忆力和注意力丧失以及反应延迟。有研究表明,SFG的自发性异常脑低频波动与抑郁症状显著相关[14],另有试验证明,焦虑、抑郁情绪与青光眼患者的疾病进展相关,且青光眼的患者罹患抑郁症的风险明显更高[15-17],结合上述研究结果可以得出NTG患者的某些临床症状(如NTG患者常伴有睡眠障碍[18]、认知功能下降[19])与脑功能障碍有关的推断。Liu等[20]研究发现,POAG患者的Hodapp-Anderson-Parrish(HAP)评分与右侧SFG的低频振幅呈正相关,而本研究rs-fMRI检测结果显示,V1区SFG的功能连接减低,由此我们推测,NTG患者与POAG患者的SFG有类似的损伤。V1区与双侧SFG之间的功能连接均减低,这可能是由于NTG患者的视网膜神经节细胞凋亡导致视觉信息传输受阻,致使V1区与SFG之间的信息传导受到影响。

本研究发现,ROI2与左侧CC及右侧MFG等区域功能连接减低。边缘系统由边缘叶、杏仁核、额叶眶面等结构共同组成[21]。CC是边缘系统最重要的部分,是一个新月形脑回,位于大脑半球内侧,胼胝体上面,与海马皮层、内侧前额叶和颞叶皮层形成功能连接[22]。有研究表明,扣带回与情绪、疼痛认知、空间信息处理和长期记忆密切相关[23]。CC又分为前后两部分,它们是边缘系统功能及形态结构不同的两个区域。有研究显示,前扣带皮层在认知相关的视觉功能中发挥作用[24],背侧前扣带皮层参与视觉对象的真实分类和识别。本研究结果表明,NTG患者中ROI2与左侧CC之间的功能连接减少,可能意味着NTG 患者的V1区传入信息减少或者CC功能受损,患者视力一般也会受到影响。CC作为边缘系统最重要的一部分,NTG患者边缘系统的功能也可能受到一定的影响。MFG位于额上沟和额下沟之间,MFG与注意力、工作记忆和语言相关[25-26],MFG的前部有一条额中沟,将MFG分为上下两部分,其后部是双眼皮质侧视中枢,在视物时它主要处理侧视时眼位及头部运动相关的信息[27]。右侧MFG是注意力神经网络集合的地方,可以中断背侧网络中正在进行的内源性刺激注意过程并将注意力重新定位到外部刺激[28]。而ROI2区与右侧MFG 功能连接减低,可能反映了NTG患者V1区关于视觉的信息传递减少或者VI区整合传递信息的效率减慢。

一些研究发现,原发性闭角型青光眼患者在特定静息状态网络的一些功能连接变化[29],与Lam等[30]在fMRI和脑电图研究分析中的变化一致,不仅出现ROI与视觉、工作记忆和背侧注意网络之间功能连接的减低,还出现ROI与和执行网络之间功能连接增加。Wu等[31]、Wang等[32]也在POAG患者中发现了相同的变化。上述研究结果表明,其他因素可能在一些青光眼进展过程中起到补偿作用,如神经的可塑性。十九世纪九十年代,学者们对于大脑结构会不会在发育关键期后再发生变化这一问题达成一致,即不会再发生改变;但Richard J.Davidson于1992 年提出神经网络通过神经胶质细胞及神经元细胞的重组改变,在功能和结构上塑造神经系统的突触连接,可以恢复一些脑区间的功能连接[33-34]。研究发现,行视觉刺激时黄斑变性患者某些视觉皮层活动增强,在青光眼患者中也观察到了类似的现象[35-36]。对于视觉损伤患者,视觉皮层功能的下降可能会代偿性地出现视觉皮层的神经重塑,增加ROI与其他大脑区域的连接[37]。Ciò等[38]的研究发现,在POAG患者中不仅存在视觉通路的重塑,还有全脑的重塑。但是我们对NTG患者进行研究时未能发现NTG患者大脑内功能连接连接增强的区域,即代偿区域(重塑区域),这有可能是 NTG患者区别于其他类型青光眼患者的地方,也有可能与我们研究所选择的患者处于NTG较为早期的阶段,静息态网络未出现类似损伤代偿有关。

本研究仍有许多局限性:(1)我们选取的NTG患者样本量较小,结果的可重复性尚不明确,MRI的效用可能被放大;(2)没有对患者的情绪进行量表测试,焦虑、抑郁可能会导致rs-fMRI数据分析结果出现异常;(3)未根据患者的病情程度进行分期,不能对NTG患者的脑功能情况进行更细致的研究。

rs-fMRI作为一种无创、安全、可重复的影像技术,它可以帮助我们获取患者大脑的功能变化,为我们更好地了解NTG患者的神经病理机制及干预治疗提供了新的方向。下一步我们将努力消除不足之处,进一步验证结果的准确性,为临床患者提供强有力的理论支持。相信随着rs-fMRI技术继续深入的发展,未来在眼科研究及临床领域的应用会更加广泛。

4 结论

在NTG中,ROI 功能连接异常脑区与NTG患者的RNFLT 之间具有显著的相关性。与健康人相比,NTG患者ROI1与左侧SFG、右侧SFG、左侧CC、右侧MFG等区域功能连接减低。上述结果可能反映了NTG潜在的神经病理机制及其与脑功能障碍的关系。具体的NTG神经病理机制还需要进一步的研究,NTG患者ROI1与V1区功能连接异常脑区的功能连接值可以作为NTG早期临床诊断的一种辅助手段。