急性轻度创伤性脑损伤患者静息态功能MRI多模式研究

曾哲，罗琳*，陈强，侯斯琦

0 引言

创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）是一种创伤性脑结构损伤或由外力引起的其他脑功能改变的损伤，全球每年有超过1 000 万人死亡和住院，其中80%～90%的TBI患者为轻度[1-2]。轻度创伤性脑损伤（mild TBI, mTBI）特征是在受伤后几周内出现认知和情绪缺陷，大多数患者的症状会在3～6个月后消退，而有研究发现20%～30%的患者存在有脑震荡后综合征（post concussion syndrome, PCs）[3]。由于mTBI 患者的脑组织微结构受损，使用传统的影像学技术，如计算机体层成像（computed tomography, CT）和常规MRI 进行评估时，通常没有阳性表现[4-5]。功能MRI（functional MRI, fMRI）技术在mTBI 损伤检测和预后预测方面具有巨大的潜力，即使结构成像没有明显异常，fMRI 也可以检测mTBI 患者脑功能的变化，并可能具有预测未来认知功能下降的能力[6-7]。根据扫描过程中是否执行具体任务fMRI可划分为任务态fMRI 和静息态功能MRI（resting-state fMRI, rs-fMRI）。rs-fMRI 的分析一类是基于自发血氧水平依赖（blood oxygen level dependent, BOLD）信号局部特征，包括低频振幅（amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF）、分数低频振幅（fractional ALFF, fALFF）及局部一致性（regional homogeneity, ReHo）的测量；另一类是测量不同大脑区域之间的功能关系，也称为功能连接（functional connectivity, FC）[8]。迄今为止，相对较少的研究探讨了mTBI 患者的认知表现及其与rs-fMRI指标的相关性，并且mTBI 研究中关于rs-fMRI 指标的发现不完全一致[9-12]。CHURCHILL 等[10]通过多变量分析证明mTBI 对整个大脑FC 的降低具有主效应，尤其是在颞叶和顶叶区域。MEIER 等[12]在一项前瞻性纵向研究发现，运动员在24 小时的检查中，右额中上回的ReHo 升高，在无症状就诊和重返赛场后就诊时，关于rs-fMRI 的指标没有观察到显著差异。此外，mTBI 患者在区分损伤部位方面的研究少见报道，为此，本研究采用rs-fMRI 测量单侧颅脑损伤的急性mTBI 患者与健康对照者（health comparison, HC）基于体素的指标，观察mTBI 患者脑功能是否发生变化及其与蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）量表评分之间是否存在相关性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

2022 年4 月至2023 年10 月，前瞻性纳入内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院急诊科及蒙医骨伤科就诊的急性mTBI患者。急性mTBI患者纳入标准[13-14]：（1）18～60 岁；（2）右利手；（3）单侧闭合性颅脑损伤；（4）创伤后失忆＜24 小时或意识丧失＜30 分钟；（5）格拉斯哥昏迷评分（Glasgow Coma Scale, GCS）为13～15分；（6）急诊头颅CT检查无明显异常。排除标准：（1）除当前发作外的脑损伤史；（2）神经或精神疾病史；（3）药物或酒精滥用史；（4）有MRI 检查禁忌。HC 通过社区招募，纳入标准：（1）18～60 岁；（2）右利手；（3）既往无闭合性颅脑损伤病史；（4）常规CT检查无明显异常。排除标准：（1）神经或精神疾病史；（2）药物或酒精滥用史；（3）有MRI检查禁忌。共有31例单侧颅脑损伤的急性mTBI患者及31例性别、年龄和受教育年限相匹配的HC 被纳入。本研究遵循《赫尔辛基宣言》，并经内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院审查委员会的批准，批准文号：2023026，全体受试者均签署了知情同意书。

1.2 MoCA量表

MoCA量表包括12个单独的任务，分为7个认知领域，完成量表大约需要10分钟[15]。总分为30分，≥26分属于正常，得分越低，表明认知缺陷越大[16]。MoCA量表与MRI图像在同一天采集。

1.3 图像采集

MRI数据在Philips Achieva 3.0 T（飞利浦医疗公司，荷兰）扫描仪上收集，使用8 通道头部专用线圈，受试者的头部被泡沫垫固定以限制运动。扫描前机器已预热，静息状态功能成像是使用平面回波成像（echo planar imaging, EPI）序列执行以下成像参数：TR 2 000 ms，TE 35 ms，切片厚度5 mm，FA 90°，FOV 240 mm×240 mm，矩阵大小80×78，体素大小3 mm×3 mm×5 mm，共185 卷全脑图像，采集时间为376 s。此 外，采 用TR 8 ms，TE 4 ms，切 片 厚 度2 mm，FA 8°，FOV 240 mm×240 mm，矩阵大小240×240，体素大小1 mm×1 mm×2 mm 的磁化强度预备梯度回波序列进行结构高分辨率T1加权成像扫描。在图像采集过程中，所有受试者需要闭上眼睛，保持头部不动，安静地休息，不思考任何事情[17-18]。此外，两名影像科医生（具有5 年以上经验）独立审查MRI 图像。这两名医生之间的任何分歧都以协商的方式解决。

1.4 数据预处理

使用SPM 12 和DPABI（dpabi，v6.1_220101）软件对图像进行预处理，上述软件基于MATLAB R2018b。预处理步骤如下：对185 卷全脑图像进行切片时间和头部运动校正，任何头部运动超过2 mm或X、Y 或Z 方向旋转超过2°的参与者均被排除在外。随后，对每个受试者，将T1加权结构图像与重新对齐的EPI图像的平均值共同配准。然后，将所有静息状态数据空间归一化为蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）空间的EPI 模板，重采样体素大小为2 mm×2 mm ×2 mm。最后，对噪声进行了回归，并用 0.01～0.10 Hz 的带通滤波，以减少低频漂移和高频呼吸及心脏噪声的影响。

1.4.1 ALFF的计算

ALFF 的计算需要先从预处理数据中去除线性漂移，通过带通滤波器滤波出低频信号，将每个体素的时间序列变换到频域，然后得到功率谱；再通过对变换后的功率谱进行平方根和傅里叶变换（Fourier transform, FT）来处理低频信号，每个频率的较低振幅平均值代表每个脑区自发活动的强度。

1.4.2 分数低频振幅计算

在计算fALFF 之前，进行空间平滑[全宽半最大值（full width at half maxima, FWHM）=6 mm 的高斯核]。然后，利用快速FT（fast FT, FFT）将rs-fMRI 信号的时间过程转换到频域，测量功率谱的平方根，并在0.01～0.10 Hz 范围内取平均值。最后测量体素水平的fALFF 值，即低频频段（0.01～0.10 Hz）与全频段（0.00～0.55 Hz）功率的比值。为了保证标准化，对于每个参与者，将每个体素的fALFF 除以全球平均fALFF，得到标准化的fALFF图。

1.4.3 ReHo的计算

经带通滤波（0.01～0.10 Hz）后进行区域均匀性测量。这是在基于体素的基础上完成的，通过计算给定时间序列的Kendall 一致性系数，该时间序列被分配为与其最近的27个相邻体素的中心体素。为了标准化，将每个体素的ReHo 值除以ReHo 的全局平均值，生成标准化的ReHo 地图。然后，在ReHo 计算后，采用6 mm FWHM的高斯核进行空间平滑。

1.4.4 FC的计算

在0.01～0.10 Hz的带通滤波后，进行基于种子的体素FC 分析。为了减弱rs-fMRI 信号时间序列的线性漂移，对线性趋势进行了去除。根据ALFF、fALFF和ReHo结果，将mTBI组和HC组之间表现出显著差异的区域定义为种子。种子区被创建为围绕质量坐标中心的球形5 mm 感兴趣区（region of interest,ROI）。然后，使用种子时间序列与灰质区域其余时间序列之间的Pearson 相关系数来测量FC。为了标准化，应用Fisher 的z变换将FC 转换为z值，得到标准化的FC映射图。

1.5 统计学分析

使用DPABI-V6.1软件中的统计分析模块进行基于体素的双样本t检验，探讨两组之间ALFF、fALFF、ReHo和基于种子的FC是否存在差异。在所有的双样本t检验中，均使用年龄、性别和受教育年限作为协变量。使用高斯随机场（Gaussian random-field, GRF）校正，对多次比较得出的统计图进行校正，达到体素P＜0.005 的显著水平。根据自动解剖标记（automated anatomy labeling, AAL）图谱记录重要脑区名称。采用卡方检验估计两组性别构成的分布，两组间年龄的影响采用双样本t检验，两组间受教育年限的影响采用U检验。此外，对mTBI组损伤后纳入研究的时间及临床评分采用单样本t检验。在控制年龄、性别和受教育年限作为协变量的情况下，对mTBI队列中所有患者生成ALFF、fALFF、ReHo 和基于种子的FC的值与临床评估量表之间的Spearman相关系数。使用双尾确定显著性值，P＜0.05认为线性相关性显著。

2 结果

2.1 人口统计学和临床特征

所有参与者的人口学和临床特征见表1。mTBI组与HC 组年龄、性别和受教育年限差异无统计学意义（P＞0.05）。

表1 mTBI患者与HC之间人口统计学和临床特征Tab.1 Demographic and clinical characteristics between mTBI patients and HC

2.2 急性mTBI 患者与HC 基于体素的指标差异显著的区域

双样本t检验显示，与HC 相比，急性mTBI 患者在左侧脑岛、左侧中央后回和左侧中央前回的ALFF增加（体素P＜0.005，GRF校正）；急性mTBI患者在右侧中央后回和右侧中央前回的fALFF 增加（体素P＜0.005，GRF 校正）；急性mTBI 患者在右侧楔叶和左侧中央后回的ReHo升高（体素P＜0.005，GRF 校正）。上述指标通过双样本t检验确定的显著簇列表如图1和表2所示。

图1 mTBI 患者基于自发BOLD 信号局部特征发生改变的脑区图。1A：ALFF 值差异区域，第一行左侧脑岛，第二行左侧中央后回，第三行左侧中央前回；1B：fALFF值差异区域，第一行右侧中央后回，第二行右侧中央前回；1C：ReHo 值差异区域，第一行右侧楔叶，第二行左侧中央后回（体素P 值＜0.005，GRF 校正）。t 值的范围由颜色条表示，热色与mTBI组中增加的ALFF、fALFF和ReHo值相对应。所显示的图像的左侧是人的左侧。mTBI：轻度创伤性脑损伤；BOLD：血氧水平依赖；ALFF：低频振幅；fALFF：分数低频振幅；ReHo：局部一致性。Fig.1 Map of brain regions with changes based on local features of spontaneous BOLD signals in mTBI patients.1A: ALFF value difference area, left insula in the first row, left posterior central gyrus in the second row,left anterior central gyrus in the third row; 1B: fALFF value difference area,the first-row right center back, the second-row right front center back; 1C:ReHo value difference area, right cuneus in the first row, left posterior central gyrus in the second row (voxel P value＜0.005, GRF correction).The range of t values is represented by a color bar, and the thermal color corresponds to the added ALFF, fALFF, and ReHo values in the mTBI group.The left side of the image shown is the left side of the person.mTBI: mild traumatic brain injury;BOLD: blood oxygen level dependence; ALFF: amplitude of low-frequency fluctuations; fALFF: fractional amplitude of low-frequency fluctuations;ReHo: regional homogeneity.

表2 mTBI患者与HC之间基于自发BOLD信号局部特征差异显著的区域Tab.2 Regions with significant differences in local features based on spontaneous BOLD signals between mTBI patients and HC

如上所述，以mTBI 与HC 之间ALFF、fALFF 和ReHo 值有显著差异的脑区t值峰值中心点定义为球形种子（半径=5 mm），在这7 个种子和大脑灰质区域的其他部分之间估计基于种子的FC。其中FC 发生改变的脑区包括右侧中央后回和右侧楔叶。与HC相比，右侧中央后回与右侧枕中回和右侧楔叶的FC增强；右侧楔叶与右侧楔前叶的FC 增强，右侧楔叶与右侧尾状核的FC 减弱（体素P＜0.005，GRF 校正）。通过双样本t检验测量的基于种子的FC 组间差异显著列表如图2和表3所示。

图2 mTBI 和HC 之间基于种子的FC 差异显著的脑区图。种子点包括：右侧中央后回（2A）、右侧楔叶（2B）；FC 差异脑区包括右侧枕中回（2C）、右侧楔叶（2D）、右侧楔前叶（2E）、右侧尾状核（2F，体素P 值＜0.005，GRF 校正）。t值的范围由颜色条表示，热色与mTBI 组中增加的FC值相对应。所显示的图像左侧是人的左侧。mTBI：轻度创伤性脑损伤；HC：健康对照；FC：功能连接。Fig.2 Brain regions with significant differences in seed-based FC between mTBI and HC.Seed points include: right posterior central gyrus(2A), right cuneus (2B); FC differential brain areas include: right middle occipital gyrus (2C), right cuneus (2D), right anterior cuneus (2E), right caudate nucleus (2F, voxel P value＜0.005, GRF correction).The range of t values is represented by a color bar, and the thermal color corresponds to the added FC value in the mTBI group.The left side of the image shown is the left side of the person.mTBI: mild traumatic brain injury; HC: healthy control; FC: functional connection.

表3 mTBI和HC之间基于种子的FC差异显著的区域Tab.3 Regions with significant seed-based FC differences between mTBI and HC

2.3 rs-fMRI 指标与MoCA 量表评分之间的相关性分析

使用Spearman 相关估计mTBI 队列中的ALFF、fALFF、ReHo 和基于种子的FC 值的临床状况。从7 个差异显著脑区提取区域的ALFF、fALFF 和ReHo值。在控制年龄、性别和受教育年限的情况下，在mTBI 队列中，相关分析结果显示，mTBI 患者基于自发BOLD 信号局部特征差异显著的区域与MoCA 量表评分无相关性。同样，对基于种子的FC 和MoCA量表进行相关性分析。mTBI 队列中，相关分析显示右侧中央后回和右侧枕中回之间FC 改变与MoCA量表评分呈负相关（r=-0.427，P=0.016），右侧中央后回和右侧楔叶之间FC 改变与MoCA 量表评分呈负相关（r=-0.411，P=0.022），分别如图3A及3B所示。

图3 相关分析结果图。3A：右侧中央后回和右侧枕中回之间FC 改变与MoCA 量表评分呈负相关；3B：右侧中央后回和右侧楔叶之间FC 改变与MoCA 量表评分呈负相关。FC：功能连接；MoCA 为蒙特利尔认知评估。Fig.3 Graph of correlation analysis results.3A: FC changes between the right posterior central gyrus and the right middle occipital gyrus were negatively correlated with MoCA scale scores; 3B: FC changes between the right posterior central gyrus and the right cuneus were negatively correlated with MoCA scale scores.FC: functional connection; MoCA: Montreal Cognitive Assessment.

3 讨论

在本研究中，采用rs-fMRI 测量单侧颅脑损伤的急性mTBI患者与HC基于体素的指标，结果表现，与HC 相比，急性mTBI患者的认知功能发生了改变，特别是在默认模式网络（default mode network, DMN）、显著网络（salience network, SAN）和视觉网络中。另外本研究表明认知表现与MoCA 量表评分之间存在相关性。迄今为止，mTBI 患者在区分损伤部位方面的研究少见报道，而不同部位的损伤可能导致不同的神经生物学后果以及不同的补偿和恢复机制。区分mTBI患者损伤部位能够控制混淆变量，这将为研究mTBI患者的神经生理学机制提供更好的佐证，并对mTBI 患者的诊断和预后提供新方向。

3.1 急性mTBI 患者与HC 基于指标ALFF 差异显著的区域

在本研究结果中，左侧脑岛的ALFF 值增加。越来越多的研究结果表明，脑岛在突出事件的反应和调节认知控制中起着至关重要的作用[4]。众所周知，脑岛在功能和解剖上与其他几个皮层和皮层下区域相关。另一方面，岛叶是SAN 中非常重要的节点；SAN 可能在脑震荡风险中起关键作用，因为它在定位威胁动态平衡的刺激、在存在歧义时分配突出度以及监测内部身体状态方面发挥关键作用[19]。这强调了SAN 在脑震荡风险的组成部分中的潜在重要性，包括损伤避免、功能适应和症状自我评估。脑岛同时也是额顶网络（frontoparietal network, FPN）的关键节点，FPN 参与执行功能，如注意力分配、工作记忆、性能监控和计划。新出现的证据表明，脑岛皮层是跨多个感觉和认知领域的显著处理中心[16]。因此，脑岛在大脑功能中的重要性使得对其损伤的研究和治疗变得至关重要。

3.2 急性mTBI患者与HC基于指标fALFF差异显著的区域

有研究表明，相对于皮层下区域，皮层区域的fALFF 通常较高，fALFF 也与皮质区代谢增加有关[20]。与HC 组相比，急性mTBI 患者中央前回和中央后回的自发神经活动增加。中央前回和中央后回分别是初级运动皮层和初级体感皮层的所在地。皮层区域较高的fALFF 和代谢可被解释为创伤患者对损伤的潜在代偿反应[20]。中央前回除了负责控制身体对侧的随意运动，还包含辅助运动皮质的一部分，该皮质参与规划肢体的自主运动[21]。对于mTBI 患者，中央后回失调与认知功能有关，中央后回被认为是负责躯体感觉输入和反馈的主要区域[22]。中央后回主要接收对侧肢体痛、温、压及位置觉和运动觉信息[23]。本研究的结果显示急性mTBI 组中央后回的ALFF、fALFF 及ReHo 三项指标均增加，表明创伤后疼痛引起大脑皮质功能区反馈性代偿激活[24]。因此，这些区域自发神经活动的变化可能与认知功能障碍有关。

3.3 急性mTBI 患者与HC 基于指标ReHo 差异显著的区域

ReHo 是研究各种神经心理障碍病理生理的常用分析方法[25-27]。与HC组对比，急性mTBI组右侧楔叶的ReHo 增加。先前的研究表明，楔叶主要负责视觉联想和处理视觉图像[28]。因此，静息状态下急性mTBI 患者楔叶的自发神经元活动增加，可能表明患者在这种状态下无意识地经历创伤的心理图像[28-29]。有研究认为，mTBI 组较高的ReHo 值可能是由更大的神经活动引起的，这种现象可能是由于神经可塑性和损伤补偿机制，这与认知能力下降有关，反映了疾病进展中的损伤和适应不良[9]。因此，楔叶的ReHo 增加可能导致视觉联想和图像处理能力的下降，进而影响认知功能和心理健康。

3.4 急性mTBI 患者与HC 基于指标FC 差异显著的区域

从FC 方面来看，与HC 相比，本研究急性mTBI组右侧楔叶与右侧楔前叶的FC 增强。楔前叶在视觉记忆体验的产生中起着重要作用，多项研究已经表明，mTBI 组在DMN 表现出增加的FC，特别是在楔前叶[30]。在静息状态和认知活动中，楔前叶在持续的认知过程中起着重要作用[31]。此外，楔前叶是DMN 中非常重要的节点，来自DMN 子系统的信息被认为是在这里收集的。DMN 负责审查休息状态下的精神状态，在这种状态下，人是警觉和有意识的，因此，DMN 节点前后之间的FC 解耦可以解释为静息状态时意识的丧失[32-33]。mTBI 组休息时FC 增加可能与对外部环境的意识增强和过度认知疲劳有关。据报道，急性mTBI患者中DMN 节点过度活跃，并被发现与认知需求期间的工作记忆功能障碍和注意转换有关[34]。本研究的结果显示，右侧楔叶与右侧楔前叶的FC 增加与MoCA 评分不存在相关性，这与之前的研究不一致，LU 等[16]的研究显示楔前叶连接性增加与脑震荡后主诉的程度呈负相关。这意味着所选的特定分析方法对报告的结果有很大影响，并且必须始终在特定方法的背景下解释结果。综上所述，FC 的持续变化，特别是DMN、SAN 和视觉网络节点的持续变化，可能通过认知表现来调节大脑网络的反应能力，从而影响行为。

3.5 局限性

在解释本研究的结果时，有几个限制需要考虑。首先，虽然纳入研究的mTBI 患者损伤部位为单侧，但损伤的原因存在有异质性，未来的研究需要进一步细分。此外，本研究样本量较小，未来的试验建议包含更大的样本量。最后，仅对mTBI组进行了临床评分，希望未来的研究能够考虑到这一点。

4 结论

本研究采用rs-fMRI 测量单侧颅脑损伤的急性mTBI患者与HC 基于体素的指标，研究结果表明，在脑损伤后的急性阶段，患者的认知功能发生了改变，并且这种改变与MoCA 量表评分之间存在相关性，特别是在DMN、SAN 和视觉网络中。因此，联合rs-fMRI 技术与MoCA 量表对脑损伤后的重要网络进行探索是非常必要的。此外，本研究纳入的mTBI患者损伤部位为单侧，区分损伤部位能够控制混淆变量，这将为研究mTBI患者的神经生理学机制提供更好的佐证，并为临床医生对mTBI患者的诊断和预后提供新方向。希望未来的研究能在区分损伤部位的前提下将纳入的mTBI 患者损伤的原因进一步细分。

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：罗琳设计本文章的框架，对稿件重要内容进行了修改，获得了内蒙古自治区教育厅基金项目的资助；曾哲起草和撰写稿件，获取、分析和解释本研究的文献及数据；陈强分析本研究的文献及数据，对稿件重要内容进行了修改；侯斯琦参与分析本研究的数据，指导患者临床用药，对稿件部分重要内容进行了修改；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。