靜息態磁共振成像技術對終末期腎病患者異常腦功能連接的研究進展
2020-10-09 來源：醫學影像學雜誌
作者：顧梁瑞，徐霖，陳文，湖北醫藥學院附屬醫院醫學影像中心
終末期腎病（ESRD）是指腎功能持續低於正常腎臟的10%，並持續三個月以上或者腎小球濾過率持續小於15ml（min·1.73m2）的慢性腎臟疾病。在全球範圍內，終末期腎病的發生率與死亡率都在逐步增高，這種疾病已然演變成了世界性的公共衛生問題。
終末期腎病患者常合併多種器官的損傷，其中由於腦功能損傷而導致的認知障礙，是ESRD患者常見的合併症之一，其發生率約佔所有患者的16%～32%。由腎臟疾病引發的認知功能障礙發生機制仍不清楚，它可能與水電解質紊亂、神經遞質失衡及腦血管病變有關，雖然認知障礙的發生原因複雜多樣，但從腦功能連接的神經生理機制角度分析，它的產生是因為大腦功能活動及連接性的異常。本文將在腦功能連接的理論基礎和rs-fMRI對ESRD患者異常腦功能連接的研究進展上進行綜述。
1.腦功能連接研究的理論基礎
靜息態磁共振成像技術具有無創性、高時空解析度等優點，其研究大腦活動的原理是根據血氧水平依賴效應，在外界的刺激下，不同腦區血紅蛋白濃度發生變化，引起該區域磁化率的改變，從而在fMRI中產生BOLD信號的改變，fMRI就是通過測量這種信號的變化來間接反映大腦的功能活動。腦功能連接最初由Biswal等人提出，他採用fMRI，通過監測人腦依賴血氧水平的不同而產生的低頻波動信號（BOLD效應），來探究腦自發神經活動，進而研究人腦內在的功能架構，在此基礎上再結合全腦解剖連接整體的概念，提出了人腦功能連接組。這種理論證明，一個特定的認知及行為動作的實現，需要多個空間上相互分離的腦區共同參與，表明這些不同的腦區存在著功能的同步性，並且它們具有網絡的特徵。
一些基於BOLD-MRI的研究還發現，即使在平靜狀態、無任何外來刺激的情況下，人腦中的一些區域仍然產生著規律的自發神經活動，這些在靜息狀態下空間上分離，但是在時間上具有顯著相關性的腦區域，被稱為大腦靜息態網絡（RSN）。迄今為止，已發現超過十餘靜息態網絡，這些不同的靜息態網絡與不同的心理行為（包括情感、認知及特質等）密切相關。人腦運作的本質是心理行為與大腦神經活動的網絡互聯，多種不同因素導致的腦網絡連接的異常變化，將為人認知、行為異常以及疾病的發生與發展提供了研究基礎。
2.ESRD患者異常腦功能連接的rs-fMRI研究進展
靜息態磁共振技術對腦功能連通性的研究是屬於功能整合的研究，早期由Biswal等人採用fMRI獲得同一人的多個腦區域的時間序列信號的相關係數來測量不同腦區域之間的功能連接情況，如今這些相關係數已經被開發為更加精細的功能連接指標來描述局部腦區域神經活動或腦功能連接組活動，在研究局部區域神經活動上，不同區域的fMRI時間序列信號互相之間的平均相關係數被用來評估該區域的功能活動同步程度，同樣的方法也用於研究腦網絡活動的一致性上，目前對ESRD患者功能網絡整合的研究方法大體有三種，包括1）獨立成分分析；2）基於感興趣區域的時域相關分析；3）圖論法。
2.1獨立成分分析（ICA）
獨立成分分析最早由Jutten等人提出，這種方式可通過計算將大腦各功能網絡系統的混合信號進行盲源分離，進而將全腦信號分成多個空間上獨立的成分，並將這些成分定位於相應的解剖結構上，從而分離出比較合理的功能模式，通過ICA提取出的與ESRD腦功能改變相關的靜息態腦功能網絡，包括默認模式網絡、感覺運動網絡、執行控制網絡及視覺網絡等。
ICA的優勢在於它能去除噪聲幹擾，不需要傳統模型驅動，並且不需要任何有關時間的先驗假設，尤其適用於靜息態功能連接網絡分析。然而ICA也有自身的劣勢，有時難以辨別ICA結果中某個腦區信號的變化是自身信號的波動變化所致，還是與其他成分之間連接強度的改變所致；同時ICA需要在各個腦網絡的互相獨立的理論前提下進行，然而不同腦網絡的信號會存在一定的重疊；使它的結果難以解釋。
Chen等人採用ICA提取了終末期腎病行腎移植手術患者的七個靜息態網絡，結果發現相比於腎移植前，患者腎移植後的默認模式網絡、背側注意網絡、中央執行網絡、感覺運動網絡、聽覺網絡和視覺網絡的連通活動得到了增強，且患者的認知功能也得到了改善。證明腎移植後較好的認知功能可能與腦靜息狀態的網絡恢復有關。Ni等人通過獨立成分分析對腎性腦病患者的腦功能網絡進行研究發現，相比於健康志願者，ESRD患者屬於默認模式網絡（DMN）的多個腦區域（包括內側前額葉皮質、扣帶回、楔前葉及角回）連通活動普遍減少，並且隨著慢性腎病加劇並發展為腎性腦病時，這些區域的功能連接進一步減弱。
將神經心理學測試及臨床生化指標與DMN所在的腦區進行相關性分析發現，DST這類反映受試者認知水平的評測量表分數與內側前額葉皮質功能連接強弱呈正相關。各種靜息態網絡功能連通性的增強與減弱，可能與ESRD患者腦功能集成的改變有關，這是ESRD對腦功能造成影響的一種體現。
2.2基於感興趣區域的時域相關分析
這種方法是首先選擇單個感興趣區域作為種子點，再計算該種子點與其他腦區域體素的時間相關係數，從而生成與種子點相關功能連接範式。該方法結果便於理解，也是研究功能連接最常見的方法，但取決於種子點的選擇，選擇不同的種子點可能會得到不同結果，導致結果的可信度下降。Ding等在一項對患有感覺運動障礙的終末期腎病患者的研究中以雙側殼核作為種子點發現，這類病人殼核與輔助運動區的連通活動發生了明顯的減弱，且殼核—輔助運動區的連接程度與不寧腿症候群的程度呈負相關。所以，殼核與輔助運動區的失連通性，會對感覺運動通路產生重要影響。
另有一些研究中發現，維持性血液透析患者合併抑鬱症表現可能與杏仁核的異常連接模式有關，分別選取左、右杏仁核作為種子點，結果發現:對於抑鬱表現逐步加劇的ESRD患者，其杏仁核—前額葉的功能連接也逐步降低；相比健康人群，患者杏仁核—海馬旁回連通性增強，這可能與ESRD合併抑鬱症患者更複雜的情緒加工有關。除此之外，患者的杏仁核—前聯合功能連通性也發生了減弱，前聯合作為信息處理、情景記憶的重要腦區域，杏仁核與該區域的失連通性，側面映證了ESRD合併抑鬱症患者相應腦功能的損傷。因此，杏仁核與以上腦區的連接異常可能是ESRD合併抑鬱症病理生理學的一個重要方面。
2.3圖論法
圖論法是Salvador等首次運用rs-fMRI構建腦功能網絡，用先驗腦圖譜將大腦劃分為若干區域，計算不同腦區間信號的時間相關係數，從而獲得人腦的功能性網絡模型。獨立成分分析及基於感興趣區域的時域相關分析只能探究局部腦區域間的功能連通特徵，無法探討腦區內部的聯繫，網絡圖分析法則是在全腦功能連接層面上構建整個腦功能連接網絡，其反映的是整個腦網絡的改變。人腦是一個複雜的小世界網絡，ESRD會導致大腦網絡拓撲特性發生改變。網絡圖分析法在體素水平上為認識ESRD提供了新途徑，為觀察ESRD患者腦網絡屬性的改變提供了全新的視角。
一些研究將無明顯神經症狀的ESRD患者全腦劃分為多個的感興趣區域，採用網絡圖分析法研究發現，相比於健康人群，其全腦網絡的小世界屬性本質沒有改變，但是這類ESRD患者小世界網絡的特徵性參數卻發生了變化，ESRD患者在其功能網絡中表現出腦拓撲結構的改變，主要表現為ESRD全腦效率及局部腦區域效率都發生了下降。局部效率與臨近腦區之間的近程腦功能連接相關，它反映的是局部腦網絡模塊化信息處理；全腦效率與遠程腦功能連接相關，它代表著整個腦網絡對信息的分布式綜合處理。因此ESRD中認知障礙的多種表現（注意力、記憶力及反應速度減退，執行能力、運動能力減弱，焦慮程度增加）可能是由於網絡組織的廣泛中斷所致。
綜上所述，ESRD對部分患者大腦靜息態下功能連接範式產生了負面影響，通過靜息態磁共振技術可以在腦功能整合的角度為終末期腎病對大腦功能的損傷提供依據，除以上研究方法外，體素鏡像同論、有向連接亦可用於ESRD腦功能整合的研究，然而，這尚需多種醫學技術綜合探究來進一步證實。各種算法及腦連接分析方法與腦網絡結合，將能更好地探測複雜的人類大腦。
來源：顧梁瑞,徐霖,陳文.靜息態磁共振成像技術對終末期腎病患者異常腦功能連接的研究進展[J].醫學影像學雜誌,2020,30(04):688-690.
(本網站所有內容，凡註明來源為「醫脈通」，版權均歸醫脈通所有，未經授權，任何媒體、網站或個人不得轉載，否則將追究法律責任，授權轉載時須註明「來源：醫脈通」。本網註明來源為其他媒體的內容為轉載，轉載僅作觀點分享，版權歸原作者所有，如有侵犯版權，請及時聯繫我們。)