基于V1區種子點應用靜息態功能磁共振的功能連接技術分析正常眼壓性青光眼患者腦部功能連接的變化△

臧苗苗 范彩媚 姜 建 邵 毅 王麗君 曾璐瑤 易 澄 武天碩 李漢林

正常眼壓性青光眼(NTG)具有與其他青光眼相似的視盤凹陷或者擴大和視野缺損及相應的視盤周圍視網膜神經纖維層厚度(RNFLT)變薄,區別在于,與其他青光眼相比,NTG患者的房角結構正常,在未經任何治療的情況下24 h眼壓均不超過21 mmHg(1 kPa=7.5 mmHg),且無任何其他繼發性因素(如眼部或全身系統性疾病)[1]。有研究推測,20年后全球青光眼患病人數將超過1.1億[2-4]。而在我國,NTG在原發性開角型青光眼(POAG)患者中的占比為51.43%～83.58%[5]; NTG發病特點為早期隱匿、可無癥狀及進行性視力損害,當出現臨床癥狀時,其視功能損害已難以逆轉[6]。有研究表明,即使在降低眼壓的治療下,NTG患者的視野損害仍在進展[7]。靜息態功能磁共振(rs-fMRI)是檢測腦部疾病和神經代謝異常的新型技術,通過分析腦的功能連接性研究疾病的發病機制,并幫助臨床醫師做出診斷。

功能連接是基于rs-fMRI的一種算法,我們可以利用此技術建立基于種子點(ROI)對NTG的研究,目前基于ROI的研究已經成為多疾病腦區功能連接分析的主要手段,這類研究的重點往往在于ROI的選取。V1區位于距狀溝最中心的位置,是視覺系統中的核心腦區,其在青光眼疾病中更易受到損傷[8]。所以本研究選取V1區作為ROI,運用功能連接(FC)技術分析NTG患者與健康對照者腦部各區域之間連接強度的變化[9-11]。以期探究NTG患者的早期診斷方法和明確其病理機制。

1 資料與方法

1.1 一般資料

采用前瞻性病例對照研究。將2020年11月至2022年11月間在南昌大學第一附屬醫院確診的14 例NTG患者納入NTG組,其中,男6例,女8例,年齡20～65(45.44±14.04)歲;選取同期招募的14 例健康對照者為HCs組(選擇受教育程度相匹配的研究對象以平衡兩組受試者認知基線,盡可能避免認知差異對結果造成干擾),其中,6名男性及8名女性,年齡20～65(42.00±9.63)歲。健康對照者的年齡與NTG患者相匹配。受試者皆為右利手的中國人。本研究符合《赫爾辛基宣言》原則,并經過南昌大學倫理委員會批準進行(批號:20212BAG70032),患者和14位健康志愿者均簽署知情同意書。

NTG組患者納入標準:(1) 24 h眼壓峰值≤21 mmHg且未經任何治療; (2) 均為原發性青光眼,無造成青光眼的繼發性原因; (3) 有典型的青光眼視神經損害(視盤周圍RNFLT變薄或青光眼視野缺損);(4) 前房角結構無異常;(5)無神經及精神疾病; (6) 無磁共振檢查禁忌證(如金屬牙,植入的金屬釘、金屬板等); (7)無全身系統性疾病;(8)無其他內眼疾病、眼部手術史及眼部結構功能異常; (9)年齡18～65歲;(10)最佳矯正視力(BCVA)≤0.8。

HCs組健康者納入標準: (1) 除視力及視神經相關數據外其他一般資料與NTG 組患者相匹配; (2)BCVA≥1.0;(3)無眼部疾病;(4)余同NTG組(4)-(9)的納入標準。

所有受試者均接受了完整的眼科評估,包括:眼前節檢查、房角鏡檢查、裸眼視力和BCVA及眼底檢查,中央角膜超聲測厚儀(德國歐科路)測量角膜厚度,使用Goldmann眼壓計(英國凱樂)測量眼壓(12次/24 h,以排除晝夜眼壓峰值的存在),使用運行30-2 程序的SITA-Standard視野計(日本NIDEK)記錄視野,使用OCT(德國海德堡)的視盤立方體 200×200掃描儀測量視盤周圍RNFLT。

1.2 MRI數據采集

MRI數據采集時要求所有受試者保持清醒,但不進行認知活動,且所有受試者均在檢查前 1 d 禁酒、咖啡、茶及鎮靜催眠藥物;在MRI數據采集過程中排除人為干擾因素的影響,并采用橡膠耳塞減小機器掃描時的噪音。由兩名經驗豐富的影像科醫生運用德國西門子 3.0T MRI掃描儀采集所有受試者的圖像,掃描范圍從顱底到頭頂。

首先采集常規顱腦圖像排除明顯腦部病變者,T1WI及T2WI參數:脈沖重復時間為1 900 ms,脈沖回波時間為3.00 ms,翻轉角度為9°,層厚為1.0 mm,層間距為0.5 mm,視野為240 mm×240 mm,矩陣為256×256。

rs-fMRI 數據采集持續8 min,使用回波平面成像序列獲取功能數據,參數:脈沖重復時間為2 000 ms,脈沖回波時間為30 s,翻轉角度為90°,層厚為 4.0 mm,層間距為1.0 mm,視野為240 mm×240 mm,矩陣為64×64。

1.3 MRI數據預處理

rs-fMRI采集的功能數據通過MRIcro(www.MRIcro.com)軟件分析,去除不合格的數據,并使用SPM5(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)進行rs-fMRI圖像格式轉換處理。刪除前10個時間點的BOLD 數據以規避初始MRI信號可能不穩定及參與者需要一定時間適應環境,包括機器噪音等情況;對于剩余的230卷數據使用DPABI這一工具根據一定的算法進行時間校正,即頭動校正(基于運動校準的估計,受試者頭部平移>2 mm 和/或旋轉>2°將被排除)。采用標準回波平面成像模板進行空間標準化,滿足蒙特利爾神經病學研究所標準(重采樣為3 mm×3 mm×3 mm體素大小)。然后,對于空間標準化后的受試者功能圖像運用 6 mm 全寬半高(FWHM)高斯核進行平滑處理降低標準誤差。使用0.01～0.08 Hz濾波來降低低頻漂移和高頻噪聲的影響。

1.4 基于V1區ROI的rs-fMRI功能連接

rs-fMRI功能連接分析的感興趣區依據蒙特利爾神經科學研究所的研究結果,選取左右兩側的V1區作為ROI。提取ROI及整個大腦中所有體素的時間序列,將ROI與大腦其他所有體素的時間序列進行Pearson 相關分析獲得功能連接相關系數圖。然后對功能連接相關系數圖進行Fishers Z轉換,使所獲得的數據更接近正態分布,再行進一步分析。

1.5 統計分析

采用SPSS 26.0統計學軟件,對兩組受試者的計量資料使用獨立樣本t檢驗,計數資料采用卡方檢驗;檢驗與ROI功能連接顯著差異腦區的功能連接值與臨床變量之間是否存在關系,NTG患者不同腦區功能連接值與RNFLT進行Pearson相關分析。檢驗水準:α=0.05。運用rs-fMRI 數據工具包對HCs組及NTG組受試者的V1區與全腦域的功能連接圖進行兩獨立樣本t檢驗,結果采用AlphaSim進行多重比較校正(閾值設置為P<0.005,體素數>30,對應為校正后的閾值P<0.05)。

2 結果

2.1 一般資料

NTG組與HCs組受試者間年齡、性別、體重、杯盤比及24 h平均眼壓相比差異均無統計學意義(均為P>0.05),NTG組與HCs組受試者間視盤周圍RNFLT及左眼、右眼BCVA相比差異均有統計學意義(均為P<0.01)(表1)。

表1 NTG組與HCs組受試者一般資料比較

2.2 NTG組患者功能連接與臨床數據之間的相關性分析

Pearson相關性分析結果顯示,NTG組患者V1區異常功能連接均與RNFLT具有相關性(均為P<0.05)。ROI1-左側額上回(SFG)、ROI1-右側SFG、ROI2-左側扣帶回(CC)和ROI2-右側額中回(MFG)與RNFLT均呈顯著正相關(均為P<0.05)(表2)。

表2 NTG組患者ROI功能連接減低的腦區與視盤周圍RNFLT的相關性

2.3 NTG組與HCs組受試者靜息態功能連接差異對比

與HCs組受試者相比,NTG組患者ROI1與左側SFG、右側SFG功能連接減低;與HCs組受試者相比,NTG組患者ROI2與左CC、右側MFG等區域功能連接減低(表3、表4、圖1、圖2)。

高斯隨機場理論雙尾校正,體素水平P<0.01、簇水平P<0.05。T值越小,顏色越冷,表示功能連接越弱。圖1 NTG組與 HCs 組受試者右側V1區功能連接差異腦區示意圖

表3 NTG組與 HCs 組受試者ROI1與全腦功能連接差異對比

表4 NTG組與 HCs 組受試者ROI2與全腦功能連接差異對比

3 討論

NTG是一種進行性視神經病變,眼壓在統計學正常范圍(≤21 mmHg)內。NTG的病因及發病機制目前尚不明確。因為NTG的發病較隱匿,往往發現時已至疾病晚期,患者視神經出現嚴重損害,預后較差,且在亞洲各國的發病率居高不下,故一種可以發現早期NTG的有效檢查方法對挽救NTG患者的視功能及延緩NTG患者視神經損害極有意義。我們所有視覺信息均首先經V1區整合后再傳遞到高級視覺皮層區域,本研究探索的V1區與大腦其他腦區之間功能連接的變化對于探究NTG病理生理機制及早期診斷方法至關重要。rs-fMRI中功能連接技術是研究腦部結構及功能變化的常用方法,這種方法已經被廣泛應用于老年失智、腦老化等疾病的研究中,也已經被用于其他類型青光眼的研究中。本研究是通過應用rs-fMRI 的功能連接技術發現腦部V1區與其他腦區的異常功能連接狀態,來探究NTG患者的發病機制及早期診斷方法。

本研究發現,NTG患者ROI1與雙側SFG之間的功能連接均減低。額葉約占人腦的三分之一,位于大腦半球中央溝以前、大腦外側溝以上的部分[12];SFG占額葉的三分之一,是主要的前運動區域,在情緒、認知和注意力中起著重要作用[13],SFG病變可能導致精神障礙、記憶力和注意力喪失以及反應延遲。有研究表明,SFG的自發性異常腦低頻波動與抑郁癥狀顯著相關[14],另有試驗證明,焦慮、抑郁情緒與青光眼患者的疾病進展相關,且青光眼的患者罹患抑郁癥的風險明顯更高[15-17],結合上述研究結果可以得出NTG患者的某些臨床癥狀(如NTG患者常伴有睡眠障礙[18]、認知功能下降[19])與腦功能障礙有關的推斷。Liu等[20]研究發現,POAG患者的Hodapp-Anderson-Parrish(HAP)評分與右側SFG的低頻振幅呈正相關,而本研究rs-fMRI檢測結果顯示,V1區SFG的功能連接減低,由此我們推測,NTG患者與POAG患者的SFG有類似的損傷。V1區與雙側SFG之間的功能連接均減低,這可能是由于NTG患者的視網膜神經節細胞凋亡導致視覺信息傳輸受阻,致使V1區與SFG之間的信息傳導受到影響。

本研究發現,ROI2與左側CC及右側MFG等區域功能連接減低。邊緣系統由邊緣葉、杏仁核、額葉眶面等結構共同組成[21]。CC是邊緣系統最重要的部分,是一個新月形腦回,位于大腦半球內側,胼胝體上面,與海馬皮層、內側前額葉和顳葉皮層形成功能連接[22]。有研究表明,扣帶回與情緒、疼痛認知、空間信息處理和長期記憶密切相關[23]。CC又分為前后兩部分,它們是邊緣系統功能及形態結構不同的兩個區域。有研究顯示,前扣帶皮層在認知相關的視覺功能中發揮作用[24],背側前扣帶皮層參與視覺對象的真實分類和識別。本研究結果表明,NTG患者中ROI2與左側CC之間的功能連接減少,可能意味著NTG 患者的V1區傳入信息減少或者CC功能受損,患者視力一般也會受到影響。CC作為邊緣系統最重要的一部分,NTG患者邊緣系統的功能也可能受到一定的影響。MFG位于額上溝和額下溝之間,MFG與注意力、工作記憶和語言相關[25-26],MFG的前部有一條額中溝,將MFG分為上下兩部分,其后部是雙眼皮質側視中樞,在視物時它主要處理側視時眼位及頭部運動相關的信息[27]。右側MFG是注意力神經網絡集合的地方,可以中斷背側網絡中正在進行的內源性刺激注意過程并將注意力重新定位到外部刺激[28]。而ROI2區與右側MFG 功能連接減低,可能反映了NTG患者V1區關于視覺的信息傳遞減少或者VI區整合傳遞信息的效率減慢。

一些研究發現,原發性閉角型青光眼患者在特定靜息狀態網絡的一些功能連接變化[29],與Lam等[30]在fMRI和腦電圖研究分析中的變化一致,不僅出現ROI與視覺、工作記憶和背側注意網絡之間功能連接的減低,還出現ROI與和執行網絡之間功能連接增加。Wu等[31]、Wang等[32]也在POAG患者中發現了相同的變化。上述研究結果表明,其他因素可能在一些青光眼進展過程中起到補償作用,如神經的可塑性。十九世紀九十年代,學者們對于大腦結構會不會在發育關鍵期后再發生變化這一問題達成一致,即不會再發生改變;但Richard J.Davidson于1992 年提出神經網絡通過神經膠質細胞及神經元細胞的重組改變,在功能和結構上塑造神經系統的突觸連接,可以恢復一些腦區間的功能連接[33-34]。研究發現,行視覺刺激時黃斑變性患者某些視覺皮層活動增強,在青光眼患者中也觀察到了類似的現象[35-36]。對于視覺損傷患者,視覺皮層功能的下降可能會代償性地出現視覺皮層的神經重塑,增加ROI與其他大腦區域的連接[37]。Ciò等[38]的研究發現,在POAG患者中不僅存在視覺通路的重塑,還有全腦的重塑。但是我們對NTG患者進行研究時未能發現NTG患者大腦內功能連接連接增強的區域,即代償區域(重塑區域),這有可能是 NTG患者區別于其他類型青光眼患者的地方,也有可能與我們研究所選擇的患者處于NTG較為早期的階段,靜息態網絡未出現類似損傷代償有關。

本研究仍有許多局限性:(1)我們選取的NTG患者樣本量較小,結果的可重復性尚不明確,MRI的效用可能被放大;(2)沒有對患者的情緒進行量表測試,焦慮、抑郁可能會導致rs-fMRI數據分析結果出現異常;(3)未根據患者的病情程度進行分期,不能對NTG患者的腦功能情況進行更細致的研究。

rs-fMRI作為一種無創、安全、可重復的影像技術,它可以幫助我們獲取患者大腦的功能變化,為我們更好地了解NTG患者的神經病理機制及干預治療提供了新的方向。下一步我們將努力消除不足之處,進一步驗證結果的準確性,為臨床患者提供強有力的理論支持。相信隨著rs-fMRI技術繼續深入的發展,未來在眼科研究及臨床領域的應用會更加廣泛。

4 結論

在NTG中,ROI 功能連接異常腦區與NTG患者的RNFLT 之間具有顯著的相關性。與健康人相比,NTG患者ROI1與左側SFG、右側SFG、左側CC、右側MFG等區域功能連接減低。上述結果可能反映了NTG潛在的神經病理機制及其與腦功能障礙的關系。具體的NTG神經病理機制還需要進一步的研究,NTG患者ROI1與V1區功能連接異常腦區的功能連接值可以作為NTG早期臨床診斷的一種輔助手段。