基于圖論分析法對難治性癲癇腦功能網絡的研究

唐文英 李旭虹 曾珍 李文富 張體江

［摘要］ 目的：利用靜息態fMRI（rs-fMRI）結合圖論分析方法研究兒童及青少年難治性癲癇（ITE）腦功能網絡拓撲屬性的變化，分析異常網絡屬性指標與病程、智商之間的相關性，探討ITE患者腦功能網絡改變。方法：收集ITE患者23例（ITE組），同期招募23例健康志愿者作為對照組。采用3.0 T MRI掃描儀進行掃描，獲得T2-FLAIR、3D-T1WI、rs-fMRI數據。利用GRETNA V2.0軟件包進行數據預處理并計算網絡屬性指標，使用SPSS 18.0軟件分析組間差異。結果：ITE組與對照組年齡、性別及受教育年限差異均無統計學意義（均P>0.05）。ITE組與對照組均有小世界屬性，ITE組局部效率及標準化聚類系數減低（P=0.014，0.027）。ITE組節點屬性有差異的腦區主要位于默認網絡及視覺皮質。ITE組左側楔前葉節點中心度、左側楔前葉節點效率均與病程呈負相關（r=-0.564，P=0.005；r=-0.539，P=0.008）。結論：ITE組腦功能網絡全局及節點屬性均存在異常，腦功能網絡改變以局部分離功能降低為主，為ITE腦功能網絡研究提供新的視角。

［關鍵詞］ 難治性癲癇；功能磁共振成像；靜息態；圖論分析

Study of the brain functional network in intractable epilepsy based on graph theory analysis

［Abstract］ Objective：To study the changes in topological properties of the brain functional network in children with intractable epilepsy （ITE） based on resting-state fMRI （rs-fMRI） and graph theory analysis. To analyze the correlations between abnormal network topological parameters and duration，intelligence quotient. To explore the brain functional network changes in ITE patients. Methods：A total of 23 ITE children （the ITE group） and 23 healthy volunteers （the control group） were recruited. T2-FLAIR，3D-T1WI and rs-fMRI were performed in all subjects. GRETNA V2.0 software was used to preprocess the acquired data and calculate the network topological parameters，and SPSS 18.0 software was used to analyze the differences between groups. Results：There were no significant differences in age，gender and education years between the two groups （all P>0.05）. The brain networks of the ITE group and the control group exhibited small-world characteristics. The local efficiency and standardized clustering coefficient of the ITE group were lower than those of the control group （P=0.014，0.027）. Abnormal brain areas in the ITE group were mainly located in the default mode network and visual cortex. Correlation analysis revealed that the nodal degree centrality of the left precuneus and the nodal efficiency of the left precuneus in the ITE group were negatively correlated with duration （r=-0.564，P=0.005；r=-0.539，P=0.008）. Conclusions：The global and node topological properties of the brain functional network of ITE are abnormal，and the main change in the functional network is a decrease in local separation function，providing a new perspective for the study of brain functional networks in ITE.

［Key words］ Intractable epilepsy；Functional magnetic resonance imaging；Resting state；Graph theory analysis

癲癇是臨床常見的慢性神經系統疾病，全球發病人數超過7 000萬。盡管抗癲癇藥物有多種，但仍約1/3癲癇經藥物治療無效發展為難治性癲癇（intractable epilepsy，ITE）。2010年國際抗癲癇聯盟（The International League Against Epilepsy，ILAE）提出了ITE診斷標準：正確選擇2種可耐受的抗癲癇藥物，通過足療程、足劑量單藥或聯合用藥仍未實現無發作，且無發作時間應為治療前最長發作間隔時間的3倍或1年（選擇時間更長者）［1］。ITE患者過早死亡、受傷、產生社會心理功能障礙及生活質量下降的風險顯著增加［2-3］。癲癇患者以兒童及青少年為主，0～14歲發病率為151/10萬，75%～80%的癲癇患者發病年齡<18歲，據統計，我國約600萬癲癇患兒，患病率約7/10 000［4］。癲癇的反復發作不僅影響患者的學習、生活及社會交往，增加家庭和社會的負擔，還可能導致大腦發育及功能進一步受損。因此，兒童及青少年ITE的診斷、早期監測及治療尤為重要，是重要的公共衛生問題。ITE是一種涉及復雜腦網絡障礙的疾?。?］，基于靜息態fMRI（rs-fMRI）的圖論分析方法，是一種安全且廣泛使用評估大腦活動的方法，其在網絡拓撲結構的研究中，能量化大腦網絡變化，可應用于rs-fMRI表征功能連通性，從功能數據中獲得大腦的網絡圖，深入了解腦功能障礙的解剖學基礎，從而為疾病的診斷和治療提供重要參考。圖論分析方法在創傷后應激障礙、阿爾茨海默病、精神分裂癥、卒中等疾病的腦功能及神經機制研究中也具有重要意義［6］。本研究擬采用rs-fMRI結合圖論分析方法從全腦水平研究ITE復雜網絡改變，加深對兒童及青少年ITE神經機制的了解。

1? 資料與方法

1.1? 一般資料

收集于我院就診的兒童及青少年ITE患者23例為ITE組，其中男13例，女10例；年齡6～15歲，平均（11.44±2.57）歲。所有患者在MRI檢測前均由?？漆t師采用中國修訂版韋氏兒童智力量表（2版，適用年齡6～16歲）［7］進行智力測試，包括言語智商評分、操作智商評分和全量表智商評分。

同期招募23例年齡、性別、受教育年限相匹配的健康志愿者作為對照組，其中男14例，女9例；年齡7～16歲，平均（11.61±2.68）歲。

ITE組納入標準：①兒科高年資醫師參照2010年ILAE標準，診斷為ITE的右利手患者；②年齡6～16歲。排除標準：①MRI檢查禁忌證；②有顱腦損傷、手術史；③有顱內器質性病變；④掃描過程中頭部平移>2 mm或旋轉>2°；⑤伴其他神經精神疾??；⑥心、肝、腎等重要器官功能障礙者；⑦依從性差，無法配合完成MRI檢查或智力測試。

對照組納入標準：①年齡6～16歲的右利手健康志愿者；②年齡、性別、受教育年限與ITE組相匹配。排除標準：①MRI檢查禁忌證；②依從性差，無法配合完成MRI檢查；③有顱內器質性病變；④掃描過程中頭部平移>2 mm或旋轉>2°。

本研究經醫院醫學倫理委員會批準，2組MRI檢查前均簽署知情同意書。

1.2? 儀器與方法

采用GE 3.0 T Signa HDxt MRI掃描儀。掃描前受試者去除金屬異物，閉目平臥于檢查床上，戴耳塞降噪，海綿墊固定頭部減少偽影，不進行思維活動，保持清醒。掃描序列及參數：①T2-FLAIR，視野240 mm×240 mm，TE 165 ms，TR 7 826 ms，TI 2 100 ms，層厚5 mm，層距1.5 mm，翻轉角90°；②3D-T1WI，視野256 mm×256 mm，TE 3.0 ms，TR 7.8 ms，TI 450 ms，層厚1 mm，無間隔，翻轉角15°；③rs-fMRI，視野240 mm×240 mm，TE 30 ms，TR 2 000 ms，層厚4.0 mm，無間隔，層數33，翻轉角15°，激勵次數1，采集時間點210個。

1.3? 數據處理及分析

1.3.1? 數據預處理及腦功能網絡構建? 利用MRIcron軟件包中的dcm2nii工具將2組rs-fMRI原始DICOM圖像轉化為4D NIFTI格式。預處理均基于MATLAB 2013b平臺下GRETNA V2.0軟件包（https：//www.nitrc.org/projects/gretna/）進行。主要步驟：①去除時間點，剔除前10個時間點的數據。②時間層校正，以每個時間點采集圖像的中間層作為參考層進行校正，以便每個時間點采集的所有數據開始于同一時刻。③頭動校正，掃描過程中被試者頭部平移>2 mm或旋轉>2°數據剔除。④空間標準化，校正后的rs-fMRI圖像轉換采用標準腦模板進行配準，體素大小為3 mm×3 mm×3 mm。⑤空間平滑，標準化后的功能像以半峰全寬為4 mm×4 mm×4 mm的平滑核進行平滑，以提高圖像的SNR，并改善空間標準化效果。⑥去線性漂移。⑦采用0.01～0.08 Hz帶寬對信號進行低頻濾波。⑧回歸協變量，回歸掉全局信號、白質信號及腦脊液信號。根據腦自動解剖標記圖譜構建90×90全腦功能網絡矩陣。

1.3.2? 腦網絡拓撲屬性的計算? 基于GRETNA V2.0軟件包對腦網絡的全局屬性及節點屬性指標進行計算，稀疏度為0.10～0.34，間隔0.01，計算每個網絡矩陣的AUC。節點屬性包括：介數中心度、節點聚類系數、節點中心度、節點局部效率、節點效率和節點特征路徑長度。全局屬性包括：①全局網絡效率指標，即全局效率（global efficiency，Eglob）、局部效率（local efficiency，Eloc）；②小世界參數，即聚類系數（clustering efficiency，Cp）、特征路徑長度（characteristic path length，Lp）、標準化聚類系數（gamma，γ）、標準化特征路徑長度（lambda，λ）和小世界標量（sigma，σ）。

1.4? 統計學分析

采用SPSS 18.0軟件分析數據。2組性別比較行χ2檢驗，年齡、受教育程度比較行兩獨立樣本t檢驗。腦網絡分析組間比較符合正態分布且方差齊采用兩獨立樣本t檢驗，不符合正態分布或方差不齊，采用Mann-Whitney U檢驗。將存在顯著性差異的ITE患者全局及節點屬性指標與韋氏智力量表中的操作智商、言語智商、全量表智商及病程行相關性分析，若2組指標均符合正態分布，行Pearson相關分析；若不符合正態分布行Spearman相關性分析。以P<0.05為差異有統計學意義。

2? 結果

2.1? 2組一般資料比較

2組性別、年齡及受教育年限比較，差異均無統計學意義（均P>0.05）（表1）。

2.2? 2組腦功能網絡拓撲屬性比較

2.2.1? 2組全局屬性比較? ITE組與對照組均具有小世界屬性（滿足γ=>1，λ≈1，且σ=γ/λ>1）。與對照組相比，ITE組Eloc及γ均減低（均P<0.05），而Eglob、Cp、Lp、λ、σ差異均無統計學意義（均P>0.05）（表2，圖1）。

2.2.2? 2組節點屬性比較? 與對照組相比，ITE組節點屬性有差異的腦區主要位于默認網絡及視覺皮質，節點屬性升高的腦區位于右側額中回眶部、右側舌回、右側枕上回、左側丘腦、左側距狀裂周圍皮質、左側楔前葉、左側梭狀回（均P<0.05）。節點屬性減低的腦區位于左側額中回、左側眶內額上回、左側額下回眶部、右側額下回島蓋部、雙側內側額上回、右側腦島、右側丘腦、左側殼核、左側蒼白球（均P<0.05）（表3，圖2）。

2.3? 相關性分析

ITE組左側楔前葉節點中心度及左側楔前葉節點效率與病程均呈負相關（圖3）（r=-0.564，P=0.005；r=-0.539，P=0.008）。

3? 討論

3.1? 全局屬性分析

正常的大腦網絡具有路徑長度短、傳輸效率高的特點，稱為小世界屬性。這使得大腦網絡能夠滿足局部和全局需求，平衡功能整合和分離，從而實現不同大腦區域之間神經活動的同步。因此，小世界屬性允許以低布線成本高效地傳輸信息［6］。具有小世界屬性的腦網絡需滿足：γ>1，λ≈1，且σ=γ/λ>1［8］。本研究發現，ITE組與對照組功能網絡均具有小世界屬性。腦網絡全局屬性指標根據不同功能分為功能分化（Cp、Eloc）及功能整合（Lp、Eglob）兩大類，既能在不同單元內進行特定信息處理，又能將網絡內不同單元的信息進行整合［6］。Eloc是相鄰節點相互作用構成的子網絡的Eglob，網絡的Eloc是網絡中所有節點局部效率的平均值，反映了網絡的容錯能力，即當某個節點破壞或損傷后，子網絡的信息處理能力受影響的程度［9］。Eloc反映了網絡的功能分化能力，Eglob及Lp反映了網絡的功能整合能力。γ即標準化聚類系數，值越大代表腦網絡局部信息處理能力越強。與對照組相比，ITE組Eloc及γ減低，Lp及Eglob差異無統計學意義，表明ITE患者腦網絡的容錯能力減弱，局部信息處理能力降低，而全局信息的整合能力未受到明顯影響。推測ITE組的腦網絡改變以局部分離功能降低為主，對全局的整合能力影響較小。

3.2? 節點屬性分析

本研究發現，ITE組節點屬性有差異的腦區主要位于默認網絡及視覺皮質。默認網絡與認知功能（如執行功能）有關，是人類固有腦網絡中最突出的靜息態網絡，在靜息狀態下處于激活狀態并參與自發思維，在執行需要注意力的任務時或睡眠時處于去激活狀態［10-11］。楔前葉、后扣帶回、內側前額葉皮質（medial prefrontal cortex，MPFC）等構成了默認網絡的核心腦區，這些腦區間具有較強的相關性［12］。這些與其他節點緊密連接的區域在大腦網絡內信息調節和傳遞功能方面起著重要作用，核心節點的破壞被證明是癲癇的病理生理機制之一［13］。本研究ITE組MPFC（雙側內側額上回及左側眶內額上回）、楔前葉節點屬性指標均存在異常，提示ITE組默認網絡受損，推測兒童及青少年ITE的認知功能障礙可能與默認網絡受損相關。Jiang等［14］基于獨立成分分析（independent component analysis，ICA）對19例ITE患者研究發現，ITE組默認網絡雙側MPFC的功能連接值降低，而雙側楔前葉的功能連接值增加，提示MPFC功能減低的同時伴楔前葉功能增強。本研究顯示，ITE組左側楔前葉的節點中心度及節點效率增高，提示左側楔前葉在網絡中的功能增強。而ITE組MPFC的節點指標均表現為減低，說明其在網絡中的功能減弱，推測楔前葉的節點指標升高可能是一種腦網絡代償性機制。

視覺的處理與距狀裂周圍皮質、舌回、梭狀回等多個解剖區域相關。本研究發現，ITE組枕葉的距狀裂周圍皮質、舌回、雙側枕上回均發現節點屬性存在異常，提示ITE組患者可能存在廣泛的視覺功能損傷。Craciun等［15］基于立體腦電圖對兒童枕葉癲癇的研究顯示，11歲以上兒童中三分之二存在視覺先兆，其中單純枕葉癲癇患者的發作區位于枕葉，舌回和楔狀回是最易引起癲癇的解剖結構。本研究發現，ITE組舌回及梭狀回節點屬性增高，表明其在網絡中的作用增強，提示ITE組可能存在視覺功能損害，且右側舌回的介數中心度及節點中心度均增高，提示右側舌回可能為ITE的致癇灶。

3.3? 相關性分析

癲癇發作過程中，腦網絡拓撲結構的改變是進行性的，與癲癇發生相關的異常網絡的形成會導致正常大腦網絡的破壞［16-17］。本研究發現，左側楔前葉的節點中心度及節點效率隨病程的增加而減低，說明隨病程的延長左側楔前葉在網絡中的中心性減低，對腦網絡的影響減弱且伴隨局部信息處理能力的減弱。楔前葉為默認網絡的核心腦區，楔前葉功能減低進一步提示默認網絡可能存在功能減弱，隨時間的推移，ITE組患者認知功能損害可能不斷加重。本研究未發現異常的網絡屬性指標與智商之間的相關性，分析原因可能為本研究中的ITE由多種類型癲癇轉變而來，不同類型的癲癇其發作機制不同，對智商的影響具有差異性，后期將針對ITE進一步分類研究。

綜上所述，本研究中ITE組與對照組功能網絡均具有小世界屬性。ITE組的腦網絡改變以局部分離功能降低為主，對全局的整合能力影響較小。節點屬性改變主要發生于默認網絡及視覺皮質，提示兒童及青少年ITE患者認知功能及視覺功能損害可能與默認網絡及視覺皮質異常相關。楔前葉為默認網絡的核心腦區，左側楔前葉的節點中心度、節點效率均與病程呈負相關，推測隨時間推移，楔前葉節點指標的改變可能導致ITE患者認知功能損害不斷加重，這為癲癇腦功能、腦網絡研究及神經機制研究提供了新的視角。

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