静息态功能磁共振观察基底节区脑梗死后不同频段低频振幅变化

阮杏林， 车春晖， 林海龙， 陈华俊， 潘晓东

基底节区脑梗死是脑梗死中常见的一种类型，是由颅内深穿支动脉堵塞造成，患者常表现为运动功能障碍[1-2]。静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是让被试者在清醒、静止不动、平静呼吸、避免任何思维活动的情况下进行磁共振扫描，临床上容易实施，广泛应用于脑卒中的研究[3-6]。低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)是rs-fMRI检查的重要指标之一，反映大脑自发性神经元活动强度的变化[7-8]。ALFF经典频段为0.01～0.08 Hz，大部分ALFF的研究基于这一频段[3, 9-10]。ALFF根据不同频段可以细分为slow-6(0～0.01 Hz)，slow-5(0.01～0.027 Hz)，slow-4(0.027～0.073 Hz)，slow-3(0.073～0.198 Hz)和slow-2(0.198～0.25 Hz)[11]。<0.01 Hz的slow-6被认为是噪声[12]，slow-4和slow-5频段反映灰质信号的变化，而slow-2和slow-3频段反映白质信号的变化[11]。

目前对于脑梗死ALFF的研究大部分是基于经典频段[10,13]，基于slow-4和slow-5频段的研究比较少[14]，并且较少关注脑梗死的严重程度与ALFF的关系。本研究通过分析经典频段、slow-4和slow-5频段ALFF，观察急性基底节区脑梗死后自发性神经元活动情况，分析差别脑区ALFF值与NIHSS评分的相关性，探讨急性基底节区脑梗死的严重程度与自发神经元活动的关系，为临床急性基底节区脑梗死的评估提供帮助。

1 对象与方法

1.1对象

1.1.1脑梗死组 收集2015年1月—2017年1月于笔者医院住院的13例急性基底节区脑梗死患者。其中，7例病灶位于左侧基底节区，6例位于右侧基底节区。纳入标准：(1)根据国际疾病分类(International Classification of Diseases，ICD-10)和电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)及磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)标准诊断为急性脑梗死(发病起7 d内)，病灶位于单侧基底节区，无其他病灶；(2)第1次发病；(3)无其他神经精神疾病；(4)右利手；(5)意识清楚、病情稳定、检查合作；(6)无MRI检查禁忌证。排除标准：(1)意识障碍、精神分裂症、严重焦虑抑郁等神经精神疾病史；(2)严重的心肺疾患及多脏器功能衰竭。

1.1.2对照组 同期招募年龄、性别相匹配的健康志愿者14例。纳入标准：(1)无严重的精神及躯体疾病史、无酒精和药物依赖史、无外伤史及脑部疾病史；(2)常规头颅MRI 检查未发现任何器质性病变；(3)右利手。

本研究经笔者医院伦理委员会批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1磁共振数据采集 采用MR750 3.0T磁共振扫描仪(美国通用电气公司)进行磁共振扫描。Rs-fMRI扫描过程中，嘱受试者平卧、闭目、平静呼吸，固定头部，最大限度减少头部和其他部位的运动，要求受试者尽量不要进行任何思维活动，自然放松，意识保持清醒。采用梯度回波单次激发回波平面成像(single shot gradient echo type echo planar imaging，GRE-EPI)序列进行rs-fMRI扫描，重复时间2 000 ms，回波时间26 ms，反转角90°，分辨率3.75 mm×3.75 mm，视野240 mm×240 mm，矩阵64×64，层厚3.2 mm，间隔0，扫描层数43层，扫描时间8 min，前20 s不做数据采集，共230个时相。采用三维快速扰相梯度回波(three-dimensional spoiled gradient recalled，3D-SPGR)序列获取解剖图像：重复时间为24 ms，回波时间为6 ms，视野为220 mm×220 mm，矩阵256×256，反转角35°，层厚0.9 mm。

1.2.2数据处理 在Matlab R2010a平台上运用静息态功能数据处理助手(data processing assistant for rs-fMRI，DPARSF)软件进行数据预处理计算，包括数据格式转换、剔除前10个时间点的数据、时间校正、头动校正(剔除旋转范围超过2.5°或者平移范围超过2.5 mm的数据)、功能图像空间标准化、重采样(体素3 mm×3 mm×3 mm)、平滑(半高全宽为8 mm)、去线性漂移、滤波(经典频段设定为0.01～0.08 Hz，slow-4频段设定为0.027～0.073 Hz，slow-5频段设定为0.010～0.027 Hz)。滤波后的数据做傅立叶变换计算每个频率的平方根，在经典频段、slow-4和slow-5频段内对上述平方根求平均得到ALFF值，再进行标准z转换。

1.3统计学处理 采用REST软件(resting-state fMRI data analysis toolkit)做ALFF分析：双样本t检验分析急性基底节区脑梗死组和对照组的组间差别(校正前单体素阈值设为P<0.001，AlphaSim校正后得到最小体素23，对应校正后P<0.05)。采用REST软件中Sliceviewer进行结果呈现，确定对应蒙特利尔神经病学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)坐标上有显著差别脑区的具体解剖位置采用Spearman等级相关分析。ALFF值与美国国立卫生研究院卒中量表(national institutes of health stroke scale，NIHSS)评分的相关性。P<0.05为差别具有统计学意义。

2 结 果

2.1一般资料 基底节区脑梗死组13例，其中男性10例，女性3例，年龄(65.69±9.11)岁(50～82岁)，NIHSS评分(4.08±2.63)分(1～8分)；对照组14例，其中男性7例，女性7例，年龄(66.21±10.53)岁(46～84岁)。两组患者的年龄、性别比较，差别无统计学意义(均P>0.05)。

2.2不同频段ALFF值比较

2.2.1经典频段ALFF值比较 与对照组比较，脑梗死组的ALFF值显著增高区域为右侧额叶，显著降低区域为右侧小脑后叶(均P<0.001，表1，图1)。

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.图1 基底节区脑梗死组和对照组经典频段ALFF值存在差别的脑区Fig.1 Differences of ALFF value according to the brain regions in conventional frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

2.2.2slow-4频段ALFF值比较 与对照组比较，脑梗死组的ALFF值显著增高区域为右侧额叶，显著降低区域为右侧小脑后叶(均P<0.001，表1，图2)。

2.2.3slow-5频段ALFF值比较 与对照组比较，脑梗死组的ALFF值显著降低区域为右侧小脑后叶(P<0.001，表1，图3)。

2.2.4脑梗死组NIHSS评分与ALFF值的相关性分析 在经典频段，脑梗死组NIHSS评分与右侧额叶和右侧小脑后叶的平均ALFF值均无显著相关(P值分别为0.885,0.493及0.104)；在slow-4频段，脑梗死组NIHSS评分与右侧额叶和右侧小脑后叶的平均ALFF值均无显著相关(P值分别为0.442,0.690)；在slow-5频段，脑梗死组NIHSS评分与右侧小脑后叶的平均ALFF值呈负相关(r=-0.649，P=0.016，图4)。

表1 经典频段、slow-4频段和slow-5频段两组基底节区脑ALFF值的差别

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.图2 基底节区脑梗死组和对照组slow-4频段ALFF值存在差别的脑区Fig.2 Differences of ALFF value according to the brain regions in slow-4 frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

3 讨 论

本研究通过观察基底节区脑梗死患者经典频段、slow-4和slow-5频段的静息态自发性神经元活动信号的变化，计算ALFF值后发现，在经典频段和slow-4频段，基底节区脑梗死患者的右侧额叶ALFF值增高，右侧小脑后叶ALFF值降低；在slow-5频段，基底节区脑梗死患者的右侧小脑后叶ALFF值降低，且与NIHSS评分呈负相关。ALFF值反映大脑自发性神经元活动强度，提示基底节区脑梗死后右侧额叶的自发性神经元活动强度增高，而右侧小脑后叶自发性神经元活动强度减弱，并且右侧小脑后叶的自发性神经元活动强度与NIHSS评分存在相关性。

基底节区有重要的运动调节功能，并且参与精细运动的形成[15-16]。额叶是控制运动的主要脑区之一。小脑后叶通过调节随意运动的力量、方向和稳定度来协调大脑皮质发动的随意运动。基底节区、额叶、小脑组成多个神经网络相互作用，对于运动技能的获取起到重要作用[17-18]。Modroo等[19]发现，额叶、基底节区、小脑一起参与控制手眼运动。本研究发现，基底节区脑梗死后额叶的自发性神经元活动强度增高，而小脑后叶的自发性神经元活动强度减弱，进一步提示额叶、小脑与基底节区联系密切，可能与脑梗死后功能恢复有关。本研究中，自发性神经元活动强度出现变化的区域主要在右侧额叶皮质下区域和小脑后叶，考虑可能与皮质-基底节-小脑神经环路有关。经典频段和slow-4频段的差别脑区在额叶及小脑，slow-5频段的差别脑区在小脑，提示可能与基底节区脑梗死联系更密切。Li等[20]和Fu等[21]对基底节区脑梗死患者运动康复的任务态功能磁共振的纵向研究也发现，小脑与基底节区脑梗死的恢复关系最密切。小脑后叶的自发性神经元活动强度与NIHSS评分呈负相关，提示小脑后叶的自发性神经元活动强度与基底节区脑梗死后功能缺失的严重程度有关。通过功能锻炼激活额叶及小脑相应区域，或者通过颅内或颅外刺激额叶及小脑相应区域，可能对基底节区脑梗死后功能的恢复起到重要作用。

暖色：ALFF值增高；冷色：ALFF值降低.图3 基底节区脑梗死组和对照组slow-5频段ALFF值存在差别的脑区Fig.3 Differences of ALFF value according to the brain regions in slow-5 frequency between patients with acute basal ganglia region infarction and healthy controls

NIHSS：美国国立卫生研究院卒中量表；ALFF：低频振幅.图4 基底节区脑梗死患者NIHSS评分与ALFF值的相关性Fig.4 The correlation of NIHSS score and ALFF value in slow-5 frequency in patients with acute basal ganglia region infarction

ALFF是通过计算每个频率功率谱的平方根，然后在某一频带上对平方根求平均而得到，可用于描述局部自发性神经元活动的强度[7]。一些研究认为，在检测患者大脑的异常神经活性方面，slow-4和slow-5频段比经典频段更敏感[14,22]。Hu等[22]发现，帕金森病患者在slow-5频段下壳核的ALFF值存在异常，在slow-4频段下额中回的ALFF值存在异常，而在经典频段下均未检测到，并且用额中回和颞下回的slow-4频段评估帕金森病患者的冻结步态，其准确性最高。Zhu等[14]对脑卒中患者的研究发现，ALFF值在Slow-5频段下异常变化区域更广泛。本研究发现，在slow-5频段，脑梗死组NIHSS评分与右侧小脑后叶的ALFF值呈负相关，提示右侧小脑后叶的自发性神经元活动与脑梗死功能损害有关，可能可以用slow-5频段下右侧小脑后叶的ALFF值来评估脑梗死的严重程度。因此，在测量脑内在活动时，rs-fMRI研究应该考虑频率效应，如果单纯检测经典频段，有可能会遗漏一些有意义的信息。

综上所述，本研究通过观察经典频段、slow-4和slow-5频段下的ALFF值，发现基底节区脑梗死患者的右侧额叶及小脑后叶自发性神经元活动发生变化，右侧小脑后叶的自发性神经元活动与脑梗死功能损害存在相关性，这加深了对基底节、额叶、小脑神经网络联系的认识，为基底节区脑梗死患者功能损害的客观评估提供了新的方法，也为靶向刺激相应脑区从而达到功能恢复提供了更多的信息。