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基于ICA-fMRI的首发未用药强迫症患者的静息态脑网络研究

更新时间:2016-07-05

强迫症(obsessive-compulsive disorder,OCD)是一种以强迫思维和/或强迫行为为主要特征的精神疾病,在世界卫生组织公布的全球致残原因中位列第十[1]。该病的突出特点是同时存在自我强迫与反强迫,这两者的强烈冲突使患者感到无比焦虑和痛苦,严重影响其日常生活和社会功能[2],终身患病率为1%~3%[3]。近年来,神经影像学技术的发展为探索强迫症的病理生理机制提供了新途径,其中静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,RS-fMRI)因其无创、易操作、重复性强、避免任务态执行过程中的个体差异影响等优势而逐渐受到关注[4]。独立成分分析(independent componem analysis,ICA) 是一种数据驱动RS-fMRI分析方法,无需先验假设和传统模型驱动,能有效去除噪声干扰,尤其适用于静息态功能连接网络分析[5]。本研究采用基于ICA的RS-fMRI方法,分析首发强迫症患者静息态脑网络的特点及异常改变,旨在了解未经药物及心理治疗干预情况下强迫症患者的静息态脑功能状态。

在初中政治课堂中,每位学生的政治基础、接受能力与学习方式有很大的差异,同时在性格、家庭环境等因素的影响下也导致了学生的政治成绩不尽相同。在这些差异面前,如果教师一味地延续班级统一教学的教育方式,这无疑对差等生宣判了死刑。在政治教学过程中应用分层教学模式可以根据班级学生的实际情况采取恰当的教学方式,这对优等生的拔高、差等生的提高与中等生的巩固有很大的作用。分层教学模式的应用在很大程度上发挥了学生的主体地位,因为分层教学的初衷是因材施教,而因材施教的目的正是改善课堂教学的不足。学生作为课堂的主体,分层教学是以人为本且尊重学生平等学习的人性化教学方法。

材料与方法

1.研究对象

本研究选择2015年6月-2017年6月在郑州大学第一附属医院精神科门诊就诊的首发强迫症患者。病例纳入标准:①符合美国精神障碍诊断与统计手册(Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders,DSM-IV)第4版中的强迫障碍诊断标准;②首次发作,未进行过药物或心理治疗;③年龄15~46周岁,右利手,汉族;④小学及小学以上文化程度;⑤本人或监护人签署知情同意书。排除标准:①目前或既往患有严重躯体疾病、酒精依赖或药物滥用;②脑部存在器质性病变;③目前或既往患其他精神障碍、合并精神发育迟滞、一级亲属中患有精神障碍;④磁共振检查禁忌;⑤妊娠或哺乳期妇女。本研究共纳入24例患者,其中男16例,女8例,平均年龄(24.54±9.82)岁,平均受教育年限为(12.92±2.81)年。本研究对照组均为招募的健康志愿者,按DSM-IV的诊断标准排除精神障碍诊断,既往无精神障碍病史,脑部无器质性病变。对照组共纳入24例健康志愿者,其中男16例,女8例,平均年龄(24.50±8.02)岁,平均受教育年限为(14.63±3.52)年。本研究获得郑州大学第一附属医院伦理委员会的审核批准。

2.方法

诊断及量表评定:由1位精神科主任医师依据DSM-IV第4版修订版中强迫障碍的诊断标准对入组被试者进行诊断;采用DSM-IV-TR临床定式检查(Structured Clinical Interview for DSM-IV Axis I Disorders-Non-patient Edition,SCID-I)对入组被试者进行筛查;由2位经过量表一致性培训的精神科医生采用耶鲁-布朗强迫量表(Yale-Brown Obsessive Compulsive Scale,Y-BOCS)、24项汉密尔顿抑郁量表(24-Item Hamilton Rating Scale for Depression,HAMD-24)、汉密尔顿焦虑量表(Hamilton Anxiety Rating Scale,HAMA)等对入组被试者进行临床访谈和心理学评估。

MRI检查:采用GE Discovery 750 3.0T磁共振扫描仪(美国通用电器公司),8通道相控阵头线圈。用配套的泡沫垫固定被试者头部,双耳塞橡皮塞以减少噪音干扰。扫描时嘱被试者保持静息状态,闭双眼,身体静止不动,保持清醒状态,尽量不思考任何事情,不能入睡。所有扫描操作均由同一位熟练MR操作的放射科医生完成。先行常规序列扫描,再行RS-fMRI扫描。常规序列包括T1液体衰减反转恢复序列(fluid attenuated inversion recovery,FLAIR)、T2WI及T2-FLAIR,用以排除两组被试者的大脑器质性病变。RS-fMRI数据采用梯度回波(gradient echo,GRE)单次激发回波平面成像(echo planar imaging,EPI)技术采集,扫描参数:TR 2000 ms,TE 30 ms,翻转角90°,矩阵64×64,视野220 mm×220 mm,层厚4.0 mm,层间距0.5 mm,层数32,共采集180个时间点,扫描时间为6 min,共采集5760幅图像。

3.数据预处理

分别对10个不同的静息态脑网络进行网络内功能连接的分析,观察两组间每个网络内存在显著性差异的脑区,其中后默认网络、右额顶网络和外侧视觉网络内存在显著性差异脑区。首发强迫症患者组与正常对照组比较,后默认网络内双侧楔叶功能连接增强,右额顶网络内右侧顶下小叶功能连接增强,外侧视觉网络内右侧枕中回功能连接增强,无功能连接减低脑区(表2,图1~4)。

4.独立成分分析

运用基于盲源分离技术的组成成分分析软件GIFT(group ICA of fMRI toolbox,http://icatb.sourceforge.net)对预处理后的数据进行独立成分分析。采用三次主成分分析(principle component analyze,PCA)进行数据降维。使用GIFT软件自行运算识别成分,成分数为28,选择infomax算法,运算次数为100次。对每个被试者的独立成分(包括空间图和时间序列)进行重建,并进行FisherZ转换。通过GIFT的Display GUI模块显示所有被试者的所有成分,根据先验知识和文献[7]选择合适的脑功能网络进行分析,提取每个被试者相同的成分组成子数据包。

5.统计学分析

默认网络(default mode network,DMN)是目前研究最为广泛和深入的、最重要的静息态脑网络[12]。Raichle等[13]首先提出默认网络的存在,静息状态时大脑部分脑区的代谢明显高于其他脑区,而执行特定任务时这些脑区的能量代谢低于其他脑区,称为默认脑区。DMN主要包括前扣带回、后扣带回、楔前叶、内侧前额叶、双侧角回、海马旁回、内侧颞叶和外侧颞下回等脑区。默认网络包括前默认网络和后默认网络两个子网络,前默认网络与社会认知、自我意识的加工等有关,后默认网络与内外环境监测、情景记忆提取等有关。国内外多项研究表明,强迫症患者存在默认网络的异常,Gruner等[14]研究发现强迫症患者静息态脑网络存在中部或背侧前扣带回网络、前后扣带回网络、视觉网络的异常;Weber等[15]研究发现强迫症患者组较正常组存在扣带回网络及听觉网络的异常;Cheng等[16]研究发现强迫症患者存在默认网络的异常。本研究发现后默认网络中双侧楔叶的功能连接增强;陈惠娟等[17]的研究结果表明,部分功能连接增强可能反映了脑区功能的代偿,是认知功能的代偿性再分配的结果。本研究结果提示强迫症患者可能需要调用更多的认知资源,提示强迫症患者存在情景记忆和认知功能的异常。

额顶网络,又称执行注意网络[19],位于默认网络与背侧注意网络之间,主要包括背外侧前额叶、顶内沟、顶下小叶、楔前叶、背侧额叶和中扣带回等脑区,与记忆、语言注意、控制空间注意和视觉处理等功能相关,包括左侧额顶网络和右侧额顶网络两个子网络。Stern等[20]研究发现强迫症患者存在额顶叶网络的激活;庄丽频等[18]的研究提示右侧顶叶皮层在视空间注意的警觉和定向任务中起到关键性作用,本研究发现右额顶网络中右侧顶下小叶功能连接增强,这可能与患者的强迫思维,如注意力不受控制地集中于某些事物相关,反映了执行注意功能的异常,同时也可能与强迫症患者工作记忆等认知功能的异常有关。此外,本研究发现右侧额顶网络中的右侧顶下小叶功能连接值与Y-BOCS总分呈负相关,这在de Vries等[21]的研究中也有提及,这可能表明存在一种认知补偿机制,提示强迫症患者可能存在认知功能的代偿。

强迫症是以反复闯入性的、不自主出现的负性思维、影像或观念,伴或不伴重复、刻板或仪式化的动作为特征的一种神经症性障碍,对该病认识不足及疾病本身慢性病程的特点常导致患者就医不及时,预后较差。虽然早在一百年以前,强迫症就已经作为一种精神疾病为人们所认识,但直到目前强迫症病因仍然未明,治疗仍是一个难题。近年来,神经影像学的发展极大地促进了对强迫症神经环路的认识,提出眶额叶-纹状体-丘脑-皮质环路(cortico-striatal-thalamic-cortical,CSTC)功能障碍可能是造成强迫症的神经生物学基础[8],但经典环路外是否存在其他功能网络的异常也同样值得研究。目前国内强迫症静息态脑功能的研究主要集中在局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)等研究方法上[9,10],罕有关于强迫症患者静息态脑网络内功能连接的研究。ReHo和ALFF仅反映了局部脑区神经元的自发活动,较为局限。因此,本研究采用独立成分分析的方法对强迫症患者的全脑网络及网络内功能连接进行分析,以期在无先验假设的情况下,客观而全面地反映强迫症患者静息态脑网络的变化,探讨强迫症可能的神经生物学机制。Anand等[11]的研究表明,强迫症的部分治疗药物会造成脑网络连接的改变,因此,本研究被试者选取首发未经治疗的患者,排除了药物及心理治疗干预的影响,结果相对客观、可靠。

1.研究对象的基本资料

本研究最终纳入47例被试者,其中首发强迫症患者23例,正常对照24例。两组之间的年龄、性别、受教育年限差异均无统计学意义(P值均>0.05,表1)。

2.静息态脑网络

表1 两组研究对象的基本资料

指标强迫症组对照组χ2/t值P值性别(男/女,例)15/816/8-0.1030.919年龄(岁)24.830±9.94424.500±8.0220.1240.902教育年限(年)13.000±2.84514.625±3.524-1.7350.090Y-BOCS总分21.174±8.015---HAMD-24总分19.391±11.870---HAMA总分33.087±15.594---

Pearson相关性分析结果显示,右侧额顶网络中的右侧顶下小叶的功能连接值与Y-BOCS总分呈负相关(P<0.05),余未见显著相关(P值均>0.05,表3)。

3.首发强迫症组与对照组间静息态脑网络内功能连接的比较

扫描所得图像采用MRI croN软件进行格式转换,将DICOM格式的数据转换为nii/img格式。图像预处理采用rs-fMRI数据处理助手(Data Processing Assistant For Resting-State fMRI Advanced Edition,DPARSFA)[6],基于MATLAB 7.14(R2012b,MathWorks,Natick,MA,USA)平台,去除前十个时间点后进行时间校正和头动校正(排除平移超过1.5 mm和旋转超过1.5°的数据)。将每个被试者的图像配准到标准的蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)模板,以3 mm×3 mm×3 mm的体素进行重采样。采用半高全宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)高斯平滑核(8 mm×8 mm×8 mm)进行空间平滑。患者组中1位被试者因头动参数超过设定阈值而被去除,最终23例患者和24例健康对照者纳入独立成分分析。

表2 组间网络内功能连接异常脑区

脑区MNI坐标(x,y,z)BA分区体素t值P值双侧楔叶(3,-75,27)31503.8220.0005右侧顶下小叶(24,-72,54)7415.2910.0005右侧枕中回(42,-69,3)19934.6140.0005

注:Alphasim校正,以α=0.001为检验水准,以P<0.05为差异有统计学意义;BA分区:布罗德曼(Brodmann)分区,由德国神经外科医生科比尼安·布罗德曼提出的根据细胞结构将大脑皮层划分的一系列解剖区域。

4.组间差异脑区与临床量表的相关性分析

ICA分析后共得到28个静息态脑网络,肉眼观察软件生成的所有成分空间图,明显的白质、脑脊液和噪声成分均予以剔除,最终选择10个静息态脑网络,分别为前默认网络(anterior default-mode network,aDMN)、后默认网络(posterior default-mode network,pDMN)、内侧视觉网络(medial visual network,mVN)、外侧视觉网络(lateral visual network,lVN)、枕极视觉网络(occipital pole visual network,pVN)、听觉网络(auditory network,AN)、左侧额顶网络(left frontoparietal network,LFP)、右侧额顶网络(right frontoparietal network,RFP)、背侧注意网络(dorsal attention network,DAN)、突显网络(salience network,SN)。

表3 组间差异脑区与临床量表总分的相关性分析

脑区Y-BOCS总分r值P值HAMA总分r值P值HAMD总分r值P值双侧楔叶-0.0270.902-0.0980.6570.0090.968右侧顶下小叶-0.4700.024*-0.1190.590-0.1290.558右侧枕中回-0.1430.516-0.0090.9660.0260.905

注:* Pearson相关性分析,P<0.05为差异有统计学意义。

图1 首发强迫症组与对照组共同进行独立成分分析所分离的部分静息态网络。a)后默认网络;b)右额顶网络;c)外侧视觉网络。

图2 与正常对照组相比,首发强迫症患者后默认网络中双侧楔叶的功能连接增强。 图3 与正常对照组相比,首发强迫症患者右侧额顶网络中右侧顶下小叶的功能连接增强。 图4 与正常对照组相比,首发强迫症患者外侧视觉网络中的右侧枕中回功能连接增强。

即便眼下小涵受伤的夜晚,小涵也是不愿拖累他的。必不可少的关心之后,他更愿意回到缠绵的客房——他的田地——里来。

使用SPM8软件进行统计学分析。采用单样本t检验(FWE校正,以α=0.05为检验水准)。选择阈值(簇体素大小≥100个体素)后得到每个成分的t值图,使用xjview软件显示并制作该成分的模板。对每一成分进行上述步骤,分别得到所有感兴趣区的静息态脑网络模板。对患者组和对照组的每个静息态脑网络模板分别使用SPM8软件进行双样本t检验(Alphasim校正,以α=0.001为检验水准),将年龄、性别和受教育年限作为协变量,从而得到两组之间的差异t值图,并用xjview软件显示,选择阈值(簇体素大小≥40个体素),叠加single T1模板为背景,从而显示该网络内两组间不同的脑区。

视觉网络主要包括内侧视觉网络(初级视觉皮层)和外侧视觉网络(高级视觉皮层),与视觉注意等行为相关。本研究中视觉网络分裂为内侧视觉网络、外侧视觉网络、枕极视觉网络三个子网络。庄丽频等[18]的研究提示强迫症患者存在视信息加工异常。关于强迫症患者视觉网络的研究鲜有报道,Gruner等[14]的研究结果显示相较于对照组,强迫症患者组的视觉网络功能连接减弱,而本研究发现首发强迫症患者的枕极视觉网络内右侧枕中回功能连接增强,笔者考虑由于枕叶为视觉中枢所在,该结果可能与视觉强迫症及余光强迫等有关。

使用Rest软件提取组间差异性脑区的功能连接值,使用SPSS软件对差异性脑区的功能连接值与Y-BOCS总分、HAMD-24总分、HAMA总分等临床量表得分进行Pearson相关性分析,以P<0.05为检验水准。

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Weber等[15]研究发现,相较于正常组,强迫症患者组存在听觉网络功能连接的增强。Posner等[22]研究发现,未服药的强迫症患者突显网络与默认网络间的功能连接增强。关于强迫症患者的背侧注意网络,目前国内外文献尚未发现阳性结果。相较于之前的研究结果,本研究虽分离出了听觉网络和突显网络,但统计学分析并未得出功能连接异常的脑区,分析原因可能与人种、疾病的异质性、样本量差异、网络提取过程中与其他网络重叠等原因有关。其次,本研究纳入被试者的例数较少,这也可能是导致结果偏差的原因之一。因此,尚需要更大样本量、更多测量指标、更深入的数据处理方法以及进一步的实验设计进行首发强迫症患者的脑功能异常研究。本研究只探讨了首发强迫症患者脑功能改变情况,治疗后静息态脑网络改变的评价对于评估患者病情及预后也有重要意义,这将是我们下一步研究的方向。

综上所述,本研究结果表明首发强迫症患者存在多个静息态脑网络异常,涉及默认网络、额顶网络以及视觉网络,主要表现为网络内功能连接的增强,提示强迫症患者的发病可能与其情景记忆和认知功能、执行注意功能、视信息加工等的异常有关。本研究既证实了强迫症患者存在CSTC功能障碍,同时也提出经典环路外尚存在其他静息态网络功能连接的异常,为探讨强迫症的病理生理学发病基础提供了新的思路。

一种巨大的优越感终于使我反应了过来,我轻轻地笑了一下,恰到好处地表达了我的轻蔑和不屑,头也不回地走出了古意的房间,再也没有了以往的兴致去欣赏古意那张被我激得看不清表情的脸。

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刘俊宏,程敬亮,李幼辉,薛康康,陈苑,刘亚楠,王彩鸿,牛琪惠,文宝红,张勇
《放射学实践》 2018年第05期
《放射学实践》2018年第05期文献

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