BRAIN：基於致病性顱腦病灶的頸肌張力障礙的網路定位
- 2019 年 12 月 17 日
- 筆記
請點擊上面「思影科技」四個字，選擇關注作者，思影科技專註於腦影像數據處理，涵蓋（fMRI,結構像,DTI,ASL,EEG/ERP,FNIRS,眼動）等，希望專業的內容可以給關注者帶來幫助，歡迎留言討論，也歡迎參加思影科技的其他課程。(文末點擊瀏覽）
頸肌張力障礙是一種以頭頸持續、不自主活動為特徵的神經系統疾病。多數頸肌張力障礙是特發性，無明顯病因，部分是獲得性，繼發於局灶性顱腦病灶。後者具有研究價值，因為其建立了神經解剖學與其所導致的癥狀之間的關聯，有助於深入了解致頸肌張力障礙的腦區及潛在治療靶點。然而多個不同腦區的病灶均可引起頸肌張力障礙，其定位並不明確。來自哈佛大學醫學院及麻省總醫院研究者Daniel T. Corp，Juho Joutsa等人利用健康被試的靜息態fMRI的大樣本數據對其進行研究，發表於Brain。
方法：該研究採用一種「病灶網路映射（lesion network mapping）」技術（最近，該分析方法引起了很多研究者的關注，發表了不少高分文章，該技術在基於病灶的腦網路分析中應用前景大
該技術基於來自健康隊列的大樣本連接組學數據（靜息態fMRI, n=1000），分析引起該病的病灶是否可以映射至一個共同的網路。並驗證所得網路在特發性頸肌張力障礙患者（n=39）較與之匹配的健康對照（n=37）是否發生異常。
結果：通過系統文獻檢索確定25例繼發於顱腦病灶的頸肌張力障礙，病灶分散於小腦、腦幹及基底節區，這些異源性病灶均屬於單一功能腦連接網路的一部分。與引起其他神經癥狀的病灶相比，小腦正向連接與軀體感覺皮質的負向連接特異於頸肌張力障礙。通過連接這兩個腦區可確定一個腦網路，該網路包含引起頸肌張力障礙的異源性病灶。且在特發性肌張力障礙患者中，小腦及軀體感覺皮層也表現出連接異常。最後，通過病灶網路映射技術發現，治療頸肌張力障礙最有效的深部腦刺激部位同樣也連接小腦及軀體感覺皮層。
結論：該研究結果有助於理解頸肌張力障礙的神經解剖學基礎，證實獲得性與特發性頸肌張力障礙存在一定的趨同性，同時確定治療的網路干預靶點。
研究背景：
頸肌張力障礙是一種以持續、不自主的頸部肌肉收縮為特徵的慢性神經系統疾病，是一種最常見的局灶性肌張力障礙。傳統上頸肌張力障礙被歸因於基底節區神經功能異常，然而其他腦區也存在異常，包括：小腦、前額葉、中腦、運動皮層、軀體感覺皮層。提示頸肌張力障礙由多個不同腦區功能障礙導致的網路異常。而該網路的關鍵節點尚未被識別，且這些腦區是致病性、代償性、或偶然性關聯尚不清楚。
由局灶性顱腦病灶產生的與特發性頸肌張力障礙相似癥狀的病例具有研究價值，因其建立損傷腦區與癥狀之間的因果聯繫。然而，這些腦區分散於多個部位，且癥狀的產生不僅來源於病灶本身，也有可能源於與病灶相連的遠端腦區的影響，被稱之為神經機能聯繫失能（diaschisis）。這些因素造成單純根據局部腦損傷來定位頸肌張力障礙癥狀的複雜性。
該研究組開發了一種稱之為「病灶網路映射（lesion network mapping）」技術，可將位於不同腦區的病灶聯繫至一個共同的網路。該技術不僅關注病灶位置，其通過正常規範的靜息態fMRI功能連接，確定連接該病灶腦區所組成的腦網路。該技術有助於深入了解多種神經精神癥狀的定位，包括運動障礙，且幫助確定腦刺激治療的潛在靶點。基於此，該研究通過分析繼發於局灶性顱腦病變的頸肌張力障礙的神經解剖學異常是否同樣存在於無顱腦病灶但具有相似癥狀的患者，進行超越以往的病灶網路定位研究。
研究方法與結果：
（一）被試
繼發於顱腦局灶性病灶的頸肌張力障礙病例來源於對Pubmed的系統文獻檢索（關鍵詞：頸肌張力障礙、斜頸、病變、梗塞、腫瘤、MRI 及CT）。納入標準包括：神經系統檢查明確記錄頸肌張力障礙由腦實質病灶引起；具有足可在標準腦圖譜定位的清晰影像。
結果：共得到符合納入標準的文獻25篇，其病灶分布如下圖：
圖1. 引起頸肌張力障礙的病灶分布
病灶位於一系列不同的腦區，包括：小腦（n=11），腦幹（n=9），基底節區（n=8），丘腦（n=1），枕葉（n=1）。
（二）網路定位
2.1病灶網路映射：
（1）應用FSLview將文獻中的病灶手動追蹤至標準腦圖譜（2 x 2 x 2mm MNI152 brain）；該方法僅得到3D病灶的2D切面，但已證實所得到連接圖譜與之並無差別；
（2）每個病灶的rs-fcMRI圖譜採用標準基於種子點方法得到，利用規範採集的1000例健康青壯年被試數據，提取病灶內平均BOLD訊號的時間序列，計算其與全腦體素的相關性。所得相關矩陣進行Fisher z 轉換，被用來計算每個病灶連接 t值圖。
（3）每個病灶的fc圖閾值t設為±7（對應全腦FWE校正P <10-6），雙側（功能連接與否，正向及負向各有不同的生理意義），最後將與25個病灶存在連接的體素進行疊加。
（4）除此之外，排除25個病例中存在共濟失調或辯矩不良（n=11），腦腫瘤（n=6）, 輕度偏癱（n=9）, 其他肌張力障礙（n=6），不是由缺血性卒中導致的病灶（n=15），分別進行病灶的網路映射，以排除其他原因對結果的影響。
流程如圖2：
圖2.病灶網路映射技術
結果：
所有25個病灶均與小腦蚓部、齒狀核、小腦皮質、及中腦存在正向連接，超過90%病灶與丘腦、蒼白球正向連接（圖3A）。所有25個病灶與右側軀體感覺皮層存在負向連接，超過90%病灶與雙側軀體感覺皮層並輕微延伸至運動皮層存在負向連接（圖3A）。排除共濟失調、辨距不良、頭部震顫、偏癱等病例後結果未改變。
圖3. 頸肌張力障礙的病灶網路圖
(A).連接頸肌張力障礙病灶超過90%或23/25的腦區，正向連接（橙/黃）、負向連接（藍/綠）；從左到右：丘腦（z=10）、蒼白球（z=-2）、中腦（z=-13）、小腦（z=-32）以及軀體感覺皮層（投射至腦表）；
(B). 對引起頸肌張力障礙病灶敏感且特異的腦區，其與致頸肌張力障礙病灶的功能連接較對照組存在顯著差異（正向/負向）
2.2特異性分析：
為驗證結果是否特異於頸肌張力障礙，該研究組將其與2個未引起頸肌張力障礙的病灶數據集作為「對照組」進行比較。第一個為135例並無共同的神經精神癥狀的「非特異性」數據，其病灶分布遍布全腦；第二個為「運動障礙」數據集，73例引起運動障礙病灶，包括：撲翼樣震顫、凍結步態、偏側舞蹈-偏身投擲。
比較方法採用：
（1）Liebermeister test，基於體素的病灶-癥狀映射（voxel-based lesion-symptom mapping，VLSM）；
（2）雙樣本t 檢驗（SPM）。兩種統計學方法均可識別與致頸肌張力障礙病灶較與對照病灶連接顯著增加或減少的體素。不同之處在於：Liebermeister test以二進位方式（即是二值化的腦連接）對體素進行檢驗（功能連接與否），在病變的分析中更為常用，而t檢驗考慮了連接強度，在功能影像中更為常用。由於Liebermeister test用於二元影像分析，對於正向連接與負向連接分開進行組間差異比較。
多重比較校正針對t檢驗及Liebermeister 檢驗分別採用基於全腦體素FWE校正及FDR校正。校正後P<0.05被認為具有顯著性。特異性分析被限定在頸肌張力障礙病灶網路圖的體素內[即連接超過90%的病灶（至少23/25）的腦區，如圖3所示]。
結果：
補充材料圖1.特異性分析檢驗；（A&B）較對照組1（即非特異性對照組），（C&D）較對照組2（即運動障礙對照組）功能連接存在顯著差異的區域；A&C為Liebermeister檢驗，B&D為t檢驗。在每個檢驗中，中腦z=-13，小腦z=-32。
2.3感興趣區：
為了確定某個腦區，其與致頸肌張力障礙病灶的功能連接對該病敏感且特異，該研究組對以上結果圖進行關聯分析。感興趣區由與超過90%的病灶存在功能連接的體素組成，且該功能連接在上述4次特異性分析中存在顯著性（2個對照組x 2種統計檢驗）。由於通過4次校正的感覺運動皮層的團塊很小（14個體素），因此將通過3次校正的體素組成感興趣區。
將所得到的兩個感興趣（小腦與軀體感覺皮層）進行以下3項分析：
（1）採用線性模型分析（Logistic 回歸），分析病灶與感興趣區的功能連接是否是頸肌張力障礙獨立或冗餘的預測因子，因變數為頸肌張力障礙病灶與對照病灶二元變數；因為選擇感興趣區的方法僅得到該感興趣單獨可作為預測因子，而非獨立。
（2）使用上述感興趣作為種子點得到一個網路圖譜，圖譜包括與小腦感興趣區正相關的所有體素以及與軀體感覺皮層負相關的所有體素，閾值為t≥±7，基於體素的FWE校正P＜10-6。為了便於說明，致頸肌張力障礙的病灶同時疊加於該圖譜。
（3）將所得到的圖譜用於進一步分析這些區域是否在特發性肌張力障礙中存在異常。研究採用基於SPM12的Anatomy toolbox工具包，使用小腦、運動皮層、軀體感覺皮層圖譜。
結果：
所得到小腦、軀體感覺皮層感興趣區如圖3B。小腦以蚓部 Vermit_Ⅸ（MNI坐標 1 -54 -34 mm）為中心，軀體感覺皮層或Brodmann』s 1區（MNI坐標，右側45 24 60 mm；左側45 28 59 mm）。補充材料圖4及圖5將特異性感興趣區小腦、軀體感興趣區分別疊加於小腦及運動皮層與軀體感覺皮層模板。
Logistic回歸結果：小腦感興趣區功能連接是頸肌張力障礙的強獨立預測因子（P=0.002），而軀體感覺皮層感興趣功能連接未達到統計顯著性水平（P=0.051）。
將所有與小腦感興趣區正向連接及與軀體皮層感興趣區負向連接的具有統計學顯著性的體素所組成的圖譜疊加於病灶，共同構成網路連接圖譜，如圖4。
補充材料圖4. 頸肌張力障礙特異性小腦感興趣（紅色）疊加於小腦模板。
補充材料圖5. 特異性頸肌張力障礙軀體感覺皮層感興趣（藍色）疊加於運動皮層及軀體感覺皮層模板。
圖4. 病灶作為共同網路連接圖譜的一部分，藍色為與小腦感興趣區正向連接的體素及與軀體感覺皮層感興趣區負向連接的體素，紅色為病灶。
（三）特發性肌張力障礙的相關性研究
將上述所得到的小腦及軀體感覺感興趣區作為種子點，比較39例特發性肌張力障礙及37名對照功能連接模式的差異。預處理方法除常規預處理流程外，添加基於主成分分析方法，確定背景雜訊的主成分從而進行人工降噪步驟（FSL的Roma-ICA）。
應用FSL進行非參數置換檢驗，TFCE校正。由於病例組運動往往較多，將兩個頭動變數作為協變數。顯著性水平FEW校正，P<0.05。提取所有顯著性團塊的z值，用以說明連接方向。作者還採用雙樣本t檢驗比較了組間的頭動差異。
為了評估結果特異性，採用引起其他神經癥狀的19個病灶（分別來自8篇文獻，覆蓋11中不同癥狀），通過上述獲得肌張力障礙的方法得到對照組感興趣區。以小腦及軀體感覺皮層感興趣區中心為坐標，製作5mm小球。對於每一個感興趣區，重複上述置換檢驗，分析特發性肌張力障礙與健康對照之間連接差異。針對每個感興趣區會得到一個T值圖，為了量化這些連接異常的總體大小，該研究計算了全腦體素的絕對平均T值。將19個對照組感興趣的平均絕對T值與兩個頸肌張力障礙感興趣（小腦及軀體感覺皮層）進行比較，採用雙邊，單樣本t檢驗，零假設為對照組感興趣區與任一頸肌張力障礙感興趣無差異。
結果：
小腦感興趣區種子點與外側感覺皮層及島蓋存在連接異常（圖5A）。軀體感覺皮層感興趣區種子點與基底節、丘腦、前扣帶、枕葉皮層、感覺運動皮層功能連接存在異常（圖5B）。
特異性結果：較19個引起其他神經系統癥狀的病灶得到的感興趣區，頸肌張力障礙的兩個感興趣在特發性肌張力障礙中存在顯著的連接異常。其絕對t值見補充材料表4，如下。兩個頭動指標的大小無顯著統計學差異。
圖5. 特發性頸肌張力障礙的相關性。與小腦感興趣（A，紅色）與軀體感覺皮層感興趣區（B，藍色）異常功能連接。HC（健康對照），CD（特發性頸肌張力障礙）
補充材料表4. 計算基於19個對照組感興趣種子點及2個頸肌張力障礙感興趣種子點功能連接，比較特發性頸肌張力障礙與健康對照的差異。最右側為每一個種子點至全腦其他體素的絕對平均t值（特發性頸肌張力障礙與健康對照比較）。
如果您對腦功能成像感興趣，可點擊以下文字，詳細了解：也可以添加微信siyingyxf進行諮詢 ：
第十三屆磁共振腦網路數據處理班（南京）
（四）深部電刺激（DBS）的相關性研究
近期一項研究發現蒼白球附近體素團塊與DBS治療肌張力障礙的臨床反應顯著相關，該研究分析了來自105例肌張力障礙患者（53例頸肌張力障礙，52例全身性或節段性肌張力障礙）DBS的電極放置位置及刺激部位。依據痙攣性斜頸評定量表（TWSTRS）或Burke-Fahn-Marsden肌張力障礙評定量表，觀察癥狀的改善情況，將病人分成對DBS反應「好」或「差」兩組。對於所有肌張力障礙患者，根據P<0.01確定與臨床反應良好顯著相關的體素，對頸肌張力障礙患者P<0.05。該研究同時可以得到與臨床反應差的相關體素（P<0.01）。
本研究接著使用1000例健康被試的靜息態功能連接數據，分析臨床反應良好的體素是否與上述頸肌張力障礙感興趣區存在功能連接，且該連接在所有肌張力障礙被試中是否顯著高於臨床反應差的體素團塊。
最後，本研究進行基於體素的偏相關分析，得到與臨床反應良好體素團塊存在顯著連接的體素，並控制與臨床反應差的團塊的功能連接。z轉換後，相關係數的顯著性差異採用雙邊、單樣本t檢驗。臨床反應「好」與「差」團塊與上述頸肌張力障礙感興趣區之間的功能連接的組間差異採用雙邊配對t檢驗。與小腦及軀體感覺皮層感興趣區相關以及與全腦體素的相關採用前述的病灶分析方法進行計算。
結果：
頸肌張力障礙及肌張力障礙患者小腦感興趣與DBS臨床反應良好的刺激位點存在顯著正向連接（P<0.001），且較臨床反應差組相比，連接更緊密（P<0.02）。軀體感覺皮層感興趣與DBS治療最佳位點存在顯著負向連接（P<0.001），且較臨床反應差組相比，負向連接更緊密（P<0.001）。結果如圖6.
圖6. DBS相關性研究。
（A）引起頸肌張力障礙病灶與小腦正向連接與軀體感覺皮層負向連接；
（B）與頸肌張力障礙、（C）肌張力障礙患者臨床治療反應良好的DBS位點蒼白球內側部，與軀體感覺皮層負向連接及與小腦正向連接；
（D）控制臨床反應差相關體素後，依然表現出相似的連接模式。
總結：
該研究值得注意的幾點發現：
（1）引起頸肌張力障礙的病灶雖然存在於不同腦區，但均為一個單一大腦連接網路的一部分；
（2）該網路是通過與小腦的正向連接及與軀體感覺皮層的負向連接確定的，該連接模式較其他對照病灶是特異於致頸肌張力障礙病灶的。
（3）該網路在特發性肌張力障礙中存在異常，且肌張力障礙DBS治療改善的位點的連接模式匹配。研究表明，一個共享的神經解剖網路可能是頸肌張力障礙癥狀的獨立病因。
如需原文及補充材料請加微信：siyingyxf 或者18983979082獲取,如對思影課程感興趣也可加此微訊號諮詢。
