基于功能MRI無先兆偏頭痛患者動態功能連接研究

徐春陽 詹松華 譚文莉 張穎穎 成建明 龔志剛 國榮芳 陳慧 黃炎文 徐慧慧 楊玉嬋

偏頭痛在全世界的患病率為15%，是全球第六大流行疾?。?］。偏頭痛給患者和社會帶來了沉重的精神和經濟負擔。無先兆偏頭痛（migraine without aura，MwoA）是臨床中常見的偏頭痛類型。識別無先兆偏頭痛中樞神經系統特征性腦功能變化為臨床患者尋求有效治療方案仍是神經影像學研究熱點。既往基于靜態功能連接技術證實無先兆偏頭痛患者存在功能網絡異常連接，但是靜態功能連接是基于大腦靜態假設，將時間序列的平均值反應大腦功能狀態的改變有一定局限性。本研究前瞻性收集無先兆偏頭痛受試者，利用動態功能連接技術觀察無先兆偏頭痛患者默認網絡和視覺網絡間功能連接狀態，并分析MwoA患者的動態功能連接指標與臨床量表的相關性，為無先兆偏頭痛的臨床診斷和療效評價提供更加全面、客觀的參考。

方法

1. 臨床資料

1.1 研究對象

選取2021年3月至10月間于我院接受治療的偏頭痛患者45例納入觀察組，另招募45例健康被試納入對照組。本研究經我院倫理委員會批準，所有受試者簽署知情同意書，倫理批準文號為2019-767-122-01。

1.2 診斷標準

依據2013年《國際頭痛疾患分類》第3版（The International Classification of Headache Disorders，3rd editon；ICHD-3）關于無先兆偏頭痛診斷標準［2］進行診斷：①頭痛發作至少5次以上；②頭痛每次發作持續4～72 h；③具有以下特征，如單側性、搏動性；④發作期間至少有以下1項，如惡心和嘔吐，或畏光和畏聲。

1.3 納入標準

（1）Mwoa患者納入標準：①符合ICHD-3中MwoA的診斷標準；②年齡≥20歲，且≤40歲，右利手人群；③掃描前后3 d無偏頭痛發作；④掃描前1個月無預防性使用止痛藥；⑤無酒精及精神類藥物濫用史；⑥無MRI檢查禁忌證。

（2）健康受試者納入標準：①年齡≥20歲，且≤40歲，右利手人群；②無神經系統疾病及藥物濫用史；③無MRI檢查禁忌證。

1.4 排除標準

（1）MwoA患者排除標準：①顱內存在器質性病變的繼發性頭痛患者；②合并高血壓病、高脂血癥、糖尿病、心血管疾病、腫瘤等嚴重原發性疾病者。

（2）健康受試者排除標準：①有偏頭痛或其他頭痛病史、無頭痛家族史；②有腦內器質性病變；③有精神病史或家族精神病史。

2. 研究方法

2.1 一般資料及量表評估

①一般資料：包括性別、年齡、病程、受教育程度等；②臨床資料的量表選用：頭痛影響測試-6（headache impact test-6，HIT-6）、視覺模擬評分法（visual analogue scale，VAS）。

2.2 fMRI數據收集

帶有32通道硬質頭顱線圈的聯影醫療uMR 7903.0 T MRI進行數據采集。T1W1結構像平掃參數：TR=7.2 ms，TE=3.1 ms，翻轉角=10°，視野=256 mm×256 mm，層厚1 mm，層數192。功能磁共振成像（fMRI）參數：TR=2000 ms，TE=30 ms， 翻轉角=90°，視野=224 mm×224 mm，矩陣64×64，層數33。體素3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm。共采集240個時間點，每期掃描時間為8 min。

2.3 數據預處理

基于Matlab2013b的DPARSFA軟件對fMRI數據進行預處理：①將fMRI獲得的原始數據轉化為NIfTI格式，便于數據后續處理；②去除前10個時間點、時間校正、頭動校正、空間標準化。所有被試的頭動平移和轉動角度均在3 mm和3°之內。

2.4 獨立成分分析（independent component analysis，ICA）

①基于Matlab平臺中GIFT軟件對所有被試進行組空間ICA，利用軟件最優估計，確定為51個獨立成分（IC）；②采用ICASSO算法對IC進行100次迭代，選擇平均簇內相似度值大于80%的IC；③挑選網絡成分：使用Sorting GUI 模塊顯示所有IC，按照Allen的方法挑選有生理意義的IC［3］。最終篩選出34個IC作為內在連接網絡（intrinsic connectivity networks，ICNs）?；谒固垢４髮W的功能感興趣區（ROI）模板匹配出本研究感興趣DMN、VN網絡成分。

3. 統計學分析

（1）一般資料采用SPSS 26.0軟件進行統計分析。數據符合正態分布的臨床資料用均數±標準差的方式進行描述，組間比較采用獨立樣本t檢驗的方法。數據不符合正態分布的臨床資料采用中位數（四分位數）的方式進行描述，采用Mann-WhitneyU檢驗進行組間比較。性別等計數資料采用卡方檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

（2）采用GIFT軟件將頭動參數、性別作為協變量加入分析，對2組被試采用獨立樣本t檢驗的方法對4個狀態聚類中心進行定量、定性分析，獲得2組下DMN和VN功能連接、腦活動狀態相關指標（狀態停留比例值、狀態平均持續時間、切換次數）的差異，以P＜0.05為差異具有統計學意義，結果經過FDR校正。

（3）利用SPSS軟件對動態功能連接指標中的平均停留時間、時間分數、轉換次數臨床資料評分進行Pearson相關性分析。P＜0.05為具有統計學意義。

結果

1. 一般資料及量表評估

本研究納入年齡、性別、教育程度均無統計學差異的MwoA患者和健康志愿者作為研究對象，2組一般資料比較見表1。MwoA患者病程為（7.3±3.1）年，VAS評分、HIT-6評分分別為（6.5±2.2）分、（52.02±11.35）分

表1 入組受試者人口學特征

2. 受試者默認網絡、視覺網絡成分空間分布

本研究所選取的默認網絡由IC11（楔葉）、IC29（眶部額中回）、IC31（楔前葉）、IC46（角回）組成，視覺網絡由IC6（舌回）、IC9（距狀裂周圍皮質）、IC30（梭狀回）、IC32（枕中回）所組成。見圖1。

圖1 默認網絡與視覺網絡獨立成分（IC）空間位置IC6：舌回；IC9：距狀裂周圍皮層；IC11：楔葉；IC29：眶部額中回；IC30：梭狀回；IC31：楔前葉；IC32：枕中回；IC46：角回。

3. 動態功能連接狀態出現的人數及持續時間占比

2組受試者感興趣的網絡之間存在4種狀態的功能連接，MwoA患者4種state時間占比為40.08%、23.79%、18.45%、17.66，出現的人數分別為41、32、32、21。HC組4種state時間占比為33.64%、25.83%、21.81%、18.70%，出現的人數為39、34、28、32。見圖2。

圖2 MowA患者（A～D）和健康志愿者（E～H）4種網絡連接狀態出現次數及時間狀態占比

4. 狀態網絡成分動態功能連接強度差異

State 3成分連接強度存在組間差異，相較于健康志愿者，MwoA患者視覺網絡內dFC降低，默認網絡內dFC無異常，同時視覺網絡與默認網絡成分之間dFC以降低為主要表現。見圖3。

圖3 網絡連接強度存在顯著差異的功能連接狀態（state 2）及獨立成分（IC）色柱顯示綠色、黃色、紅色為正性功能連接；藍色為負性功能連接。

5. 相關性分析

MwoA患者state 1持續時間與HIT-6評分具有正相關，轉化次數與病程具有負相關，余未見統計學差異。見圖4。

圖4 相關分析散點圖A. MwoA患者state 1持續時間與HIT-6評分呈正相關；B. MwoA患者轉化次數與病程呈負相關。

討論

本文基于ICA方法挑選網絡成分，ICA是數據驅動性，不需要先驗假設，提供面向數據的結果。既往研究認為無先兆偏頭痛患者多涉及默認網絡改變，但在視覺癥狀的反復刺激下MowA患者視覺皮質中的舌回、梭狀回等相關區域活動異常、皮質體積發生改變［4］。動態功能連接較靜態功能連接多了時間屬性，能更好反映出與疾病相關的信息［5］。雖然目前動態功能連接技術關注了視覺網絡活動的異常、對于默認網絡與視覺網絡之間動態功能連接狀態探討較少，默認網絡與視覺網絡異?？赡転闊o先兆偏頭痛患者特有的影像學標志。故本文采用ICA方法挑選出默認網絡、視覺網絡，在此基礎上采用動態功能連接中滑動時間窗技術分析MwoA患者網絡成分。本研究發現MwoA患者state 1停留時間長，并且與HIT-6評分具有正相關性。State 2是2組受試者存在動態功能連接強度差異的狀態。轉化次數與病程具有負相關性。

state 1是MwoA患者靜息狀態下主要的腦活動表現，以內部模塊化程度、網絡間傳遞效率降低為表現的網絡弱連接狀態。本研究發現MwoA患者state 1停留時間長，其狀態持續時間與HIT-6評分具有相關性。默認網絡是高度有序的功能網絡，在靜息狀態活動增強，負責靜息狀態下記憶、視覺、聽覺注意等基本認知功能，其中楔前葉為默認網絡中關鍵節點，以楔前葉為代表的默認網絡低強度的連接狀態長時間逗留，增加外界刺激信息的敏感性，導致偏頭痛患者易受外界因素引起疼痛發作［6-7］。視覺網絡由舌回、枕中回、顳中回等腦區組成，參與視覺信息處理、維持默認網絡平衡等功能。持續性偏頭痛發作形成大腦視覺網絡內持續弱連接狀態的重組模式，改變疼痛的感知過程，產生MwoA患者視覺空間記憶障礙、畏光、認知功能受損的問題［8］。既往文獻報道MwoA患者視覺網絡和默認網絡之間的dFC降低，MwoA患者默認網絡與視覺網絡間的連接強度增高與臨床癥狀緩解相關，視覺網絡和默認網絡之間的異常dFC改變可能是MwoA患者的顯著特征［9-10］。HIT-6用于評價頭痛對患者工作、家庭、社會活動的影響。state 1持續時間與頭痛影響測試（HIT-6）分值具有正相關性，進一步證實MwoA患者以視覺網絡和默認網絡弱連接狀態長時間停留為特征表現，是患者認知、視覺功能受損的體現。

state 2是2組受試者所感興趣的網絡成分中動態功能連接強度具有組間差異的狀態。較HC組，MwoA患者表現為視覺網絡內梭狀回、舌回、枕中回dFC強度低，視覺網絡中舌回、梭狀回和默認網絡內楔葉、眶部額中回、角回之間的低強度dFC，默認網絡內無異常改變。梭狀回和舌回位于視覺網絡重要組成部分，在視空間感知、情緒認知、整合外界視覺信息中發作重要作用，梭狀回和舌回之間存在解剖和功能上的連接，研究表明梭狀回和舌回的表面積減少與青年焦慮、抑郁評分呈現相關性［11］。本研究納入的MwoA患者梭狀回與舌回的dFC低強度，可能因MwoA患者焦慮、抑郁等負性心理活動引起。MwoA患者發作間期的舌回和梭狀回間dFC低強度可能會降低視覺信息處理速度，形成視覺皮質視覺過載的現象，從而導致光敏性強，疼痛閾值低，誘發疼痛現象的產生。楔葉是默認腦網絡中一個重要集散節點，參與記憶、空間注意、社會交往、焦慮情緒調節［12］。角回是視覺語言中樞，參與注意力、語義處理、記憶檢索等認知功能［13］。視覺網絡中梭狀回與默認網絡內角回、楔葉dFC強度低，提示MwoA患者存在視覺空間記憶受損、視覺認知障礙?？舨款~中回屬于額葉中最活躍的腦區，負責工作記憶、行為決策等功能［14］?？纛~中回與視覺網絡內dFC強度增強，可能因為MwoA患者視覺通路遭到破壞，代償引起視覺網絡與眶額中回之間dFC高強度連接，減少因視覺信息傳輸功能缺陷帶來的生理改變。本研究并未發現MwoA患者DMN內存在異常dFC連接，考慮可能的原因是受試者均為門診患者，癥狀較輕，病程較短，今后研究需進一步擴大樣本量。本研究的轉化次數與MowA患者的病程呈現負相關性，不同狀態之間的轉化次數可以反映認知的靈活性，結果證實MwoA患者認知能力受到損害，MwoA患者可能以視覺空間相關腦區受損為早期認知功能受損的表現［15］。

綜上所述，本研究發現基于獨立成分分析的dFC方法探究MwoA患者DMN與VN之間以長時間弱連接狀態為主要異常表現，MwoA患者可能以視覺空間記憶障礙為早期的認知損傷。MwoA患者存在認知功能損害，可能以視覺認知損害為早期表現。