腰背痛靜息態(tài)功能核磁共振的研究.pdf

1、[背景]
　　 疼痛是與文化、病理、生物等多種因素有關(guān)的一種不愉快感覺與情緒體驗(yàn)。腰背痛作為臨床最常見的慢性疼痛，不僅給患者帶來軀體上的痛苦，也使患者在精神上產(chǎn)生巨大壓力，嚴(yán)重地影響了生活質(zhì)量。腰背痛是一種漸進(jìn)性病理過程，涉及感覺、情感、認(rèn)知等多種屬性的腦功能改變，可引起抑郁、焦慮、睡眠紊亂、決策失誤等認(rèn)知方面的損害。目前普遍認(rèn)為人腦對(duì)痛覺的處理涉及多種功能，包括痛覺的感知、辨別、記憶、情緒以及回避反應(yīng)等;參與處理痛覺的腦區(qū)也很

2、多，在疼痛性疾病中存在涉及多個(gè)腦區(qū)的痛覺調(diào)控功能受損。功能核磁共振成像（fMRI）研究表明，持續(xù)的疼痛導(dǎo)致大腦血流動(dòng)力學(xué)的改變，引起疼痛加工腦區(qū)功能關(guān)系改變，使疼痛模式環(huán)路受損。
　　 靜息態(tài)fMRI研究的是受試者保持清醒、不接收任何外部刺激或執(zhí)行任何高級(jí)功能的狀態(tài)時(shí)的自發(fā)活動(dòng)，即在沒有明確的輸入或輸出因素狀態(tài)下大腦內(nèi)部發(fā)生的血氧水平依賴性信號(hào)的自發(fā)調(diào)節(jié)。近年來憑借其無(wú)創(chuàng)性及可明確腦區(qū)之間連接性等特點(diǎn)，已成為研究大腦自發(fā)和持續(xù)腦

3、功能活動(dòng)的有效工具。目前靜息態(tài)fMRI已廣泛應(yīng)用于肌纖維痛、偏頭痛、復(fù)雜性區(qū)域疼痛綜合征及糖尿病神經(jīng)痛等神經(jīng)性疾病的病理機(jī)制的研究。這些結(jié)果均顯示出疼痛性疾病患者靜息態(tài)腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的改變和缺損，且多與病程、疾病嚴(yán)重程度、治療效果及恢復(fù)程度等密切相關(guān)。
　　 靜息態(tài)的核磁共振成像是腦功能研究的發(fā)展方向，包括低頻漲落相關(guān)性、局部一致性、腦區(qū)之間的功能連接三個(gè)部分。研究表明，在靜息狀態(tài)下，磁共振信號(hào)中存在同步慢頻(f＜0.08 Hz

4、)起伏波形，在功能相關(guān)的腦區(qū)存在著高度時(shí)間相關(guān)性。局部一致性評(píng)價(jià)血氧水平依賴性(BLOD)信號(hào)在同一時(shí)間序列中波動(dòng)的相似性程度，可以反映局部腦區(qū)神經(jīng)元活動(dòng)的時(shí)間一致性程度。功能連接主要集中于對(duì)各腦區(qū)功能連接性的研究，其中默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)研究中引起最廣泛關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)之一，包括前額葉中部、后扣帶回/楔前葉、頂下小葉和顳葉內(nèi)側(cè)皮層等腦區(qū)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)維持著人腦在靜息狀態(tài)下正負(fù)激活之間的平衡，是結(jié)構(gòu)連接和功能連接的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。研究證明，慢性疼

5、痛患者默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的功能連接存在異常，因此，探討疼痛時(shí)靜息態(tài)的大腦活動(dòng)將有助于對(duì)腰背痛發(fā)生機(jī)制及疼痛網(wǎng)絡(luò)功能的進(jìn)一步理解。
　　 [目的]
　　 靜息態(tài)各腦區(qū)功能活動(dòng)的研究是腦功能研究的延伸，主要集中于大腦皮層功能相關(guān)性研究，近年來已取得了較大的進(jìn)步，但各個(gè)腦區(qū)之間的功能聯(lián)系機(jī)制仍舊不清楚，針對(duì)腰背痛默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和島葉靜息態(tài)的功能變化研究很少。為了進(jìn)一步探討疼痛感知和疼痛相關(guān)過程時(shí)各腦區(qū)激活的腦機(jī)制，本研究利用靜息態(tài)功能核磁共振

6、成像局部一致性及功能連接方法，觀察腰背痛靜息狀態(tài)下局部一致性及功能連接的腦功能變化特點(diǎn)，分析默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)與島葉及其功能相關(guān)腦區(qū)連接方式的異常。
　　 [方法]
　　 1研究對(duì)象
　　 選擇性別、年齡、受教育程度相似的健康者15例，其中男8例，女7例;年齡22～30歲，平均(25.7±7.3)歲;受教育程度集中在15～18年，平均(17±3)年;均為右利手。納入標(biāo)準(zhǔn):(1)體重在標(biāo)準(zhǔn)體重（中國(guó)大陸）的±10％范圍內(nèi);(

7、2)無(wú)精神或神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無(wú)嚴(yán)重器質(zhì)性疾病;(3)1月內(nèi)未有過疼痛經(jīng)歷（包括痛經(jīng)），未使用解熱鎮(zhèn)痛藥物、安眠及激素類等藥物;(4)經(jīng)焦慮自評(píng)量表(SAS)及抑郁自評(píng)量表(SDS)評(píng)定結(jié)果為正常者;(5)無(wú)MRI檢查禁忌證且腦內(nèi)未見異常病灶。該試驗(yàn)已經(jīng)獲得了南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者均簽署了知情同意書。
　　 2腰背痛模型與數(shù)據(jù)采集
　　 在試驗(yàn)前10 min，每個(gè)受試者在脊椎腰4(L4)棘突右側(cè)旁開2

8、.0 cm處的腰部肌肉內(nèi)植入留置針軟管（24號(hào)），軟管末端連接裝有0.8 ml3％高滲鹽水的1ml注射器。所有受試者首先完成結(jié)構(gòu)像掃描及正常狀態(tài)時(shí)靜息態(tài)掃描，然后通過留置軟管向腰背部肌肉注入0.3ml3％高滲鹽水，20s后開始第二次靜息態(tài)功能掃描。試驗(yàn)完成后，對(duì)掃描過程中疼痛開始時(shí)間、最痛時(shí)間、結(jié)束時(shí)間進(jìn)行評(píng)估，采用改良視覺模擬評(píng)分法(VAS)對(duì)疼痛強(qiáng)度（0-10分，0=無(wú)，10=無(wú)法忍受的痛）進(jìn)行評(píng)估，并采用情緒量表對(duì)試驗(yàn)過程中包括緊

9、張、恐懼、疲憊等方面的不愉快疼痛體驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估（0-10分，0分為無(wú)，10分為無(wú)法忍受)。
　　 磁共振圖像數(shù)據(jù)采集使用飛利清3.0T Achieva磁共振儀，在一個(gè)正交頭顱線圈內(nèi)完成掃描。掃描時(shí)，受試者仰臥于檢查床上，囑其保持清醒，放松、閉目，盡量保持頭部不動(dòng)，盡量不進(jìn)行思考。常規(guī)結(jié)構(gòu)像掃描采用快速自旋回波序列獲得T1加權(quán)圖像（24層，TR/TE=500/14ms，矩陣=256×256，F(xiàn)OV=220mm×220mm，F(xiàn)A=90

10、°）。靜息態(tài)功能掃描采用單次激發(fā)梯度回波-平面回波成像（single shot GRE-EPI）序列獲得T2加權(quán)圖像（24層，TR/TE=3000/40ms，矩陣=64×64，F(xiàn)OV=220mm×220mm，F(xiàn)A=90°，層厚/間距=5/0.5mm）。
　　 3數(shù)據(jù)處理
　　 采用靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)處理助手(Data Processing Assistant forResting-State fMRI，DPARSF)對(duì)

11、獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理及局部一致性/功能連接計(jì)算。考慮掃描開始階段時(shí)由于機(jī)器磁場(chǎng)未達(dá)穩(wěn)定及受試者不適應(yīng)掃描環(huán)境對(duì)結(jié)果的影響，去掉前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)。然后行時(shí)間校正、頭動(dòng)校正，依頭動(dòng)校正曲線，將頭動(dòng)平移＜2mm、轉(zhuǎn)動(dòng)＜2。數(shù)據(jù)納入（所有受試者均符合）。此外，VAS評(píng)分疼痛強(qiáng)度≥3分的數(shù)據(jù)進(jìn)入后續(xù)分析（所有受試者均符合）。
　　 3.1局部一致性數(shù)據(jù)分析
　　 每個(gè)受試者的圖像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)平面回波成像模板并重采樣到每體素3×3×3mm

12、3，空間標(biāo)準(zhǔn)化后采用線性回歸方法去線性漂移和濾波(0.01＜f＜0.08 Hz)，再將生成的圖像進(jìn)行局部一致性分析，得到平均的ReHo圖，以4m m×4mm×4mm全寬半高的高斯核做空間平滑處理后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。
　　 3.2功能連接數(shù)據(jù)分析
　　 每個(gè)受試者的圖像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)平面回波成像模板并重采樣到每體素3×3×3mm3，將配準(zhǔn)后的圖像以全寬半高的高斯核（4mm）做空間平滑處理，得到的fMRI數(shù)據(jù)去線性漂移后均行帶寬為

13、的0.01～0.08 Hz時(shí)域帶通濾波?；诖殴舱癯上竦募韧芯?，進(jìn)行感興趣區(qū)(ROI)的選擇。以MNI坐標(biāo)為中心，6mm為半徑選擇默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（包括前額葉中部、后扣帶回、顳葉內(nèi)側(cè)）、島葉（包括前島葉、后島葉）為ROIs。以ROI中各體素的時(shí)間信號(hào)的平均值作為種子點(diǎn)的時(shí)間信號(hào)，去除6個(gè)頭動(dòng)參數(shù)、全腦信號(hào)、腦白質(zhì)和腦脊液信號(hào)，通過分析種子點(diǎn)與全腦各體素的時(shí)間序列得到Pearson相關(guān)系數(shù)，利用Fisher Z變換將相關(guān)系數(shù)轉(zhuǎn)化為Z值而使其標(biāo)準(zhǔn)

14、化，最終每個(gè)受試者得到1張相關(guān)圖。
　　 [統(tǒng)計(jì)學(xué)方法]
　　 應(yīng)用SPSS13.0軟件對(duì)研究對(duì)象的一般資料（年齡、性別、教育程度）、VAS及情緒量表結(jié)果進(jìn)行分析，應(yīng)用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)試驗(yàn)前、試驗(yàn)中及試驗(yàn)后的不愉快疼痛體驗(yàn)進(jìn)行分析，計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（(x)±s）表示。
　　 1局部一致性統(tǒng)計(jì)分析
　　 為比較正常與腰背痛兩種狀況在靜息狀態(tài)下的腦功能ReHo差異，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖軟件(S

15、PM8，http:∥www.fil.ion.ucl.ac.uk)對(duì)進(jìn)行高斯平滑后的ReHo圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。組內(nèi)比較采用單樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.001（未校正）及體素K≥10為組內(nèi)比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;組間比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，以P＜0.005(未校正)及體素K≥10為組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　 2功能連接統(tǒng)計(jì)分析
　　 為比較正常與腰背痛兩種狀況在靜息狀態(tài)下的腦功能差異，應(yīng)用SPM8對(duì)Z值進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)，獲得各個(gè)種子點(diǎn)功能連接

16、圖。應(yīng)用Xjview軟件（http:∥www.aliveleam.net）FDR校正檢驗(yàn)分析組內(nèi)單樣本數(shù)據(jù)激活區(qū)閾值，P＜0.05、激活體素范圍K≥10的連續(xù)激活區(qū)域考慮為有意義的激活區(qū)。組間比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)，獲得各個(gè)種子點(diǎn)兩種狀態(tài)下的腦區(qū)激活差異腦圖。以P＜0.001（未校正）及體素K≥10為組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
　　 [結(jié)果]
　　 1疼痛感知與問卷結(jié)果
　　 右側(cè)腰背部肌肉注射高滲鹽水(3％)后，受試者

17、在10～15 s后開始有疼痛的感覺，約20s后疼痛感覺最明顯，持續(xù)4～5分鐘后疼痛開始減弱，8分鐘后完全消失。采用VAS對(duì)其疼痛強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)分，分?jǐn)?shù)在3～9分之間，平均(6.33±2.29)分。所有受試者在試驗(yàn)前、中、后均有輕微的緊張和恐懼情緒，其中試驗(yàn)進(jìn)行過程中緊張和恐懼評(píng)分分別為(2.92±1.78)和(1.50±1.62)，試驗(yàn)前、中、后三者之間的緊張和恐懼情緒得分均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（單因素方差分析，P＞0.05）。
　　 2

18、ReHo改變
　　 與正常狀態(tài)相比，腰背痛狀態(tài)下ReHo顯著增高的腦區(qū)包括雙側(cè)前額葉內(nèi)側(cè)、左額下回、右額中回、右小腦頂葉小腦扁桃體、右腦橋、右島葉、右尾狀核、右楔前葉、右海馬旁回、后扣帶回(P＜0.005，K≥10，未校正)。腰背痛狀態(tài)下ReHo減低的腦區(qū)包括右顳上回、左顳中回、左中央前回、左中央后回、左海馬旁回、左梭狀回、左前扣帶、左腦頂上小葉、右腦頂下小葉(P＜0.001，K≥10，未校正)。
　　 3默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)與島葉

19、功能連接改變
　　 腰背痛受試者疼痛狀態(tài)與正常狀態(tài)相比靜息態(tài)存在顯著的功能連接改變。在疼痛刺激下，腰背痛受試者島葉與前額葉內(nèi)側(cè)、顳葉內(nèi)側(cè)皮層的功能連接增高，與后扣帶回、楔前葉、頂下小葉的功能連接減低。以雙側(cè)前島葉作為種子點(diǎn)，其功能連接圖譜顯示與皮質(zhì)區(qū)域—前扣帶回、中央旁小葉、小腦后葉（主要是小腦扁桃體）功能連接減低，與前額葉的功能連接增高。以雙側(cè)后島葉為種子點(diǎn)，其功能連接圖譜顯示在靜息狀態(tài)下與前額葉、丘腦、海馬旁回的功能連接增高

20、，與顳葉內(nèi)側(cè)皮層、舌回、頂下小葉功能連接減低。此外，我們發(fā)現(xiàn)，靜息狀態(tài)下前扣帶回與前島葉、后島葉的連接方式均有明顯的改變，其中與前島葉連接減低，與后島葉連接增強(qiáng)。這一結(jié)果提示前后島葉與前扣帶回連接方式是不同的。本研究結(jié)果表明，疼痛改變了島葉與前額葉內(nèi)側(cè)、后扣帶回/楔前葉及頂下小葉的功能連接。
　　 [結(jié)論]
　　 腰背痛在靜息狀態(tài)下存在廣泛的腦活動(dòng)局部一致性異常，以及默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)與島葉存在廣泛的皮質(zhì)及皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的功能連接異常