《眼科新进展》 2021年9期
843-847
出版日期：2021-09-05
ISSN:1003-5141
CN:41-1105/R
虹膜睫状体炎患者的静息态脑功能不同频段低频振幅研究
虹膜睫状体炎为累及虹膜及睫状体的炎症性眼科疾病，其发病率占葡萄膜炎总发病率的50%~92%［1］。该病主要表现为眼红、眼痛、畏光流泪及不同程度的视力下降；若不及时治疗，可能诱发如继发性青光眼及瞳孔闭锁等严重并发症发生［2］。虹膜睫状体炎发病机制复杂，可由感染或自身免疫等多因素引起［3-4］。已有文献证明该病患者存在不同程度视功能受损，伴视网膜神经纤维层厚度及黄斑体积等结构改变，可对患者视觉传导通路的功能造成影响［5-6］。然而，虹膜睫状体炎患者的视觉传导通路及脑功能活动的改变尚不明了。
静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）的快速发展为评估虹膜睫状体炎患者中枢神经功能提供了有效手段［7］。其主要原理是根据大脑各功能脑区局部血流和耗氧量的交换改变，量化血氧水平依赖(BOLD)信号的变化，从而揭示大脑神经元自发活动情况［8］。低频振幅（ALFF）技术可检测受试者在短时间内BOLD低频振荡信号偏离基线的平均幅度值，是反映大脑自发活动强度变化的重要指标［9-11］。我们拟采用rs-fMRI技术对虹膜睫状体炎患者进行不同频段的ALFF分析，旨在为探索虹膜睫状体炎的发病机制和病理生理改变提供客观神经影像学依据。
1 资料与方法
1.1 一般资料 选取2019年1月至2021年3月就诊于武汉大学人民医院眼科中心的28例单眼确诊虹膜睫状体炎患者为患者组，其中男15例，女13例，年龄23~67（45.46±14.58）岁。纳入标准：（1）所有患者均经视力、眼压及眼底检查，符合虹膜睫状体炎的诊断标准；（2）不伴其他眼部疾病或全身系统性疾病；（3）经光学相干断层扫描或直接/间接检眼镜检查未见脉络膜及视网膜病变；（4）在疾病发生进程中未接受糖皮质激素或非甾体类药物治疗；（5）无眼部外伤或手术史；（6）右利手。排除标准：（1）存在后极部异常；（2）合并其他因素导致视力受损；（3）伴随全身系统性疾病；（4）有神经精神疾病史；（5）合并继发性青光眼、并发性白内障等严重眼部并发症；（6）存在磁共振成像扫描禁忌证；（7）具有酒精或药物依赖史。
招募同期与患者组性别、年龄、受教育程度均相匹配的27名健康志愿者作为健康对照组，其中男14例，女13例，年龄25~66（45.48±13.64）岁。纳入标准：（1）无眼病史及全身系统性疾病史；（2）无对神经功能造成影响的神经精神类疾病；（3）无磁共振成像扫描禁忌证；（4）无颅脑创伤史或其他可能影响脑结构的中枢神经系统疾病；（5）右利手。
所有受试者均自愿参与本研究并签署知情同意书。本研究的实施符合《赫尔辛基宣言》，并且经武汉大学人民医院伦理委员会批准（批文号：WDRY2019-K032）。
1.2 方法
1.2.1 fMRI数据采集 在武汉大学人民医院影像科磁共振检查室进行数据采集，使用西门子3.0T超导型磁共振扫描仪及8通道头颅磁共振线圈进行检查。受试者取仰卧位，戴耳塞以减低扫描噪声，取海绵垫固定头部，扫描野涵盖全脑。扫描参数分别为：（1）获取常规轴位T1WI序列排除颅内其他病变：重复时间/回波时间为8.5 ms/3.3 ms，层厚为1.0 mm，反转角度为12°，无层间隔，矩阵为256×256，视野为240 mm×240 mm；（2）运用平面梯度序列获取rs-fMRI数据：重复时间/回波时间为2000.0 ms/25.0 ms，层厚为3.0 mm，反转角度为90°，层间隔为1.2 mm，矩阵为 64×64，视野为240 mm×240 mm。扫描共8 min，共采集240个时间点，每个时间点采集35幅轴层图像。在扫描过程中，嘱受试者在保持清醒的状态下闭眼、静止及平静呼吸。
1.2.2 图像数据预处理 在Matlab 2013b平台上运行统计参数图SPM12和DPABI软件并按照下列顺序进行数据预处理［12］：（1）将数据格式由DICOM转换为NIFIT文件；（2）去除前10个时间点采集的数据，减少初始磁场不匀的影响；（3）时间校正，消除不同时间层面的时间相位差；（4）头动校正，剔除头动平移超过1.5 mm或旋转超过1.5°的受检者数据；（5）在蒙特利尔研究所（MNI）颅脑功能标准模板上对所有脑功能图像进行空间标准化；（6）为降低空间噪声及功能残差，进行高斯平滑处理，其中半峰全宽值为6 mm；（7）去线性漂移及去协变量，进一步消除因心跳频率及呼吸运动等因素所致的偏离基线的混杂信号；（8）带通滤波处理，过滤生理性噪声影响，分别采集0.010~0.080 Hz、slow-4(0.027~0.073 Hz)、slow-5(0.010~0.072 Hz)频段内的有效数据。
1.2.3 ALFF和分数低频振幅计算 rs-fMRI数据预处理后，运用REST软件［13］计算不同频段ALFF和分数低频振幅（fALFF）信号值。通过快速傅里叶算法将每个体素的时间序列转化为频域，得到功率谱，对功率谱函数开方，将所得平方根平均到预先定义的频率范围内，得到此频段内的ALFF［14］。设定频率0.010~0.080 Hz上经Fisher Z变化后的ALFF与总频段的全脑ALFF均值之比为fALFF。
1.3 统计学分析 采用SPSS 20.0软件对两组受试者一般临床资料进行统计学分析，其中性别比较采用卡方检验，年龄、受教育程度及最佳矫正视力（BCVA）比较采用双样本t检验。符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，计数资料采用频数表示，检验水准：α=0.05。在Matlab平台运行DPABI软件对两组受试者的ALFF进行单样本t检验和双样本t检验，分别用于比较组内和组间分布差异。统计结果使用高斯随机场进行多重比较校正，设置体素水平阈值P<0.001，团簇水平阈值P<0.05，得到全脑ALFF差异有显著统计学意义的脑区，同时提取差异脑区内的fALFF信号值。分析结果通过BrainNet Viewer软件进行图形化呈现，同时记录MNI标准脑模板上有明显统计学意义脑区的具体解剖位置、团簇体素数量等信息。利用受试者工作特征(ROC)曲线分析两组受试者间差异脑区的平均fALFF。此外，采用Pearson相关分析法检验患者的fALFF与临床量表（病程及疾病严重程度）的关系。
2 结果
2.1 一般临床资料分析 患者组与健康对照组受试者的年龄、性别及受教育时间差异均无统计学意义（P>0.05）。患者组右眼患病12例，左眼患病16例，患者组患眼BCVA与健康对照组相比差异均有统计学意义（均为P<0.05）（见表1）。
2.2 两组受试者fALFF结果与差异脑区 患者组和健康对照组受试者fALFF的分布见图1。与健康对照组相比，患者组受试者在右侧舌回、左侧舌回、右侧颞中回及左侧楔叶的fALFF均显著降低（高斯随机场校正，体素水平P<0.001，团簇水平P<0.05）（图2，表2）。
2.3 不同频段ALFF比较 slow-4频段：与健康对照组相比，患者组受试者的ALFF在左侧距状沟、左侧枕中回、右侧枕上回及右侧角回显著降低。slow-5频段:与健康对照组相比，患者组受试者的ALFF在右侧枕下回及左侧楔叶显著降低（高斯随机场校正，体素水平P<0.001，团簇水平P<0.05）（图3，表3）。
2.4 ROC曲线与相关性分析 假设患者组和健康对照组受试者间fALFF的差异是重要的诊断依据，采用ROC曲线法对差异脑区的平均fALFF进行分析，ROC曲线下的面积(AUC)即代表精确度。在本研究中，差异脑区AUC分别为：右侧舌回0.824（P<0.001；95%CI：0.710~0.938）、左侧舌回0.840（P<0.001；95%CI：0.733~0.948）、右侧颞中回0.854（P<0.001；95%CI：0.743~0.964）、左侧楔叶0.883（P<0.001；95%CI：0.795~0.971）（图4）。此外，未在患者组中发现fALFF与临床量表（病程及疾病严重程度）的显著相关（P>0.05）。
3 讨论
ALFF技术能较好地反映大脑局部自发性活动强弱且具有较高的重测信度。国内外较多研究采取分频段ALFF方法研究大脑神经元的振荡模式，降低了生理噪声等对结果的影响［9-11］。目前，该技术已成功应用于探究青光眼、视神经炎及糖尿病视网膜病变等眼科患者脑自发神经活动的改变。本研究首次应用分频段ALFF法研究大脑神经元的振荡模式，从而从不同角度发现虹膜睫状体炎患者不同脑区的异常脑功能活动。本研究结果显示，与健康对照组比较，患者组受试者在右侧舌回、左侧舌回、右侧颞中回及左侧楔叶的fALFF均显著降低；在slow-4频段下，患者组受试者在左侧距状沟、左侧枕中回、右侧枕上回及右侧角回的ALFF均显著降低；在slow-5频段下，患者组受试者在右侧枕下回及左侧楔叶的ALFF均显著降低。这些结果提示虹膜睫状体炎患者存在静息态多个脑区的功能紊乱，同时为进一步探究中枢神经系统在虹膜睫状体炎发病机制中的作用提供了方向。
本研究显示，患者组受试者双侧大脑舌回fALFF及slow-4频段下左侧距状沟的ALFF均显著降低。舌回位于枕叶距状沟下方初级视皮层，发挥视觉感知及视觉记忆加工的重要功能［15］；距状沟是枕中回的沟回，位于初、高级视皮层。以往研究表明，虹膜睫状体炎的病变进展可引起一系列急性炎症及微血管病变，如前房内纤维素性渗出、炎性介质导致的眼部毛细血管通透性增强及眼内血-视网膜屏障受损，均会造成患者视力不同程度的下降［16］。自身免疫性虹膜睫状体炎患者除眼前节炎症反应外，脉络膜及视网膜组织也是其炎症累及的靶组织，常并发视盘水肿、玻璃体炎、黄斑囊样水肿等眼后节炎症，可伴随视网膜神经元的损伤［3］。视觉传导通路是从光感受器接收视觉信息开始，投射至大脑枕叶皮质纹状区视觉中枢的一个重要神经传导通路，其解剖结构复杂，不同部位的损伤会引起不同程度的视功能障碍［17］。此外，我们的前期研究已检测到静息状态下虹膜睫状体炎患者的视觉相关脑区（枕下回、距状沟）的神经元局部一致性信号显著降低［18］。据此推测，虹膜睫状体炎患者舌回及距状沟ALFF降低可能是由于炎症反应造成眼部组织水肿、萎缩等病理性改变，导致患者视力下降，视觉信号刺激减少，视皮层的功能活动失调。
视皮层分为初级视皮层和高级视皮层，本研究另一fALFF及slow-5频段ALFF改变主要集中在高级视皮层楔叶。楔叶是视觉信息处理、空间定位、躯体感觉整合及自我意识功能的重要脑区［19-20］。大脑处理视觉信息的传导是从初级视皮层传输到高级视皮层，包括两条等级处理通路，即腹侧通路和背侧通路［21］。腹侧通路沿纹状体经过顶叶前内侧回到达腹侧运动区，并到达初级运动皮层，主要负责识别视觉对象的物理特征（如形状、纹理、颜色等）［22］。背侧通路主要通过纹状体经过顶上小叶到达初级运动皮层，在处理空间位置信息方面具有重要作用。本研究结果显示的虹膜睫状体炎患者左侧楔叶ALFF降低，可能是由于初级视皮层功能改变及其向高级视皮层信息传递过程中存在的竞争抑制不平衡，造成楔叶区域高级视功能受影响导致的。
颞中回的功能复杂多样，不仅参与视觉腹侧通路组成及听觉初级投射，同时在视觉记忆、语义处理及情感调节等脑功能活动中发挥核心作用［23］。颞中回还是默认网络的重要组成部分之一，默认网络是一组在静息状态下活动增强的脑功能网络，参与情绪加工、自我反思、记忆等多项认知进程，其功能异常存在于抑郁症、阿尔茨海默病等多种疾病中［14］。多项研究对虹膜睫状体炎患者心理健康状况及其作用机制进行了探讨，发现虹膜睫状体炎患者情绪认知调节受损，伴有焦虑、抑郁等负性情绪［24-25］。本研究发现，虹膜睫状体炎患者颞中回fALFF信号值较健康对照组显著降低，提示患者颞中回的神经元自发性活动减弱。因此，推测在虹膜睫状体炎的疾病进程中，初级视皮层神经损害会引发与之相关脑区的皮层功能改变，同时由于眼痛、视力下降及疾病复发的病程进展，可能会造成患者情绪、记忆及认知等功能减弱。
本研究也存在一定局限性。首先，纳入的虹膜睫状体炎患者的病例数有限，未能进行多中心或纵向研究；其次，本研究选取的是描述大脑局部特征的参数指标，而对大脑区域间相互联系功能网络层面的改变尚不清楚；此外，未对患者进行神经心理学测试，从而未能客观评价患者情绪认知状况。在后续工作中，我们将扩大样本量，将患者精细化分组，以针对性探索疾病的病理生理机制及重要影响因素；还将联合多模态磁共振技术（功能连接、独立成分分析、弥散张量成像等），进一步探索虹膜睫状体炎患者神经功能改变的结构基础和脑功能变化特征，为临床提供更全面的信息。
综上所述，神经功能的改变对挖掘虹膜睫状体炎的潜在发病机制意义重大，本研究通过基于ALFF技术的rs-fMRI方法，对虹膜睫状体炎患者的自发神经活动改变进行了观察，不同频段的信号值能够相互补充，以发现异常活动的脑区。我们发现虹膜睫状体炎患者存在视觉功能障碍及情绪认知功能相关的脑功能改变，这一发现有助于早期检测和评估虹膜睫状体炎患者的病情发展，为进一步揭示虹膜睫状体炎患者的大脑自发性神经功能改变，并深入探究其视觉传导通路的改变提供神经影像学参考。