帕金森認知損傷和DTI腦網路

帕金森認知損傷和DTI腦網路

來自義大利米蘭聖拉斐爾大學的Sebastiano Galantucci等人在Radiology雜誌發文，利用DTI腦網路方法研究有輕度認知障礙的帕金森（PD&MCI）和無輕度認知障礙的帕金森(PD&nMCI）患者的結構網路連接差異。

主要內容：170個帕金森病人（54個MCI， 116個無MCI），41個正常對照（HC）。用確定性纖維束追蹤的方法、基於網路的統計分析研究不同組別結構連接的差異。結果發現，PD&MCI組相比於PD&nMCI以及HC組，整體大腦網路連接均存在異常。相比於HC，PD&MCI組的右腦的基底神經節以及額頂網路的部分各向異性（FA）值升高，雙側基底神經節以及額頂網路的平均擴散率（MD）值升高。相比於PD&nMCI，PD&MCI組的雙側基底神經節以及雙側額顳頂網路的FA值降低。把運動障礙當做協變數去掉之後可以得到相似的結果。PD&MCI和PD&nMCI兩組的結構網路連接沒有差異（p<0.01）。用基於網路的FA和MD參數將PD&MCI從HC以及PD&nMCI被試中區分開，有較高的正確率。結構網路連接異常有助於對PD&MCI患者的信息整合和組織能力異常進行檢測。本文研究結果提供了新的關於結構異常的信息，這也許可以作為區分PD患者是否有認知障礙的標記物。

前言：

新確診的PD患者中有25%存在認知障礙，有認知障礙的患者更有可能發展為痴呆。目前，認知損傷的神經機制還不清楚。有研究顯示多巴胺以及非多巴胺神經遞質系統、邊緣系統以及和阿爾茨海默相關的病變也許都是PD認知障礙的分子以及病理機制。最近研究發現，PD認知障礙患者的皮層和亞皮層的網路結構存在異常。少數研究指出，PD&MCI患者的前額葉以及左右半球之間的白質微結構異常；在PD但是非痴呆患者中，白質異常可能出現在灰質萎縮之前。也有fMRI研究發現，病人的背側注意網路以及右側前額葉腦島區域功能連接降低，額頂網路功能連接異常。

大腦越來越被認為是一個完整的網路，大家都以網路的形式研究大腦，而不單單研究大腦的某個局部。圖論作為一個有力的研究網路功能和結構組織形式的工具，被廣泛運用。大腦被描述成圖論的形式，具體的解剖結構作為節點，節點之間的連接定義為邊。這種方法有助於對大腦組織形式的病變情況進行詳細描述，也有助於對潛在的生理病理機製做出假設，有助於確定潛在的標記物。基於圖論的對PD的研究結果發現，相比於健康人，PD患者整體和節點的功能效率降低。本研究用圖論的方法對PD&MCI患者的整體的腦結構網路進行分析，用DTI的方法探究PD非痴呆患者的和認知相關的白質微結構的異常。

方法：

170（這年頭少於每組30個出門都不好意思跟人打招呼，老闆，先來100萬個被試數據做深度學習玩玩！）個PD非痴呆患者，41個健康被試（HC），採集T1以及DTI數據。用FSL進行數據分析，進行確定性纖維追蹤。

網路定義：用Freesurfer分割的83個灰質腦區定義為節點，DTI追蹤出的纖維束定義為邊。

網路分析：用Brain Connectivity Toolbox( Olaf Spons組出品，必屬精品,了解一下） 得到整個網路的拓撲屬性，包括：小世界屬性、平均網路度、聚類係數、路徑長度、中心性、同配性、全局效率以及網路密度。用Wilcoxon秩和測試來比較這些參數的組間差異。對FA和MD進行同樣的分析，因為這些網路參數比如度、路徑長度、以及密度只考慮網路連接是否存在。

在p<0.01和p<0.05兩個顯著性水平來比較FA和MD的組間差異，進行基於網路的統計分析。主要的和較小的連接組塊的FA以及MD值作為參數輸入到ROC曲線中，用留一法進行交叉驗證，將各組病人區分開。

結果：

（1）PD&MCI、PD&nMCI和HC三組基本人口統計學信息（參見表1.）。

表1.人口統計學信息

（2）全局腦網路拓撲屬性（參見表2.）。

表2.腦網路拓撲屬性

（A） FA的中介中心性（betweenness centrality）：PD&nMCI>HC；MD同配性（assortativity）:PD&nMC

（B） FA的中介中心性:PD&MCI>HC MD的中介中心性:PD&MCI>HC

FA特徵路徑長度：PD&MCI>HC；

FA同配性：PD&MCI>HC

FA聚類係數：PD&MCI;

MD聚類係數：PD&MCI

FA全局效率：PD&MCI

（C） FA同配性：PD&MCI>PD&nMCI;

MD同配性：PD&MCI>PD&nMCI;

FA聚類係數：PD&MCI<PD&nMCI;

MD聚類係數：PD&MCI<PD&nMCI;

FA全局效率：PD&MCI<PD&nMCI;

（3）基於網路的統計分析

圖1：紅線表示主要連接成分，綠線表示異常的非主要的連接成分。

a圖：表示和HC組比較，PD&MCI中受影響的結構連接

具體地：和HC組相比，PD&MCI整體的連接數目減少，FA值降低，全局MD值增加。和HC相比，PD&MCI的基底神經節以及額頂網路包括右側殼核、海馬、前額葉、背側額中回、額下回、側眶額部、腦島以及頂葉下回的FA值降低；小次級網路的左側丘腦，顳極以及梭狀回的FA值降低，右側顳中回、頂上回以及腦幹也是這個小網路的一部分。和HC相比，PD&MCI的雙邊蒼白球、右側尾狀核、殼核、海馬前額葉的眼眶部分以及顳葉上部的MD值升高。在PD&MCI還有很多次級小網路的MD值升高，比如左側基底神經節、中央前回、腦島以及顳葉、頂葉、枕葉的部分腦區。

（4）ROC曲線分析：

留一驗證法，ROC曲線分析結果。主要成分以及次級成分的平均的FA以及MD值用於ROC分析，來將PD&MCI從PD&nMCI以及HC中區分開。結果顯示FA能較好地進行區分。

（5）基於體素的分析：

和HC組相比，PD&MCI組雙側額葉、頂葉、顳葉、胼胝體膝部以及前部額頂網路的FA值降低。升高的MD值和降低的FA值模式相同，此外還有中腦和腦橋部分。將PD&nMCI和PD&MCI兩組比較時，也發現在PD&MCI組具有相同的升高模式。

討論

本文的主要發現是：在PD&MCI組中，結構異常主要發生在基底神經節以及額顳頂網路區域。這和研究運動、執行以及視覺空間等認知障礙得到的區域是一致的。和正常組相比，PD&nMCI和PD&MCI組均存在白質微結構的異常，但是只有PD&MCI顯示出顯著差異，無論是和PD&nMCI比較還是和HC組比較。當關注全局的拓撲性質時，和HC組比較，PD&MCI顯示出顯著差異，而PD&nMCI組基本沒有什麼異常。這個結果顯示，PD&MCI組和PD&nMCI組相比不只是出現白質退化， PD&MCI組的白質結構遭到破壞。該結果可以用來將PD&MCI以較高的正確率從PD&nMCI以及HC中區分開。

少數研究用基於體素的方法以及基於TBSS的方法對PD&MCI白質結構改變模式進行研究。本文用TBSS方法得到的白質連接模式與之前研究大致相同。很多文獻研究結果發現，在PD早期，患者出現認知障礙之前便可以發現DTI結構的異常。PD患者的前額葉FA值降低，在灰質沒有出現萎縮的時候，還包括輔助運動區以及前扣帶回。之前也有研究發現PD的胼胝體膝部以及上縱束的白質異常。基於我們的研究結果以及之前的發現，我們假設：只有白質結構的退化不足以引起認知障礙，而幾個區域白質的連接異常才會改變大腦整合及組織信息的能力，從而引起認知障礙。

之前基於功能連接的研究已經發現了PD患者的腦網路的改變和認知障礙有關。在PD&MCI中，全局網路參數（比如聚類係數、模塊性、小世界屬性）的改變和視覺空間障礙以及記憶障礙有關。用獨立成分分析法，研究PD&MCI病人的靜息態功能連接，已經發現在額頂網路以及額-腦島網路的功能連接異常。本文發現的這些結構連接異常也許和之前研究得到的功能連接異常是相關的。

總結

本文研究結果顯示，基於全腦網路節點的DTI分析也許可以作為一個有力的工具，來研究PD患者中和認知障礙相關的結構異常。研究發現，PD&MCI病人的基底神經節以及額顳頂網路的FA值降低，MD值升高。而在PD&nMCI組只發現了白質結構的微變，並沒有發現白質結構異常。本研究方法也許可以用來確定PD相關的認知障礙的新標記物，有助於新的靶向藥物的研發以及對PD患者認知障礙的早期預測。

一句話總結：通過比較DTI腦網路屬性發現，PD&MCI相比於PD&nMCI患者的結構異常更嚴重。

https://pubs.rsna.org/doi/full/10.1148/radiol.2016160274

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