背景ALS是一种少见的神经退行性疾病,特征是上和下运动神经元的损失。研究表明ALS进展性的损害并不局限在上、下运动神经元,还累及包括前额叶、颞叶、顶叶及基底节区等多个脑区,存在诸多的非运动系统症状。近年来,ALS锥体外系症状成为研究关注的热点问题,获得了不少ALS锥体外系受累的证据。有研究采用f MRI的技术和方法,发现了功能连接明显减低的区域在感觉运动网络以及有关认知行为的网络;同时在躯体感觉和其他运动外区域也有功能连接增加的报道。然而,所有这些报道均采用的是基于独立成分分析或者种子点途径的网络功能连接分析方法,尚不能充分描述ALS的全脑功能网络连接组。同时,在既往ALS结构MRI研究中,大多数应用VBM和SBM技术的研究都发现了ALS患者运动皮质的灰质萎缩和额叶脑区广泛的皮质变薄,但尚未发现有专门针对ALS深部核团结构的研究报道。近年兴起的网络图论分析技术能够描述某个节点与全脑功能网络连接组的功能关系,度中心度(DC)是一个常被使用图论网络测量指标,常被用来表征全脑功能网络中心性的变化。FSL—FIRST活体MRI体积分析是使用基于标准手动分割图像模型对皮质下核团进行自动分割的技术,可用来评估皮质下核团体积的变化。这些技术的应用为我们提供了观察和分析ALS神经影像机制的新视角。目的在本研究拟应用体素水平的静息态图论功能网络度中心度(DC)分析技术,探讨ALS患者全脑功能网络变化,并应用FSL—FIRST活体MR体积分析技术,评估ALS皮质下核团的体积改变。通过相关性分析初步探讨ALS全脑功能网络改变和皮质下核团体积改变与ALS疾病严重程度的关系。材料和方法(一)体素水平静息态图论功能网络DC分析1.受试者招募根据El Escorial诊断标准,连续招募了43名ALS患者(30名确诊/13名可能诊断)和44名性别、年龄相匹配的健康志愿者,均为右利手。排除标准如下:(1)运动神经元病家族史;(2)临床额颞痴呆诊断;(3)脑外伤、癫痫、精神病及其他神经精神病史;(4)明显呼吸衰竭(用力肺活量小于70);(5)认知功能损害,Mo CA评分小于26分为认知功能损害。使用ALSFRS-R评估病情的严重程度。所有的受试者均接受常规MRI检查,排除了肿瘤、中风、脑白质病变等颅内器质性病变,并签署了知情同意书。2.MRI数据采集使用重庆西南医院的3.0 T Siemens Trio Tim超导全身MRI扫描仪。静息态功能磁共振数据采集使用EPI序列进行36个层面轴位扫描。3D T1WI高分辨率解剖图像数据通过三维磁化准备快速梯度回波序列从矢状位采集。3.MRI数据处理基于MATLAB平台,在REST1.8软件和SPM8软件的框架下,使用DPARSF2.3软件对所有的数据进行预处理并计算DC。为排除非灰质体素干扰相关,DC的计算在灰质概率大于20%的先验模板内进行,将预处理功能数据进行基于体素的全脑相关分析;根据模板内每个体素的时间信号与所有其他体素的相关性,产生的相关矩阵;通过在r>0.25阈值,得出一个非直接连接矩阵。每个体素与其它所有体素功能连接的总数量即为二值DC,每个体素与其它所有体素功能连接的权重值总和,即为权重DC。通过每个体素的DC值减去全脑所有体素DC的均值后再除以标准差,对体素水平的DC进行z评分值转换以便于统计分析。最后,以带宽半径4mm对z评分值图谱进行高斯核平滑。4.统计分析使用REST1.8软件进行两样本T检验,以比较ALS组与正常对照组的DC指标是否存在差异,多重比较校正采用Alpha Sim方法,阈值为P<0.01,体素的计算采用AFNI Alpha Sim方法中Monte Carlo simulations进行计算,簇体积(clusters)大于18个体素的脑区设定为有统计学差异的脑区。以每名患者的性别和年龄为协变量,使用皮尔森相关(双侧)分析ALS患者的ALSFRS-R评分与DC变化区域的z评分值间的相关性。(二)ALS皮质下核团的体积分析1.受试者招募根据修订El Escorial诊断标准,连续招募了25名(男17,女8)可能诊断或者明确诊断的散发ALS患者。排除标准:运动神经元病家族史、认知损害和临床确诊额颞痴呆患者以及其它重要的全身性、精神系统、神经系统疾病。使用ALSFRS-R评分评估患者的临床严重状态。从初始症状出现至MRI扫描的时间为病程,疾病进展率=(48-ALSFRS-R)/病程。25名健康对照从当地社区招募,没有神经精神疾病史。所有的受试者均接受常规MRI检查,排除了肿瘤、中风、脑白质病变等颅内器质性病变,并签署了知情同意书。2.MRI数据采集及处理使用3.0T Siemens Trio Tim超导MRI扫描仪,通过三维磁化准备快速梯度回波序列采集标准T1加权高分辨率解剖图像数据集,以进行皮质下核团的体积分析。使用FSL软件4.1.5版的FIRST插件1.2版自动分割并计算受试者双侧大脑半球的皮质下区域的体积,包括双侧伏隔核、杏仁核、尾状核、海马、壳核和丘脑。为了消除个体变异性的影响,使用SIENAX工具从相应受试的T1WI高分辨率图像提取每个受试的总颅内体积(TIV)。3.统计分析采用SPSS 17.0软件进行统计分析,以每个受试者的年龄、性别、教育程度和TIV为协变量,采用MANCOVA模型评估皮质下核团体积。MANCOVA模型定义每组被试为固定因子,14个独立核团(双侧伏隔核、杏仁核、尾状核、海马、壳核和丘脑)为因变量,多重对比校正采用Bonferroni方法进行校正,有统计学意义差异阈值设定为P<0.05。以每名患者的性别、年龄和教育程度为协变量,使用皮尔森相关(双侧)分析ALS患者的ALSFRS-R评分与改变核团体积间的相关性。结果(一)权重网络DC指标的分析表明。与对照组相比较,ALS组的权重网络DC明显增高的区域是:左侧小脑后叶、双侧小脑脚、双侧枕极(BA18/19)、右侧眶额叶(BA11)和双侧前额叶(BA8/9)。ALS组与对照组比较,权重网络DC明显减低的区域是:双侧初级运动皮层(BA4/6)、双侧感觉运动区(BA3/5)、右侧前额叶(BA45)、左侧楔前叶(BA5)、双侧外侧颞叶(BA48)、左侧中扣带皮质(BA23)、双侧视觉处理皮质(BA17/18/37)。二值网络DC分析的结果与权重网络DC分析结果类似。相关分析表明:ALS患者右侧枕下回的权重网络(p=0.038,r=-0.342)DC z评分值和二值网络(p=0.039,r=-0.0341)DC z评分值均与ALSFRS-R评分呈明显意义负相关。(二)基于FSL—FIRST皮质下核团体积分析技术发现:ALS组患者与对照组相比较,ALS组双侧丘脑(左侧p=0.021,右侧p=0.006)、左侧海马(p=0.034)和右侧杏仁核(p=0.019)的体积明显减低。ALS患者的ALSFRS-R评分与改变核团体积间没有明显意义的相关性。结论体素水平静息态图论功能网络DC分析表明:ALS患者脑网络DC异常的区域分别位于多个脑区,进一步印证了ALS是一种多系统疾病;右侧枕下回DC改变或许可以用来评估ALS患者的病情严重性。提示DC指标在研究ALS全脑网络重组有重要意义。皮质下核团的体积分析发现ALS累及双侧丘脑、左侧海马和右侧杏仁核。本研究从ALS脑功能网络的多系统改变和皮质下核团体积的变化两个角度,进一步加深了对ALS是一种多系统疾病的理解。