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研究背景：
意识包括觉醒和觉知两个部分，觉醒功能由上行网状激活系统维持，而觉知功能则涉及更为广泛的皮质功能。意识障碍(disorders of consciousness，DOC)是指由多种致病因素导致患者脑功能损害，从而引起意识水平下降的临床症状。其中常见的严重意识障碍类型有：昏迷状态(Coma)、植物状态/无反应觉醒综合症(vegetative state/unresponsive wakefulness syndrome (VS/UWS))和最小意识状态(Minimally conscious state，MCS)。昏迷状态是指觉醒和觉知功能的完全丧失；植物状态则是保留觉醒功能，丧失觉知功能；而最小意识状态则保留觉醒功能和部分觉知功能。经历了严重脑损伤的患者，通常会陷入昏迷状态，而大部分的昏迷时间小于一个月，继而从昏迷中醒来，陷入慢性意识障碍状态(chronic disorders of consciousness，cDOC)，即植物状态和最小意识状态。
慢性意识障碍患者对家庭、社会造成了巨大的经济和护理负担。现状越来越受到关注。其中植物状态已脱离急性期的昏迷状态，虽保留自主神经功能如睡眠-觉醒周期，但完全丧失对自身及周围环境的觉知能力；最小意识状态则存在微弱但确定的感知能力。临床上同一治疗手段对最小意识状态和植物状态患者的疗效不同，且处于这两种意识状态的患者的预后往往各不相同。因此，尽早的确定患者的意识水平非常重要。然而，临床上目前仍主要以行为学量表来鉴别这两种意识状态。目前广泛采用的是格拉斯哥昏迷量表(Glasgow Coma Scale, GCS)和昏迷恢复量表(Coma Recovery Scale-Revised，CRS-R)。虽然这些量表看起来简单且很有效，但依然无法克服量表评估本身必然存在的评估者的主观性差异问题。另一方面，由于意识障碍患者具有觉醒波动、不稳定的运动语言功能等特点，导致行为学评估误诊率也很高。因此，如何有效地判断意识障碍患者的意识水平仍是临床急需解决的一大难题。
近年来，随着神经成像技术的发展和后处理分析手段的多样化，许多意识障碍相关的研究也开始转向神经影像学及神经电生理技术。研究者们通过对意识障碍患者大脑结构与功能的监测，从而进行脑功能探究及疾病预后判断。功能磁共振成像(fMRI)已成为研究功能性连接的常用工具，越来越多的研究报道，默认模式网络(DMN)、额叶顶叶网络及丘脑-皮层网络的功能连接降低和意识障碍程度有密切的关系。近来，白质网络连接在意识障碍中的研究也引起了广泛重视。
尽管已有不少研究，但大多数白质方面的研究还局限于基于感兴趣区的分析，少有基于网络的图论分析的报道。随着神经影像技术飞速发展，7.0T磁共振逐步用于科学研究，极大地提高了相对于低场强磁共振成像的信噪比。尽管目前尚未在临床上广泛使用，但全球越来越多的研究者开始使用场强为7.0T的MRI扫描仪。它可被用来获得更高的分辨率、信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)。同时结合7.0T弥散磁共振成像的扫描的多层(SMS)序列，可明显缩短扫描时间来获得信噪比更高的弥散数据。这对于意识障碍患者的扫描来讲，不仅有效缩短时间，而且可以减少扫描过程中意外窒息等事故的发生，扫描安全性提高。另外，通过7.0T高场强的弥散成像，白质纤维交叉的区域追踪将有进一步的提升。因此，对慢性意识障碍患者进行7.0T高场强的弥散成像，结合白质纤维网络的图论分析方法，不仅有助于缩短扫描的时间，而且可以为严重脑损伤所致慢性意识障碍的病理过程提供更高分辨率的结构像，并可精确计算图论相关的拓扑属性，有助于提高意识状态的精准鉴别率，有望成为客观指标之一。
研究目的：
基于以上的研究背景，本研究使用高场强磁共振仪(7.0 Tesla)，将严重脑损伤后慢性意识障碍患者与正常人群(健康对照)；以及患者的不同状态(植物状态和最小意识状态)之间进行差异分析，寻找新的影像学标记，建立意识障碍预后的新方法，试图解决以下问题：
(1)运用7.0TMRI探索慢性意识障碍患者(DOC)不同状态(植物状态和最小意识状态)与健康对照组之间脑白质结构网络的差异，进一步分析与临床预后的相关性。
(2)运用7.0TMRI研究慢性意识障碍患者(DOC)从植物状态自发恢复至最小意识状态的早期结构变化，探讨脑白质结构的改变与疾病发展的相关性。
第一部分慢性意识障碍患者脑白质结构网络的连接变化研究：基于7.0T弥散磁共振成像技术的研究
研究方法：
本研究纳入11例严重脑损伤后慢性意识障碍患者和11例性别、年龄相匹配的健康对照者，分别进行T1加权和弥散磁共振成像扫描。构建全脑白质网络，使用图论分析，计算全脑白质连接图论相关的八个拓扑属性指标，分析对照组和患者组的差异；再将患者组细分为植物状态组和最小意识状态组，与对照组一起，三者之间进行比较，寻找差异。最后，运用基于网络的统计分析对全脑白质网络进行分析，寻找患者组内连接差异的子网络。
研究结果：
通过对慢性意识障碍患者与正常对照人群全脑白质网络的八个图论拓扑属性指标的比较，我们的数据得到，慢性意识障碍患者组表现出显著升高的传递性(P＜0.001)，局部效率(P=0.009)和聚类系数(P=0.039)。比较三组(健康对照，最小意识状态组和植物状态/无反应觉醒综合症组)中的全脑白质网络图论图论拓扑指标时，在传递性(P＜0.001)这一指标有显著差异；局部效率(P=0.031)这一指标有差异。与最小意识状态组相比，在植物状态/无反应觉醒综合症组中观察到传递性值显著升高(P=0.0217，Bonferroni校正)。并且传递性值显示出与昏迷恢复量表修订评分显著的负相关(r=－0.6902，P=0.023)。基于网络的统计分析结果显示，与健康对照组比较，慢性意识障碍患者组存在白质网络连接明显降低的子网络，主要位于额叶皮层、边缘系统、枕叶和顶叶。
结论：
通过7.0T高场强的弥散成像技术，我们在严重脑外伤所致的慢性意识障碍患者中运用图论分析的八个拓扑属性指标评估白质网络连通性，可以有效区分健康对照组和慢性意识障碍患者的两种状态。在所分析的八个指标中，传递性这一指标在区分意识障碍患者不同意识水平方面起着至关重要的作用。图论分析法对传统的结构影像学分析有补充作用，对区分慢性意识障碍不同状态提供帮助，为未来慢性意识障碍的研究提供潜在的影像学标志物。
第二部分慢性意识障碍患者从植物状态自发恢复至最小意识状态的早期结构改变：基于7.0T弥散磁共振成像技术的研究
研究方法：
本研究采用昏迷恢复量表修订版(CRS-R)评分，24小时脑电图(EEG)和超高场7.0T磁共振成像对一名重度脑损伤患者进行跟踪研究，分别采集植物状态和最小意识状态两种状态下的相应数据进行分析比较。使用全脑白质连通测量分析(Connectometry)，将最小意识状态中的白质纤维与植物状态中的相同白质纤维进行比较，得到意识状态改变时白质纤维的变化情况。然后使用全脑白质纤维分析，得到上述密度增加的白质纤维增加最多的具体脑区。
研究结果：
基于全脑白质连通测量分析，最小意识状态时患者颞顶交界区(TPJ)密度增加的纤维数量与植物状态相比增加幅度最大，且多位于右侧大脑半球。这与24小时脑电图记录中观察到的活动区域一致。此外，对上述密度增加的不同白质纤维的分析，揭示出具有较高识别权重的改变的白质连接位于视觉相关区域内或跨视觉相关区域，包括右侧楔叶，右侧距状回，右侧枕上回和右侧枕中回。此外，与听觉皮层相关的右侧颞中回显示与其他区域的连接性增加最高。这与CRS-R的视觉和听觉部分的改善相一致。
结论：
本研究结果为颞顶交界区以及视觉和听觉感觉系统在严重脑损伤患者的早期康复中的重要作用提供了证据。我们的研究结果可能有助于更深入地了解意识相关过程的潜在机制，并启发慢性意识障碍患者的治疗策略。
意识包括觉醒和觉知两个部分，觉醒功能由上行网状激活系统维持，而觉知功能则涉及更为广泛的皮质功能。意识障碍(disorders of consciousness，DOC)是指由多种致病因素导致患者脑功能损害，从而引起意识水平下降的临床症状。其中常见的严重意识障碍类型有：昏迷状态(Coma)、植物状态/无反应觉醒综合症(vegetative state/unresponsive wakefulness syndrome (VS/UWS))和最小意识状态(Minimally conscious state，MCS)。昏迷状态是指觉醒和觉知功能的完全丧失；植物状态则是保留觉醒功能，丧失觉知功能；而最小意识状态则保留觉醒功能和部分觉知功能。经历了严重脑损伤的患者，通常会陷入昏迷状态，而大部分的昏迷时间小于一个月，继而从昏迷中醒来，陷入慢性意识障碍状态(chronic disorders of consciousness，cDOC)，即植物状态和最小意识状态。
慢性意识障碍患者对家庭、社会造成了巨大的经济和护理负担。现状越来越受到关注。其中植物状态已脱离急性期的昏迷状态，虽保留自主神经功能如睡眠-觉醒周期，但完全丧失对自身及周围环境的觉知能力；最小意识状态则存在微弱但确定的感知能力。临床上同一治疗手段对最小意识状态和植物状态患者的疗效不同，且处于这两种意识状态的患者的预后往往各不相同。因此，尽早的确定患者的意识水平非常重要。然而，临床上目前仍主要以行为学量表来鉴别这两种意识状态。目前广泛采用的是格拉斯哥昏迷量表(Glasgow Coma Scale, GCS)和昏迷恢复量表(Coma Recovery Scale-Revised，CRS-R)。虽然这些量表看起来简单且很有效，但依然无法克服量表评估本身必然存在的评估者的主观性差异问题。另一方面，由于意识障碍患者具有觉醒波动、不稳定的运动语言功能等特点，导致行为学评估误诊率也很高。因此，如何有效地判断意识障碍患者的意识水平仍是临床急需解决的一大难题。
近年来，随着神经成像技术的发展和后处理分析手段的多样化，许多意识障碍相关的研究也开始转向神经影像学及神经电生理技术。研究者们通过对意识障碍患者大脑结构与功能的监测，从而进行脑功能探究及疾病预后判断。功能磁共振成像(fMRI)已成为研究功能性连接的常用工具，越来越多的研究报道，默认模式网络(DMN)、额叶顶叶网络及丘脑-皮层网络的功能连接降低和意识障碍程度有密切的关系。近来，白质网络连接在意识障碍中的研究也引起了广泛重视。
尽管已有不少研究，但大多数白质方面的研究还局限于基于感兴趣区的分析，少有基于网络的图论分析的报道。随着神经影像技术飞速发展，7.0T磁共振逐步用于科学研究，极大地提高了相对于低场强磁共振成像的信噪比。尽管目前尚未在临床上广泛使用，但全球越来越多的研究者开始使用场强为7.0T的MRI扫描仪。它可被用来获得更高的分辨率、信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)。同时结合7.0T弥散磁共振成像的扫描的多层(SMS)序列，可明显缩短扫描时间来获得信噪比更高的弥散数据。这对于意识障碍患者的扫描来讲，不仅有效缩短时间，而且可以减少扫描过程中意外窒息等事故的发生，扫描安全性提高。另外，通过7.0T高场强的弥散成像，白质纤维交叉的区域追踪将有进一步的提升。因此，对慢性意识障碍患者进行7.0T高场强的弥散成像，结合白质纤维网络的图论分析方法，不仅有助于缩短扫描的时间，而且可以为严重脑损伤所致慢性意识障碍的病理过程提供更高分辨率的结构像，并可精确计算图论相关的拓扑属性，有助于提高意识状态的精准鉴别率，有望成为客观指标之一。
研究目的：
基于以上的研究背景，本研究使用高场强磁共振仪(7.0 Tesla)，将严重脑损伤后慢性意识障碍患者与正常人群(健康对照)；以及患者的不同状态(植物状态和最小意识状态)之间进行差异分析，寻找新的影像学标记，建立意识障碍预后的新方法，试图解决以下问题：
(1)运用7.0TMRI探索慢性意识障碍患者(DOC)不同状态(植物状态和最小意识状态)与健康对照组之间脑白质结构网络的差异，进一步分析与临床预后的相关性。
(2)运用7.0TMRI研究慢性意识障碍患者(DOC)从植物状态自发恢复至最小意识状态的早期结构变化，探讨脑白质结构的改变与疾病发展的相关性。
第一部分慢性意识障碍患者脑白质结构网络的连接变化研究：基于7.0T弥散磁共振成像技术的研究
研究方法：
本研究纳入11例严重脑损伤后慢性意识障碍患者和11例性别、年龄相匹配的健康对照者，分别进行T1加权和弥散磁共振成像扫描。构建全脑白质网络，使用图论分析，计算全脑白质连接图论相关的八个拓扑属性指标，分析对照组和患者组的差异；再将患者组细分为植物状态组和最小意识状态组，与对照组一起，三者之间进行比较，寻找差异。最后，运用基于网络的统计分析对全脑白质网络进行分析，寻找患者组内连接差异的子网络。
研究结果：
通过对慢性意识障碍患者与正常对照人群全脑白质网络的八个图论拓扑属性指标的比较，我们的数据得到，慢性意识障碍患者组表现出显著升高的传递性(P＜0.001)，局部效率(P=0.009)和聚类系数(P=0.039)。比较三组(健康对照，最小意识状态组和植物状态/无反应觉醒综合症组)中的全脑白质网络图论图论拓扑指标时，在传递性(P＜0.001)这一指标有显著差异；局部效率(P=0.031)这一指标有差异。与最小意识状态组相比，在植物状态/无反应觉醒综合症组中观察到传递性值显著升高(P=0.0217，Bonferroni校正)。并且传递性值显示出与昏迷恢复量表修订评分显著的负相关(r=－0.6902，P=0.023)。基于网络的统计分析结果显示，与健康对照组比较，慢性意识障碍患者组存在白质网络连接明显降低的子网络，主要位于额叶皮层、边缘系统、枕叶和顶叶。
结论：
通过7.0T高场强的弥散成像技术，我们在严重脑外伤所致的慢性意识障碍患者中运用图论分析的八个拓扑属性指标评估白质网络连通性，可以有效区分健康对照组和慢性意识障碍患者的两种状态。在所分析的八个指标中，传递性这一指标在区分意识障碍患者不同意识水平方面起着至关重要的作用。图论分析法对传统的结构影像学分析有补充作用，对区分慢性意识障碍不同状态提供帮助，为未来慢性意识障碍的研究提供潜在的影像学标志物。
第二部分慢性意识障碍患者从植物状态自发恢复至最小意识状态的早期结构改变：基于7.0T弥散磁共振成像技术的研究
研究方法：
本研究采用昏迷恢复量表修订版(CRS-R)评分，24小时脑电图(EEG)和超高场7.0T磁共振成像对一名重度脑损伤患者进行跟踪研究，分别采集植物状态和最小意识状态两种状态下的相应数据进行分析比较。使用全脑白质连通测量分析(Connectometry)，将最小意识状态中的白质纤维与植物状态中的相同白质纤维进行比较，得到意识状态改变时白质纤维的变化情况。然后使用全脑白质纤维分析，得到上述密度增加的白质纤维增加最多的具体脑区。
研究结果：
基于全脑白质连通测量分析，最小意识状态时患者颞顶交界区(TPJ)密度增加的纤维数量与植物状态相比增加幅度最大，且多位于右侧大脑半球。这与24小时脑电图记录中观察到的活动区域一致。此外，对上述密度增加的不同白质纤维的分析，揭示出具有较高识别权重的改变的白质连接位于视觉相关区域内或跨视觉相关区域，包括右侧楔叶，右侧距状回，右侧枕上回和右侧枕中回。此外，与听觉皮层相关的右侧颞中回显示与其他区域的连接性增加最高。这与CRS-R的视觉和听觉部分的改善相一致。
结论：
本研究结果为颞顶交界区以及视觉和听觉感觉系统在严重脑损伤患者的早期康复中的重要作用提供了证据。我们的研究结果可能有助于更深入地了解意识相关过程的潜在机制，并启发慢性意识障碍患者的治疗策略。