摘要
目的: 通过联合使用磁共振波谱(Magnetic Resonance Spectroscopy,MRS)、谷氨酸化学交换饱和转移成像(Glutamate Chemical Exchange Saturation Transfer,GluCEST)以及静息态功能磁共振(resting functional MRI,rfMRI)多模态磁共振影像技术研究急性CO中毒患者脑内代谢物、动态功能脑连接(dynamic Functional Network Connectivity,dFNC)以及脑网络拓扑学的改变情况进行研究,探索急性CO中毒早期颅脑损伤后微观分子代谢物的变化及大脑网络重塑过程影像学表现,为阐明急性CO中毒患者脑损伤机制并为临床评估和诊断提供客观有效的依据. 材料与方法: 选取临床诊断为急性CO中毒(CO中毒入院3天内)的患者29例纳入病例组,29例年龄匹配的健康志愿者纳入对照组.病例组及对照组按年龄均分为成年组及儿童组,研究对象均进行影像学检查(包括常规磁共振,磁共振波谱,谷氨酸化学交换饱和转移以及功能磁共振检查),所有研究对象均进行简易精神量表(Mini-Mental State Examination,MMSE)以及出院3月内随访汉密尔顿焦虑量表(Hamilton Anxiety Scale,HAMA)评定. 1.MRS:MRS原始数据经LCModel软件处理,以丘脑-基底节层面分别采集双侧额叶、苍白球、枕叶及丘脑的胆碱(Choline,Cho)、谷氨酸(Glutamate,Glu)、γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid,GABA)、谷氨酰胺(Glutamine,Gln)绝对浓度值.各MRS代谢物浓度与临床指标作相关性分析. 2.GluCEST:GluCEST原始图经Matlab软件处理采集双侧基底节区、丘脑、胼胝体膝部、额叶、枕叶、楔叶、扣带回的GLUCEST%值.各感兴趣区Glu浓度值与临床指标作相关性分析. 3.fMRI:采用静息态功能成像技术进行扫描,结果分析分为图论及动态脑网络功能连接2部分: a.图论分析:fMRI原始数据经GRETNA软件预处理后进行脑功能网络的构建.分别计算了全局网络和区域网络的度量值.全局参数包括小世界参数(特征路径长度Lp、标准化特征路径长度λ、聚类系数Cp、标准化聚类系数γ、小世界属性指标σ)和网络效率参数(全局效率Eglob和局部效率Eloc).通过节点度、节点中心性和节点效率等节点网络参数对节点特征进行评价.当网络指标发现组间显著差异后,将这些指标与CO中毒组的临床指标进行相关性分析. b.动态功能连接的fMRI原始数据使用RESTplus软件预处理后经过GIFT软件建立内在连接网络,将所有被试的内在网络根据相应解剖信息和假定的功能特征,将51个独立分为以下7个功能网络:基底节网络(basal ganglion network,BG);听觉网络(auditory network,AUD);感觉运动网络(sensorimotor network,SMN);视觉网络(visual network,VIS);认知执行网络(cognitive executive network,CEN);默认网络(default mode network,DMN);小脑网络(cerebellar networks,CB).根据与四个聚类中心的相似度将每个被试的所有dFNC窗口划分为不同的四个状态.评估了动态功能连接状态的时间特性以及强度的三个不同变量指标:平均停留时间,分数窗口和转变次数.将动态功能连接指标与CO中毒组的临床指标进行相关性分析相关性分析. 结果: 急性CO中毒组与对照组在年龄、性别方面的差异无统计学意义.与健康对照组相比,CO中毒组的MMSE评分降低,差异有统计学意义(plt;0.01),随访HAMA评分病例组与对照组未发现统计学差异. MRS:对比正常对照组,急性CO中毒组患者在苍白球、丘脑及枕叶区的Gln升高(plt;0.01),苍白球Glu升高(plt;0.05).与成人对照组比较,成人病例组苍白球的GABA降低(plt;0.01),Gln、Glu及Cho均升高(均为plt;0.05);丘脑、枕叶区的Gln也升高(plt;0.05);苍白球的Glu升高且与COHb%有负相关性.对比儿童对照组,儿童病例组仅出现丘脑的Gln升高及枕叶区的Cho降低(plt;0.05). GluCEST:与正常对照组比较,病例组的苍白球、枕叶、胼胝体膝部、扣带回、楔叶的GLUCEST%值升高(均为plt;0.05);成人病例组的苍白球、丘脑、枕叶、扣带回、楔叶GLUCEST%值升高(均为plt;0.05);儿童病例组虽然多个脑区的GLUCEST%值升高,但未发现统计学差异.CO中毒组及亚组的各个ROIs的GLUCEST%值与对应的昏迷时间及CO Hb浓度、MMSE评分、HAMA评分的相关性分析中,CO中毒组的丘脑及胼胝体膝GLUCEST%升高与MMSE评分有统计学相关性(plt;0.05),其余未发现统计学差异. 图论:CO中毒组和健康对照组的脑功能网络具有更高的聚类系数(即γgt;1),但两组标准化特征路径长度与随机网络路径长度几乎相同(即λ≈1),具有典型的小世界拓扑结构(即σgt;1),t检验显示两组间的小世界属性和网络效率存在显著差异(plt;0.05).与健康对照组相比,病例组具有较低的聚类系数Cp、标准化聚类系数γ和小世界属性指标σ.在网络效率方面,与健康对照组相比,病例组的局部效率Eloc显著降低,而全局效率Eglob则无显著差异.亚组分析中成人及小孩病例组的小世界属性及网络效率结果与上述一致.节点水平拓扑学指标变化中,CO中毒组右角回的节点度和节点效率降低,右颞枕梭状皮层和双侧枕梭状回的节点度和节点效率提高.病例组中有2个脑功能连接网络出现明显变化,分别出现9个节点,8个连边的功能连接强度下降(plt;0.05)以及27个节点及38个连边的功能连接强度升高(plt;0.05). 动态脑功能连接:根据与四个聚类中心的相似度将每个被试的所有dFNC窗口划分为不同的四个状态.状态1(占所有功能连接矩阵14%)的特征是SMN、CEN和DMN网络之间的功能连接同时正相关及负相关,且SMN和AUD网络之间存在显著的正相关性.在状态2(占所有功能连接矩阵的15%)中,SMN与VIS、CEN呈正相关,而DMN与AUD、VIS、SMN呈负相关.状态3(占所有功能连接矩阵的16%)与状态1相似,但网络内部和网络之间的相关性明显弱于状态1.状态4出现频率是最大的,占所以功能连接矩阵的55%,而在此状态下所有功能网络之间的功能连接非常稀疏.与正常对照组相比,病例组在状态2的分数窗和平均停留时间显著增加(plt;0.01),并且与昏迷时间呈正相关.亚组分析显示,儿童病例组状态2的分数窗口和平均停留时间明显高于对照组(plt;0.01),状态4的分数窗口和平均停留时间明显低于对照组(plt;0.01),转换次数增高(plt;0.01). 结论: 1.MRS显示急性CO中毒患者早期颅内代谢物(包括Cho、Glu、Gln、GABA)均发生变化,苍白球代谢物的变化最明显,可以作为急性CO中毒早期诊断依据. 2.GluCEST在检查颅内谷氨酸的敏感性较MRS更敏感,丘脑、胼胝体膝部GLUCEST%的改变与临床病情相关,可以作为评估急性CO中毒病情严重程度的辅助手段. 3.急性CO中毒后早期脑功能性网络拓扑特性(小世界属性及网络效率)、节点指标及脑网络功能发生改变,局部效率和脑功能连接可能成为监测一氧化碳中毒疾病进展和严重程度的潜在生物标志物. 4.急性CO中毒对全脑功能连接网络状态有影响,并且功能连接状态的变化与昏迷时间相关. 5.急性CO中毒患者脑代谢物及脑功能网络出现的改变儿童组与成人组有差异性,提示不同年龄分组可能存在不同的CO中毒脑损伤机制.
NETL