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脑卒中患者工作记忆障碍脑机制的功能磁共振研究

2020-10-12 256 上传者：管理员

摘要：目的：采用任务态功能MRI技术探讨脑卒中患者工作记忆障碍的神经病理机制。方法：选择2013年8月～2016年5月北京博爱医院就诊的缺血性脑卒中患者24例(试验组),健康志愿者24例(对照组),所有被试者在执行2-back空间工作记忆任务时行功能MRI扫描,应用DPARSF及SPM12软件包对功能MRI数据进行预处理和统计分析。结果：试验组在执行2-back空间工作记忆正确率明显低于对照组[(67.22±11.60)%vs(98.03±3.26)%,P<0.01],平均反应时间明显高于对照组[(1125±227)msvs(843±112)ms,P<0.01]。试验组在空间2-back任务中双侧额中回、左侧顶下小叶及右侧小脑后叶区域的激活较对照组显著减弱(P<0.01),左侧边缘叶的前扣带回、右侧边缘叶的海马旁回、左侧楔前叶以及右侧中央前回区域的激活较对照组显著增强(P<0.05)。结论：在执行工作记忆任务时工作记忆网络激活减弱而默认脑网络激活增强,这可能是脑卒中患者工作记忆障碍的一个重要的神经机制。

关键词：
卒中
磁共振成像
认知功能障碍
记忆障碍
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脑损伤后患者除可能出现肢体运动功能障碍外,记忆、计算、推理、执行等认知功能也经常出现不同程度的损害,这些认知功能障碍不仅严重影响患者的工作、学习和日常生活,也阻碍患者肢体功能锻炼等康复治疗的效果[1,2]。一系列的研究表明,工作记忆在推理、阅读、学习、理解等许多复杂认知活动中起着重要的作用,工作记忆障碍在脑卒中患者中经常出现,但到目前为止,脑卒中患者工作记忆障碍的神经机制尚未明确[3,4]。本研究应用任务态功能MRI技术,探讨脑卒中患者工作记忆障碍的神经病理机制,以期用神经影像学方法为临床工作记忆障碍发生、发展提供科学的影像学依据。

1、资料与方法

1.1研究对象

选择2013年8月～2016年5月北京博爱医院就诊的缺血性脑卒中患者24例(试验组),其中男性13例,女性11例,年龄60～80(66.2±6.3)岁,教育年限(7.3±2.4)年,病程(7.1±6.9)个月,病变部位:额叶10例,顶叶8例,基底节区6例。另选择健康志愿者24例(对照组),其中男性13例,女性11例,年龄60～80(66.1±6.1)岁,教育年限(7.5±3.0)年。

试验组入选标准:(1)右利手,病前认知功能正常;(2)临床明确诊断的缺血性脑卒中;(3)蒙特利尔认知评估量表(MoCA)提示存在记忆障碍;(4)智商>70;(5)自愿参与并完成试验任务,并签署知情同意书。排除标准:(1)伴有精神科疾病、失语、单侧忽略、失认症、失用症、听觉障碍和视力障碍,服用精神病药物;(2)存在MRI检查禁忌。对照组入选标准:(1)右利手,性别、年龄、教育程度与试验组匹配,双眼裸眼视力或矫正视力正常;(2)既往无记忆下降或损害史;(3)MoCA未提示记忆障碍;(4)智商>80;(5)自愿配合完成试验任务,并签署知情同意书。排除标准:(1)伴有其他神经系统疾病、精神科疾病和视力、听觉障碍,服用精神病药物;(2)存在MRI检查禁忌。

1.2方法

1.2.1记忆任务设计

由于1-back有较多注意成分的参与,与1-back任务比较,2-back任务更体现被试者的工作记忆能力,故本研究在2-back条件下探讨试验组在执行工作记忆任务时脑区激活情况与对照组的差异。选择空间2-back任务,采用组块设计方式以E-prime2.0(http://www.pstnet.com/eprime.cfm,Sharpsburg,Pa)软件进行编制。刺激材料为方块在空间的位置,要求被试者判断当前出现的方块所在位置与前面间隔一个呈现的方块位置是否相同,共包括2个组块,每个组块包含10次刺激,刺激时间(空间方块呈现时间)为1000ms,刺激间歇(十字呈现时间)为2000ms,组块之间有30s的时间供被试者休息。

1.2.2功能MRI扫描

用Siemens3.0T超导型MRI仪,功能像的采集序列为梯度回波平面成像,扫描参数:重复时间(TR)2000ms,回波时间(TE)30ms,翻转角90°,视野200mm×200mm,扫描层数33,层厚3mm。T1结构像扫描序列及参数:3D扰相稳态梯度回波,TR2500ms,TE3.5ms,视野256mm×256mm,层厚1mm。

1.32-back行为学数据统计学方法

采用SPSS22.0对2-back数据进行统计分析,数据描述采用x¯±s,2−back数据评估指标中的反应时、正确率为计量资料,各组数据呈偏态分布且无法转化为正态分布,故试验组与对照组的差异采用两样本比较的秩和检验,P<0.05为差异有统计学意义。

1.4任务态功能MRI数据统计学方法

DPARSF(DPARSF3.1,www.rfmri.org/DPARSF)软件包对任务态功能MRI数据进行批预处理,DPARSF软件是对功能影像数据进行预处理的常用软件。

预处理步骤如下:(1)图像格式转换:将原始的DICOM图像数据转换成NIFTI格式;(2)由于初始磁共振信号不稳定,剔除最初的10个时间点的数据,对每例被试者剩下的230个时间点数据进行处理分析;(3)时间校正:参考层为最后一层,即第33层;扫描顺序为隔层扫描(1〯2〯33,2〯2〯32);以减小扫描中各层在采集时间上的差异;(4)头动校正:头动校正可减少扫描过程中被试者轻微头动对磁共振信号的影响;同时可以剔除头动较为明显被试者功能影像数据;在本试验中,对照组头动平移>2mm、角运动>2°,试验组头动平移>3mm、角运动>3°为剔除标准;(5)去线性漂移:去除异常的梯度回波平面成像像素;(6)原点校正:消除不同扫描技师原点定位差异产生的影响;(7)标准化:将去线性漂移后的功能图像配准到T1结构像上(1mm×1mm×1mm);(8)重采样:将配准后的图像按照3mm×3mm×3mm进行重采样;(9)空间平滑:采用半高全宽为6mm的高斯平滑核(FWHM=6mm)对图像进行平滑处理,以降低配准不佳的影响及提高信噪比。预处理步骤完成后在MATLAB2013b(MathWorks,Inc.,Natick,MA)平台上调SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12),在一阶水平,提取每例被试者扫描的时间序列,进行参数评估和多重回归分析,获得个体水平功能激活图像。二阶分析,在群组水平,组间差异性检验采用两独立样本t检验,以统计阈值概率P<0.05、经过错误发现率(falsediscoveryrate,FDR)多重比较校正、激活范围的阈值不少于10个体素为差异有统计学意义,获得差异激活图。

2、结果

2.12组行为学结果比较

试验组在执行2-back空间工作记忆正确率明显低于对照组[(67.22±11.60)%vs(98.03±3.26)%,P<0.01],平均反应时间明显高于对照组[(1125±227)msvs(843±112)ms,P<0.01]。

2.2试验组与对照组影像学结果比较

试验组1例患者头动>3mm,影像学数据被剔除。与对照组比较,试验组在空间2-back任务中双侧额中回、左侧顶下小叶及右侧小脑后叶区域的激活较对照组显著减弱(P<0.01),左侧边缘叶的前扣带回、右侧边缘叶的海马旁回、左侧楔前叶以及右侧中央前回区域的激活较对照组显著增强(P<0.05,图1～2,表1～2)。

图1试验组与对照组在2-back工作记忆任务中脑区激活减弱图

图2试验组与对照组在2-back工作记忆任务中脑区激活增强图

表1试验组在2-back空间工作记忆任务中脑区激活较对照组减弱部位

表2试验组在2-back空间工作记忆任务中脑区激活较对照组增强部位

3、讨论

工作记忆最初由著名学者Miller于1960年提出,指的是对信息进行暂时存储和加工的能量有限的记忆系统[5,6]。工作记忆的理论模型由中央执行系统、情景缓冲区、视空间画板和语音环路四部分组成,其中执行系统处于核心地位。工作记忆网络主要由双侧额顶叶皮质、颞叶、枕叶及小脑组成,左侧额叶腹外侧皮质负责言语信息的存储,右侧额叶腹外侧皮质负责空间信息的存储,额叶背外侧皮质主要负责工作记忆的执行控制,顶叶、颞叶及枕叶与工作记忆信息的被动存储密切相关,小脑在工作记忆网络中起着执行控制并防止不相关的信息进入工作记忆系统的作用,这些脑区在工作记忆任务状态下的功能激活与个体的工作记忆能力密切相关[7,8,9]。

本研究结果表明,在执行空间工作记忆任务时,试验组在双侧额中回、左侧顶下小叶及右侧小脑后叶区域的激活较对照组显著减弱,左侧边缘叶的前扣带回、右侧边缘叶的海马旁回、左侧楔前叶以及右侧中央前回区域的激活较对照组显著增强。额中回、额下回、顶下小叶及小脑区域是工作记忆网络重要的组成部分,而楔前叶、边缘叶是默认脑网络的重要组成部分[10,11,12,13,14]。默认脑网络是指在认知任务负荷下的功能MRI研究中表现出一致负激活的脑区所构成的功能连接网络,这些脑区在静息状态下亦存在有组织的脑功能活动,且较在认知任务负荷下所激活脑区更活跃,其核心脑区包括后扣带回、楔前叶、双侧海马、双侧角回、内侧前额叶[15]。也就是说,和健康人比较,工作记忆障碍患者在执行工作记忆任务时,工作记忆脑区激活减弱而默认脑网络脑区激活增强;该结果与Chen等[16]的结果部分一致,而与McAllister等的结果相反。有研究认为,在执行认知任务过程中,失去对默认脑网络的激活抑制作用与工作记忆网络激活减弱、任务表现成绩下降和注意力需求增加密切相关,该报道与本研究结果所表明的观点一致,即脑卒中患者在执行工作记忆任务时工作记忆网络激活减弱、默认脑网络激活增强、注意力需求增加、任务表现成绩下降。工作记忆障碍脑卒中患者在执行工作记忆任务时,不能够募集足够的工作记忆脑区神经元参与任务的存储与加工,或者是工作记忆脑区神经元对任务进行存储和加工的反应能力减弱,而对注意力的需求增加,注意默认脑区的神经元募集增多或反应增强。

综上所述,本研究应用任务态功能MRI技术,发现脑卒中患者在执行工作记忆任务时工作记忆网络激活减弱而默认脑网络激活增强,这很可能是脑卒中患者工作记忆障碍的一个重要的神经机制。但本研究也存在一定的不足。首先本研究样本量较小,研究结果还需要更大样本量的随机对照试验进一步证实;其次本研究入组的脑卒中患者虽然均存在工作记忆障碍,但患者脑损伤的部位不完全一致,每例患者工作记忆损害的程度不一,未来的研究应尽量克服这些不足;再者,本研究应用的任务态功能MRI,存在任务特异性,不能反应一般特征,未来的研究可结合静息态功能MRI、弥散张量成像等多种模态的磁共振技术进行研究,且应尽可能地将影像学数据和行为学数据相关联。尽管如此,本研究的发现可为工作记忆障碍的发生、发展提供科学的影像学依据,同时也为临床记忆障碍的治疗及康复提供一定的依据和参考,具有重要的意义。

陈正威,恽晓平,张璞.脑卒中患者工作记忆障碍脑机制的功能磁共振研究[J].中华老年心脑血管病杂志,2020,22(10):1077-1080.