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帕金森症患者脑功能网络的动态特性异常

发布时间:2019-05-25 15:32 来源:未知 编辑:admin

  帕金森症是一种由于黑质纹状体多巴胺耗竭引起的神经退行性疾病。基于人脑连接组学的研究已经表明,帕金森症患者的大脑静态功能网络存在广泛的连接异常。近期的研究表明,人脑功能网络并非一成不变,而是随时间自发波动的。帕金森症患者的动态脑功能网络的连接特征和拓扑属性是否存在异常仍不清楚。

  最近,多伦多大学的Kim等人使用动态功能网络分析方法研究了帕金森症患者脑网络的动态特性和拓扑属性。结果表明,帕金森症患者脑网络的功能分化能力显著下降,且网络效率随时间波动性显著增加。这一研究成果发表在国际著名脑疾病杂志《Brain》上。

  31名帕金森症患者,年龄65.5±7.2岁,9名女性;23名健康被试,年龄64.5±8.3岁,11名女性。

  (1)采集所有被试的静息态功能磁共振影像数据,TR=2s,共240个时间点。为保证顺利完成数据采集,帕金森症患者在数据采集前服用了多巴胺类药物;

  (3)使用滑动窗分析法构建每名被试的动态功能网络:窗长44s,步长2s,共214个窗口。在每个窗口内,计算44个独立成分时间序列之间的Pearson相关得到功能连接矩阵;

  (4)使用K-means聚类方法将所有被试的功能连接矩阵分为两类,代表两种不同的功能连接状态。同时,分别计算每名被试两种连接状态的窗口占比和驻留时间,以及两种状态之间的转换次数;

  (5)计算每名被试的214个窗口内的功能连接矩阵的全局效率和局部效率,并计算两种效率在214个窗口上的标准差。

  两组被试的年龄、性别及基础认知能力评分(MoCA)无显著差异,帕金森症组患者的抑郁得分显著高于健康对照组(表1)。

  (1)使用K-mean聚类方法在所有被试的动态功能网络中识别出两种连接状态:状态I的连接较为稀疏,主要集中在DMN、SMN、Vis等网络内;状态II包含更多的网络间连接,主要为DMN与SWN间的负连接、SWN与Vis和CEN间的正连接(图1)。

  (2)帕金森病患者和正常被试都具有这两种网络连接状态,与所有被试的两种功能连接状态的功能连接模式类似(图2)。

  (3)统计结果显示,帕金森症患者状态I的窗口占比和驻留时间均显著低于正常对照,而状态转换次数与健康对照无显著差异(图3)。

  (4)在帕金森症患者中,驻留时间与UPDRS-III量表得分之间存在显著的负相关,状态转换次数与UPDRS-III量表得分之间存在显著的正相关(图4)。

  帕金森症患者功能网络的全局效率波动性显著高于健康对照,局部效率波动性在两组之间无显著差异(图5)。

  该研究发现帕金森症患者网络连接状态I窗口占比和驻留时间显著下降,状态II窗口占比和驻留时间显著上升。而状态I的功能连接主要集中在网络内,状态II存在更多的网络间连接,表明帕金森症患者脑网络的分化能力显著下降。并且帕金森症患者脑网络受损程度与临床症状之间存在显著相关关系。基于图论的拓扑属性分析发现,帕金森症患者功能网络的全局效率波动性显著高于健康对照。

  值得注意的是,该研究使用的功能影像时间分辨率TR=2s,较低的时间分辨率不利于在动态功能网络分析中降低生理噪声等对于分析结果的影响。其次,帕金森症患者在数据采集前服用的多巴胺类药物已经被证明能够显著影响人脑静息态网络连接模式,而本研究并未评估多巴胺类药物对研究结果的影响。此外,帕金森症存在多种亚型,而不同亚型患者的脑网络连接模式显著不同,本研究并未评估帕金森症患者的异质性对结果的影响。

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