0 前言

       帕金森病（Parkinson's disease, PD）是一种进行性神经退行性疾病，以运动功能受损为特征，包括静息性震颤、运动迟缓、运动/僵硬、姿势不稳定和步态障碍以及多种非运动功能障碍^[1]。PD的病理生理机制和治疗主要集中在基底神经节功能障碍，路易小体和黑质多巴胺能神经元的丧失^[2]。但是，临床上PD在症状、发病年龄及病程进展、疗效甚至致病基因及病因上均表现为复杂而明显的异质性^[3]。PD的异质性给研究、诊断及治疗带来了诸多挑战，而与其相关的潜在神经机制尚未完全了解^[4]。这种异质性可能会产生多样性的大脑自发脑活动特征及异常的脑功能连接（functional connectivity, FC）。1995年，BISWAL等^[5]使用静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）观察到人脑运动皮层之间的低频波动相关性。从此，rs-fMRI作为一种非侵入性和有效的技术被广泛发展^[6]。除了脑网络联系，也可以通过检测血氧水平依赖（blood oxygen levels are dependent, BOLD）信号的自发波动来揭示静息态自发神经元活动现象，从而提供对局部大脑活动的可靠测量^[7]。一系列可以反映内在的大脑自发活动的rs-fMRI低频波动幅度方法被广泛研究，包括低频振幅（amplitude of low frequency fluctuation, ALFF）、低频振幅分数（fractional amplitude of low frequency fluctuation, fALFF）、低频振幅百分比（percent amplitude of fluctuation, PerAF），每种方法都有其优势和局限性。基于种子的FC已被广泛用于评估PD患者大脑活动的同步性^[8]。本研究拟联合三种低频波动幅度的方法及FC研究PD患者的自发脑活动特征及连接功能，希望能更全面地展示PD患者最稳定的脑功能变化，为临床诊疗提供信息。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       前瞻性纳入于2021年9月至2022年4月期间由新疆生产建设兵团医院神经内科医生诊治的36例PD患者。纳入标准：（1）符合中华医学会神经病学分会帕金森病及运动障碍学组制订的《中国帕金森病的诊断标准（2016版）》^[9]；（2）MRI平扫仅提示老年性脑改变，无大面积梗死灶、软化灶；（3）右利手。招募31名在年龄、性别和受教育年限方面与PD患者匹配的健康体检者作为健康对照（healthy control, HC）组，要求右利手。两组的排除标准：（1）有继发性PD或帕金森叠加综合征疾病的患者；（2）脑部手术史、明显头部外伤史的患者；（3）其他神经系统疾病对脑功能结果干扰的患者；（4）图像质量差者。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经我院伦理委员会批准（批准文号：202200701），全体受试者均签署知情同意书。

1.2 数据采集

       所有受试者在Discovery MR 750 3.0 T MRI扫描仪上参与rs-fMRI扫描。使用8通道相控阵头颈部联合线圈，用泡沫固定所有受试者的头部，要求保持静止，闭上眼睛，但不要入睡，尽量不要系统地思考。使用具有以下参数的高分辨率3D-T1脑容积MRI序列采集结构像：TR 8.2 ms；TE 3.2 ms；翻转角12°；矩阵大小256×256；FOV 240 mm×240 mm；层厚1.0 mm；层间隔0 mm。使用具有以下参数的BOLD序列采集功能像：TR 2000 ms；TE 35 ms；翻转角90°；矩阵64×64；FOV 240 mm×240 mm；层厚4.0 mm；层数39；层间隔0 mm，共256个时间点。

1.3 数据预处理

       基于Matlab R2017a平台，使用Restplus V1.24工具包进行图像数据预处理^[10]。（1）格式转换；（2）去除前10个时间点；（3）层面时间校正；（4）头部运动校正：运动超过2.5 mm或2.5°的数据排除；（5）使用DARTEL配准法将结构空间和功能空间配准，实现从单个空间到标准蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）空间的转换，重采样（体素大小3 mm×3 mm×3 mm）；（6）平滑（半峰全宽高斯核6 mm×6 mm×6 mm）；（7）去除时间序列的线性趋势；（8）回归协变量：Friston 24头部运动参数、白质和脑脊液信号。

       然后计算ALFF、fALFF，最后经带通滤波处理（频段0.01～0.08 Hz）过滤高频噪声，计算PerAF。所有结果均进行标准化，得到mALFF、mfALFF、mPerAF，用于统计。将比较后有差异的脑区作为种子点，提取种子区域时间序列的平均值，并将其与大脑其余部分的每个体素相关联。进行Fisher的r-to-Z转换以增加数据的正态性。

1.4 统计学分析

       使用SPSS 25.0统计分析软件对所有受试者的一般临床资料进行分析。正态性用K-S检验，符合正态分布的用均数±标准差表示，不符合正态分布的用中位数（四分位数间距）表示。定量资料中，符合正态分布的采用双样本t检验，不符合正态分布的采用MannWhitney U检验；定性资料采用卡方检验；P＜0.05表示差异有统计学意义。

       根据全脑mALFF、mfALFF、mPerAF值，控制年龄、性别、受教育年限，使用SPM 12软件进行双样本t检验；设置体素P＜0.001和簇级P＜0.05，对所得结果使用AlphaSim多重比较校正。设置体素P＜0.001和簇级P＜0.05，对FC的结果使用FWE检验多重比较校正。此外，将ALFF、fALFF、PerAF有差异的脑区与统一帕金森病等级量表评分（Unified Parkinson's Disease Rating Scale, UPDRS）-Ⅲ、UPDRS-Ⅱ、病程、简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）评分进行Pearson相关性分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床资料

       PD组中男22例，女14例，年龄（67.75±11.10）岁，按照Hoehn-Yahr（H&Y）分级，1级2例，1.5级4例，2级10例，2.5级11例，3级4例，4级5例；HC组中男 15例，女16例，年龄（64.90±8.10）岁。PD组与HC组在年龄、性别、受教育年限上的差异无统计学意义（P均＞0.05；表1）。

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表1  人口学和临床资料
Tab. 1  Demographic and clinical data

2.2 PD组与HC组ALFF组间结果比较

       与HC组相比，PD患者mALFF值显著降低的脑区在左侧楔前叶；PD患者mfALFF值显著减低的脑区包括右侧内侧额上回、左侧后扣带回；PD患者mPerAF值显著下降的脑区有右侧直回、左侧眶部额下回（P＜0.05,Alphasim校正；表2，图1）。

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图1  PD组与HC组相比三种低频波动幅度方法的差异脑区重叠图。红色区域：mALFF的差异脑区；黄色区域：mfALFF的差异脑区；绿色区域：mPerAF的差异脑区。PD：帕金森病；HC：健康对照；mALFF：低频振幅；mfALFF：低频振幅分数；mPerAF：低频振幅百分比。
Fig. 1  Differential brain regions overlays of three low-frequency fluctuation amplitude methods in PD group compared with HC group. Red area: differential brain regions in mALFF; yellow area: differential brain regions in mfALFF; green area: differential brain regions in mPerAF. PD: Parkinson's disease; HC: healthy control; mALFF: amplitude of low frequency fluctuation; mfALFF: fractional ALFF; mPerAF: percent amplitude of fluctuation.

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表2  PD组与HC组的差异脑区
Tab. 2  Brain regions with differences between PD and HC group

2.3 FC的组间结果比较

       以左侧楔前叶为种子点进行与全脑体素的相关性分析，相对于HC组，PD组FC下降的脑区包括左侧楔前叶、右侧角回、左侧背外侧额上回及左侧角回，右侧岛盖部额下回的FC增强（P＜0.05,FWE校正）（表3、图2A）。

       以左侧后扣带回为种子点进行与全脑体素的相关性分析，相对于HC组，PD组FC下降的脑区包括左侧楔前叶、右侧眶部额中回、右侧背外侧额上回、右侧内侧额上回及右侧角回，右侧岛盖部额下回、右侧缘上回及左侧内侧和旁扣带回的FC增强（P＜0.05，FWE校正）（表4，图2B）。

       以右侧内侧额上回、右侧直回及左侧眶部额下回为种子点，没有发现FC有显著差异。

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图2  FC差异脑区图。2A：以左侧楔前叶为种子点时PD组异常的脑区；2B：以左侧后扣带回为种子点时PD组异常的脑区。红色区域：FC增强的脑区；蓝色区域：FC减弱的脑区。FC：功能连接；PD：帕金森病。
Fig. 2  Differential brain regions in FC. 2A: The abnormal brain regions in PD group when left precuneus as seed point; 2B: The abnormal brain regions in PD group when left posterior cingulate gyrus as seed point. Red area: FC increase; blue area: FC decrease. FC: functional connectivity; PD: Parkinson's disease.

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表3  以左侧楔前叶为种子点时PD组FC的异常脑区
Tab. 3  The abnormal brain regions in PD group using the left precuneus as seed point

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表4  以左侧后扣带回为种子点时PD组FC的异常脑区
Tab. 4  The abnormal brain regions in PD group using the left posterior cingulate gyrus as seed point

2.4 相关性分析

       PD患者左侧楔前叶（r=-0.330，P=0.049）的mALFF值与病程呈负相关，左侧后扣带回（r=-0.409，P=0.013）、右侧内侧额上回（r=-0.352，P=0.035）的mfALFF值与病程呈负相关（图3）。

       右侧直回、左侧眶部额下回的mPerAF值与病程没有显著相关，所有差异脑区与UPDRS-Ⅲ、UPDRS-Ⅱ、MMSE评分没有发现显著相关性。

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图3  PD组差异脑区mALFF值/ mfALFF值与病程关系的相关性分析。3A：PD患者左侧楔前叶的mALFF值与病程呈负相关；3B：PD患者左侧后扣带回mfALFF值与病程呈负相关；3C：PD患者右侧内侧额上回的mfALFF值与病程呈负相关。PD：帕金森病；mALFF：低频振幅；mfALFF：低频振幅分数。
Fig. 3  Correlation analysis between mALFF/mfALFF values and the disease duration in PDs. 3A：The mALFF of left precuneus in PDs is negatively correlated with the course of disease；3B：The mfALFF of left posterior cingulate gyrus in PDs is negatively correlated with the course of disease；3C：The mfALFF of right medial superior frontal gyrus in PDs is negatively correlated with the course of disease. PD: Parkinson's disease; mALFF: amplitude of low frequency fluctuation; mfALFF: fractional ALFF.

3 讨论

       本研究通过联合使用rs-fMRI低频波动幅度方法及FC，观察PD患者的自发脑活动特征及连接功能。结合ALFF、fALFF、PerAF三种方法发现，PD患者左侧楔前叶、左侧后扣带回、右侧内侧额上回、右侧直回、左侧眶部额下回的局部大脑自发活动较HC组显著减低，提示这些脑区神经元活动损伤。FC发现，PD组左侧楔前叶（通过ALFF测量）与双侧角回、左侧背外侧额上回之间的FC显著减低，与右侧岛盖部额下回的FC增强。PD组左侧后扣带回（通过fALFF测量）与左侧楔前叶、右侧眶部额中回、右侧背外侧额上回、右侧内侧额上回及右侧角回之间的FC显著减低，与右侧岛盖部额下回、右侧缘上回及左侧内侧和旁扣带回的FC增强，提示PD患者存在异常的脑功能活动。这些发现有助于全面了解PD患者的自发活动特征和异常连接，也可为深入探索PD的异质性提供影像学依据，为临床诊疗提供帮助。

3.1 PD患者低频波动幅度方法计算有差异的脑区

       楔前叶主要构成顶叶的内侧和后部，作为注意信息的整合中心，组织了来自大脑不同区域的信息，参与运动和认知任务，与多种大脑功能相关。研究显示，PD伴或不伴痴呆的患者均可以出现楔前叶皮质血流的灌注不足，提示该区域功能降低，这种异常与整体认知缺陷存在相关性^{[11, 12]}。除此之外，楔前叶与自我意识、视空间等感知觉加工、情景记忆提取、抑郁等非运动症状也有重要关系^[13]。与之相邻的扣带回，在过去十年间也被发现在PD的多种症状中起作用，包括情绪、决策、运动行为、疼痛等，已不仅仅局限于整体的认知情况^[14]。楔前叶、扣带回皮质与内侧前额叶皮层是大脑默认模式网络（default mode network, DMN）中活跃和重要的“分布节点”^[15]。

       DMN是一组在休息时活跃而在执行任何任务时活动减少的区域^[16]。DMN的组成包括前、后扣带回皮层、楔前叶皮层、前额叶内侧皮层、颞叶外侧皮层和顶下小叶。DMN与大脑内部产生的认知活动相关，包括自省、走神、记忆传递、想象未来可能发生事件、想象路线、社会功能以及监测外部环境和上下文相关信息之间的转换等^{[17, 18]}。DMN功能障碍可能是许多疾病的基础状态，包括PD、阿尔茨海默病、精神分裂症、多动症、抑郁症和焦虑症等^[19]。虽然本研究并未进行PD具体某种运动或者非运动症状的研究，但DMN在PD中不活跃的结果与之前研究是相一致的^[20]。并且研究显示，DMN活性的调节与多巴胺能神经元密切相关^[21]。

       直回、眶部额回位于眶额皮质，与嗅觉功能有关。嗅觉功能相关脑区的损伤与PD病理相符，Braak病理分级提示PD最先的病理变化就是嗅觉结构的改变^[22]。有研究者将较低的嗅觉功能选为预测PD抑郁转化的一个特征，嗅觉功能障碍与PD抑郁症发病风险增加之间的关联在先前的研究中反复被观察到，病理也证实PD是从嗅球和嗅束侵入内嗅皮层等与认知相关的区域的^[23]。内侧额上回、直回、眶部额下回均属于前额叶，前额叶的局部功能受损与一部分研究结果相同^[24]。额叶与躯体的运动以及情感、认知等非运动症状均有关。在情感上，前额叶可能是PD的焦虑和抑郁的生理标志物^[25]；在认知损害中，额叶最突出的是执行功能的损害。

3.2 FC分析

       FC定义为从解剖上分离的脑区出现神经元活动模式的时间一致性，因此依赖于神经元并表达神经元之间的功能交流^[26]。楔前叶/后扣带回、顶下小叶与内侧前额叶皮层是DMN的“核心”。角回位于顶下小叶的后部，在DMN中充当核心枢纽，接收来自初级感觉皮质的输入，并整合不同模式的感觉信息。角回在语义信息处理中起着重要作用，还涉及助记功能^[27]。PD的角回可以出现代谢减低以及结构萎缩^[28]。最近的一项研究发现角回与PD患者的睡眠障碍有关^[29]。有研究者发现PD患者前额叶皮质中ALFF值增加，其原因可能是PD患者为了维持相对正常的认知功能而产生的代偿机制^[30]。本研究中楔前叶/后扣带回与前额叶除了存在FC减低，还出现了与岛盖部额下回的FC增强，提示PD患者的前额叶的确存在代偿作用。这种结果进一步肯定了PD患者DMN以及前额叶脑区的异常活动，与刘波等^[31]关于PD默认状态网络异常的研究结果相同。但在认知衰退的PD患者中，DMN的内部FC却是增强的^[32]，这可能有助于解释本研究中左侧后扣带回与右侧缘上回及左侧内侧和旁扣带回FC的增强，也进一步体现了PD异质性所产生的丰富的神经元活动。

3.3 相关性分析

       PD患者左侧楔前叶的mALFF值与病程呈负相关，左侧后扣带回、右侧内侧额上回的mfALFF值与病程呈负相关，可见PD患者患病时间越久，脑区的功能损害就越严重。而右侧直回、左侧眶部额下回的mPerAF值与病程并无相关性，可能是由前额叶存在的代偿机制所导致的。本研究没有发现差异脑区与UPDRS-Ⅲ、UPDRS-Ⅱ、MMSE评分的相关性。可能与受试者的纳入有关，每个被试都具有不同的临床表现，而本研究没有进行亚型分类，因此可能导致这样的结果；也可能与没有严格控制所有患者在“关期”扫描有关，使得相关性不显著。

3.4 三种ALFF方法比较

       本研究中，ALFF、fALFF显示PD患者局部活动减低的异常脑区主要集中在DMN的关键脑区：楔前叶/后扣带回、前额叶内侧皮质；PerAF显示PD患者的差异脑区主要在眶额皮质：直回、眶部额下回。

       三种方法的结果既有重叠又有不同，可能由于不同脑区在不同算法中的敏感性不同。ALFF是通过快速傅里叶变换计算的，直接测量特定体素的ALFF，这种频率范围一般在0.01～0.08 Hz之间，可以反映大脑生理状态和局部脑功能^[33]。但该指标高度依赖于BOLD信号强度，容易受到噪声信号的影响。fALFF即相同体素内低频信号的总功率除以全部频率信号的总功率，对神经元的ALFF信号更为敏感^[34]。ALFF、fALFF具有较高的稳定性和重复性，已被广泛应用于PD等神经系统疾病研究中^[35]，但在之前的研究结果中也存在冲突之处^[33]。PerAF通过测量每个时间点的BOLD信号相对于平均BOLD信号强度的百分比，并在整个时间序列中取平均值来反映信号变化百分比^[36]。该算法受信号强度误差的影响较小，避免了体素特异性波动幅度产生的混杂因素，具有良好的准确性和可靠性。相比ALFF、fALFF，本研究中PerAF的结果具有补充性。但PerAF算法目前在疾病的应用较少，仍需大量研究探讨其在疾病上的稳定性和可靠程度。

       LI等^[37]使用ALFF和PerAF在检测2型糖尿病患者异常自发性脑活动方面，发现不同指标对于疾病相关脑区异常神经活动的敏感性不同，不同方法可以提供互补信息。HUANG等^[38]使用4种ALFF算法探讨1型强直性营养不良患者的的自发脑活动变化，发现不同方法的结果存在一致性和稳定性。而本研究不同算法显示的不同脑区的结果进一步体现了PD多样的神经活动，FC也肯定了DMN与前额叶的同步异常脑活动，联合法的确显示了较单一方法更全面的脑区的信息。

3.5 局限性

       本研究存在一定的局限性：（1）本研究为横断面研究，没有长期的随访数据，且样本量较小，没有针对PD的异质性进行临床分型，未来需随访进行纵向研究，并进一步扩大样本量针对PD的某种具体症状进行亚型研究；（2）为保证图像质量，没有严格要求所有患者于检查前12 h停止服用治疗PD的相关药物，对结果可能有一定的影响，但即使控制在“关期”采集，也无法排除长期药物使用的干扰。

4 结论

       PD具有很强的异质性而可能出现丰富的脑活动表现，单一方法具有局限性，联合几种rs-fMRI低频波动幅度方法和FC可以更全面地显示PD患者的异常脑功能活动，结果主要稳定在DMN区域和前额叶。