0 引言

       帕金森病（Parkinson's disease, PD）是以黑质致密部多巴胺能神经元选择性缺失为核心病理特征的一类神经退行性病变^[1]。该疾病多以老年人群好发（1 700例/10万），临床表现主要为静止性震颤、肌强直、运动迟缓及步态异常等运动功能障碍^{[2, 3]}。但上述PD的典型改变尚难以完整地阐述其致病复杂性以及临床异质性。随着神经影像学的发展，尤其功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）技术的开发及应用，通过无创性监测与多参数定量，从结构、功能及代谢等多个角度有效地实现了对PD的机制分析及病情评估。大量的fMRI研究结果证实，基底节区（纹状体和丘脑）是导致运动功能损伤的关键机制位点，其去多巴胺能神经化的病理生理学过程，主要表现为纹状体-丘脑-皮层（striatal-thalamo-cortical, STC）环路的多元连接异常，并据此将PD定性为连接障碍综合征^{[4, 5, 6, 7]}。

       但已有的fMRI研究多以分析PD患者脑区间的神经元活动（功能）的相关性和微结构完整（结构）的一致性为主，而对STC环路的代谢连接异常还亟待探讨及补充。作为神经元功能的能量基础，脑组织的代谢活动可以直观地反映出神经网络（神经突触活动）的变化情况^{[8, 9]}。相对于正电子发射断层扫描以及动态磁敏感对比磁共振灌注加权成像，动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）灌注成像能够提供脑血流量（cerebral blood flow, CBF）的无创、可重复测定，还能够基于fMRI分析方法进一步直接揭示神经元的代谢活动，逐渐成为研究PD代谢损伤的重要成像技术。MA等^[10]通过ASL获取CBF来可视化脑代谢信息，并证实PD患者的CBF模式能够较好地拟合PD相关脑代谢网络模式（PD-related pattern, PDRP），且映射出STC环路内各成分的特征性代谢变化。MELIE-GARCIA等^[11]研究证实大脑皮层同源脑区之间CBF的共变波动最高，满足代谢活动的一致性。但是仍鲜有文献基于ASL-CBF来较为系统地论述STC环路的代谢网络损伤。因此，本研究在“代谢协同性”的理论构架下，聚焦以基底节区为中心的代谢网络连接异常，旨在通过分析种子点-连接、皮层-连接和模块-连接，探讨PD患者STC环路紊乱的代谢模式，以加深对PD神经退变机制的理解并丰富对其连接障碍综合征的影像支撑。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究自2022年5月至2023年7月间，连续性招募于我院运动障碍专科就诊的PD患者。采集每位患者的临床资料，包括年龄、性别、受教育程度、病程以及药物服用剂量。使用统一帕金森病综合评分量表第三部分（Unified Parkinson's Disease Rating Scale-Ⅲ, UPDRS-Ⅲ）和Hoehn-Yahr（H-Y）分期量表来分别对患者的疾病程度和疾病分期进行评分。并同期从社区招募与PD相匹配（年龄、性别和受教育程度）的健康对照（healthy control, HC）。通过简易智力状态检查量表（Mini-mental State Examination, MMSE）对每位纳入者进行整体认知状态评分。

       PD患者的纳入标准如下：（1）符合国际运动障碍学会制定的PD的临床诊断标准（2015）^[12]；（2）处于疾病早-中期（H-Y分期为Ⅰ~Ⅱ）；（3）稳定的抗PD治疗至少4周。PD患者的排除标准如下：（1）其他类PD综合征，如继发性、遗传性、叠加综合征等；（2）其他神经退行性疾病或精神疾病，如阿尔茨海默病、抑郁症、癫痫、血管性痴呆等；（3）涉及中枢神经系统的疾病，如创伤、肿瘤、手术史、血管病变、感染等；（4）全身系统疾病，如糖尿病、甲状腺功能亢进、高血压、贫血等；（5）明显主观认知异常且MMSE评分<27分；（6）MRI检查禁忌，如金属植入物、妊娠、幽闭恐惧症等；（7）严重运动或视觉障碍等无法配合检查。HC受试者的纳入标准如下：（1）与PD组年龄、性别和受教育程度相匹配；（2）身体健康。HC受试者的排除标准如下：（1）明显主观认知异常且MMSE评分<27分；（2）MRI检查禁忌；（3）严重运动等无法配合检查。上述采集、评估及入组均由具备10年工作经验的神经内科专业医师操作。临床评估及MRI扫描均于当日完成，且PD患者需提前停药大于24小时。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，获得高邮市人民医院伦理委员会批准（批准文号：202321），受试者均需签署知情同意书。

1.2 MRI数据采集

       使用3.0 T MRI扫描仪（德国Siemens公司，Magnetom Vida）和8通道头部线圈。在MRI扫描前告知每位受试者检查项目及注意事项，叮嘱其在扫描过程中需保持清醒、闭眼的静息状态。为受试者佩戴眼罩及降噪耳塞、仰卧位平躺于检查床，并使用海绵软垫固定头部。具体序列参数设置如下：（1）ASL序列，采用三维伪连续式扫描方式，TR 10.5 ms，TE 4.9 ms，翻转角111°，矩阵128×128，标记后延迟时间2 025 ms，激励次数3，FOV 240 mm×240 mm，矩阵大小128×128，层数36，扫描时间4 min 50 s；（2）三维T1WI序列，TR 12.0 ms，TE 5.1 ms，翻转时间450 ms，翻转角15°，FOV 240 mm×240 mm，矩阵大小256×256，层厚1 mm，层数172，层间距0，扫描时间5 min 20 s。

1.3 数据预处理及分析

       于MATLAB平台（美国MathWorks公司，2018a）调用SPM 12（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）工具包进行CBF图像预处理，具体步骤包括：（1）控制头动范围在平移小于2 mm或旋转小于2°；（2）基于对应的结构像数据进行空间标准化，将个体CBF图配准至标准空间（重采样体素大小为3 mm³），以去除个体间的结构差异；（3）将标准化的CBF图予以归一化（减去全脑平均值并除以标准差）处理，以保证数据的正态分布；（4）采用6 mm³平滑核对归一化的CBF图进行空间平滑，以提升图像的信噪比。

       使用BCCT工具包（https://github.com/JLhos-fmri/BrainCovarianceConnectToolkitV2.1）进行基于种子点的相关性分析。基于自动解剖标记图谱（automated anatomy labeling, AAL）^[13]，选取双侧基底节区作为种子点，在组水平基础上计算种子点CBF值与全脑其余体素CBF值之间的相关系数，获得基底节区的种子点-连接图。将年龄、性别、受教育程度及灰质体积（结构像数据处理获取）作为上述分析的协变量。

       使用BCCT工具包进行皮层-连接（基底节区亚区划分）和模块-连接（STC环路内连接分析）的计算。参考以往文献^{[14, 15]}，将双侧大脑划分为5个功能皮层，包括额叶皮层、运动皮层、感觉运动皮层、顶-枕叶皮层以及颞叶皮层。在组水平基础上计算每个功能皮层CBF值与基底节区各体素CBF值之间的相关系数，并参照Winner-Take-All策略^[16]，依据计算出的最高相关系数，将对应的功能皮层名标记至对应基底节区的体素。最终将基底节区分割为5个亚区，从而获取基底节区的皮层-连接图。在STC环路的模块-连接分析中，将全脑5个功能皮层以及基底节区内已划分的5个亚区定义为网络的节点（共10个），每对节点间CBF值的相关系数定义为网络的边（共10条），进而构建组水平的相关性矩阵（10×10），获得STC环路的模块-连接。将年龄、性别、受教育程度及灰质体积作为上述分析的协变量。

1.4 统计学分析

       采用Kolmogorov-Smirnov检验判定数据是否符合正态分布。年龄、性别的组间差异分析分别使用独立样本t检验和卡方检验。应用Mann-Whitney U检验比较两组的受教育程度和MMSE评分。采用SPSS 19.0软件进行以上统计分析，并以P<0.05设定为差异具备统计学意义。利用BCCT工具包中的置换检验（Permutation test，5 000次）分别比较种子点-连接、皮层-连接和模块-连接的组间差异，将统计阈值设为P<0.05。此外，使用Bonferroni校正对模块-连接的统计结果进行多重比较校正。

2 结果

2.1 临床资料及统计结果

       本研究最终纳入127名受试者，其中HC受试者65例[男39例，女26例，年龄（63.00±6.77）岁]，PD患者62例[男38例，女24例，年龄（63.38±10.42）岁]。HC组与PD组之间的年龄、性别、受教育程度差异均无统计学意义（P=0.69、P=0.88、P=0.46）。PD患者存在运动功能障碍（UPDRS-Ⅲ评分为23.47±14.04），且处于疾病早-中期（H-Y分期为1.42±0.49）。PD患者和HC受试者的整体认知功能均正常，且两组间的MMSE评分差异无统计学意义（P=0.43）。纳入受试者的临床资料及统计结果见表1。

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图1  基于基底节区的种子点-连接存在显著组间差异的脑区分布图。体素分析方法显示了种子点-连接在健康对照组（1A）、帕金森病组（1B）的脑区分布，正相关系数以暖色表示，而负相关系数以冷色表示；种子点-连接的组间差异脑区分布（1C），暖色表示帕金森病组的数值显著增高，而冷色表示帕金森病组的数值显著降低。
Fig. 1  The distribution of brain regions with statistically intergroup differences in basal ganglia based seed-connectivity. Voxel-based analysis demonstrates the survived clusters of seed-connectivity within healthy control group (1A) and Parkinson's disease group (1B), positive correlation coefficient in each group is shown with warm color, while negative correlation coefficient is shown with cold color; regions of significantly intergroup differences in terms of seed-connectivity (1C), significantly increased value in PD group is shown with warm color, while significantly decreased value is shown with cold color.

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表1  受试者的临床资料及统计结果
Tab. 1  Demographic characteristics and statistical comparison

2.2 种子点-连接的组间差异

       在两组内均可观察到，与基底节区显著连接的脑区呈广泛性分布（P<0.05，图1A、1B）。与HC组相比，PD组中种子点-连接增强的脑区主要包括：双侧颞下回、双侧梭状回、双侧额中回、左侧枕中回以及右侧中央后回（P均<0.001，图1C）；种子点-连接减低的脑区主要包括：双侧颞中回、左侧额直回、左侧颞上回、双侧额下回、双侧楔前叶、右侧辅助运动区以及双侧顶下回（P均<0.001，图1C）。两组种子点-连接值有差异的脑区分布见表2。

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表2  基于基底节区的种子点-连接存在显著组间差异的脑区分布
Tab. 2  The distribution of brain regions with statistical intergroup differences in basal ganglia based seed-connectivity

2.3 皮层-连接的组间差异

       每组基底节区均被划分成对应于皮层的5个亚区（图2A）。皮层-连接的组间分析结果显示，相较于HC组，PD患者呈现出与感觉运动皮层更强的皮层-连接（P<0.001，P<0.001，图2B）、与运动皮层及顶-枕叶皮层更弱的皮层-连接（P<0.001，图2B）。

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图2  基底节区的组内皮层-连接及组间比较。皮层-连接图在健康对照组和帕金森病组的体素分布（2A），色阶对应于相应皮层-连接的亚区分布；雷达图显示具备组间统计学差异的皮层-连接为运动皮层、感觉运动皮层以及顶-枕叶皮层（2B），每个轴上的数值代表与相应皮层-连接的体素数量。
Fig. 2  The map within group and intergroup comparison of basal ganglia based cortical-connectivity. Maps of cortical-connectivity in basal ganglia of each group (2A), colored voxels represent distribution of the corresponding cortex (2B); The radar map shows that the statistical intergroup difference of cortical-connectivity were distributed in motor cortex, sensorimotor cortex and parietal-occipital cortex, the scale in each axis represents number of voxels showing connectivity to the corresponding cortex.

2.4 模块-连接的组间差异

       我们在每组中成功构建了STC网络的显著性模块-连接（P均<0.05，图3A~3B）。与HC组相比，PD组模块-连接显著增高于：额叶模块与颞叶模块、运动模块与顶-枕叶模块、感觉运动模块与颞叶模块（P均<0.001，图3C）；显著降低于：额叶与运动模块、感觉运动模块与顶-枕叶模块、顶-枕叶模块与颞叶模块（P<0.05，图3C）。此外，感觉运动皮层与顶-枕叶亚区的连接显著减低（P均<0.001，图3C）。

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图3  STC环路的组内模块-连接矩阵及组间比较。健康对照组（3A）和帕金森病组（3B）内显著差异的模块-连接矩阵，正相关系数以暖色表示，而负相关系数以冷色表示；模块-连接矩阵的组间差异（3C），暖色表示帕金森病组的数值显著增高，而冷色表示帕金森病组的数值显著降低。每个大单元（行、列）依次对应于大脑皮层和基底节区，每个小单元（行、列）依次对应于额叶皮层、运动皮层、感觉运动皮层、顶-枕叶皮层以及颞叶皮层。
Fig. 3  The matrix within group and intergroup comparison of basal ganglia-cortex circuit based modular-connectivity. The matrices of significant modular-connectivity in healthy control group (3A) and Parkinson's disease (PD) group (3B), positive correlation coefficient in each group is shown with warm color, while negative correlation coefficient is shown with cold color; the matrix (3C) of significant intergroup difference in terms of modular-connectivity, significantly increased value in PD group is shown with warm color, while significantly decreased value is shown with cold color. Each large unit (row and column) corresponds to the cerebral cortex and basal ganglia, while each small unit (row and column) corresponds the frontal cortex, motor cortex, sensorimotor cortex, parietal-occipital cortex, and temporal cortex.

3 讨论

       作为一类替代核素成像的无创性fMRI序列，ASL定量测定的CBF不仅可以直观地反映神经元功能活动的代谢改变，且其受试者间变异性显著低于核素成像所获取的代谢数据^[17]。本研究以PD的核心病理节点（基底节区）为切入点，首次分析STC环路的代谢性连接紊乱。我们发现了PD患者中异常的代谢连接模式，包括种子点-连接、皮层-连接以及模块-连接等属性的广泛异常，从而从代谢的角度，论证了PD连接障碍综合征的网络连接特征，有助于增进对PD内在神经退行性机制的深入理解。

3.1 PD代谢网络损伤的种子点-连接属性分析

       参照经典的基底节区通路模型，在多巴胺能去神经化的驱动下，主要神经核团（纹状体、苍白球）之间通过直接通路的活动减弱或间接通路的兴奋激活，最终以抑制性输出共同作用于丘脑，进而导致对应皮层投射区的功能异常^[18]。以往研究借助于ASL的成像优势，经过分析证实PD患者存在特征性的代谢损伤^{[19, 20, 21]}，其中基底节区及对应运动功能皮层特征性的高代谢状态（功能活动增强），从局部脑区的视角间接地反映了这一病理生理过程。既往的fMRI研究，从功能的角度分析基底节区与各功能脑区之间的网络连接，并指出基底节区可被视为综合性网络节点，通过与多个功能皮层的信息交互，介导PD的运动功能损伤^{[22, 23, 24]}。在本研究中我们发现PD组中，基底节区与多个脑区之间存在异常的代谢连接，且分布较为广泛，这与上述功能连接的结果是相吻合的，共同验证了PD的神经网络紊乱。其中最为显著的发现，是基底节区与右侧中央后回的代谢连接增强，而与右侧辅助运动区的代谢连接降低。这一结果在一定程度上提示，PDRP中局部脑区的代谢增加，对应于神经突触的激活但不涉及其激活的具体属性（兴奋性或抑制性）^[25]；而种子点-连接则可用于判定其具体的功能属性，即激活感觉运动皮层的信号输入、抑制运动皮层的功能活动，从而将STC环路的功能性紊乱与代谢性异常相对应^[26]。

3.2 PD代谢网络损伤的皮层-连接属性分析

       现行fMRI研究强调，应在局部的脑区存在异常的基础上，从神经网络的角度来探寻各功能脑区间的相互作用^{[27, 28, 29]}。相对于设定某一种子点的网络连接，皮层-连接分析可以基于大脑的功能化皮层对种子点进行分区，进而细化环路内该种子点与特定皮层的交互程度^{[14, 30]}。部分学者利用皮层-连接并结合血氧水平依赖数据或灰质体积数据，成功地绘制了基底节区的功能或结构连接亚区^{[31, 32]}。HAVSTEEN等^[33]研究发现，CBF的改变于同一功能性脑区内是具备协同性的，可用于代谢层面神经网络的研究。在本研究中，我们可以发现HC组以及PD组的基底节区同样存在互不重叠的代谢连接亚区，表明了STC环路内存在特定区域化代谢活动。而相对于HC受试者，PD患者的运动亚区、感觉运动亚区以及顶-枕叶亚区存在显著性差异。其中，运动以及感觉运动亚区连接变化趋势与种子点-连接的变化是相一致的，这更加证实了在相关运动环路中，基底节区协同参与PD患者运动功能的高级调控和低级执行过程。顶-枕叶皮层是重要的视觉联合皮层，而顶-枕叶的皮层-连接呈现减低趋势，意味着对视觉信息的整合能力下降，进而导致PD患者出现视空间功能障碍而干扰运动计划的实施。在本研究中，额叶和颞叶的皮层-连接未发现明显的组间差异，这与其种子点-连接的部分相反趋势变化是相关的，同时也提示了额颞叶皮层在PD早-中期的功能损伤及代偿共存的病理生理过程。

3.3 PD代谢网络损伤的模块-连接属性分析

       神经网络的拓扑学研究发现，人类大脑是模块化的，具有模块内的功能整合以及模块间的信息交互等网络特征^{[34, 35]}。在本研究中，我们发现基底节区同样具备模块化，并在STC环路中参与皮层信息的输入与调控信息的输出。此外本研究结果表明，异常的模块-连接主要存在于PD患者的基底节区亚区之间，这一结果提示在PD的核心病理驱动下，基底节区极易出现神经网络的代谢性损伤，并作为环路内核心节点直接导致STC环路的功能紊乱。基础研究指出，在大脑发育过程中，胚胎期的皮层与基底节区建立纤维投射，并在功能化过程中与对应的神经核团（高阶、低阶等）形成固定的解剖性连接，进而保证正常的功能运作与信息交互^{[36, 37]}。在本研究中，PD患者的代谢性模块-连接紊乱，涉及额叶、运动、感觉运动、顶-枕叶、颞叶在内所有的基底节区亚区。这在可视化基底节区内部核团间代谢连接改变的同时，进一步提示PD的运动损伤不单局限于运动环路的异常，应是基底节区介导下的高级认知过程和初级感觉运动功能之间的复杂性病理效应。然而，代谢连接属于生理学范畴，其具体对应的解剖学机制还有待后续的研究来进一步验证。

3.4 本研究的局限性

       本研究仍然存在以下不足：首先，本研究纳入的样本量偏小，可能会干扰研究结果的统计效价，这需要在后续更大样本量的队列研究来予以补充。其次，由于我们聚焦的代谢层面的种子点-连接、皮层-连接以及模块-连接均基于ASL-CBF且在组水平上通过协共变的计算方法所获取，因此需重视图像分辨率和标记后时间所致的数据稳定性以及尚不适用于与临床量表评分的相关性分析，这期待更为前沿的ASL技术以及算法来解决这一问题，以更好地阐述代谢连接属性的生物学意义。再次，鉴于基底节区在STC环路中的枢纽作用，本研究将基底节区预设为种子点予以分析。然而，选择更为契合PD病理生理学改变的种子点并围绕代谢网络的拓扑改变进一步探索，有望为PD患者的信息交流紊乱机制提供更多的见解。最后，尽管我们在停药期采集PD患者的临床及MRI数据，但仍然无法避免多巴胺能药物的干扰。在未来的研究中，可以通过停药前后的试验设计或招募未经药物治疗的PD患者，来比较药物的作用或验证本研究的试验结论。

4 结论

       综上，我们聚焦PD患者的代谢性神经网络，通过ASL无创性获取CBF，并较为系统地分析多个代谢连接属性。研究证实，PD患者存在异常的代谢网络连接模式，表现为STC环路内广泛损伤的种子点-连接、皮层-连接以及模块-连接，涉及运动功能障碍相关的多个病理生理过程。