0 引言

       帕金森病（Parkinson's disease, PD）是第二常见的神经退行性疾病，全球患病人数超过600万^[1]。其主要病理特征是黑质纹状体系统中的多巴胺能神经元丢失和路易小体在脑内广泛累及^[2]，从而导致一系列运动及非运动症状。其中，疼痛是PD中常见但容易被忽视的非运动症状之一，发生率高达40%~85%^[3]。它可发生在病程的任何阶段，甚至出现在PD诊断之前^{[4, 5]}。根据Ford分类标准^[6]，PD相关疼痛被分为5种类型：肌肉骨骼疼痛、神经性/神经根性疼痛、肌张力障碍相关性疼痛、静坐不能性不适和中枢性疼痛。在PD病程中，疼痛被认为是最令人痛苦的症状，严重影响了患者的生存及生活质量，甚至超过了运动症状对患者的影响^{[7, 8]}。据统计，疼痛在PD中的发病率是正常同龄人的2~3倍，且严重程度更高^[9]。此外，PD疼痛患者更容易伴发睡眠障碍、认知功能障碍及情绪障碍等其他非运动症状，并且这些症状与疼痛互相影响，形成恶性循环^[10]。

       然而，PD疼痛的确切病理生理机制尚不清楚。PD最主要的病理特征是黑质纹状体系统中的多巴胺能神经元丢失，进而导致多巴胺能神经传导通路紊乱。研究表明多巴胺能通路与疼痛处理通路存在部分重叠，因此，多巴胺能系统的障碍可能导致自发性疼痛产生^[11]。此外，随着病程发展，PD患者的疼痛传导通路中（如蓝斑核、中缝核、中脑导水管周围灰质及边缘系统等）逐渐出现路易小体病理累及^[12]。这些证据为探究PD疼痛的神经机制提供了病理学基础。

       高分辨率结构MRI技术可用于观察大脑细微形态学变化，能够从神经解剖学角度反映疾病的病理改变。大脑皮层厚度（cortical thickness, CT）是结构MRI的一个常用指标^[13]，能更精确地观察到疾病早期大脑皮层改变，已成为研究疾病大脑皮质形态学变化规律的有力工具。研究发现，在多种慢性疼痛中（慢性颈痛^[14]、慢性背痛^[15]、慢性疼痛障碍^[16]、偏头痛^[17]等）广泛脑区CT值存在异常改变，可能导致了相应区域功能的异常，为揭示疼痛的病理机制提供了解剖学依据。以往采用CT指标的研究已经证明PD患者存在广泛脑区的CT值减低^{[18, 19, 20, 21]}，这可能与路易体病理的累及有关。根据路易体病理进展分级，随着PD病程发展，路易小体病理从低位脑干逐渐累及大脑深部核团及广泛皮层区域，导致大脑多个区域结构的神经元凋亡，这可能也构成了PD一系列的运动及非运动症状的解剖基础。

       然而，目前关于PD相关性疼痛的CT研究非常少见（国内外仅检索到一篇文献报道^[22]），该研究显示，相对于PD伴疼痛（PD patients with pain, PDP）组，PD不伴疼痛（PD patients without pain, nPDP）组背外侧前额叶皮质、眶额叶皮质和岛叶后部CT显著变薄。但该研究尚不够全面，需要进一步研究对结果进行证实。在此基础上，本研究拟采用高分辨率结构MRI技术探讨与PD疼痛相关的大脑CT改变，并分析皮层结构改变与疼痛评分的相关性，为揭示PD疼痛的病理机制提供神经解剖学依据。相较于先前研究，本研究扩大了样本量，并进一步探讨了PD疼痛患者CT改变与疼痛评分的相关性。此外，本研究选用了对脑结构改变较为敏感的CT分析技术（CAT12），增加了结果的可靠性。最后，我们将研究结果与PD的病理机制相联系，从而更深入地解释了PD疼痛的神经解剖学机制。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       招募2020年9月至2022年3月期间在苏州大学附属第二医院神经内科门诊或住院确诊的PD患者97例。PD组纳入标准：（1）根据国际运动障碍协会帕金森病诊断标准确诊的PD患者；（2）年龄45~75岁；（3）无中枢神经系统疾病史（如肿瘤、外伤、卒中等）；（4）能够配合并理解相关神经心理学量表的评估，具有完整的临床资料及MRI数据。排除标准:（1）帕金森叠加综合征（如多系统萎缩、进行性核上性麻痹等）及其他原因所致的帕金森综合征；（2）有其他已知原因的疼痛（如脊髓疾病、骨科疾病和周围神经病变等）；（3）头颅MRI图像不符合要求（脑内明显病变、头动过大及金属伪影等）；（4）接受过手术治疗（包括脑深部电刺激术、神经核团毁损术等）；（5）存在严重的认知障碍及精神疾病（如焦虑、抑郁及精神分裂症等）；（6）目前使用除帕金森病药物以外的镇痛药物。同期，在当地社区招募了34名年龄、性别及受教育年限匹配的健康对照，他们均不伴有任何疼痛症状，并且无认知障碍、神经系统和精神疾病病史。本研究中所有研究对象根据爱丁堡惯用手量表确立为右利手，并且均无MRI检查禁忌。此外，基于先前的研究^[23]，所有PD患者在扫描前12小时停止服用抗帕金森病药物。本研究经苏州大学附属第二医院伦理委员会批准（批准文号：JD-LK-2018-004-02），且遵守《赫尔辛基宣言》。所有被试均签署知情同意书。具体流程图如图1。

       搜集所有研究对象的人口学及神经心理学资料，包括年龄、性别、受教育程度及简易智能精神量表（Mini-mental State Examination, MMSE）评分。对于PD组，需完善其相关的临床资料及神经心理学评估，包括：（1）病程；（2）统一帕金森病评定量表第三部分（Unified Parkinson's Disease Rating Scale-Ⅲ, UPDRS-Ⅲ）评分和Hoehn-Yahr（H-Y）分期；（3）蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment, MOCA）评分；（4）汉密尔顿抑郁量表（Hamilton Depression Scale, HAMD）及汉密尔顿焦虑量表（Hamilton Anxiety Scale, HAMA）评分；（5）左旋多巴等效日剂量（levodopa equivalent daily dose, LEDD）。其中UPDRS-Ⅲ评分及H-Y分期用于评估PD患者疾病及运动症状严重程度；HAMD和HAMA评分评估用于排除存在严重焦虑及抑郁的患者。

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图1  研究对象筛选流程图。
Fig. 1  Flow chart of screening subjects.

1.2 疼痛评估

       首先采用帕金森病非运动症状问卷对疼痛患者进行初筛，问卷主要是询问PD患者在病程中是否伴有不明原因的躯体疼痛症状。然后进一步联合VAS评分对PD伴疼痛患者的疼痛程度进行量化。具体过程是要求患者根据自己当前躯体的疼痛程度在0~10刻度的标尺上做出标记：0代表无任何疼痛；1~3代表轻度疼痛，对正常的生活和学习没有影响；4~6代表中度疼痛，正常生活和学习受到明显影响；7~9代表重度疼痛，正常生活、学习及睡眠均受到影响；10代表无法忍受的剧烈疼痛，严重影响患者的生活质量。最终，依据VAS评分，将PD患者分为PDP组41例（VAS > 0）和nPDP组41例（VAS=0）。根据慢性疼痛标准^[24]，本研究纳入的PD伴疼痛患者的疼痛持续时间均超过3个月。

1.3 数据采集

       本研究采用3.0 T MR扫描仪（Siemens, Prisma，德国）及配套的64通道头部线圈进行MRI图像采集。在扫描之前，嘱咐所有受试者保持头部不动，闭眼休息，避免进行过多的思维活动。在头两侧放置海绵垫以固定头部以防止运动，使用橡皮耳塞降低噪音。结构MRI图像使用三维磁化快速梯度回波序列进行采集，扫描参数如下：矢状位扫描，TR 2300 ms，TE 2.34 ms，FOV 256 mm×256 mm，FA 8°，采集矩阵256×256，层厚1.0 mm，层数240，层间隔0，体素大小1 mm×1 mm×1 mm，扫描时间3 min 54 s。此外，所有受试者均行轴位液体衰减反转恢复（fluid attenuated inversion recovery, FLAIR）序列扫描以排除颅脑病变。扫描参数如下：TR 7000 ms，TE 120 ms，FOV 230 mm×230 mm，采集矩阵384×384，层厚5.0 mm，层数20。

1.4 结构MRI数据处理与分析

       本研究基于MATLAB 2018b平台，使用Statistical Parametric Mapping（SPM12, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）内的计算机解剖分析工具12（CAT12,http://www.neuro.unijena.de/cat/）对大脑结构图像进行处理分析，包括预处理及后处理过程。CAT12是一个快速且易于使用的软件，它基于投影的厚度（projection-based thicknes, PBT）方法估计皮质厚度并重建半球中央表面，可以提供与FreeSurfer同样可靠的结果^[25]。大致流程包括：首先，进行图像质量检查，排除运动伪影过大或脑结构异常的患者；然后，将DICOM格式的数据转换为NIFTI格式；之后，将NIFTI格式的数据进行预处理及后处理。预处理步骤包括：（1）组织分割，首先去除非脑部组织，之后将大脑分割为标准化脑皮质、脑髓质和脑脊液等组织；（2）内外皮层曲面重建，对大脑灰-白质边界进行三维曲面重建软脑膜表面模型，包括皮质表面配准、折叠表面的膨胀曲面；（3）不均匀场校正；（4）配准和标准化，将所有被试者的T1图像与标准模板对齐，保证个体图像与模板图像一一对应，便于进行组水平分析。预处理结束后，通过查看图像质量报告，纳入平均加权得分为B+或以上的受试者进行后续处理分析。后处理步骤包括：（1）指标计算，提取CT等指标；（2）平滑，采用15 mm半高全宽高斯核对提取的CT指标进行空间平滑，去掉噪声对图像的影响，减少统计中的假阳性率。数据具体处理流程见图2。

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图2  数据处理流程图。
Fig. 2  Flow chart of data processing.

1.5 统计分析

1.5.1 人口学及临床资料统计分析

       采用SPSS 20.0分析软件对所有研究对象的一般人口学资料及临床量表进行统计分析。根据不同的变量类型采用相应的统计学方法。三组间性别差异的比较采用卡方检验。满足正态分布的计量资料，两组资料采用独立样本t检验，三组资料采用one-way ANOVA检验（事后检验采用Bonferroni校正），以均数±标准差（x¯±s）表示。非正态分布的计量资料采用非参数检验，两组资料采用Mann-Whitney U检验，三组资料采用Kruskal-Wallis H检验，以中位数（四分位数间距）[M（P25, P75）]表示，P<0.05为差异具有统计学意义。

1.5.2 CT组间分析

       首先，通过SPM12的统计模块对三组被试者的CT值进行one-way ANOVA检验，以年龄、性别及颅内总体积（total intracranial volume, TIV）作为协变量；然后，使用CAT12中的“Estimate”估计表面模型；最后，使用SPM12中的“Results”进行矩阵统计设计。得到的结果采用TFCE（转换次数为5000次）及FDR进行多重比较校正，阈值设为P<0.05。该方法能够很好地平衡假阳性率和可重复率。将三组间CT值存在显著差异的脑区投射到中央皮层模板上进行显示，具体脑区汇报根据Desikan-Killiany 图谱（DK40）模板命名。之后，对差异脑区进行事后分析：采用SPSS 20.0软件，将提取的三组间差异脑区CT值分别进行两两组间比较，采用独立样本t检验，P<0.05为差异具有统计学意义。

1.5.3 偏相关分析

       使用SPSS 20.0分析软件，将提取的PDP组差异脑区的CT值与VAS评分进行偏相关分析，以年龄、性别、HAMA及HAMD评分作为控制变量，阈值设定为P<0.05。

2 结果

2.1 人口学及临床资料统计分析结果

       本研究所有被试者的一般人口学和临床资料统计结果见表1。本研究共招募了97例PD患者以及34例健康对照，其中20例受试者不符合要求而被排除。最终82例PD患者和29例健康对照被纳入研究。82例PD患者中PDP患者41例（男22例，女19例），nPDP患者41例（男24例，女17例）；29例健康对照组中男15例、女14例。统计结果显示，PDP组、nPDP组及NC组三组在年龄、性别、受教育年限、MMSE评分等方面差异无统计学意义（P>0.05）。此外，PDP组与nPDP组在病程、H-Y分期、UPDRS-Ⅲ、LEDD、MoCA、HAMA及HAMD评分等方面差异均无统计学意义（P>0.05）。PDP组与nPDP组VAS评分比较差异具有显著统计学意义（P<0.001）。

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表1  PDP组、nPDP组及NC组人口学和临床资料统计分析结果
Tab. 1  Demographic and clinical information of the three groups

2.2 CT组间差异结果

       采用SPM12统计模块得出，PDP组、nPDP组和NC组间大脑CT值存在差异的脑区主要包括（TFCE-FDR校正，P<0.05）：右侧额上回，右侧额中回下部及右侧额下回三角部（表2，图3A）。事后分析结果显示，与nPDP组相比，PDP患者右侧额中回下部及右侧额下回三角部的CT减低（P值分别为0.033和0.007）（图3B、3C）。而PDP组与nPDP组相比，右侧额上回CT值差异无统计学意义（P=0.088）（图3D）。

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图3  CT组间差异结果。3A：PDP组、nPDP组和NC组三组间CT值差异脑区；3B~3D：PDP组、nPDP组及NC组组间CT值差异脑区柱状图。PDP：帕金森病伴疼痛患者；nPDP：帕金森病不伴疼痛患者；NC：正常对照；CT：皮层厚度。
Fig. 3  Results of differences between CT groups. 3A: Brain regions with significant differences in CT values among PDP group, nPDP group and NC group; 3B-3D: Bar graph of brain regions with differences in CT values among PDP, nPDP and NC groups. PDP: PD patients with pain; nPDP: PD patients without pain; NC: normal control; CT: cortical thickness.

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表2  PDP组、nPDP组及NC组三组间皮层厚度差异脑区结果显示
Tab. 2  Brain regions with differences in cortical thickness among PDP, nPDP and NC groups

2.3 偏相关分析结果

       偏相关分析结果显示，PDP组差异脑区（右侧额中回下部及额下回三角部）的CT值与VAS评分之间的相关性无统计学意义（P值分别为0.181、0.642）。

3 讨论

       CT可用于客观且敏感地评估大脑皮层细微结构变化，广泛用于研究神经精神性疾病的脑改变，但很少应用于PD疼痛的研究中。本研究首次（国内）采用基于CAT12的皮质形态测量学方法定量分析了PDP组、nPDP组及NC组的CT值差异，并且探究了PDP患者的脑皮层结构改变与疼痛评分的相关性。结果发现PDP患者存在额中回及额下回CT显著变薄，但未发现与疼痛评分存在相关性。此研究揭示了与PD疼痛相关的神经影像标志物，这些发现将推进对PD疼痛病理机制的理解。

3.1 PD疼痛相关神经解剖学机制

       国际疼痛研究协会将疼痛定义为“与实际或潜在的组织损伤相关的或根据这种损伤描述的不愉快的感觉和情绪体验”，并且其他领域（如情感和认知）与疼痛的起源、维持和管理都有关系^[26]。在疼痛形成过程中，外周及中枢多个结构同时参与活动。疼痛过程始于伤害性感受器接受刺激，刺激在脊髓背角神经元中传递，之后通过疼痛传入系统传递到高级中枢大脑神经元^{[27, 28]}。目前认为脑内疼痛处理通路分为内侧及外侧疼痛系统^{[29, 30]}。内侧疼痛系统包括脊髓网状束，投射至蓝斑核、中缝核、中脑导水管周围灰质、巨细胞核、前额叶及前扣带回等区域，主要涉及疼痛的情感、认知评估、记忆及自主反应等方面。外侧疼痛系统包括脊髓丘脑束，投射至丘脑及感觉皮质区域（如躯体感觉区、颞叶及后顶叶等区域），主要参与疼痛刺激的辨别与定位。在PD患者中，与疼痛有关的大脑结构发生退行性改变，可在多个层面上影响痛觉的处理过程^[31]。根据Braak提出的PD病理进展假说^[32]，路易小体首先累及脑干及深部核团，之后逐渐扩散至颞叶、额叶及顶叶等皮质区域。路易小体在细胞质中沉积导致神经元凋亡，所以PD患者大脑结构在宏观上可表现为体积萎缩及CT变薄。先前，借助结构MRI技术，多项研究已经发现PD患者存在广泛脑区的萎缩（如大脑深部核团、额叶、顶叶、枕叶及小脑等）^{[33, 34, 35, 36, 37]}。研究表明^[38]，在PD早期，即可观察到内侧疼痛系统中的大脑结构出现路易小体病理沉积，包括蓝斑核、中缝核、巨细胞核及中脑导水管周围灰质等区域。随着疾病发展到病理阶段5~6期，许多大脑皮层区域，包括辅助疼痛处理功能的区域，逐渐出现路易小体病理累及。这些研究为PD疼痛大脑皮层结构改变提供了病理学证据。

3.2 PD疼痛患者相较于PD不伴疼痛患者CT减低脑区

       本研究结果显示，PDP患者额中回及额下回CT显著变薄，说明PDP患者疼痛相关脑区存在结构差异，我们推测该区域可能受到PD病理损害，并且与PD疼痛发生有关。额中回及额下回属于前额叶的一部分，其是内侧疼痛系统的关键脑区^[39]。一方面，前额叶皮层可接收并处理其他疼痛相关脑区的感觉信息，并且可通过调节中脑导水管周围灰质的功能，共同参与调节大脑镇痛系统的功能^{[40, 41, 42]}。另一方面，它还可接收来自腹侧被盖区的多巴胺神经纤维投射，参与调控疼痛的感觉以及情绪/情感等方面^[43]。先前，在急性和慢性疼痛的研究中均发现前额叶皮层的神经递质、基因表达及神经胶质细胞会发生变化，从而导致其结构、功能的异常改变^[44]。既往多个神经影像研究发现 PDP患者前额叶区域存在结构及功能的异常改变，均在一定程度上支持了本研究结果。比如最新的一项研究^[22]，发现PDP患者眶额叶存在CT值及神经活动减低，提示了该区域在PD疼痛发生发展中的扮演重要角色。FORKMANN等^[45]发现PD患者在疼痛预期过程中，背外侧前额叶区域神经活动及功能连接减弱。基于此，我们推测前额叶结构的损害，可能会导致其功能异常，出现疼痛的信息传递及处理障碍。此外，既往脑功能研究发现PDP患者前额叶区域呈现异常激活及功能网络连接增加^[46]。结合本研究结果，可能反映了一种大脑重要的代偿机制，即患者存在脑结构损伤的同时伴随着功能网络的代偿性激活^[47]。此外，在其他多种疼痛综合征中，前额叶的皮层结构损伤也经常被报道。例如，基于VBM方法，姜健等^[48]比较分析了20例下腰痛患者及健康对照组的灰质体积差异，发现下腰痛患者左侧额下回的灰质体积显著减小。并且，以往多项研究^{[49, 50]}也证明下腰痛患者常常出现前额叶皮层灰质体积减小。MAGON等^[51]对113例偏头痛患者的CT进行分析，结果发现偏头痛患者额中回CT显著变薄，并且与头痛发作时间及频率呈负相关，该改变可能影响了患者对疼痛的调节及认知评估过程。遗憾的是，本研究PDP患者CT值改变与疼痛评分之间无相关性。我们考虑可能由于试验病例数较少、患者耐受能力不同等因素，从而导致结果出现误差。而且，临床上疼痛－脑改变因果关系尚无定论，二者的关系尚需进一步纵向研究证实。

3.3 PD不伴疼痛患者相较于NC组CT减低脑区

       此外，与NC组相比，nPDP组的右侧额上回及右侧额中回下部CT值减低。笔者前面已经解释了额中回结构改变主要与PD疼痛发生有关。而研究表明，额上回结构改变主要与运动障碍有关，并且是PD的较早期变化^[52]。而且，额上回是执行控制网络的核心节点，其萎缩主要导致PD患者的执行功能异常^[53]。该结果在一定程度上支持了先前的研究结果^{[19, 54]}，即PD患者存在额叶不同区域结构萎缩。

3.4 不足及展望

       本研究尚存在不足：首先，本研究纳入的PD患者均已规范地接受了抗帕金森药物治疗，虽然在MRI扫描前12小时所有患者已经停用药物，但是仍无法完全消除长期服用多巴胺能药物对脑结构的影响。后续选取早期未用药的患者进行研究可能为探究PD疼痛的机制提供新的发现。其次，PD相关疼痛的类型复杂多样，不同疼痛类型的病理机制可能不同。本研究未对PD各种疼痛亚型进行分组研究，因此，后续将对PD不同疼痛类型进行分组，进一步探讨PD各种疼痛亚型涉及的神经机制。最后，本研究属于横断面设计，因此无法判定PD伴疼痛患者脑结构改变与疼痛发生的因果关系，后续将进行纵向研究来进一步明确。

4 结论

       综上，本研究发现，相较于PDP患者，nPDP患者前额叶区域（额中回及额下回）的CT萎缩。前额叶是负责疼痛处理的一个关键区域，从多个方面参与疼痛过程，主要涉及疼痛的感知与调节、认知加工及情绪/情感处理方面，为PD疼痛的病理机制提供了神经解剖学依据。