0 引言

       克罗恩病（Crohn's disease, CD）是一种病因不明的慢性、复发性炎症性肠病，其典型临床表现为腹痛、慢性腹泻、体重减轻和疲劳等躯体症状^{[1, 2]}。有些CD患者常伴有焦虑、抑郁等不良情绪^[3]，而这种情绪状态容易诱发疾病加重^[4]，对患者的预后产生负面影响。近年来，研究发现情绪与大脑结构和功能的异常改变密切相关^[5]。利用MRI技术可以无创检测大脑结构和功能的变化，为深入理解CD患者的神经机制提供有价值的手段。结构MRI可评估脑灰质体积、皮层厚度等脑结构特征^[6]。静息态功能MRI（resting-state functional MRI, rs-fMRI）技术通过检测脑内血氧水平依赖（blood oxygen level dependent, BOLD）信号，分析脑区间功能连接（functional connectivity, FC），间接反映脑区间功能活动^[7]。已有研究表明，缓解期CD患者的灰质体积较正常对照存在差异，特别是前扣带回、背内侧前额叶和左脑岛等区域的灰质体积明显下降^[8]。此外，基于种子点的FC研究揭示了CD患者左侧海马与其他脑区的FC显著降低^[9]，这些发现提示CD患者的脑结构和功能存在异常。然而，目前针对CD患者的神经影像研究主要集中在大脑结构或功能单一模态分析^{[10, 11, 12, 13]}，忽略了两者之间存在的可能联系。不同于以往研究，本研究首先分析CD患者脑皮层特征改变区域，确定FC研究的感兴趣区，从而探讨FC异常问题。通过功能和结构联合的新视角，创新性地分析了它们之间的潜在联系。此外，本研究进一步分析了CD患者脑皮层特征和FC与焦虑、抑郁评分的相关性，为了解焦虑、抑郁潜在神经基础提供一定依据。这些研究为理解CD的神经机制提供新的视角。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经上海市静安区中心医院伦理委员会批准，伦理审批号：AF/SC-06/01.0，所有被试均签署了知情同意书。参照既往对CD患者神经影像研究中报告的效应量^[14]，将本研究CD组和正常对照组的效应量设为1，在显著性水平为0.05，统计力为0.8的情况下，计算样本量。共纳入于2020年2月至8月在上海市静安区中心医院就诊的20例CD患者，所有患者均接受内镜检查、病理活检和血液学检查，并由2名具有10年以上工作经验的消化科专科医师评估检查结果并做出相应诊断。使用焦虑自评量表（Self-rating Anxiety Scale, SAS）评估所有患者焦虑程度，使用抑郁自评量表（Self-rating Depression Scale, SDS）评估抑郁程度。病程使用月份记录。疾病严重程度使用CD活动指数（CD activity index, CDAI）评估。纳入标准：（1）符合2018年我国炎症性肠病诊断治疗与规范的共识意见中的诊断标准^[15]；（2）年龄18~55岁；（3）右利手；（4）受教育年限≥6年。排除标准：（1）患有其他消化道疾病或有腹部手术史；（2）临床已确诊精神、神经类疾病或近6个月有精神、神经类药物服用史；（3）患者目前或曾有过脑外伤或脑肿瘤史等明显脑器质性病变；（4）有MRI检查相关禁忌证，如孕妇、幽闭恐惧症及体内有金属植入物。

       同时通过广告招募了21名与患者年龄、性别和惯用手相匹配的正常对照者。纳入标准：（1）无消化道疾病及疼痛综合征病史、精神类药物服用史的健康者；（2）年龄18~55岁；（3）右利手；（4）受教育年限≥6年。排除标准：（1）有MRI检查相关禁忌证，如孕妇、幽闭恐惧症及体内有金属植入物；（2）有腹部手术史；（3）MRI检查见明显脑器质性病变。

1.2 MRI数据采集

       MRI数据采集均使用西门子3.0 T MRI扫描仪（德国西门子MAGNETOM Prisma）。使用平面回波成像序列采集rs-fMRI数据。扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，翻转角（flip angle, FA）90°，FOV 230 mm× 230 mm，矩阵64×64，层数70，层厚2 mm，共扫描220个时间点（共440 s），带宽2300 Hz。MRI扫描前告知被试在扫描过程中保持安静、尽可能减少头动、避免特异性思维活动，保持清醒，扫描过程中被试佩戴隔音耳塞减少噪声干扰。

       使用梯度回波序列采集矢状位T1加权结构MRI数据，扫描参数为：TR 1800 ms，TE 2.28 ms，层厚1 mm，FA 8°，FOV 256 mm×256 mm，矩阵256×256，层数160。

1.3 MRI数据处理

1.3.1 皮层厚度测量

       使用FreeSurfer（v6.0，https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu）软件对所有被试T1加权结构MRI数据进行预处理，主要步骤包括偏差场校正、颅骨剥离、组织分割、皮层重建和标准化^{[16, 17]}。使用视觉检查方法对原始数据、颅骨剥离、组织分割、皮层重建等关键步骤进行数据质量评估，没有发现质量问题、没有排除被试。基于Schaefer功能分区模板（100个脑分区）^[18]，计算所有被试每个脑区的平均皮层厚度。

1.3.2 FC计算

       使用PhiPipe（v1.2，https://github.com/PHI-group/PhiPipe-release）^[19]和AFNI（v20.0.19，https://afni.nimh.nih.gov）^[20]软件对rs-fMRI数据进行预处理，主要步骤包括：去除前5个时间点以保证信号稳定；以中间时间点图像为参考进行头动校正；以中间层为参考层进行时间层校正；空间配准，选取中间时间点图像配准到T1结构像中；将帧间头动（framewise displacement, FD）大于0.5 mm的时间点作为头动过大的数据并进行插值；使用线性回归模型去除脑白质和脑室的平均信号、Friston-24头动参数模型以及线性和二次趋势等噪声信号影响；对时间序列进行高通滤波（频率>0.01 Hz）^[19]，根据T1-fMRI配准结果，将Schaefer分区从T1空间转换到fMRI空间。使用AFNI软件进行FC计算。基于Schaefer功能分区模板（100个脑区），提取每个分区的平均时间序列，并计算结构差异脑区之间的FC。对原始数据、配准等关键步骤和结果进行了视觉检查，并确保所有被试的平均FD<0.5 mm，没有发现质量问题，没有排除被试。

1.4 统计学分析

       统计学分析使用SPSS 22软件，分类资料（性别）行χ²检验，计量资料（年龄、受教育年限等）采用平均值±标准差表示，使用双样本t检验比较两组间差异。利用R语言（v3.6.3），使用多元线性回归模型比较CD患者与正常对照脑区皮层厚度差异，年龄和性别作为协变量，显著性水平设置为P<0.05，并用FDR进行校正。采用多元线性回归模型，比较CD患者与正常对照组结构存在差异的脑区之间的FC，年龄和性别作为协变量，P<0.05为差异有统计学意义。使用皮尔逊相关分析将差异脑区的皮层厚度和FC与患者临床指标（SAS评分、SDS评分、病程、CDAI）进行相关性分析。

2 结果

2.1 人口学和临床特征

       样本量估算每组被试的样本量最少为17，本研究共纳入CD患者20人，正常对照组21人。CD患者与正常对照组性别、年龄比较，差异均无统计学意义（P均>0.05）。CD组受教育年限明显低于正常对照组（P<0.001）。CD组病程（61.00±70.58）个月，CDAI为176.03±73.43，SDS评分为（41.60±7.38）分，SAS评分为（35.45±7.32）分（表1）。

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表1  临床和人口学特征
Tab. 1  Clinical and demographic characteristics

2.2 脑区皮层厚度组间差异结果

       本研究选取Schaefer功能分区模板（100个脑区），比较CD组与正常对照组每个脑区的皮层厚度，发现CD患者左脑岛（P=0.002，FDR校正）和右后顶叶（P=0.031，FDR校正）皮层厚度较正常对照组明显下降（表2、图1）。

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图1  克罗恩病（CD）组与正常对照组皮层厚度差异。1A为左脑岛脑区示意图；1B为右后顶叶脑区示意图；1C显示CD患者较正常对照左脑岛皮层厚度下降（P=0.002，FDR校正）；1D显示CD患者较正常对照右后顶叶皮层厚度下降（P=0.031，FDR校正）。
Fig. 1  Cortical thickness differences between Crohn's disease (CD) group and healthy control group. 1A: Brain regions schematic diagram for the left insula; 1B: Brain regions schematic diagram for the right posterior parietal lobe; 1C shows decreased cortical thickness in the left insula of CD patients compared to healthy controls (P=0.002, FDR correction); 1D shows decreased cortical thickness in the right posterior parietal lobe of CD patients compared to healthy controls (P=0.031, FDR correction).

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表2  CD患者较正常对照皮层厚度显著降低的脑区
Tab. 2  Brain regions with significantly reduced cortical thickness in patients with CD compared with healthy controls

2.3 FC分析组间差异结果

       以左脑岛和右后顶叶为感兴趣区，计算左脑岛-右后顶叶间FC，比较两组FC的差异，结果显示与正常对照组比较，CD组的FC下降（P=0.025）（图2）。

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图2  克罗恩病（CD）组与正常对照组功能连接（FC）的差异结果。与正常对照组比较，CD组左脑岛-右后顶叶间FC下降（P=0.025）。
图3  CD患者左脑岛皮层厚度与抑郁自评量表（SDS）评分的相关性。皮尔逊相关分析发现，CD患者左脑岛皮层厚度与SDS评分呈显著负相关（r=-0.61，P=0.007）。
Fig. 2  Differential result of functional connectivity (FC) between Crohn's disease (CD) group and healthy control group. Compared with healthy control group, FC between the left insula and the right posterior parietal lobe decreased in the CD group (P=0.025).
Fig. 3  Correlation between cortical thickness in the left insula and self-rating depression scale (SDS) score in patients with CD. Pearson correlation analysis shows that left insula cortical thickness is negatively correlated with SDS score in CD patients (r=-0.61, P=0.007).

2.4 相关性分析结果

       计算左脑岛、右后顶叶皮层厚度以及左脑岛-右后顶叶间FC与临床指标（SDS评分、SAS评分、病程、CDAI）的相关性分析发现，左脑岛的皮层厚度与SDS 评分存在显著负相关（r=-0.61，P=0.007）（图3）。右后顶叶皮层厚度以及左脑岛-右后顶叶间FC与CD患者SAS评分、病程、CDAI无相关性（P均>0.05）。

3 讨论

       本研究从结构和功能联合角度，探讨CD患者大脑较正常对照是否发生异常改变。结构分析发现，与正常对照相比，CD患者左脑岛和右后顶叶皮层厚度减低，其中左脑岛皮层厚度减低更为明显。基于结构差异的FC分析发现，CD患者左脑岛-右后顶叶皮层间FC较正常对照下降。进一步相关分析发现，CD患者左脑岛皮层厚度下降与SDS评分升高有关，这些结果提示CD患者存在脑皮层厚度及FC异常，并且左脑岛皮层厚度与抑郁情绪有潜在关联。

3.1 CD患者左脑岛和右后顶叶皮层受损

       本研究发现CD患者左脑岛和右后顶叶皮层厚度较正常对照明显变薄，其中左脑岛皮层厚度下降得更为明显，提示CD患者出现了皮层结构受损，尤其是左脑岛区域受损更为明显。通过rs-fMRI技术，BAO等^[8]发现，与正常对照相比，缓解期CD患者脑岛、前扣带回、背内侧前额叶等区域的灰质体积明显下降。此外，ZHANG等^[21]对比分析溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）患者大脑灰质体积发现，与正常对照相比，UC患者脑岛、丘脑、前扣带回皮层、海马/海马旁回、杏仁核和颞极等区域灰质体积明显下降，这表明肠道炎症对脑结构可能存在潜在的影响。一些学者通过小鼠炎症模型发现，肠道炎症可通过内毒素介导促炎症细胞因子导致脑内脱髓鞘改变和轴突损伤^{[22, 23]}。脑岛和右后顶叶作为脑网络重要“枢纽”^{[24, 25, 26]}，与脑内多个区域形成广泛连接，更容易受到炎症因子引起的神经损伤^[27]。

       然而，研究发现缓解期CD患者较正常对照出现了顶叶皮层灰质体积增加^[8]。我们推测，这种不一致的结果可能与CD患者的炎症活动程度有关，较弱的肠道炎症刺激可能导致大脑皮层代偿性增厚。

3.2 CD患者左脑岛-右后顶叶间FC异常

       从结构和功能联合角度，本研究以结构分析存在差异的左脑岛、右后顶叶作为感兴趣区进行FC分析，结果提示左脑岛-右后顶叶皮层间FC减弱，说明CD患者左脑岛与右后顶叶皮层的功能联系出现异常。神经影像学证据表明，这两个脑区与脑内多个区域形成广泛连接，其整合多种感觉模式与认知功能^{[28, 29, 30]}。THOMANN等^[31]通过构建拓扑网络发现，与正常对照相比，CD患者脑岛的度中心性下降，也说明CD患者脑岛区域与其他脑区间功能联系程度下降。一项基于高压力任务研究发现，CD患者在应对压力时出现了脑岛区域激活^[32]，表明CD患者在处理压力状态时脑岛的调节功能出现异常，推测可能是大脑对情绪处理能力下降的原因之一。然而，本研究未能观察到左脑岛-右后顶叶间FC与焦虑、抑郁评分之间的显著相关性。这可能是因为本研究的样本量较小，以及选择的CD患者疾病程度更为严重所致。

3.3 CD患者左脑岛皮层厚度与抑郁情绪有关

       本研究进行了左脑岛皮层厚度与SDS评分的相关分析，结果显示，CD患者左脑岛皮层厚度下降与SDS评分存在明显的负相关，这表明CD患者脑岛结构受损可能与其出现抑郁症状存在潜在的关联。先前的研究表明，脑岛结构受损（如脑卒中、肿瘤等）可能引起机体出现异常的神经心理症状，如抑郁、焦虑等^[33]。在一些精神类疾病中，如抑郁症、双向情感障碍等，也观察到脑岛的灰质体积与皮层厚度下降以及FC异常^{[34, 35]}。这表明脑岛在调节情绪等功能时起到了重要作用^[36]，尤其在对抑郁情绪的调节更为明显^[37]。AZIZ等^[38]总结了肠易激综合征患者脑结构特征与各种神经精神症状之间的关系，发现肠易激综合征患者存在多种与焦虑、抑郁相关的脑结构异常，包括脑岛和后顶叶皮层变薄等情况。结合本研究结果，我们认为CD患者左脑岛皮层变薄可能是异常情绪调节的潜在结构基础，并且与抑郁情绪加重密切相关。

3.4 不足与展望

       （1）本研究样本量较小，可能会导致结果偏倚，未来工作中应扩大样本量进行深入研究；（2）本研究虽然分析了大脑皮层厚度和FC与焦虑、抑郁评分的相关性，但不能完全解释焦虑、抑郁对CD患者的脑结构和功能的影响，后续我们将开展更多关于CD合并焦虑或抑郁的神经影像分析；（3）本研究为横向观察性研究，对于CD患者的脑结构和功能的纵向变化也是我们未来研究的感兴趣方向。

4 结论

       总之，本研究结合脑结构与功能分析发现CD患者出现左脑岛与右后顶叶皮层损伤，并且左脑岛与右后顶叶间功能联系减低，左脑岛皮层变薄可能是异常情绪调节的潜在结构基础，这些发现为了解CD患者潜在的神经机制提供了新的思路。