0 引言

       创伤性轴索损伤（traumatic axonal injury, TAI）是创伤性脑损伤（traumatic brain injury, TBI）的一种独特的临床病理亚型，也被称为弥漫性轴索损伤，在脑外伤患者中普遍存在，预后较差。在受到快速旋转力或加-减速后剪切力作用时，TAI常引起患者脑白质完整性遭破坏，导致认知、行为及情感障碍^[1]。越来越多的神经影像研究表明，TBI患者脑区间存在广泛的功能连接改变，而TAI被认为是患者持久认知障碍的重要因素^{[2, 3]}。关于TAI如何影响脑外伤患者自发活动的神经机制尚不完全清楚。功能连接密度（functional connectivity density, FCD）映射是一种新的基于体素数据驱动的图论方法^[4]，用于识别人类大脑中的枢纽和大脑网络连接的差异，以研究大脑中静态功能连接的异常^{[5, 6, 7]}。

       然而值得注意的是，随着时间的推移，大脑活动可能会发生动态变化^[8]，各种复杂的认知和运动功能都与大脑动态整合和协调信息的功能有关^[9]。动态功能连接密度（dynamic functional connectivity density, dFCD）方法将FCD与滑动窗口法相结合，通过将整个时间序列分割为不同的片段来识别大脑活动的差异，计算每一体素的FCD值随时间变化的标准差，可以在更短的时间尺度内描述体素间功能连接的变化，探索不同脑区之间的动态神经通信^{[10, 11]}，这已被广泛用于一些临床疾病^{[12, 13, 14]}。利用dFCD方法研究TAI患者动态特性的改变可以探索TAI患者自发脑活动的更细微变化，为进一步理解TAI伤后临床症状潜在的病理生理机制提供新的见解。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       2013年10月至2024年5月于南昌大学第一附属医院神经外科共收集脑外伤患者182例，从中筛选出符合临床诊断的单纯性TAI患者26例，男18例，女8例，患者受伤到行MRI检查时间间隔中位数为24 d，范围2~210 d。TAI患者纳入标准如下：（1）有典型的闭合性颅脑损伤史（高速旋转或快速加-减速）；（2）意识丧失时间≥30 min的中重度颅脑损伤；（3）存在TAI相关临床表现，并在磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging, SWI）上见微出血灶为特征；（4）血流动力学稳定，确保检查安全并可配合；（5）爱丁堡利手检查结果确定为右利手，年龄18~60岁；（6）无MRI扫描禁忌证。排除标准：（1）先前有脑外伤史、神经障碍或脑血管疾病；（2）CT及MRI上出现明显脑出血、脑挫伤、硬膜下或硬膜外血肿（体积超过10 mL）；（3）存在MRI异常发现的病史（开颅手术史、脑肿瘤、癫痫、多发性硬化、高血压、阿尔茨海默病或轻度认知障碍、脑炎、酗酒、滥药史和心理疾病等）。所有TAI患者在SWI上均见创伤性微出血灶，大部分患者典型影像表现及广泛分布部位见之前研究^[15]。同期从社区招募27例健康志愿者为对照组，健康对照（healthy control, HC）组纳入标准：（1）年龄、性别及受教育年限与TAI患者相匹配；（2）爱丁堡利手检查结果确定为右利手；（3）无MRI扫描禁忌证。排除标准：有神经或精神疾病史、脑外伤史及其他脑部疾病。

       在MRI扫描检查前通过相应的临床量表来评估TAI患者的认知、执行功能障碍及情绪改变的严重程度，包括格拉斯哥昏迷评分量表、简易精神状态检查量表、运动功能评估量表、残疾等级量表、日常生活量表、激动行为量表、汉密尔顿焦虑量表等临床量表，所有受试者均为右利手。本研究遵照《赫尔辛基宣言》，通过了南昌大学第一附属医院医学伦理委员会批准，批准文号：IIT [2024]临伦审第284号，检查前所有受试者本人和（或）家属均知情同意并签名。

1.2 磁共振数据采集

       静息态功能MRI数据采集是使用德国Siemens Trio Tim 3 T 超导MR扫描仪，8通道相控阵头正交线圈，通过采用扫描梯度回波-回波平面成像序列采集，具体参数为TR 2000 ms，TE 30 ms，FOV 200 mm × 200 mm，矩阵64 × 64，翻转角为90°，层厚为4 mm，连续扫描30层，全程耗时8 min，共有240个时相。注意扫描过程中需嘱患者保持安静，不要思考，平静呼吸，闭目，但不能睡着。3D-T1WI矢状位扫描，具体参数为TR 1900 ms，TE 2.26 ms，体素大小1 mm×1 mm×1 mm，矩阵256×256，采集共176层。所有被试均行SWI序列扫描，TR 28 ms，TE 20 ms，FOV 240 mm×240 mm，矩阵448×384，翻转角15°，带宽15.6 kHz，采集层厚为1.2 mm。同时进行CT及常规MRI平扫扫描以除外脑部疾病。

1.3 数据预处理

       本研究采用基于Matlab 2016b平台的静息态功能磁共振成像分析软件进行数据预处理。具体步骤为：（1）数据格式转换；（2）时间点去除，去除前10个时间点；（3）时间校正；（4）头动校正；（5）基于3D结构像进行配准到蒙特利尔神经科学研究所空间标准化；（6）去除协变量，包括头动、脑脊液、脑白质及全脑信号；（7）去线性趋势及低频（0.01~0.10 Hz）滤波，降低高频噪声。

1.4 dFCD分析

       为了确定每个被试的动态功能图，我们在Dynamic BC工具箱中使用了滑动窗口dFCD方法。基于既往研究^{[10, 12, 16]}，本研究选择50 TR作为窗口长度，1 TR为步长，以优化捕获快速变化的动态关系。在每个滑动窗口中，我们通过计算整个大脑体素之间的Pearson相关性获得了每个窗口中的全局FCD图。当两个体素的Pearson相关系数大于给定阈值r=0.25时，根据P<0.001的显著性水平，认为两个体素是连通的，以消除可能由噪声引起的弱相关性。通过滑动窗口间FCD值的标准差计算时间变异性。然后，将每个被试的时间变异性图归一化为Z-score矩阵。随后用6 mm平滑核对所有归一化图像进行空间平滑处理。我们还尝试了其他窗宽（10 TR和90 TR）和步长（5 TR），以进一步检查可能对dFCD结果的影响。

1.5 统计学分析

       我们使用Shapiro-Wilk检验来评估人口学和量表数据的正态性。根据数据类型，我们使用卡方检验、非参数检验和两样本t检验来比较TAI和HC组之间的差异，进一步计算平均dFCD变异性在TAI组和HC组大脑中的空间分布。在SPM 12软件中采用一般线性模型构建双样本t检验模型，评估dFCD变异性的组间差异，并将年龄、性别和FD平均值作为协变量，经双尾高斯随机场（Gaussian random field, GRF）校正作为显著性标准以降低假阳性率（体素水平P<0.01，团块水平P<0.05）。最后，我们使用Spearman偏相关分析来检验异常脑区改变值与临床变量之间的关系，以P<0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 人口学统计资料

       两组间年龄、性别、受教育年限差异均无统计学意义，格拉斯哥昏迷评分量表、简易精神状态检查量表等临床量表评分TAI组显著低于HC组，差异有统计学意义（P<0.05），见表1。

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表1  TAI组与HC组一般临床资料对比
Tab. 1  Comparison of general clinical data between TAI and HC groups

2.2 dFCD时变性的组间差异

       TAI组和HC组的dFCD变异性平均分布见图1。与HC对比，TAI患者dFCD变异性增高的脑区主要位于右侧海马/海马旁回，右侧岛叶/中央沟盖。TAI患者dFCD变异性减低的脑区位于右侧额内侧回、双侧辅助运动区/左侧中央旁小叶/左侧中央前回（表2，图2）。

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图1  动态功能连接密度（dFCD）变异性的平均分布图，每个体素的dFCD变异性通过除以单个平均值进行归一化。TAI：创伤性轴索损伤；HC：健康对照；L：左；R：右。
Fig. 1  The average distribution maps of dynamic functional connectivity density (dFCD) variability for each group, the dFCD variability of each voxel is normalized by dividing the individual mean value. TAI: traumatic axonal injury; HC: healthy control group; L: left; R: right.

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图2  动态功能连接密度（dFCD）变异性组间差异脑区分布，暖色调代表TAI组dFCD值显著增高，冷色调代表TAI组dFCD值显著减低（体素水平P<0.01，团块水平P<0.05，GRF校正）。TAI：创伤性轴索损伤；R：右；L：左。
Fig. 2  Distribution of brain regions with dynamic functional connectivity density (dFCD) variability between groups. Compared with health control group, warm color represent significantly higher dFCD values in TAI group, and the cool colors represent significantly reduced dFCD values in the DAI group (voxel level P < 0.01, cluster level P < 0.05, GRF correction). TAI: traumatic axonal injury; R: right; L: Left.

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表2  TAI患者与HC组的组间dFCD差异显著的脑区
Tab. 2  Distribution of brain regions with different dFCD between TAI group and HC group

2.3 相关性分析

       TAI组具有显著差异的脑区dFCD值与临床量表评分之间均未发现显著相关性（P均>0.05），见表3。

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表3  TAI患者dFCD异常变异性与临床量表间的相关性分析
Tab. 3  Correlations between altered dFCD and clinical variables in TAI group

2.4 验证分析

       不同窗宽步长条件下TAI组和HC组的dFCD变异性平均分布图见图3，其中窗宽为10 TR，步长为1 TR时，可能由于窗宽及步长太小，导致主要结果相对缺乏稳健性，其余在不同窗宽步长下每组主要结果大致类似，证明了我们结果的相对稳定性。

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图3  不同条件下动态功能连接密度（dFCD）变异性的平均分布图。3A：窗宽为10 TR，步长为1 TR；3B：窗宽为90 TR，步长为1 TR；3C：窗宽为10 TR，步长为5 TR。TAI：创伤性轴索损伤；HC：健康对照；L：左；R：右。
Fig. 3  The average distribution maps of dynamic functional connectivity density (dFCD) variability for each group under different conditions. 3A: Sliding window length of 10 TR, step size of 1 TR; 3B: Sliding window length of 90 TR, step size of 1 TR; 3C: Sliding window length of 10 TR, step size of 5 TR. TAI: traumatic axonal injury; HC: healthy control; L: left; R: right.

3 讨论

       本研究结合FCD和滑窗法分析，探索了TAI组及HC组全脑体素水平的功能连接模式的时间变异性改变。结果发现，与HC组相比，TAI组患者部分大脑区域出现dFCD时间变性的改变，主要在默认网络（default mode network, DMN）、突显网络（salience network, SN）、感觉运动网络等脑区，这些异常的动态FCD的改变为加深对TAI患者的功能连接模式的时间变异性的理解提供新的思路，为TAI伤后患者神经功能障碍潜在的病理生理学机制提供了新的见解。

3.1 TAI组与HC组dFCD变异性的差异

       海马作为DMN的核心区域，参与学习和记忆活动，与整个大脑有着广泛的联系^[17]。在最近的研究中已经观察到DMN和其他脑网络的激活和功能连接异常，并与认知和记忆障碍^[18]、抑制控制下降^[19]和视觉注意力受损^[20]有关。海马很容易受到TBI的剪切力损伤^[21]，并引起伤后记忆障碍，海马萎缩的程度与损伤的严重程度有关^[22]。最新一项多模态神经成像研究表明，海马体体积减小与TBI患者的记忆和学习能力不足有关，并且左侧海马存在结构及功能连通性降低，与伤后记忆和学习障碍相关^[23]。通过动态功能连接分析，我们发现了右侧海马、海马旁回的dFCD变异性增加，可能反映了与其他脑区形成的网络结构动态功能整合的不稳定性。一些功能磁共振成像研究表明，轻度TBI患者的DMN内存在超连通性^[24]，可以解释为内在大脑网络的适应性反应，缓解脑损伤后导致的临床症状，维持必要的大脑功能运行。

       岛叶参与多种功能，在感觉运动、疼痛及情绪调节中发挥重要作用。先前的神经影像学研究显示TBI患者脑岛结构和功能连接异常，如体积减小、区域均匀性减低及功能连通性受损，这些改变与认知评分有关^[25]。同时岛叶也是SN的关键脑区，可以介导其他重要的内在连接网络，如DMN和中央执行网络（central execution network, CEN）^[26]，在认知及行为相关性事件中起着至关重要的作用。之前一些研究发现了mTBI患者SN内异常的岛叶连通性、与DMN和CEN的功能交互失调，并与神经认知相关^{[27, 28]}。最新研究表明，轻度TBI患者三重网络（即DMN、SN、CEN）中功能连接的动态特性异常，并与认知功能相关^[29]。先前一些研究表明，涉及高级功能的区域通常表现出更高的动态功能连接，这可能与调节系统与其他脑网络的灵活耦合有关^[30]。之前研究也发现轻度TBI患者岛叶脑血流量增加^[31]。本研究对dFCD分析发现，TAI患者的右侧岛叶dFCD变异性增加，可能代表一个补偿机制，提示TAI患者右侧海马与全脑其他脑区的功能交互灵活性增加，对内部刺激的感知增强。

       同时，TAI患者中也发现一些脑区的dFCD变异性降低，包括右侧内侧额上回、双侧辅助运动区、左侧中央旁小叶及左侧中央前回，主要涉及感觉运动网络^[32]。辅助运动区位于额上回内侧后部，主要为对控制运动和语言产生负性调节反应，参与运动的准备和执行，与语言处理有关，损伤或切除后会产生相应症状，表现为运动和语言抑制，同时在认知功能中介导信息处理，特别是注意力障碍^[33]。本研究中发现的这些感觉运动皮层脑区dFCD时间变异性降低，暗示其与其他脑区交互活动减少，提示关键作用减弱，一定程度上解释了TAI患者伤后感觉异常、执行运动和注意力障碍的病理生理学机制。

3.2 局限性与展望

       本研究存在一些局限性。首先，考虑到TBI患者异质性，我们排除了明显脑挫裂伤、硬膜下/外血肿等的患者，导致我们筛选出的单纯TAI患者样本量较小，未来需不断收集患者，扩大样本量来验证我们结果。其次，目前尚不清楚微出血灶在多大程度上影响内在脑功能连接。然而，由于TAI中创伤性微出血灶导致的病变相当小，并且我们已经目测检查并严格控制整个预处理过程，因此很可能微出血灶的分布对TAI组内在功能连接结果的影响是有限的。此外，目前的研究是横断面的，考虑到临床病理异质性对脑功能动态变异性的影响，在未来的研究中需要进行更细的亚组及纵向研究。

4 结论

       综上所述，基于体素的FCD映射和滑动窗口法相结合，揭示了TAI患者全脑异常功能连接模式的动态变异性特征，主要在DMN、SN和感觉运动网络，反映了TAI患者更多大脑活动的细微变化，强调了大脑系统之间动态神经通讯的重要性，有助于我们进一步了解TAI患者潜在的病理生理机制。