0 引言

       脑室周围白质损伤（periventricular white matter lesions, PWML）是新生儿尤其是早产儿最常见的脑损伤，与双侧痉挛型脑瘫（bilateral spastic cerebral palsy, BSCP）的发生密切相关^{[1, 2, 3]}。已有研究表明BSCP患者除白质损伤外，灰质体积（gray matter volume, GMV）也显著减小^{[4, 5]}。BSCP患者脑结构改变并不局限于PWML区域和相关运动通路，而是广泛分布于全脑白质和灰质中^[6]。常规MRI能显示白质病变的部位及范围。灰质损伤主要表现为全脑或局部脑体积减小，常规MRI和功能磁共振成像技术难以显示轻微GMV改变。

       基于体素的形态学分析（voxel-based morphometry, VBM）是一种结构磁共振量化分析技术，可以从体素水平定量分析脑灰、白质的差异^[7]。VBM目前被广泛应用于识别部分神经精神疾病的关键脑区^{[8, 9]}。然而，VBM由于空间分辨率较低，且侧重于脑体积的计算，难以解析皮层复杂拓扑结构的细微改变。基于表面的形态学分析（surface-based morphometry, SBM）通过重建大脑皮层三维模型，可以测量复杂的皮层拓扑结构，从而弥补VBM的不足^[10]。目前国内外对BSCP脑结构改变的研究主要集中于VBM^{[4, 11]}和DTI^{[1, 12, 13]}，联合应用VBM和SBM探测BSCP脑结构变化未见相关报道。本研究利用VBM和SBM探索性分析BSCP儿童脑灰质结构变化特点，并分析脑结构各参数指标与粗大运动功能的相关性，探讨BSCP儿童脑微观结构改变的神经机制，从而为临床早期干预及治疗提供影像学依据。

1 材料与方法

1.1 临床资料

       前瞻性纳入2019年4月至2021年9月在遵义医科大学附属医院就诊的PWML并BSCP儿童。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，并经遵义医科大学附属医院医学伦理委员会批准[伦审（2019）1-117]。知情同意书均由被试监护人签署。在本研究中，我们在G*Power3.1.9.7软件中使用非中心t分布进行样本量估算，在预试验中以双侧丘脑为感兴趣区计算效应量，两样本标准差σ=0.11，均值差δ=0.13，并设置检验水准α=0.05，检验功效（1-β）=0.80。功效分析结果显示，为了观察到期望的效应量，BSCP组和对照组分别需要约18名患者和志愿者。最终我们招募了19名BSCP患者以及20名年龄、性别相匹配的健康志愿者。BSCP组纳入标准：（1）年龄2~14岁；（2）符合中国2014年BSCP诊断标准^[14]；（3）MRI表现为PWML。排除标准：（1）临床资料及图像不完整；（2）3个月内有骨骼肌肉损伤；（3）有脑外伤史；（4）伴有神经精神类疾病。对照组纳入标准：（1）智力正常；（2）神经系统无阳性体征。排除标准：（1）颅脑MRI异常；（2）临床及影像学资料不完整；（3）伴有神经精神类疾病。

1.2 磁共振图像采集

       采用美国GE Signa HDxt 3.0 T MR扫描仪和8通道头颈联合线圈。扫描前向被试者告知整个检查过程及注意事项，争取获得被试配合，年龄较小儿童可由家属陪同以缓解其紧张情绪。若被试不能配合，予10%水合氯醛（特丰制药，中国江苏）0.5 mL/kg口服或灌肠，待其熟睡后行MR检查。被试取仰卧位，头部两侧用海绵垫固定以减少运动伪影。使用水合氯醛前向被试监护人说明其不良反应及注意事项，并取得知情同意。检查过程中密切观察被试生命体征。扫描序列及参数如下。（1）轴位3D-FSPGR T1WI：TR 7.8 ms，TE 4.6 ms，层厚1 mm，层间隔0，FOV 256 mm×256 mm，矩阵256×256，NEX=1；（2）轴位FSE-T2WI：TR 4200 ms，TE 145 ms，层厚3.0 mm，层间隔0.5 mm，FOV 240 mm×240 mm，NEX=2；（3）轴位T2-FLAIR：TR 7500 ms，TE 120 ms，层厚4.0 mm，层间隔1.0 mm，FOV 240 mm×240 mm，NEX=2。

1.3 磁共振数据处理

       基于MATLAB（R2018b）平台，采用嵌套在SPM12（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/SPM/software/SPM12/）中的CAT12工具箱分析被试的结构像数据。VBM：首先将3D-T1WI结构像数据转换为.nii格式，再将所有被试的坐标原点调整至前连合，对每个被试者的3D-T1WI结构像进行非线性配准，使相同空间坐标对应的解剖位置基本一致。然后将所有图像分割为脑灰质、白质及脑脊液三种组织成分，计算原生空间的组织体积和总颅内体积。使用仿射配准将所有原生空间组织片段配准到标准蒙特利尔神经研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）的模板中。利用李代数微分同胚配准算法（diffeomorphic anatomical registration through exponentiated lie algebra, DARTEL）对所有被试的灰质和白质进行了不同形态的解剖配准。为了减少随机噪声可能带来统计结果的假阳性，采用6 mm×6 mm×6 mm的半高全宽（full width at half maximization, FWHM）高斯核对图像进行平滑。SBM：首先将3D-T1WI结构像数据转换为nii格式，然后参照MNI空间模板对数据进行分割、重建、校准及配准，最后将分割后的皮层厚度数据采用10 mm×10 mm×10 mm的FWHM高斯核进行平滑，通过计算脑表面每个顶点从灰质软脑膜交界面到灰白质交界面之间的最短距离获得皮层厚度值。

1.4 运动功能评估

       所有入组BSCP儿童行MRI检查前后3天内，指定1名儿科医师采用中文版GMFCS对患儿粗大运动功能进行评估。根据BSCP儿童的运动功能表现，GMFCS可分为Ⅰ~Ⅴ级，Ⅰ级最佳，Ⅴ级最差。

1.5 统计分析

       SPSS（Version 22.0）用于分析BSCP组与对照组的人口统计学数据，P<0.05为差异具有统计学意义。基于广义线性模型理论，采用SPM12中统计模块，GMV和皮层厚度的组间差异采用双样本t检验分析。在VBM分析中使用被试颅内总体积作为协变量以消除该混杂因素的影响，多重比较校正采用错误发现率（false discovery rate, FDR）的方法，体素阈值设置为30，显著性阈值为P<0.05。所有结果均使用CAT12进行呈现。相关性分析：提取组间差异脑区平均GMV与皮层厚度，与BSCP儿童的GMFCS分级进行Spearman相关性分析。r为相关系数，P<0.05为差异有统计学意义，并对结果进行Bonferroni校正。

2 结果

2.1 一般资料

       本研究共纳入伴PWML的BSCP儿童19例及对照组儿童20例。BSCP组与对照组之间性别、年龄差异均无统计学意义（P>0.05）。详细人口统计学资料见表1。

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表1  BSCP组与对照组一般资料比较
Tab. 1  Comparison of general data between the BSCP and control group

2.2 伴PWML的BSCP儿童GMV变化

       与对照组相比，伴PWML的BSCP组双内侧前额叶、运动前区、中扣带回、尾状核、丘脑及右背外侧前额叶GMV减小（P<0.05），见图1、表2。

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图1  BSCP组与对照组灰质体积差异脑区。冷色区域表示BSCP组灰质体积减小脑区，主要包括双内侧前额叶、运动前区、中扣带回、尾状核、丘脑及右背外侧前额叶（P<0.05，FDR校正）。BSCP：双侧痉挛型脑瘫；apMC：运动前区；MCC：中扣带回；mPFC：内侧前额叶；dlPFC：背外侧前额叶。
Fig. 1  Brain regions with gray matter volume differences between the BSCP group and the control group. The cold-colored areas represent brain regions with reduced gray matter volume in the BSCP group, including the bilateral medial prefrontal cortex, premotor area, middle cingulate cortex caudate nucleus, thalamus, and right dorsolateral prefrontal cortex (P < 0.05, FDR-corrected). BSCP: bilateral spastic cerebral palsy; apMC: premotor area; MCC: middle cingulate cortex; mPFC: medial prefrontal cortex; dlPFC: dorsolateral prefrontal cortex.

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表2  BSCP组与对照组相比灰质体积减小脑区
Tab. 2  Brain regions showing differences of gray matter volumes between the BSCP group and control group

2.3 伴PWML的BSCP儿童皮层厚度变化

       与对照组相比，伴PWML的BSCP组双内侧前额叶、左前扣带回、楔前叶、顶下小叶及右中扣带回皮层厚度减低（P<0.05），见图2、表3。

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图2  BSCP组与对照组皮层厚度差异脑区。冷色区域表示BSCP组皮层厚度变薄脑区，主要包括双内侧前额叶、左前扣带回、楔前叶、顶下小叶及右中扣带回（P<0.05，FDR校正）。BSCP：双侧痉挛型脑瘫；mPFC：内侧前额叶；MCC：中扣带回；ACC前扣带回；IPL：顶下小叶。
Fig. 2  Brain regions exhibiting differences in cortical thickness were identified between the BSCP group and controls. Cold-colored areas represent regions with reduced cortical thickness in the BSCP group, including the bilateral medial prefrontal cortex, left anterior cingulate cortex precuneus, inferior parietal lobule, and right middle cingulate cortex (P < 0.05, FDR-corrected). BSCP: bilateral spastic cerebral palsy; HCs: healthy controls. BSCP: bilateral spastic cerebral palsy; mPFC: medial prefrontal cortex; MCC: middle cingulate cortex; ACC: anterior cingulate cortex; IPL: inferior parietal lobule.

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表3  BSCP组与对照组相比皮层厚度变薄脑区
Tab. 3  Brain regions with reduced cortical thickness of BSCP and control group

2.4 相关性分析结果

       经Sperman相关性分析显示，伴PWML的BSCP儿童右内侧前额叶GMV与GMFCS分级呈负相关（r=-0.623，P=0.004），见图3。

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图3  BSCP儿童mPFC_R灰质体积与GMFCS分级相关性图。BSCP儿童mPFC_R灰质体积与GMFCS分级呈负相关（r=-0.623，P=0.004）。BSCP：双侧痉挛型脑瘫；mPFC_R：右内侧前额叶；GMFCS：粗大运动功能分级系统。
Fig. 3  Correlation between gray matter volume in the right medial prefrontal cortex (mPFC_R) and GMFCS levels in children with BSCP. There is a negative correlation between the gray matter volume of the right medial prefrontal cortex and GMFCS levels (r =-0.623, P = 0.004). BSCP: bilateral spastic cerebral palsy; mPFC_R: right medial prefrontal cortex; GMFCS: gross motor function classification system.

3 讨论

       本研究利用VBM和SBM分析了伴PWML的BSCP儿童脑形态学改变，结果显示多个脑区GMV和皮层厚度存在异常，且右内侧前额叶GMV与粗大运动功能呈负相关。

3.1 BSCP儿童GMV和皮层厚度均有改变的脑区

       VBM与SBM均为常用大脑形态学分析工具，其中VBM可以进行全脑分析（包含皮层下核团结构），但无法分析皮层厚度差异。而SBM主要聚焦于大脑皮层结构分析，不涉及皮层下核团。两者结合可更加全面地描述脑形态学变化。本研究结果显示，BSCP儿童双内侧前额叶和右中扣带回均有GMV减低和皮层厚度变薄，可能反映其神经元丢失、神经胶质细胞异常等共同病理变化过程。PWML主要表现为脑室周围白质、皮层及深部灰质局灶性或弥漫性坏死，其发病机制可能与脑缺血-再灌注有关^[15]。内侧前额叶的神经元主要包括锥体传出神经元和γ氨基丁酸能中间神经元，与脑内许多神经核团发生联系，与运动、认知、社交及记忆等脑活动密切相关，在脑功能调节中具有重要作用^[16]。BSCP组右中扣带回GMV及皮层厚度减低，与SCHECK等^[17]研究结果一致。中扣带又称为扣带回运动区，在运动控制、认知、情绪和决策中起重要作用^{[18, 19, 20]}。RAHMAN等^[21]研究发现抓握动作可激活中扣带回，因此我们推测BSCP儿童的手功能障碍可能与中扣带回损伤有关。此外，中扣带回还在运动功能执行中起重要作用，后扣带回接收运动和空间位置信息后，由中扣带回传递至前运动皮层^[22]。目前关于内侧前额叶与中扣带回损伤在CP中的研究较少，本研究可能为CP的诊断与治疗提供新的影像学依据。

3.2 BSCP儿童GMV改变

       除双内侧前额叶和右中扣带回外，BSCP组双侧运动前区、尾状核、丘脑及右背外侧前额叶GMV减小。本研究中基于VBM检测到的灰质异常脑区比SBM多，尤其在深部灰质核团（尾状核、丘脑）。运动前区发出的细纤维组成锥体外系通路的一部分，与丘脑和纹状体协同控制大组肌群运动及维持肌肉张力。因此，当运动前区受损时，可导致痉挛型瘫痪。此外，运动前区还在语言和知觉调节中发挥重要作用^{[23, 24]}。丘脑是大脑皮层和全身其他神经元连接的中转站和信息整合中心，具有运动、认知及唤醒等多种功能^[25]。运动网络由前额叶、顶叶、基底神经节和丘脑组成，丘脑受损会导致运动功能障碍^{[26, 27]}。本课题组前期在基于T2-FLAIR的半定量研究中也发现，丘脑损伤在痉挛型CP儿童的运动功能障碍中起重要作用^[28]。尾状核为锥体外系的重要结构，与大脑皮层及小脑协同调节肌张力和维持体态姿势。有研究表明基底节对产前的缺血缺氧性非常敏感，因此这些部位的神经元容易发生损伤，从而导致CP儿童的运动功能障碍^{[29, 30]}。背外侧前额叶皮层参与执行功能控制，其受损后会导致对错误反应的抑制功能减弱，这也解释了临床上部分CP儿童四肢不随意运动增多的问题。此外，GMV的改变可用于CP治疗的评估，LV等^[31]利用神经干细胞对CP儿童治疗6个月后，临床症状得到改善，与视觉、语言、感觉、手眼协调以及社会与情感处理相关的脑区GMV增加，该研究表明VBM可为CP疗效的评估提供客观的影像学依据。

3.3 BSCP儿童皮层厚度改变

       与对照组相比，BSCP组左前扣带回、楔前叶、顶下小叶皮层厚度变薄。前扣带回是边缘系统的一部分，在情绪调节和高级认知功能中发挥着重要作用^{[32, 33]}。CP儿童情绪不稳定、焦虑等情感障碍可能与前扣带回椎体神经元损伤有关。楔前叶位于顶叶深部，是默认模式网络的重要组成结构，在复杂的认知功能中起重要作用^[34]。此外，功能磁共振成像研究表明，楔前叶与前扣带回可协同控制双手运动，其受损可导致手功能障碍^[35]。顶下小叶与语言能力、未来规划、问题解决和其他人类擅长的复杂心理操作有重要关系，该部分受损可能会导致书写、阅读障碍^{[36, 37]}。

3.4 形态学指标与运动功能相关性

       相关性分析发现，右内侧前额叶GMV与GMFCS分级呈负相关。LEE等^[38]研究发现PWML并痉挛型CP儿童中央前回与中央旁小叶GMV与GMFCS分级呈显著负相关。而胡杰等^[11]研究表明痉挛型CP儿童双侧丘脑、右侧小脑半球第6区及左内侧和旁扣带回GMV与GMFCS分级呈负相关。上述研究与本研究结果不一致，可能与本研究样本量较小和病例分组有关。内侧前额叶虽非运动控制的直接脑区，但与运动前皮层、辅助运动区等存在广泛的神经连接，参与运动计划、运动控制等重要功能^[39]。内侧前额叶结构损伤可能会导致相邻运动网络纤维联系中断，从而导致运动功能障碍。目前关于内侧前额叶与CP关系的研究尚不深入，本研究结果表明右内侧前额叶可能为BSCP儿童运动功能障碍的责任脑区，从而为临床治疗方案的制订提供了新的靶点。

3.5 本研究的局限性

       首先，本研究为初步探索性分析，样本量小，今后需扩大样本量进一步研究；其次，本研究仅通过VBM、SBM分析了结构像数据，未来可结合DTI、fMRI、MRS等多模态数据和人工智能技术，从多维度影像数据探索BSCP儿童脑结构异常与神经功能网络的关系；最后，本研究为横向研究，今后可通过VBM和SBM监测BSCP儿童脑结构动态变化，评估神经可塑性及康复治疗效果。

4 结论

       本研究通过定量磁共振成像技术发现，伴PWML的BSCP儿童存在多个脑区GMV和皮层厚度异常，且右内侧前额叶的GMV与GMFCS分级呈负相关，这些改变可能为伴PWML的BSCP儿童的脑结构改变及运动功能损伤提供影像学证据，有助于揭示其神经发育异常的机制，促进早期诊断及精准康复策略的制订。