0 引言

       根据我国2019年的数据显示，全年新增近400万脑卒中患者，其中约70%为缺血性脑卒中，即脑梗死，约30%为出血性脑卒中^{[1, 2]}。因神经系统结构与功能受损，超过50%的脑卒中患者会导致不同程度的认知与运动功能障碍，严重影响患者的生活质量^{[3, 4, 5]}。卒中后认知障碍（post-stroke cognitive impairment, PSCI）是其主要的并发症之一^[6]，既往研究表明，83%的脑卒中患者患有PCSI^[7]，其与脑卒中的预后不良有较大关系，会严重影响脑卒中的康复进程^[8]。因此，制订有效的脑卒中后康复治疗方案对于挽救患者神经功能、改善预后、提高生活质量具有重要意义。

       经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）是一种无创、安全的脑刺激技术，通过传递温和的电流改善神经元的兴奋性，对于人类大脑运动与认知功能的研究与治疗具有很大的潜力^{[9, 10, 11, 12]}。有学者发现，使用tDCS刺激背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）皮层可以改善健康成年人的认知^[13]，以及记忆任务的表现^{[14, 15]}；在脑卒中患者的康复治疗中，另有学者发现tDCS可以提高脑卒中患者的认知能力^[16]，改善失语症、忽视、注意力障碍症状^{[17, 18, 19]}，具有较大的临床应用前景。综合当前研究结果显示tDCS治疗可以改善正常人或脑卒中患者的认知能力，但现阶段研究仍然存在一定的空白，尤其是缺少tDCS对于改善认知功能的神经影像学证据。

       静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）可以无创性地评估神经系统的活动，是一种探索脑卒中后康复进程的有效手段。研究表明，部分脑区或脑网络对人的认知功能具有重要作用，如默认模式网络（default mode network, DMN）在认知过程中不仅参与空间位置、感觉、注意力等初级认知功能^[20]，更与社交认知、语义记忆、逻辑思维等高级认知功能密切相关^[21]，应用rs-fMRI中的部分指标来评价认知障碍患者脑区激活与功能连接的差异是现阶段研究的热点，其中体素镜像同伦连接（voxel-mirrored homotopic connectivity, VMHC）描述了每个体素与其对应的大脑区域之间的功能连接^[22]，局部一致性（regional homogeneity, ReHo）可以反映每个体素与其相邻体素的时间序列相似性^[23]，上述指标是评估脑区功能连接与自发活动的有效方法，但其在评价tDCS治疗效果中的应用价值仍有待进一步研究与扩展。因此本研究旨在应用rs-fMRI中的VMHC与ReHo指标，并结合临床认知相关量表，为tDCS治疗在改善脑卒中后认知功能的作用机制提供影像学依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

       本研究为前瞻性研究，遵守《赫尔辛基宣言》。经首都医科大学附属北京潞河医院医学伦理委员会批准，批准文号：2020-KY-091，全体受试者或其监护人均签署了知情同意书。选取2021年9月至2023年4月经首都医科大学附属北京潞河医院神经内科诊断的基底节区腔隙性脑梗死患者，根据基线量表评分及临床表现诊断为PSCI，并随机分配到tDCS组与假刺激组，tDCS组行常规康复治疗与tDCS治疗，假刺激组行常规康复治疗与假刺激，即正常放置刺激电极但不给予电流刺激。纳入标准：（1）年龄30~80岁；（2）基底节区腔隙性脑梗死，梗死面积0.3~1.5 cm²；（3）病程0~2周；（4）经过基线量表评估存在轻度及以上认知功能下降。排除标准：（1）有任何MRI扫描禁忌证或幽闭恐惧症；（2）严重的认知障碍不能配合检查及量表评估者；（3）多脏器衰竭或其他危及生命的严重疾病者；（4）因各种原因无法完成治疗后评估者；（5）rs-fMRI影像头动大于3 mm或旋转大于3°者。

       所有受试者在脑梗死急性期治疗结束后转入康复科进行本研究，入组工作由1名具有8年工作经验的康复医学主治医师协助完成，收集所有入组患者的基本信息，如性别、年龄、受教育年限、发病时间、基础疾病史、脑梗死病灶位置。采用简易智能精神状态量表（Mini-Mental State Examination, MMSE）与蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）对所有入组患者进行基线认知功能评估，并且在15天治疗结束后再次分别进行一次MMSE与MoCA量表评估，本研究共招募了59名患者，其中7名患者因新冠疫情提前出院无法完成治疗后评估被排除，5名患者在图像预处理过程中因头部运动过大被排除，最终47人纳入到本研究中，其中tDCS组23人，假刺激组24人。

1.2 tDCS治疗

       采用tDCS刺激仪（中国武汉亿迈医疗科技，型号EM8060）对tDCS组患者进行治疗，刺激电极采用tDCS刺激仪配套的原厂5 cm×7 cm等渗明胶海绵电极，电流大小设置为2 mA，阳极和阴极分别放置于病灶侧DLPFC皮层和对侧眶额叶皮层；治疗频率：单次治疗30 min，一日2次，连续15日，假刺激组患者开机但不给予任何电流刺激。

1.3 磁共振数据采集

       使用中国联影公司 uMR 780 3.0 T超导型磁共振仪，24通道相控阵头线圈对患者进行MRI检查。患者仰卧于检查床，使用海绵垫充分固定头部，检查过程中要求患者保持清醒并闭眼，不做任何思考。进行T1WI结构像与rs-fMRI扫描；扫描参数：T1WI结构像采用三维反转恢复扰相梯度回波成像，TR 7 ms，TE 3 ms，TI 750 ms，体素大小1.00 mm×1.00 mm×1.00 mm，层厚1 mm，层间隔0 mm，矢状位扫描层数176层，采集时间4 min 19 s；rs-fMRI采用平面回波（echo planar imaging, EPI）序列采集，TR 2 000 ms，TE 30 ms，体素大小3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm，层厚3.5 mm，层间隔0 mm，轴位扫描层数39层，重复采集全脑240次，采集时间8 min 9 s。所有患者在入组时进行基线态MRI采集，并且在15天治疗结束后再次进行T1WI结构像与rs-fMRI序列采集。

1.4 rs-fMRI的预处理与指标计算

1.4.1 数据预处理

       基于Matlab 2021b，使用DPARSFA（Data Processing Assistant for Resting-State fMRI Advanced edition；http://www.rfmri.org/DPARSF）软件^[24]与统计参数图（SPM 12；http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）对数据进行预处理。处理步骤包括：（1）格式转换，将DICOM原始数据转换为NIfTI格式；（2）去除rs-fMRI数据的前10个时间点；（3）时间层校正；（4）头动校正，去除头动大于3 mm或旋转大于3°的被试（tDCS组剔除3名患者，假刺激组剔除2名患者）；（5）空间标准化，将头动校正后的功能像配准至蒙特利尔神经科学研究所标准空间，并重采样体素大小为3 mm×3 mm×3 mm；（6）去线性漂移，去除非神经活动的趋势；（7）去除协变量，包括脑白质信号、脑脊液信号和 24个头动参数；（8）空间滤波，对数据进行0.01~0.08 Hz的滤波。

1.4.2 指标计算

       ReHo指标计算：使用DPARSF软件进行ReHo指标计算，基于肯德尔和谐系数（Kendall's concordance coefficient, KCC）评估每个体素与其相邻的26个体素的时间序列相似性，然后以半高宽为6 mm×6 mm×6 mm的高斯核对ReHo指标进行平滑处理，最后通过Fisher-Z变化将结果转换为归一化的Z值。

       VMHC指标计算：使用DPARSF软件进行VMHC指标计算，计算全脑各镜像对称体素间Pearson相关系数得到VMHC值，最后通过Fisher-Z变化将结果转换为归一化的Z值。

1.5 统计学分析

       使用SPSS 26.0统计学分析软件对tDCS组与假刺激组中所有患者的人口统计学资料与量表结果进行统计学分析。经过正态性检验上述资料不符合正态分布，故采用 Mann-Whitney U检验对两组患者的发病时间、年龄、受教育年限，以及治疗前后MMSE与MoCA量表的变化量进行评价。以χ²检验评价两组患者的性别与基础疾病史的差异，定量资料采用x¯±s表示。

       使用SPM 12软件的静息态统计学分析模型（Specify 2nd-level）对tDCS组与假刺激组的rs-fMRI指标结果进行评价，采用配对样本t检验分别评价两组患者治疗前后的ReHo与VMHC结果脑图，以头动作为协变量，通过错误发现率（false discovery rate, FDR）对结果进行校正，限定体素水平P<0.001，团块水平P<0.05。采用AAL-90模版对具有显著差异的脑区进行报告，提取指标峰值点MNI坐标。提取差异脑区的ReHo与VMHC指标均值，与MMSE和MoCA量表在治疗前后的变化值进行Pearson相关性分析，以P<0.05认为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 人口统计学与量表结果

       tDCS组与假刺激组在年龄（Z=1.25，P=0.21）、性别（χ²=0.20，P=0.65）、受教育年限（Z=1.07，P=0.29）、发病时间（Z=0.72，P=0.48）、基础疾病史（χ²=1.11，P=0.29）的差异均无统计学意义（P>0.05）。tDCS组与假刺激组在治疗后的MMSE与MoCA量表评分均优于治疗前，但tDCS组具有更好的治疗效果，治疗后相较于治疗前MMSE与MoCA量表评分改善更大，差异具有统计学意义，P<0.05，见表1。

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表1  tDCS组与假刺激组在治疗前后MMSE与MoCA量表评分的差异
Tab. 1  Differences in MMSE and MoCA scores between the tDCS group and the sham stimulation group before and after treatment

2.2 rs-fMRI结果

2.2.1 治疗前rs-fMR结果

       tDCS组与假刺激组患者在VMHC与ReHo指标未见明显差异脑区。

2.2.2 治疗后rs-fMR结果

       VMHC指标结果：tDCS组患者在治疗后，双侧岛叶、楔前叶的VMHC值升高（P<0.05，FDR校正）；假刺激组患者在治疗后，双侧枕上回的VMHC值升高（P<0.05，FDR校正），见表2与图1。

       ReHo指标结果：tDCS组患者在治疗后，前扣带回和顶下缘角回的ReHo值升高（P<0.05，FDR校正），假刺激组患者在治疗后相较于治疗前，未见明显差异脑区，见表3和图2。

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图1  tDCS组与假刺激组在治疗前后VMHC值的差异脑区图（体素水平P<0.001，团块水平 P<0.05，FDR校正）。1A：tDCS组患者在治疗后（tDCS+常规康复治疗），双侧大脑半球岛叶、楔前叶的VMHC值升高（橙色）；1B：假刺激组患者在治疗后（假刺激+常规康复治疗），双侧大脑半球枕上回的VMHC值升高（橙色）；颜色柱状图为t值。tDCS：经颅直流电刺激；VMHC：体素镜像同伦连接。
Fig. 1  Differences in VMHC values between the tDCS group and the sham stimulation group before and after treatment in brain regions (voxel level P<0.001, cluster level P<0.05, FDR correction). 1A: After treatment (tDCS+conventional rehabilitation treatment), the VMHC values in the insular and Precuneus of both Cerebral hemisphere in the tDCS group increased (orange); 1B: After treatment (sham stimulation+conventional rehabilitation treatment), the VMHC value of superior occipital gyrus of Cerebral hemisphere in the sham stimulation group increased (orange); The color bar shows the t-value. tDCS: transcranial direct current stimulation; VMHC: voxel-mirrored homotopic connectivity.

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图2  tDCS组在治疗前后ReHo值的差异脑区图（体素水平P<0.001，团块水平P<0.05，FDR校正）。图像所示tDCS组患者在治疗后（tDCS+常规康复治疗），前扣带回和顶下缘角回的ReHo值升高（橙色）；右侧颜色柱状图为t值。tDCS：经颅直流电刺激；ReHo：局部一致性。
Fig. 2  Differences in ReHo values in tDCS group before and after treatment in brain regions (voxel level P<0.001, cluster level P<0.05, FDR correction). It shows that after treatment (tDCS+routine rehabilitation treatment), the ReHo values of the anterior cingulate gyrus and inferior parietal angular gyrus in the tDCS group increased (orange); The color bar shows the t-value. tDCS: transcranial direct current stimulation; ReHo: regional homogeneity.

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表2  tDCS组与假刺激组在治疗前后VMHC值的差异脑区
Tab. 2  Differences in VMHC values between the tDCS group and the sham stimulation group before and after treatment in brain regions

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表3  tDCS组与假刺激组在治疗前后ReHo值的差异脑区
Tab. 3  Differences in ReHo values between the tDCS group and the sham stimulation group before and after treatment in brain regions

2.3 差异脑区与认知量表的相关性分析

       tDCS组患者在治疗后，双侧楔前叶VMHC增加的值与MMSE、MoCA量表评分的改善值呈现正相关，MMSE（r=0.47，P=0.02）；MoCA（r=0.43，P=0.04）见图3，其他差异脑区与MMSE与MoCA量表评分改善值无明显相关性。

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图3  tDCS组患者在治疗前后双侧楔前叶VMHC值变化量与MoCA（3A）、MMSE（3B）评分改善值的相关性。tDCS：经颅直流电刺激；VMHC：体素镜像同伦连接；MoCA：蒙特利尔认知评估量表；MMSE：简易智能精神状态量表。
Fig. 3  Correlation between the change of bilateral Precuneus VMHC values and the improvement of MoCA (3A) and MMSE (3B) scores in patients in the tDCS group before and after treatment. tDCS: transcranial direct current stimulation; VMHC: voxel-mirrored homotopic connectivity; MoCA: Montreal Cognitive Assessment; MMSE: Mini-Mental State Examination.

3 讨论

       本研究着重讨论了应用rs-fMRI来评价tDCS对脑梗死后认知功能的康复治疗效果，主要应用VMHC与ReHo分析对tDCS组与假刺激组在康复治疗前后大脑半球间的功能连接与脑自发活动的变化进行评价，并且与临床认知相关的MMSE与MoCA量表进行相关性分析。研究结果发现：（1）tDCS组与假刺激组在治疗后，MMSE与MoCA量表评分均优于治疗前，但是tDCS组在上述量表评分的提升更大，具有更好的康复治疗效果；（2）在rs-fMRI结果中，tDCS组患者治疗后相较于治疗前，在双侧大脑半球岛叶、楔前叶的VMHC增强，前扣带回，顶下缘角回的ReHo增强；（3）治疗前后双侧楔前叶VHMC值变化量与MMSE、MoCA量表评分变化量呈现正相关。这些发现可能有助于更好地理解脑卒中后患者认知功能障碍的神经病理生理机制。

3.1 tDCS组与假刺激组在认知相关量表的差异

       MMSE与MoCA量表是临床上应用最为广泛的认知功能评价量表，本研究中，tDCS组与假刺激组患者在治疗后的MMSE与MoCA评分均优于治疗前，因为两组患者在研究期间均接受了常规的康复治疗，如物理疗法（physical therapy, PT）、作业治疗（occupational therapy, OT）等常规康复治疗手段，而这些治疗方案被普遍认为是有效的康复治疗手段^[25]，tDCS通过微弱电流对神经元进行刺激，其阳极可以增加神经元兴奋性，也是tDCS治疗的主要作用机制，本研究中将阳极放置于病灶侧DLPFC区域，阴极则通常放置于对侧眶额区域以形成电流环路^{[10, 11, 12]}；研究结果显示tDCS组患者获得了更好的康复治疗效果，治疗后MMSE与MoCA评分的改善值更大（P<0.05）。在LI等^[26]的研究中，筛选了55篇针对PSCI患者的脑刺激治疗随机对照试验，经过贝叶斯网络分析，结果显示额外的tDCS治疗相较于基本康复认知训练，治疗后的MMSE和MoCA评分的改善值更大，分别平均高出对照组2.89（95%置信区间为1.15~4.63）与1.37（95%置信区间为0.13~2.61，），与本研究结果相符，证明tDCS治疗对患者的认知功能恢复具有积极作用。

3.2 tDCS组与假刺激组在VMHC结果的差异

       VMHC是一种经过验证的可用于量化两大脑半球之间功能连接的rs-fMRI评价方法，VMHC是大脑基本功能结构中最为显著的特征之一，病理状态下，双侧大脑半球间的通讯改变进而对认知和行为会产生重要影响^[22]。本研究中，tDCS组患者在治疗后，双侧大脑楔前叶与岛叶的VMHC值升高；楔前叶是DMN的重要组成部分，而DMN是认知相关的最为重要的功能性脑网络之一，此前研究表明，卒中后患者的认知恢复与DMN内的功能连接（functional connectivity, FC）损伤相关^{[27, 28]}，在ZHU等^[29]的研究中，纳入了41例短暂性缺血发作患者（transient ischemic attack, TIA），发现相较于健康人志愿者，TIA患者的双侧楔前叶均出现了明显FC下降；在YAO等^[30]的研究中也得到了类似的结果，在纳入的14例PSCI患者中，相较于健康人志愿者也发现双侧楔前叶VMHC值的下降。而本研究中，tDCS组患者在治疗后双侧楔前叶的VMHC值出现了升高，且VMHC值的变化量与MMSE、MoCA评分的变化量存在正相关，猜测tDCS对认知功能康复的作用机制可能与DMN有关，其中双侧楔前叶功能连接的变化可能对脑梗死患者的认知康复具有一定的预测作用。双侧岛叶是突显网络（salience network, SN）的重要组成部分，目前有研究表明突显网络可能表现为“皮质枢纽”的作用，参与众多神经活动，如目标导向认知，自我意识，自主调节以及躯体感觉等^[31]，双侧岛叶功能连接的增强可能对患者的认知康复存在积极作用。

3.3 tDCS组与假刺激组在ReHo结果的差异

       ReHo通过KCC计算rs-fMRI中相邻体素在时间序列上的一致性，来间接反映大脑局部自发活动的同步性^[23]。既往研究发现PSCI患者会出现静息状态下大脑自发活动的改变。在文玉等^[32]的研究中，入组了39例轻度认知障碍的患者，通过ReHo分析，发现相较于健康人志愿者，轻度认知障碍患者在左侧颞上回、右侧背外侧前额叶ReHo值降低，背外侧前额叶是实施认知控制最重要的脑区之一，与注意、记忆、问题解决等高级认知功能密切相关^[33]，在本研究中，tDCS组患者在治疗后左侧顶下缘角回与左侧前扣带回的ReHo出现了升高，角回与背外侧前额叶同属于额顶网络，其功能具有一定的相似性，我们推测tDCS患者在治疗后额顶网络的相关脑区的自发活动增强可能与认知功能的恢复有关，而前扣带回与双侧岛叶同是突显网络的重要组成部分，可能与VMHC结果中双侧岛叶的功能连接增强存在相关性。

3.4 局限性

       本研究的局限性：（1）样本量相对较小，可能会导致差异脑区的结果存在偏差，在后续研究中会持续增加样本量；（2）入组患者均为基底节区腔隙性脑梗死患者，因此tDCS治疗对于其他区域或大面积脑梗死患者是否有效以及相关脑区激活与功能连接的改变仍留待进一步验证，未来将纳入相关区域脑梗死患者进行深入研究；（3）患者tDCS的治疗疗程为15天，相对较短，后续会考虑适当延长治疗时间后再进行rs-fMRI扫描，以便从较长的时间维度动态观察患者认知康复与tDCS治疗的关系。

4 结论

       综上所述，tDCS联合常规康复治疗对PSCI患者的认知康复效果优于仅进行常规康复治疗，应用VMHC与ReHo指标发现tDCS的治疗机制可能与改善默认模式网络与突显网络在双侧大脑半球之间的功能连接与自发活动有关，尤其是tDCS治疗后双侧楔前叶的VHMC升高值与患者认知功能量表的提高值存在正相关，这些发现为进一步阐明tDCS对脑卒中后认知功能康复的作用机制提供了影像学依据。