主要认知因素胶质瘤手术及有关的大脑区域后受损

抽象

先前的研究表明，脑瘤患者的认知障碍并不严重。然而，为了保持脑瘤患者术后的生活质量，重要的是要确定“主要”认知功能和相关的脑区，这些脑区在术后更容易受到认知损伤。本研究的目的是探讨影响简单认知任务和其他认知任务及相关脑区的主要认知因素。左侧脑胶质瘤患者( ）和右（ ）半球参与了这项研究。分别在术前和术后6个月进行了5个认知领域的7项神经心理任务。对左右脑胶质瘤组进行因子分析，以确定影响任务表现的“主要”共同认知功能。接下来，使用基于体素的损伤-症状映射(VLSM)进行损伤分析，以识别与初级认知功能损伤相关的关键脑区。因子分析揭示了每个胶质瘤组的两个主要认知成分。左胶质瘤组的第一个认知成分影响了手指的前向和后向任务、概念转换和字母-数字替代任务。VLSM分析显示了从后颞中回到眶上回的重要区域。第二个认知成分影响非文字记忆，而非文字流畅性任务和VLSM分析显示了两个不同的重要区域，内侧颞区和颞中回至后顶叶。右侧胶质瘤组的第一个认知成分影响任务的正、负因子负荷，即正认知成分只影响Stroop颜色词任务。与Stroop任务相关的VLSM显示出显著的前内侧额叶皮层。 On the other hand, the negative component affected concept shifting, word fluency, and digit span forward tasks, and VLSM revealed significant regions in the right inferior frontal cortex. It is suggested that primary cognitive functions related to specific brain regions were possibly affected by glioma resection.

1.简介

的运动，感觉和语言功能紊乱可能对脑损伤患者的生活质量有显著影响。有关这些功能的大脑区域已经在患者使用皮质术映射技术[广泛的研究与脑肿瘤1-4]，希望这些功能可以保留。然而，更难以调查脑瘤手术对相比，电机和语言功能，认知功能，如记忆力，注意力和执行功能，而且仍然容易受到认知障碍较长时间的大脑区域的影响手术后还没有已获充分调查至今。

为了检查患者的认知表现，尽管标准化的神经心理学测试对于持续评估个体的认知状态特别有用，但尚不清楚这种测试的分数如何反映对从属认知功能的损害。例如，语言记忆标准化测试的分数可能反映了几个功能，包括编码、存储和检索。相反，一个认知过程往往涉及多个认知任务。例如，对于需要从语义记忆中进行言语检索的任务，例如单词回忆或言语流利性，可以招募记忆检索功能。因此，影响多个认知任务的认知功能可以看作是“初级”认知功能。初级认知功能的损害，无论是否恢复，都可能对日常功能产生重大影响，从而决定患者的生活质量[五-7]。因此，我们试图找出几个认知任务共同的主要认知功能，并且进一步研究肿瘤切除后与主要认知退化相关的大脑区域。

认知功能可分为记忆功能、注意功能和执行功能[8，9]。我们从五个认知领域中选择了一些任务，这些领域过去曾被用于研究脑损伤患者的认知功能，包括记忆、注意力、处理速度、执行功能和工作记忆[8-11]，对脑肿瘤患者[先前的研究相一致五，10，12-19]。关于这些任务中的表现可能会受到一些认知领域的影响。例如，据报道，数字广度任务措施的情报一般（G）因子20.，21]，注意/集中在数字前向任务，文字工作记忆在数字后向任务[22]，和/或工作记忆的语音循环[23]。从历史上看，斯特鲁普色词任务被认为是正面/执行功能的一个指标[24]并且尤其[抑制功能25]. 因此，我们采用因子分析法提取认知任务共有的潜在成分，假设提取的成分反映了不同任务共有的主要认知功能。用VLSM分析研究了与初级认知功能损害有关的脑区[26]以体素为基础评价病变部位与认知功能下降的统计关系。

以往的研究显示，脑部肿瘤病人的认知功能可在脑部手术后3至6个月内恢复[11，27-33]。因此，我们研究了患者的认知能力的术前和术后6个月，以确定大脑区域是继续保持脑部手术后脆弱。接下来，我们分析了在术后6个月通过开展VLSM分析主要涉及认知缺陷的脑区。用下面的脑肿瘤外科主的认知损害有关的大脑区域的调查可能是在未来发展提高手术技术非常有用。此外，相较于以下瘤手术对大脑的左半球认知障碍，在右半球以下瘤手术损伤尚未阐明日期。在这项研究中，在右半球与术后认知功能受损的大脑区域也受到VLSM分析。

2。材料和方法

2.1。患者人群和临床特征

我们招募了33例左半球的神经胶质瘤（17名妇女和16名男性;平均 ， ）右脑胶质瘤21例（女性11例，男性10例；平均 ， ）他们是东京女子医科大学医院神经外科的日语母语者。参与者是新诊断出的神经胶质瘤，他们随后都接受了神经外科手术切除肿瘤。所有手术均在术中磁共振成像（MRI）引导下进行，包括19例清醒手术。术后1个月左右开始放化疗。患者临床特征见表1. 除神经胶质瘤和癫痫外，没有参与者有神经或精神疾病史。所有患者均同意参与研究，并配合认知测试。

简易精神状态测试-日语(MMSE-J) [34]中，Rey的-奥斯特里特复杂图形测试（ROCF）35-37]，以及行平分任务[38完成后，检查患者的取向和基本认知功能、视觉建设性表现和空间忽视的存在。未从左侧胶质瘤组4例和右侧胶质瘤组3例患者中获得MMSE-J数据。两组胶质瘤术前、术后MMSE-J评分均保存良好(表2)1)。

雷伊 - 奥斯特里特复杂图形测试的术前和术后结果表明，左，右胶质瘤患者的演出是在天花板的水平（表1)。在线等分任务中，在左侧胶质瘤患者中，从中心到右侧的平均偏差为2.8%(前)和2.9%(后)。 在右侧胶质瘤患者中是2.9(前)和2.9(后)% ( 到0.1）。由于以上9.5％ipsilesional偏差是单方面空间忽视的指标[39]，确定本研究中的患者没有出现症状。在本研究中，我们没有包括这些任务的分数以作进一步分析。

2.2。研究过程

七个认知任务分别在两个点被施用：（1）术前阶段（9.7天平均术前， 至105天）及（2）6个月术后（206.3天平均手术后， 到296天）。

所有的认知任务在一个会话持续约45分钟给予。

2.3。认知任务

刺激呈现和响应时间的收集是由SuperLab刺激呈现软件（4.5版本，雪松公司，CA，USA）控制。训练有素的心理测量给予以下七项工作：

（ⅰ）的视觉语言学习任务：参与者被要求记住15个字视觉上呈现为每个2秒，一个接一个，个人计算机的显示器上（东芝的Dynabook R731，13.3显示屏尺寸： )。准备了由15个单词组成的三个单词集，其中一个用于每个时间点，每个参与者使用的单词集各不相同。在所有15个单词被呈现之后，参与者被要求回忆他们能记住的单词。这一学习和回忆过程被重复三次，用与学习阶段相同的单词，20分钟后，参与者被要求回忆单词（称为延迟回忆阶段）。在20分钟的延迟期内，患者执行另一项任务。计算每个学习阶段能回忆的单词数，包括学习阶段回忆单词的最大分数和延迟回忆阶段的单词数，并将其总和作为原始分数计算。错误警报（FA）反应，定义为患者回答但在学习阶段未显示的单词数，从原始总分中减去。最高分是75分

(ii)单词流利性任务:对音素和语义的单词流利性任务进行管理。在音素任务中，参与者被要求在60秒内口头生成尽可能多的单词，以一个特定的日语字母开头(三种字母:“a”、“fu”和“ni”)。在语义任务中，患者被要求生成一个动物类别的单词，并在每个任务中测量生成单词的数量。所有类别生成的单词数的总和被记录为原始分数

（iii）数字前跨和（iv）后跨任务：在数字前跨任务中，参与者被要求在考官的听觉陈述之后立即口头重复一系列随机数字。在数字向后跨距任务中，参与者被要求以相反的顺序口头重复一系列随机数字。随机数字由一名考官每秒口头给出一次。前跨任务中从3开始的数字长度，后跨任务中从2开始的数字长度。前跨任务的最大数字长度为8，后跨任务的最大数字长度为7。每一个数的长度有两个序列，当其中一个序列的答案正确时，将给出下一个具有增量长度的序列。如果相同长度的两个序列的答案都不正确，则任务被终止。原始分数是正确回答的系列数，每个任务的最大原始分数是12

（v） 字母-数字替换任务：我们在英文版之后准备了日文版的字母-数字替换测试[40，其中不同的9个日本字符与1到9之间的任意数字配对。字符数对应表显示在答题纸的上半部分。患者被要求在60秒内尽快在答题纸上填入由日文字符配对的适当数字。正确书写的数字组成的总原始分数

（六）概念转换任务：我们修改了Houx和Jolles开发的概念转换测试[41]，基于对径制作任务[42，43]，以创建日文版本。本研究的任务由四个子任务组成：数字、字母、数字和字母，以及按此顺序呈现的空圆圈。16个小圆圈（直径约1.2 cm）包含数字、日文字母以及每个子任务的数字和字母，在每张纸上随机排列成一个大圆圈（直径16 cm）。参与者被要求按照正确的顺序连接刺激。对于既有数字又有字母的版本，要求他们按正确的顺序交替连接数字和字母。对于空圆版本，他们被要求按顺时针方向减少16个小圆。计算了SuperLab软件测量并记录的数字、字母和数字/字母的平均反应时间，总分是一个反应时间，从数字、字母以及数字和字母子任务的平均反应时间中减去空圆圈子任务的反应时间

（vii）Stroop颜色词任务：该任务包括三个子任务：单词阅读、中性形状的颜色命名和颜色词的墨水颜色命名。带有三种颜色（红色、绿色和蓝色）之一的圆圈和这些颜色的日语单词被作为刺激呈现。在单词阅读子任务中，由“midori（绿色）”、“aka（红色）”和“kiiro（黄色）”三个日语颜色名称组成的100个单词同时出现在个人电脑屏幕上，并要求参与者大声朗读。接下来，在颜色命名子任务中，用三种颜色之一绘制的100个圆圈显示在一个显示器上，要求患者回答每个圆圈的颜色。在Stroop子任务中，在显示器上同时显示100个颜色词的列表，这些颜色词除了与每个颜色词相同的颜色（例如，以蓝色打印的“红色”和以红色打印的“绿色”两种颜色）外，都是三种颜色中的一种颜色。参与者被要求说出每个颜色词的墨水颜色。记录完成每三个子任务的时间，并计算原始分数，即Stroop子任务完成时间减去颜色命名任务的完成时间。Stroop子任务中的错误数也算作原始分数

2.4条。认知任务的统计分析

每项认知任务的术后原始得分被转换为标准化得分(分数; ， ）根据患者术前资料的均数及标准差(SD)。的值概念转换和Stroop颜色词任务的得分被倒置，因为值更大得分这两个任务反映了表现不佳。接下来，提取共同的七个认知任务的认知成分，在术后进行了因素分析使用最大似然估计与varimax旋转评分(JMP Pro 11.2.0统计分析软件来自SAS公司)。在因子分析之后，为了在VLSM分析中使用，我们计算出了“共同认知指数”受相同的公共成分得分。例如，组分1通过将其与视觉语言学习和语言流畅任务相关联的因子分析萃取。为了计算共同认知指数，两项任务的得分按每个患者汇总。

2.5条。VLSM分析

术前在1.5 T扫描仪上进行MRI扫描，对每位患者进行快速梯度回声磁化处理获得T1、T2图像。

使用MRIcron软件（测定病变程度http://www.mccauslandcenter.sc.edu/mricro/mricron/)两名不知道病人在认知任务中的表现的脑外科医生;这些外科医生还为患者进行了胶质瘤的手术切除。术前3D脑扫描和病灶体积通过统计参数映射12 (SPM12)归一化至标准脑模板[44]运行MATLAB 8.4（R2014b）（http://www.mathworks.com)。为了精确地确定切除区域，术后6个月根据MRI结果对归一化病变区域进行手工校正。采用归一化病灶图像显示组间重叠并进行VLSM (http://crl.used.edu/vlsm)分析神经胶质瘤切除区域与患者个体素表现的关系。在逐个体素的基础上，根据一个区域是否切除，将患者分为两组。对两组患者的认知指数进行分析 -测试，其中，所述统计阈值被设定为 用错误发现率(FDR)校正多次比较后。为了阐明与手术后常见任务的认知功能持续恶化相关的重点区域，我们基于6个月的认知数据进行了VLSM分析。在VLSM分析中使用的体素在至少2例患者的切除区域内。

三。结果

3.1条。左右脑胶质瘤组的认知任务评分

各脑胶质瘤组认知任务的原始得分如表所示2。术后6个月评分见图1. 平均计算每个患者的反应时间和错误分数，并取其平均值，得出总的Stroop分数，以反映反应时间和Stroop任务中错误之间的权衡。

3.2条。多元认知任务共有认知成分的因子分析结果

术后影响因素分析每个脑胶质瘤组的认知任务得分提取了两个成分，分别解释了63.3%和61.3%的总方差（表3)，表明这两个基本组成部分可以在每个组的绩效中占相当大的比例。两组分的特征值均在0.9以上。桌子3也显示了每两个共同的认知成分的每个任务的分数的因子载荷。

左脑胶质瘤组的第一个成分反映了数字前后、概念转换和字母-数字替换任务的得分，而第二个成分反映了视觉语言学习和单词流畅性任务的得分。左脑胶质瘤组在Stroop颜色词任务中没有反映因子负荷高于0.4的成分。右脑胶质瘤组第一成分阳性反应Stroop颜色词任务得分。另一方面，第一部分消极地反映了概念转换、词汇流畅性和数字前向任务。此外，右侧脑胶质瘤组的第二个成分正反映了视觉语言学习、单词流畅性、字母-数字替换、概念转换和数字后向任务得分。

跟随Verdon等人的工作。[45]，我们通过在0.4以上因素负荷量来区分反射初级认知功能不同的认知分量。接下来，我们通过将计算出的，而不是因子得分“共同认知指数”受相同认知成分影响的分数，以检测VLSM中的大脑区域。因子负荷在0.4以上的多组分对任务没有影响。然而，在右侧脑胶质瘤组的第一个成分中同时存在阳性和阴性因子负荷。有可能第一个成分作为几个皮质之间的网络对这些任务有不同的影响，因此在正和负分数之间没有平衡。因此，每一个积极的认知指标（只有Stroop任务）和消极的负荷分数计算用于VLSM分析。与正性因素负荷一样，负性因素负荷低于-0.4被用来计算负性认知指数。

3.3。VLSM的结果

各胶质瘤组切除区域重叠如图所示2. VLSM分析揭示了与每个共同认知指标相关的脑区。左脑胶质瘤组的共同认知指数1由数字广度向前和向后，概念移，和字母数字的替代任务的分数。对于共同索引认知1，VLSM揭示了在后上和颞中脑回的缘上回（显著区域图3（甲）). 共同认知指数2的VLSM结果由视觉语言学习和语言流畅任务性能得分揭示了两个分离显著区，海马和颞中回的缘上回附近的颞叶内侧部分（图3（b）)。

阳性共同认知指数1的VLSM分析右脑胶质瘤组Stroop任务评分与内侧额叶皮质前部相关（图3（c）），而的总和构成的一个负概念转换、单词流畅度和手指向前跨距的得分与额叶下区的小部分有关（图3（d）)。常见的认知指数2的总和构成的权胶质瘤组分数视觉言语学习，语言流畅，概念换档，字母数字的变电站和，数字向后任务显示几乎没有显著程度（图3（e）)。

4。讨论

在这项研究中，我们调查了原发性认知功能对胶质瘤患者术后6个月7项主要认知任务表现的影响，并与术前相关脑区进行了比较和分析。为了寻找这七种认知任务共同的主要认知因素，我们对左右脑胶质瘤组的认知任务结果进行了因子分析。结果发现，左脑胶质瘤组存在两个认知成分，第一个影响数字前向和后向、概念转移和字母-数字替换任务的得分，第二个影响视觉-言语学习和词汇流利性任务的得分。

在另一方面，合适的神经胶质瘤组的因子分析的结果表明，第一认知成分包括正的和负的因子载荷。正一个对只有斯特鲁普色词任务的影响，而负面影响的一个概念转换，语言流畅，数位前的任务。右胶质瘤组的因子分析的第二认知成分积极影响视觉言语学习，语言流畅，字母数字的置换，概念移，和数字向后任务的性能。在下文中，由每个认知分量和有关的大脑区域建议主认知功能揭示VLSM进行了讨论。

4.1条。左脑胶质瘤组第一认知成分及相关脑区的认知功能

在左胶质瘤组，VLSM分析影响手指前、后跨度的第一个认知成分和概念转换任务表现与颞上回、颞中回和眶上回的病变有关。这些任务共同的认知功能似乎反映了语言和数字信息的暂时语音维持和处理。在以前的神经心理学研究中，这些区域的缺陷包括重复能力的损害，这种损害通常出现在韦尼克失语症、传导失语症和纯粹的即时记忆缺陷的病例中[46]. 先前对脑卒中患者的VLSM研究也显示，左后颞上回和颞中回以及边缘上回和角回是导致言语颞叶维持缺陷的关键区域[47]. 特别是，左颞后回似乎与语言的语音方面有关[48]. 提示颞上回、颞中回、缘上回胶质瘤切除后，其维持和再现语音信息的认知功能也易受到损害。

4.2条。左侧胶质瘤组与第二认知成分及相关脑区相关的认知功能

左胶质瘤组中的第二个认知成分似乎影响，其主要涉及从语义系统言语信息的检索视觉语言学习和语言流畅任务。VLSM分析与两个不同的区域，内侧颞区周围的海马和后顶叶病变有关。关于记忆功能和其相关的脑区域，海马和海马旁回是公知的用编码和检索情景记忆[参与49]。关于顶叶，已经发现成功的存储器检索期间海马区域的活动之间的相关性健壮，暗示海马顶叶存储器网络[50，51]. 后顶叶皮层是记忆神经网络系统的一部分，支持“幕式缓冲区”。该缓冲区通过将信息保存在多模式代码中，提供诸如单一幕式记忆表示的时间和位置信息等信息的临时存储[52]。在内存和流畅性任务的成功召回检查这里可能需要这样的结合过程。后顶叶与海马区可能“标签”字样一起，而这个功能可以检查的“标签”不回答已经回答的话。

4.3。右侧胶质瘤组的认知功能与各认知成分及相关脑区相关

正确的胶质瘤组反映斯特鲁普色词任务的表现不佳在第一认知成分的积极的认知因子载荷的VLSM分析显示，前内侧额叶皮质显著病变。以前神经影像学研究报告说，额叶的各个部分的斯特鲁普色词任务中表现出激活，包括额中回，额下回，和内侧额叶[53-55]. 多个认知功能与Stroop任务的执行控制、动作排序、错误检测、冲突监控和维护信息以抑制不必要的信息有关。特别是，我们认为额叶内侧上区参与了抑制功能和动作选择[55]。此外，双侧内侧上额叶损伤与Stroop任务的不一致状态下增加的错误和缓慢有关[56]，其中一个文字的颜色和字的口头代码的名称本身是不同的。言语代码更迅速比一个字的颜色的名称激活一个字[24]。因此，要正确响应，包括口头码任务无关的信息必须故意自上而下的控制抑制。基于目前的结果，右内侧额叶区域可能比脑胶质瘤切除术后等额叶区域在功能上是脆弱的。

第一认知成分负性因子负荷的VLSM显示右额叶下皮质，据报道与内侧前额叶皮质有抑制性的功能连接[57]。本研究中的负性认知因素反映了概念转换、单词流畅性、数字广度前向任务的结果，这些都需要抑制功能。例如，在概念转换中，必须抑制现在使用的概念向另一个概念的转换。同样的，在单词流利性方面，已经有反应的单词必须被抑制，这样就不会再对它做出反应，在数字向前的任务中，就不会重复前面一行的数字(有时，病人通过对前面一行的数字作出反应来表现出坚忍)。这些任务都需要一定程度的抑制作用，但不需要很强的抑制作用。因此，VLSM揭示的内侧额叶皮质对第一个认知成分的正因子负荷与第一个认知成分的负因子负荷所揭示的下额叶皮质之间的功能联系，可能建立一个抑制额叶网络，控制抑制功能的强弱[57，58]。然而，在负面因素载荷的分析发现大脑区域很小，这表明它是很难通过这项研究的认知任务来揭示一些主要的认知功能。它也是关于右胶质瘤组的第二认知分量的结果是相同的。因此，为了检测在右半球认知功能和相关的脑区域，认知任务反映了不同的初级认知功能，如情感处理[59对非语言刺激的抑制可能是需要的[60]。

5.结论

我们调查了脑胶质瘤患者在术后6个月与术前相比的原发性认知障碍对几种认知任务表现的影响，并分析了相关的脑区。一项因子分析显示了左脑或右脑胶质瘤患者的主要认知成分。VLSM分析了脑胶质瘤术后患者的主要认知功能，揭示了脑胶质瘤术后易受损害的脑区。一些先前的研究报道了胶质瘤切除后认知功能的恢复，尽管我们的研究结果表明，在脑部肿瘤切除后，与主要认知功能相关的特定脑区在影响多项认知任务时比其他脑区更容易受损。

数据可用性

用来支持这项研究的结果的数据是可用的，请相应的作者。

的利益冲突

作者宣称，有兴趣对此文件发表任何冲突。

致谢

我们要感谢所有参与这项研究的病人。作者还要感谢东京女子医科大学医院神经胶质瘤科的临床工作人员。这项工作得到了16J40093号JSPS KAKENHI赠款的支持。

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