全脑功能网络的拓扑组织改变儿童失神癫痫:患者对治疗效果

文摘

目的。当前研究的目的是检测全脑功能网络的拓扑组织的变化及其与临床治疗的关系影响抗癫痫药物(aed)儿童失神癫痫患者(CAE)使用静息状态功能磁共振成像(RS-fMRI)。患者和方法。RS-fMRI 30 CAE病人收集的数据,相比之下,发现30岁-准确性健康对照组(高碳钢)。患者一线治疗aed前46.03个月接受第二个RS-fMRI扫描。结果。CAE儿童基线显示减少聚类系数(Cp)和当地的效率比HC组(El),这意味着减少功能隔离。CAE儿童基线也显示较小的特征路径长度(Lp)和全球效率(如)与HC组相比,暗示功能隔离的障碍。然而,这些指标表明CAE儿童之间没有显著差异在随访和HC组显示清晰的重正化拓扑AED治疗后组织。CAE在随访还显示显著减少几个网络区域之间的连接,与丘脑主要涉及。此外,减少连接改变左顶叶脑回和左侧丘脑之间呈正相关AED治疗后症状改善。结论。我们强调大脑功能网络的收敛性和发散障碍在CAE病人提供至关重要的见解和病理生理机制和AED的效果。

1。介绍

儿童失神癫痫(CAE)是最常见的小儿癫痫综合征,及其临床特征是瞬态(10 - 20 s) nonconvulsive癫痫与意识障碍(1]。Electrographically,失神发作的特点是一个广义的典型模式3赫兹上升和波迸出正常背景活动2]。最近,非侵入性的功能性磁共振成像(fMRI)技术发挥了重要作用在研究癫痫的神经机制在人类的大脑3]。众多一直在努力确定焦点异常CAE儿童的大脑活动,和高阶联合皮层(额叶,顶叶皮层)和皮层下(丘脑和硬膜)和小脑区域发现的关键地区的起始和传播失神发作患者的CAE (4]。然而,CAE想到dysconnectivity障碍在多个连接电路,而不是一个焦点干扰一个大脑区域,和cortical-subcortical通路的障碍已确定(5]。作为一个强大的定量方法解释复杂的大脑网络的拓扑结构,基于连通性分析可以揭示全脑网络的拓扑无序,临床诊断疾病,也可以作为标记结果估计(6]。

药物治疗是最主要和最常用的治疗。癫痫的治疗主要是抗癫痫药物(aed)。乙琥胺(ETX),丙戊酸(VPA)、拉莫三嗪(LTG)通常用于治疗CAE (2]。然而,很少有研究评估纵向AED治疗后大脑活动的变化。调查大脑改变之前和之后的治疗不仅可以提高我们的理解癫痫的机制和恢复也帮助监测治疗结果和指导最好的治疗方法的选择。因此,问题提出了网络体系结构是如何影响儿童的CAE和异常的网络组织是否可以调整以及治疗后的临床改善。

功能分离和功能集成两个主要人类大脑功能网络的基本组织原则(7]。功能隔离,包括聚类系数(Cp),归一化聚类系数( ),和地方效率(El),表示专门处理相互关联的大脑区域内,和功能集成,包括特征路径长度(Lp),归一化特征路径长度( ),和全球效率(如)表示大脑不同区域的功能和有效的连接。隔离和集成之间的平衡是至关重要的,有效的信息处理和合成。人类功能网络的另一个重要的原则是small-worldness ( ),特点是高全球一体化和高当地的大脑区域之间的分工。这些特征使大脑网络满足当地和全球需求和平衡功能集成和隔离以达到同步不同大脑区域之间的神经活动。一些研究已经观察颞叶癫痫和癫痫;然而,很少有研究研究了拓扑CAE儿童和健康对照组之间的差异和纵向调查网络重组AED治疗后。

为了解决这些问题,目前的研究采用静息状态功能磁共振成像和图理论方法探讨全脑功能网络的拓扑组织一群CAE的孩子获得AED治疗前后静息状态功能磁共振成像数据。我们假设(1)CAE孩子展示功能隔离和减少网络集成受损而健康的儿童。(2)这些异常活动可能重组AED治疗后,和(3)这些网络异常与临床疗效相关AED。

2。方法

2.1。主题

35孩子(男性)20日诊断为儿童失神癫痫招募。临床诊断是基于国际抗癫痫联盟(ILAE)通过脑电图数据分类和确认。受试者排除是否有其他精神疾病,神经系统疾病或任何结构异常检测到常规MRI检查。在40 - 50周后第一次fMRI录音,我们进行后续评估的病人和聚集aed和预后信息。此外,三十岁-准确性健康对照组(高碳钢)招募广告。山东省医院隶属于山东第一医科大学批准了本研究。所有的参与者和他们的监护人签署书面知情同意表格。

2.2。功能磁共振成像数据采集

通用电气3.0特斯拉发现磁共振扫描器eight-channel-phased数组头线圈(激发、通用电气(General Electric)、密尔沃基,威斯康星州)被用来收集图像数据。受试者被要求停在原地,保持清醒在整个会话(3]。使用gradient-echo平面成像序列,得到了静息状态功能图像使用以下参数:重复 女士,回声 女士, ,数据 , ,和总210卷。使用体积三维被宠坏的梯度召回序列,高分辨率的t1加权图像也获得了以下参数:重复 女士,回声 女士, 毫米(2), ,片 毫米,196片的轴面。相同的参数被用于扫描的后续评估的CAE儿童和健康对照组。

2.3。功能磁共振成像数据预处理

使用数据预处理的功能磁共振成像数据进行了处理和分析脑成像(DPABI)综合程序在静息状态功能磁共振成像数据分析工具包(休息;http://www.restfmri.net)和统计参数映射(SPM12;http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)[8]。前10图片被删除,以便磁化平衡。剩下的200张图片受到片时间修正,重新运动(数据被排除在外,如果头部运动超过2毫米和2°)。由于沉重的头部运动,为进一步分析CAE五个孩子被排除在外,最后的样本包括30 CAE儿童和30高碳钢。个人t1影像coregistered重新EPI的均值图像。转换后的T1图像被划分为灰质、白质和脑脊液。diffeomorphic解剖登记通过取幂李代数(DARTEL)工具被用来计算从个人空间转换到MNI空间,反之亦然。

静息状态功能磁共振成像措施敏感硬磁头运动(9]。因此,高级Friston-24模型(24参数包括6头运动参数,6头运动影响前一个时间点,和相应的12平方项)是退化的重新排列数据。此外,意味着frame-wise位移(FD)计算每个主题的硬磁头运动的测量。然后,讨厌信号退化了,包括平均心室和白质信号。然后我们空间平滑的图像6毫米宽屏半峰各向同性高斯内核。最后,线性趋势被从课程和时间进行带通滤波(0.01 - -0.08赫兹)10]。

2.4。网络建设

格雷纳(http://www.nitrc.org/projects/gretna/)被用来分析网络属性使用图论(11]。特别是自动解剖标记(AAL)阿特拉斯被用来parcellate大脑成90感兴趣的区域(ROI)。皮尔森相关系数时间序列之间的所有可能对ROI计算,产生一个 每个参与者的相关矩阵。以确保节点和连接的数量匹配在参与者中,我们使用一个稀疏阈值( )的间隔0.01到每个相关矩阵转化为一个无向的关键矩阵。然后,我们计算下列措施:(1)功能隔离指标:聚类系数(Cp),归一化聚类系数(γ),和当地的效率(El);(2)功能集成指标:特征路径长度(Lp),归一化特征路径长度( ),和全球效率(如);和(3)small-worldness指标: 。类似于以前的研究中,我们计算曲线下的面积(AUC)为每个网络指标进行进一步的统计比较(12]。独立的单一阈值选择,AUC度量提供了一个总结标量对大脑网络的拓扑特性。

2.5。统计分析

卡方检验和学生的 - - - - - -测试是用来检查群人口特征和临床数据的差异在基线患者与健康对照组之间SPSS (IBM SPSS统计为Windows, version 18.0中,IBM公司)。差异的检测措施,全球网络两个示例 - - - - - -从基线测试(健康对照组和病人;健康对照组与病人在随访)或配对 - - - - - -测试(基线和随访)被用来识别AUC为每个网络指标的变化。意义的门槛 ,与罗斯福标准纠正。意味着frame-wise位移(FD)计算在预处理步骤解释了包括这一项为每个比较作为协变量。最后,基于网络的统计(国家统计局)方法用于确定任何区际联系明显改变了整个三组(13]。

AUC值为每个网络指标和每个成对连接显示异常差异提取,和皮尔森相关系数是用来检查每个网络指标的变化之间的关系和临床使用SPSS分数。修正为多个比较完成使用错误发现率(罗斯福)方法,与“mafdr”脚本在MATLAB中实现(14]。

3所示。结果

3.1。人口统计信息

儿童和健康对照组所有参与者(CAE)招募了在当前的研究中是右撇子。每天平均发作频率的8.69倍,平均发病年龄为7.77岁,平均随访时间为46.03周。表中列出的每个CAE孩子治疗1。意味着FD值计算在fMRI预处理在三组没有显著差异( )。

3.2。小世界特性

七个拓扑结构的小世界参数被确定在一个稀疏0.01 0.08到0.48的区间。如图1,所有三组小世界属性( , ,和 );然而,没有发现显著差异在三组。显著差异被发现功能隔离指标Cp和El,和两个示例 - - - - - -测试表明CAE儿童基线显示降低Cp ( , )和埃尔与高碳钢( , ),而搭配 - - - - - -测试表明CAE儿童在随访显示增加Cp ( , )和埃尔( , )与基线相比;CAE之间没有显著差异被发现孩子在随访和高碳钢,和结果如图所示2。功能集成指标Lp和如发现了类似的比较结果。CAE儿童基线显示减少Lp与高碳钢(两个示例 - - - - - -测试中, , )和随访(配对 - - - - - -测试中, , );至于如CAE儿童基线高于高碳钢(两个示例 - - - - - -测试中, , )和随访(配对 - - - - - -测试中, , ),和结果如图所示3。

3.3。连接和相关结果

与基线相比,CAE病人在随访显示降低大脑功能连通性(数字4(一)- - - - - -4 (c))。这些主要发生在左嗅简称OLF),左杏仁核(AMYG),对楔片(村),双边梭状(FFG)顶叶脑回(SPG)顶叶下回(IPL),右supramarginal回(SMG),左壳(把),双边螺旋体(PAL),右侧颞极(TPOsup),两国中间暂时回(MTG),右中间暂时杆(TPOmid)、左内侧额上回(SFGmed)和双边丘脑(那)。国家统计局校正下这些差异有统计学意义( )。此外,重大积极变化之间的相关性被发现癫痫频率和变化之间的相关系数左顶叶脑回和左丘脑(图4 (d))。

4所示。讨论

本研究探讨了异常的大脑网络体系结构,对CAE AED影响儿童使用静息状态功能磁共振成像。在基线,显著降低功能分离和集成这些异常被发现而表现出明显的反弹在随访。减少region-region连接还发现,这主要是涉及丘脑。此外,左顶叶脑回和之间的连通性变化左侧丘脑呈正相关AED治疗后症状改善。我们的研究结果表明,特定区域在大脑皮层和皮层下网络的参与可能与癫痫的机制生成和有关神经赤字CAE中观察到病人和可能揭示了AED对CAE病人的影响。

许多一直在努力确定焦点CAE儿童大脑的异常情况。然而,CAE认为dysconnectivity障碍在多个神经元电路而不是焦病理学在一个地区(15]。模拟大脑的复杂网络图论的背景将有助于揭示全脑网络拓扑无序。功能分离和功能集成指的能力为当地专业化和并行大脑中的信息传递网络,分别。一个最重要的健康的人类大脑网络的特点是短路径长度和传输效率高,被称为小世界属性。当地种族隔离和全球一体化的信号之间的平衡与相互连接的神经元允许高效的信息传输在网络布线成本低,使大脑满足本地和全球的要求以达到同步不同大脑区域之间的神经活动。El和Cp的度量功能隔离。目前的研究发现,CAE儿童表现出减少本地网络效率(降低Cp和El),这表明效率或相邻节点之间的信息传递的速度,和当地的密度互连网络是妥协。它可能是合理的,观察当地的通信效率的降低(功能隔离)的大脑功能网络可能出现过度突触修剪CAE等神经发育障碍儿童(16]。CAE病人还演示了异常增强的功能集成(更低的Lp和更高的如)大脑网络。作为功能集成保证了区际提示在大脑网络传输信息,异常功能集成可能导致高阶认知任务的认知发育不良和有意识的处理。

丘脑的重要连接变化符合已知的皮层下结构的重要作用在癫痫发作的概括17]。丘脑参与缺乏在失神发作的癫痫发作的活动被发现通过cortico-thalamic-cortical途径传播。代失神发作被解释为一个高度同步功能相互影响离散丘脑皮层的区域(18]。先前的研究已经发现异常CAE患者的丘脑包括少通用卷(19),神经元代谢障碍和白质显微结构的属性(分数各向异性)双边丘脑(20.]。长期使用抗癫痫药物可能影响病人CAE功能变化。一项研究报告了类似的结果,显著改变网络组织在手术后丘脑被发现21]。另一项研究中,分析了儿童良性癫痫脑电图特点显著降低排放报告和治疗后显著提高脑电图的发现22]。作为一个大脑网络的核心枢纽,丘脑的发现让我们得出这样的结论:这些干预措施可能产生治疗效果通过这些断开连接的枢纽网络体系结构内的大脑。

双边颞中回、颞极,中间和左边内侧额上回是默认模式网络的主要区域(静)。CAE主要来自地区的失神发作的大脑与意识相关联,与静息已被证明是更重要的比其他影响静息状态的网络。使用seed-based分析和独立分量分析,先前的研究已经表明静在CAE的中断23,24]。符合这些先前的研究,发现在静息图表明,基于理论的核心区域评价脑功能网络可以提供详细了解病理大脑的活动,也可以被视为支持进一步治疗。

5。结论

我们显示大脑网络体系结构正常化儿童失神癫痫患者AED治疗后,根据研究结果明确的功能隔离反弹,功能集成,减少了连接在cortico-thalamic-cortical通路。此外,我们的研究结果表明graph-theory-based分析可以作为一个敏感的措施提供重要的见解CAE的病理生理机制。

数据可用性

在生成的数据集和/或分析在当前研究可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

没有利益冲突。

作者的贡献

洒遍小王和彭方同样这项工作。

确认

我们感谢所有的孩子和他们的父母的支持。研究支持解放军医学科学和技术的主要项目(批准号AWS17J012)和中国国家自然科学基金(61806210)。

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