大脑功能网络在慢性无症状颈动脉狭窄和闭塞:变化和补偿

文摘

无症状的颈动脉狭窄(CAS)和阻塞(曹)破坏脑血液动力学。很少有研究对大脑网络变化和补偿从慢性CAS CAO与进展相关。在当前的研究中,我们的目标是提高特定的异常和补偿现象的理解与CAS患者功能连接和曹。曹在这个前瞻性研究,27岁患者,29日CAS患者和15健康对照组与年龄、性别、教育、构型,和风险因素进行神经心理测试和同时静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI);大脑网络的图理论分析进行确定脑网络连接的变化之间的关系,从内部CAS CAO进展。大脑网络的全局属性assortativity ( ),层次结构( ),网络效率( ),和small-worldness ( )异常的CAS组明显多于在控制和曹组。CAS患者和曹,在多个脑区关键节点的节点效率下降,而受影响的半球失去了许多重要的功能连接。在这项研究中,我们发现,CAS患者显示年级重建、无效的连接,和其他现象,受损的大脑中的信息传输网络的效率。补偿功能连接的侧大脑半球CAS患者和曹可能是一个重要机制,维护临床无症状表现。本研究不仅揭示了大脑半球缺血的补偿机制也验证之前的解释大脑功能连接,它可以帮助提供提前干预,减少更高的脑功能的损伤。这个试验是在临床试验Registration-URL注册http://www.chictr.org.cn和独特的标识符ChiCTR1900023610。

1。介绍

无症状的颈动脉狭窄(CAS)和颈动脉闭塞(曹)的特点是颅外颈内动脉粥样硬化狭窄的侧颈动脉灌注地区没有最近的历史的人在缺血性中风或短暂性脑缺血发作(TIA) [1,2]。中风通常是一个重要因素导致患者的神经认知功能受损(3- - - - - -6]。严重的颈内动脉(ICA)狭窄(> 50%)与更高的沉默的脑梗死发生率(7]。值得注意的是,研究表明小鼠单边曹显示显著对象识别障碍,尽管保持正常自发活动(8,9]。这些发现表明,“无症状”狭窄和闭塞不得无症状。

功能性神经成像可以显示大脑活动,因此,它已成为一个重要的工具在神经系统疾病的研究10]。功能连通性变化在神经和精神疾病,包括阿尔茨海默病(AD)、癫痫、精神分裂症、创伤性脑损伤、多发性硬化症、昏迷,提供了病理的角度对全球和当地的大脑网络的指数11,这些观点可以用来解释一些与这些疾病相关的认知缺陷的12,13]。虽然脑灌注不足或梗死可能会造成疾病恶化的CAS CAO,后续更改底层机制在大脑功能(如认知能力下降)14- - - - - -16和网络连接没有澄清3,15,17- - - - - -19]。然而,进步在CAS患者脑网络的变化和曹补偿受影响的大脑半球的脑网络仍有待澄清。研究大脑如何补偿缺血性环境不仅揭示了功能性疾病的变化状态,还验证之前的大脑功能的注释。这个信息很重要,因为它有助于提前提供干预措施,减少高等脑功能的损伤。

本研究的目的是确定脑网络连接的变化之间的关系和发展内部CAS CAO通过图形理论分析。因此,我们使用静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI)比较患者脑网络连接在27个曹,29 CAS患者,15名健康对照组(高碳钢)。

2。材料和方法

2.1。主题和纳入和排除标准

这项前瞻性研究了27个曹患者和患者29中科院北京天坛医院神经外科部门的隶属于首都医科大学在2019年3月和2019年12月之间。

入选标准如下:(1)研究结果的数字减影血管造影(DSA)和颈动脉超声检查的诊断标准符合中科院和曹20.,21];中科院集团狭窄≥70%的影响颈动脉和< 50%的侧颈动脉狭窄;(2)曹集团完全闭塞颈内动脉的影响超过4周和< 50%的侧颈动脉狭窄;(3)右手主导地位;(4)缺乏历史的中风、痴呆,或者重大精神疾病;(5)最低教育程度的小学

排除标准如下:(1)的后循环疾病;(2)颈动脉狭窄的其他原因包括慢性炎性动脉炎被排除;(3)其他神经精神疾病的存在和严重的全身性疾病(如阿尔茨海默病、帕金森病、中风和历史);(4)任何药物的表现会影响认知功能;(5)任何禁忌症,扫描(如金属植入物)。我们还招募了15高碳钢的年龄、性别、教育水平和类似的患者团体。

2.2。伦理语句

从所有参与者获得书面知情同意。本研究进行了符合赫尔辛基宣言的原则和制度审查委员会批准北京天坛医院,首都医科大学(kysq2019 - 058 - 01)。

2.3。MRI收购

核磁共振数据得到使用3.0特斯拉先生系统(Verio蒂姆+点系统、西门子、德国)。标准12-channel头线圈(Tim线圈3 t形头矩阵,西门子)用于接收信号。每个主题躺仰着头带和泡沫垫舒适地安全。在rs-fMRI扫描,受试者被要求闭上自己的眼睛,不要睡着,不去想什么特别的事。扫描参数如下:重复时间(TR), 2220毫秒;回波时间(TE), 30.0毫秒;立体像素大小, ;视场(FOV), 192毫米;切片厚度3.0毫米;片,32;和总扫描时间,9分11秒。

2.4。数据预处理

rs-fMRI数据预处理是利用SPM进行12 (Wellcome成像神经科学部门,伦敦,英国;https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)在MATLAB中实现(MATLAB释放2013 b, Mathworks公司,纳蒂克,MA)。个别功能图像被丢弃的前六卷达到磁化平衡。Slice-timing校正实施rs-fMRI对齐图像根据中间片。随后,个人形象重新(删除的标准:3毫米),所以每个部分的大脑是在相同的位置在每个体积和扭曲到标准MNI空间通过应用变换矩阵,可以通过注册T1的形象(coregistered功能图像)成MNI模板通过使用统一的分割。平滑( )被用来提高信噪比和减弱解剖差异造成的不准确inter-subject空间归一化后登记。讨厌信号从体素减少nonneuronal波动的影响,时间序列包括头部运动的概要文件和脑脊液(CSF)和WM信号。rs-fMRI数据bandpass-filtered减少低频漂移和高频生理噪声的影响。感兴趣区域(roi)被使用解剖自动贴标(AAL)阿特拉斯。皮尔逊相关性的时间进程对都是计算每个参与者和转化 - - - - - -成绩通过费舍尔的转换。

2.5。功能网络分析

图论分析根据以下步骤进行实施格雷特纳软件(22]。预处理rs-fMRI图像结构定义aal - 90阿特拉斯。格雷纳包含分割方案定义为随机分大脑到1024年roi。平均时间序列提取每个分割单元,和成对功能连接性估计时间序列中通过计算线性皮尔逊相关系数。通过计算皮尔逊相关系数( )在每一对ROI 半球相关矩阵构造了为每个主题。网络分析,各种网络的拓扑属性计算使用全球及节点的特征,可以确定nonrandomness与随机网络相比同行。

对于图论分析,六个基于节点和三个全局参数为每个网络获得。基于节点的网络参数包括nodal-clustering系数( ),最短路径长度、节点效率、节点局部效率(E loc),学位中心(DC),和中间性中心(BC);全局参数包括全局效率(E一滴),small-worldness ( ),assortativity ( ),层次结构和网络效率。最后,我们计算曲线下的面积(AUC)为每个网络指标。数学的定义描述了这些参数在别处(23]。

我们使用ICA预处理数据使用ICA的fMRI工具箱(4.0礼物,http://icatb.sourceforge.net/),运行一个Infomax算法。预处理组数据分解为43空间独立的组件(ICs)。数据连接和减少使用两级主成分分析(PCA)和ICs然后使用Infomax算法计算。的GICA-3 back-reconstruction一步是用于分离单一学科组聚合组件的组件前一步中计算。最后,对所有科目,获得地图转化为空间组件 - - - - - -分数的地图。大脑网络划分基于他们的解剖和功能属性,包括静息状态网络(静),初级视觉网络(Prim_visual),更高的视觉网络(High_visual),执行控制网络(LECN),正确执行控制网络(RECN)。

2.6。统计分析

单向方差分析(方差分析)连续变量进行比较。皮尔森的应急表测试和Fisher精确检验被用于比较分类变量之间的三组。时被认为是具有统计学意义的差异值< 0.05。使用SPSS统计分析软件,版本20 (、IBM、纽约Armonk)。rs-fMRI数据网络分析,患者被分成三组,两国大脑半球是有区别的;重复测量方差分析(rmANOVA)使用Bonferroni或罗斯福校正24]。

3所示。结果

右颈内动脉粥样硬化患者的临床变量和高碳钢如表所示1。没有显著性的差异,教育水平、和风险因素,比如高血压和糖尿病,这些团体之间。进一步保证分析的准确性,我们选择15名正常受试者入选HC组核磁共振数据的严格检查后。没有统计上的显著差异在三组之间的年龄,即左曹和CAS组和对照组。然而,年龄是正确的曹和CAS组之间略有不同;因此,当我们处理图像数据,对曹的年龄和中科院组织被视为covariable。

左边的网络属性中曹和CAS组,全球属性没有显著不同。然而,节点的积极成果指标大多符合左右半球之间的区别。此外,只有几个显著差异边缘属性。因此,脑网络分析的结果在左曹和CAS组和临床基础变量作为补充材料(补充表提供1)。

3.1。改变全球网络属性

图1显示四个全球网络性能统计上显著差异。Assortativity-a主要科目的影响显著( , ),和HC组的索引值显著低于曹和CAS组。层次体系主要科目的影响显著( , ),和中科院的值组显著低于HC组。这两个指标的结果是第一个被发现在慢性缺血性脑疾病。网络效率主要科目的影响显著( , ),和曹的值组显著高于CAS组。Small-worldness-the主要科目的影响显著( , ),和中科院的值组明显低于那些曹和HC组。

3.2。改变区域节点的特征

6 -基于节点的网络参数 ,最短路径长度、节点效率E loc,直流,BC-were平均在同侧和对侧的半球之间的和比较狭窄和闭塞的病人和左右之间的控制。3组,对广场的差异分析,有一些差异在两个半球之间的节点;然而,由于一个半球的大脑本身是占主导地位的半球,我们集中在三组之间的统计学差异。如图2有统计上的显著差异,三个节点对节点效率属性,后修正。HC组节点28 FFG小于曹和CAS组。节点9所高校和44 TPOmid CAS组小于在曹和HC组。

3.3。改变功能连通性

图3说明了典型的大脑网络来源于rs-fMRI两个病人。稀疏的功能连通性的半球在狭窄的一面在这些病人。

第一步中被设定为0.001和0.05在第二步中,并在边缘属性被发现显著差异。图4显示显著差异类型的主题和脑区之间的相互作用( )。

在右大脑半球曹和CAS患者的颈动脉,联系中央盖和辅助运动区,中间额叶脑回和脑岛、辅助运动区和脑岛,岛叶和扣带中值和paracingulate脑回,岛叶和顶叶脑回,舌回、顶叶脑回,梭状回和顶叶回减少。然而,三个关系,即中央前回和脑岛之间的连接,额下回,三角扣带中值和paracingulate脑回一部分,和脑岛和颞下回,曹组降低更明显比CAS组。

在左侧大脑半球曹和CAS患者的颈动脉,中央盖和脑岛之间的连接,中间扣带和paracingulate脑回和中央后回,顶叶脑回和楔前叶强于正常对照组。然而,两个连接,连接在中央前回和脑岛和脑岛和中央后回之间出现在CAS组,是更重要的比那些出现在曹组。额中回和前扣带之间的联系和paracingulate脑回更重要在曹组比CAS组。

我们FNC分析的结果显示在图5。与HC相比,正确的执行控制网络之间的连接和其他两个网络,LECN和更高的视觉网络,曹患者明显减少。CAS患者更多的疾病被发现,左派和右派之间的功能连接执行控制网络降低了。有显著减少RECN和更高的视觉网络之间的联系。与此同时,我们发现增加LECN和另外两个功能之间的联系网络,静息和初级视觉网络。

4所示。讨论

这rs-fMRI-based前瞻性研究研究首次完全阐明大脑的异同和补偿连接无症状的颈动脉狭窄患者和曹之间。我们的研究表明,大脑网络连接的变化对半球检测指标更敏感。我们的结果表明,全球病人的大脑网络的属性和节点的效率在多个脑区减少,而受影响的半球失去许多重要功能连接在CAS患者和曹。

因为优势半球的效果,本研究更侧重于组比差异的主要影响大脑的左右。我们的结果包括辅料的大脑区域之间的差异。(补充图G-H)。

在全球网络参数的分析,控制和患者之间差异无显著意义。只有当数据在每个半球(通过使用独立处理 相关矩阵),在全球效率差异显著的控制和患者(25]。因此,当我们分析了全球网络属性,整体分析可能没有反映出细微变化连接由一个颈动脉血液供应不足,造成和影响的分析半球可能更准确。我们假设功能连通性的地区受到血液动力学的影响,但不是在全球范围内,确实是颈动脉狭窄患者受损。血流动力学恶化不仅会增加缺血性事件的风险,而且改变了大脑的活动。

影响患者的颈动脉,在四全球属性指数有显著差异(图1)。首先,中科院和曹组显示assortativity高于HC组,发现几乎是未知的脑网络研究缺血性疾病;这种变化,发现我们的半球分析的基础上,可能是一个特定疾病的神经影像学标记。Assortativity衡量强度(加权度)的连接节点之间的相关性(26),它反映了趋势的节点与其他节点相同或相似的力量。它在−1和1之间。如果网络有一个协调的程度的属性,这意味着网络中的节点高assortativity往往被连接到那些高assortativity,和较低的节点assortativity往往是与那些低assortativity [27]。在神经胶质瘤的研究,contralesional assortativity被发现与分数相关的复杂的关注和认知灵活性域(28]。这是一个选型网络的特征。负assortativity价值意味着网络的中心不是彼此连接,即非选型网络的特征。选型网络被认为是适应中断(例如,删除节点),因为高度连接的核心节点提供冗余和促进信息在网络上的传播27]。在CAS和曹团体,这种协调和信息在网络上的传播显然是受损的。此外,CAS患者的网络效率也显著减少。曹不减少患者的效率;这是略高于高碳钢。曹的影响可能是补偿的侧颈动脉,椎动脉发生后的颈动脉堵塞,也可能侧枝循环和其他补充血液供应;因此,在这个指标略有增加。然而,我们需要一个更大的样本量来澄清这些参数是否真的曹和HC组之间的差异。

网络建造廉价但仍然有效地传播信息被称为经济小世界网络。Small-worldness是一个有吸引力的模型来描述大脑网络因为高当地集群和短程长度的组合支持大脑中的两个基本组织原则:功能分离和功能集成29日]。关于小世界属性,我们注意到,这是在CAS组显著低于曹和HC组。small-worldness网络代表高集群拓扑和短程长度(30.]。Small-worldness信息传输效率的一个常用指标,观察在CAS组下降是常与认知障碍在先前的研究25]。曹组这一现象并不明显,相反,有一个轻微的增加。然而,这并不意味着曹网络更有效的传递信息,这可能与其他补偿血管或新的侧支循环。

我们假设在一个组织的指挥通信网络,如果所有的命令是一种从上到下,整个网络被认为是非常分层;因此,双向连接的数量很小,层次结构是接近1(实际连接在两个方向上的边缘数量)/(边数,可以连接在两个方向,即, )。相反,如果在一个组织可以给订单到B和B可以给一个订单,然后,组织不分层。因此,与其他两组相比,CAS患者的大脑网络层次,和网络往往是无序的。

在全球属性的指标,我们发现脑缺血组的几个具体指标。CAS患者,大脑网络的影响非常严重,与指标相关网络信息传播的速度有显著下降,同时还显示波动和可重构层次结构的现象。然而,曹慢性组,虽然单方面血流完全闭塞,大脑网络的性能明显优于CAS组由于侧枝循环补偿的存在,这表明一个强大的可塑性和self-mediation的存在。

此外,索引节点效率明显不同的三组不同的大脑区域,即中央盖,梭状回、颞极(颞中回)。解剖功能而言,颞极和梭状回经常用作补充语言功能区韦尼克区以外。最近的证据表明,这一地区不是言语知觉或词理解的关键。相反,它支持语音信息的检索,用于语音输出和短期记忆任务(31日]。在三组中,CAS组显示最糟糕的表现,尤其是在颞中回(颞极),降低节点的效率可能会导致相应的功能障碍。

如图3显示,疾病越严重越轻,连接在整个大脑。虽然我们观察到更多的混乱在全球和本地属性CAS患者,曹联系患者被发现少了,可能是因为血流完全中断的大脑半球在这个病人的人口。

有一些相似之处大脑网络的功能连通性分析的结果在这两个慢性缺血性疾病(图4)。这通常是与我们的假设一致,狭窄和闭塞是缺血性疾病变化缓慢,有相同的病理过程。本研究旨在探讨的焦点的拓扑性质的差异右侧疾病患者。因此,我们首先研究了大脑的右半球在组。结果清楚地表明,患者曹在右半球功能连通性较低比正常对照组。这一结果表明,影响脑的功能受损患者的曹,也就是说,在那些没有正确的颈动脉血液供应,即使其他建立侧枝循环。它影响地区如额叶、梭状回、岛叶和扣带回。同时,大脑的左半球都有对应的功能连接补偿。FNC分析,不足为奇的是,曹疾病患者右半球明显下降RECN和其他两个网络之间的连接,LECN和更高的视觉网络。执行控制网络(ECN)和默认模式网络(静)属于task-positive系统和视觉网络属于传感器皮层系统。 The executive control network includes the multiple medial prefrontal cortex and inferior frontal and inferior parietal regions, with the dorsolateral prefrontal cortex (dlPFC) at its core. These brain regions are mostly associated with inhibition of activity, mood, etc. The control network participates in many advanced cognitive tasks and plays an important role in adaptive cognitive control [32]。在CAS患者中,曹的性能是一样的病人,除了LECN另外两个网络的连接,静息和初级视觉网络,显著增加。静与多种神经精神疾病包括阿尔茨海默氏症、自闭症、精神分裂症和癫痫。特别是,减少活动在默认模式网络与自闭症有关,而过度活跃在精神分裂症。在阿尔茨海默病,淀粉样蛋白沉积引起的疾病导致的默认模式网络被破坏在第一时间(33]。从这些例子中,我们可以看到静在大脑活动的重要作用。在CAS患者的脑血流动力学的情况下,此时静连接的增强反映了大脑的可塑性强。

我们的研究结果有助于理解正常的大脑功能网络,探索大脑连通性变化无症状慢性缺血性脑病患者,和识别潜在的补偿机制对脑血流动力学的变化。

我们的研究有一些局限性。大脑网络是复杂和多样化,与样本量大,因此需要进一步的研究来确定可能的功能连通性病人和控制之间的差异和了解血液循环变化的影响在中科院和曹对大脑网络和先进的神经功能。此外,不同的构型和狭窄患者可能显示不同类型的认知障碍。因此,包括不同构型的患者需要进一步的研究来证实我们当前的发现。

5。结论

总之,比较三组之间的差异使用异常的脑网络的图论分析显示四项指标(assortativity、层次结构、网络效率和small-worldness),发生的中断CAS患者的大脑的血流动力学和曹。此外,关键节点的节点效率的多个脑区曹CAS患者和减少,而受影响的半球失去了许多重要的功能连接。FNC分析,的衰落也发现了多个功能之间的联系网络。然而,部分补偿发生在侧大脑半球,这可能是临床无症状表现的原因。和功能的增加之间的网络连接LECN静息和初级视觉网络反映了大脑的可塑性强。上述结果表明相关性高功能连通性和临床神经功能受损之前真正的临床症状的发生,因为现有的功能连通性障碍在当地的大脑区域在无症状的状态。未来的研究将集中在探索的方法预测条件下,提前提供干预措施,减少更高的脑功能的损伤。

数据可用性

所有数据都支持本研究的发现可以要求从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Shihao他和刘自弃了同样的工作。

确认

这项研究得到了北京市科技委员会(Z151100004015077-DR)和北京市卫生系统高级卫生技术人员培训计划(博士2015 - 3 - 041)。

补充材料

表1:基本特征的研究参与者(左)。改变区域节点的特征。改变功能连通性。补充图一:网际离开了 (5 - 9、5 - 15 6-19,15 - 19 9、15 - 21日进行,4-22,5-22,第15 - 22,投,15-38,27 - 29,20 - 40,意向,和38-40)。补充图B: CAS - (15 - 19 6-19 15至21,4-22 5-22,第15 - 22,投,9-33,20 - 40,和38-40)。补充图C:左半球 (5 - 9、6-19 9、15至21 5-22,27 - 29,和38-40)。补充图D:左半球 (15 - 19、9、15 - 21日进行,4-22 5-22,9-33,27 - 29,意向,和38-40)。补充图E:右脑- (15-28和20 - 40)。补充图F:右脑- (20 - 40)。额外的右颈动脉狭窄和闭塞患者的图像。补充图G:曹- 4-15 1 - 15(9,9日至15日,10 - 15,4-16,7-17,15 - 17日,15 - 29,17 - 29日,15 - 30,能力,28 - 30 - 34,和15-45)。补充图H: CAS - (1 - 15、4-15 15、10 - 15 4-16,7-17,15 - 17日,15 - 29,17 - 29日,15 - 30,能力28 - 30,34,和15-45)。(补充材料)

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