独特的病变血管之间的功能连接强度和轻度的认知障碍

文摘

广泛的结构和功能改变已报告在两个高度流行的轻度认知障碍(MCI)亚型,遗忘MCI (aMCI)和血管MCI (VaMCI)。然而,在功能连接强度变化的模式(FCS)基本上仍不清楚。本研究的目的是检测FCS的差异,并进一步探讨详细的静息状态功能连通性(FC)中改变VaMCI主题,aMCI主题,健康对照组(HC)。aMCI学科26、31 VaMCI参与者和36 HC参与者进行认知评估和静息状态功能磁共振成像扫描。起初,单向ANCOVA和事后分析表明显著降低了FCS在左侧颞中回aMCI和VaMCI团体(MTG)与HC相比,特别是在VaMCI组。然后,我们选择了离开MTG像种子一样,进一步探讨详细的静息状态的FC改变在三组中,与结果表明,FC左边MTG和一些主要在VaMCI额叶脑区显著下降。最后,之间的偏相关分析显示,FC值左MTG和左额下回与认知能力呈正相关情景记忆和消极的生活状态。目前的研究表明,不同的FCS改变存在于aMCI VaMCI。这些发现可能会提供一个新颖的见解MCI亚型不同病理生理机制的理解。

1。介绍

轻度认知障碍(MCI),在多个认知域与赤字没有显著的情感在日常活动,被认为是痴呆的危险状态(1]。这两个高度流行亚型,遗忘MCI (aMCI)和血管MCI (VaMCI),被认为是阿尔茨海默病(AD)的前驱期和血管性痴呆(VD),分别为(2,3]。概念,VaMCI对象表现出显著的缺陷在执行功能和语义记忆而aMCI主题展示主要赤字在情景记忆4]。

磁共振成像(MRI)是一种重要的病理生理机制的调查和鉴别诊断的成像方法MCI亚型。广泛的结构异常和功能改变已报告在VaMCI和aMCI集团(5- - - - - -8]。灰质萎缩主要分布在大脑额叶和颞区域,后中的皮质,和大脑皮层下几个网站,特别是内侧颞叶,包括海马和内嗅皮层(9]。使用扩散磁振造影,胼胝体中的微观结构恶化,胶囊,室周的白质,扣带,occipitofrontal纤维束已报告(10- - - - - -12]。玉等人报道之间的关系显著差异分数各向异性(FA)和听觉言语学习测试(AVLT) VaMCI和aMCI集团之间的13]。功能连通性(FC)的变化主要是在默认模式网络和内侧颞叶(5,6,14]。减少和增加大脑活动相关的认知能力下降的严重程度已经证明。图基于理论分析也显示出网络重要的脑功能网络的拓扑组织失调(15]。

最近,基于图论,人类的大脑是一个复杂、相互关联的网络与一组节点与连接支持高效的信息处理和集成(16]。融合证据在这两种结构(17)和功能网络分析(18)已经表明,一些特定的节点与大量的连接(或很大程度上)(19]快速信息集成中扮演关键的角色,沟通以最小的能源成本20.]。先前的研究调查的变化模式功能网络中心通过计算功能连接强度(FCS)在某些疾病如社会焦虑症和小说提供一个洞察潜在的病理生理机制的理解21]。尽管先前的研究已经证明改变FC在不同的MCI亚型,FCS的变化模式尚不清楚。

在目前的研究中,我们发现了FCS的差异VaMCI主题,aMCI主题,和健康的控制(HC)的参与者。然后,seed-based连接性分析进行进一步探讨详细的静息状态的FC改变,使用集群显示显著差异在FCS作为种子。我们假设这些MCI亚型会显示不同的FCS和FC的变化在他们的签名相比HC大规模网络。进一步,我们将探讨这些变化与神经缺陷的VaMCI aMCI。

2。材料和方法

2.1。参与者

这项研究是研究协议下进行北京宣武医院伦理委员会的批准。书面知情同意了所有的参与者在研究。

26 aMCI主题,31日VaMCI主题,和36 HC参与者招募了从2017年至2019年在北京宣武医院。我们跟着李的方法等。22]。所有参与者接受了详细的病史采集、体格检查,神经心理学的评估由经验丰富的神经学家已经训练有素的统一评价标准。神经心理学评估包括临床痴呆评定(CDR),迷你精神状态检查(MMSE),蒙特利尔认知评估(MoCA)和日常生活活动(ADL)。

aMCI后的诊断标准规定在2011年由美国国家老化研究所和阿尔茨海默氏症协会(3]。其他两个条件都满足如下:(a) CDR得分为0.5分,得分至少0.5内存域(23)和(b)内侧颞叶和海马萎缩磁共振成像(24,25]。

用于HC的选择标准如下:(一)没有投诉的认知变化,(b)没有任何当前或之前的诊断神经或精神疾病,(c)在身体检查没有神经缺陷,(d)没有神经异常发现大脑核磁共振成像,和(e) CDR得分为0。

VaMCI的入选标准是基于精神疾病诊断与统计手册第四版(DSM), VaMCI [26包括以下几点:(一)投诉的认知障碍,至少在一个认知域;(b)认知能力下降的客观证据;(c)的临床特点与血管性病因;(d)脑血管疾病的病史,体格检查,为脑血管疾病和/或神经影像学证据;(c)排除其他可能的疾病;和(d)在日常活动保持独立的能力。

参与者被排除在外,如果他们有精神疾病和神经疾病影响认知,如头部受伤,抑郁、酒精使用障碍,癫痫和帕金森病。额外的排除标准包括重大医疗疾病,严重的视觉和听力损失,为MRI禁忌症。

2.2。磁共振成像过程

受试者扫描使用特定3-Tesla GE扫描仪(MRI750W,通用电气(General Electric),美国)。所有的参与者被要求保持静止,保持清醒,闭着眼睛。头运动和扫描仪噪音减少使用泡沫填充和耳塞。所有的受试者都接受临床标准化轴T2,轴向fluid-attenuated反转恢复(天赋),矢状T1,静息状态使用echo-planar funcional磁共振成像(fMRI)扫描成像(EPI)序列。以下参数被用于功能磁共振成像图像aMCI和HC的参与者: , , , , ,36个轴向片, ,和 。与此同时,以下参数被用于fMRI VaMCI主题图片: , , , , ,36个轴向片, ,和 。为轴向T2如下参数: , , , , ,和20轴向片。矢状T1如下参数: , , , , ,和20轴向片。参数轴向资质如下: , , , , ,和20轴向片。

2.3。核磁共振数据预处理

使用数据处理功能图像数据预处理对静息状态功能磁共振成像(DPARSF)软件包v4.5开发助理(27)和统计参数映射2013基于MATLAB。第一个5镜像功能磁共振成像数据集被丢弃的减少最初的核磁共振信号的波动在aMCI和HC,而每个fMRI数据集的前10图像在VaMCI丢弃。剩下的图片的数量都是相同的(175张照片)三组。简单,功能磁共振成像时间序列首先纠正within-scan收购时间片之间的差异和重新纠正头部运动。参与者与头部运动翻译超过2.0毫米或2.0°任意方向的旋转被排除在外。此外,单向方差分析表明,没有显著差异的值意味着framewise位移(FD)在三组。所有的重新图像空间归一化到蒙特利尔神经学研究所EPI模板,并且每个立体像素被重新取样 。为了避免引入人工局部空间相关性,图像不平滑28]。去噪步骤包括线性趋势分离和回归的六个运动参数及其一阶衍生品和回归的白质和脑脊液(CSF)29日]。然后,时间序列是暂时带通滤波(0.01 -0.08赫兹)来减少高频生理噪声的影响。

2.4。网络分析

对于每个体素,提取时间序列和皮尔逊相关系数时间序列之间的体素和其他所有体素的时间序列计算在灰质面具( )。然后,相关系数大于0.2在灰质面具,平均每个主题和3 d FCS地图获得(30.]。最后,FCS映射被转换为分数和平滑的6毫米半峰全宽高斯内核。

3所示。统计分析

3.1。人口统计学和神经心理变量

性别评估,测试使用。年龄、教育水平和认知能力差异的三组被单向方差分析估计。这些分析是实现SPSS 21。

3.2。组功能连接强度的差异

一个示例 - - - - - -测试进行识别的模式FCS在每组(21,重要的阈值被设定为voxel-level 修正为多个比较使用family-wise错误率(FWE)。找到改变FCS地区,单向的协方差分析(ANCOVA)然后进行比较三组之间的FCS地图,不与年龄、性别、和教育。明显的阈值被设定为集群级别 ,FWE纠正。FCS值提取区域显示重要集团的区别事后成对比较和局部相关性。事后两两独立样本进行了比较 - - - - - -测试计算任意两组之间的差异使用SPSS 21。

3.3。Seed-Based静息状态功能连通性分析

Seed-based连通性分析进行进一步探讨详细的静息状态的FC改变,使用集群显示显著差异在FCS作为种子。单向ANCOVA进行每个确定种子的FC地图。明显的阈值被设定为voxel-level ,FWE纠正,年龄,性别,和多年的教育不。的FC值提取区域显示组差异显著事后成对比较和局部相关性。

3.4。区域连接措施和认知能力之间的关系

偏相关分析探讨连接测量之间的关系(即。,FCS和seed-based FC) and clinical variables in VaMCI and aMCI separately, with age, gender, and years of education as covariates. Statistical significance was set at 。

4所示。结果

4.1。人口统计学和临床特征的参与者

人口统计学和临床数据如表所示1。显著差异被发现在三组之间的认知评估年龄、性别和教育年匹配得很好。MCI亚型组显示较低的分数在MMSE ( )和美国华人博物馆( )和更高的CDR分数( ),显示显著的一般认知能力下降而HC。与此同时,MCI亚型组显示更高的ADL评分( )。此外,aMCI集团显示认知评估的得分越低,ADL评分高于VaMCI。

4.2。类内FCS分析

结果来自一个示例 - - - - - -测试三组分别如图S1-S3。功能节点与大量的连接主要被发现在大脑颞叶和顶叶区域,以及几个枕叶和额叶皮质。

4.3。群体间的FCS分析

单向ANCOVA表示重要FCS左侧颞中回差(MTG)三组(表中2,图1)。

事后分析表明,(1)与HC相比,受试者aMCI显示显著降低了FCS在左MTG;HC(2)相比,受试者VaMCI显示显著降低了FCS在左MTG;和(3)aMCI相比,受试者VaMCI显示显著降低了FCS在左MTG(图1)。

4.4。改变Seed-Based静息状态功能连通性

进一步详细分析关于左MTG FC模式,随后seed-based FC分析显示,左边在HC MTG网络是由内侧额叶、颞叶皮层,顶叶网站。然而,额网站aMCI和VaMCI(数据被排除在外S4-S6)。单向ANCOVA表示重要FC差异左MTG和右眶额回(一些小),左侧额下回(IFG)和右IFG的三组。事后分析显示,重大FC中断在正确的和一些小的左边只在VaMCI IFG被发现,同时显著减少了FC IFG被发现在aMCI和VaMCI VaMCI组(表中更严重的破坏2,图2)。

4.5。之间的相关性认知表现和连接措施

偏相关分析显示,FC值之间左MTG IFG与认知能力呈正相关情景记忆(上海分数衡量 , ,图3(一个))和ADL评分呈负相关( , ,图3 (b))VaMCI组。

5。讨论

基于静息状态功能磁共振成像和图论方法,本研究报告降低了FCS在左MTG VaMCI科目和aMCI主题,特别是在VaMCI组。此外,更多的额叶区域显示中断静息状态FC向左MTG VaMCI组比aMCI集团。这些异常的大脑连接性可能认知障碍的神经生物学机制。

基于解剖连接的计算分析,斯波恩等人正式定义的不成比例的大量的皮层节点连接,中心(31日]。网络分析研究使用后期跟踪技术在非人灵长类动物32),体内tract-tracing [33),和功能磁共振成像在人类34进一步证实了中心的存在。一个精确的参考地图突出皮质中心组成的后扣带,侧颞,横向壁,和内侧/外侧前额叶皮质被获得,和左MTG的峰值位置最大的10中心(35]。

MTG扮演着一个重要的角色在语言短期记忆(36)和全球认知功能(37]。以前的研究已经表明MTG是其中一个最脆弱的大脑区域受到认知impairment-related病理变化的影响。在分布的形态学研究中,重要的灰质体积减少MTG aMCI患者和已报告VaMCI [38- - - - - -40]。至于整个大脑功能网络,俱乐部模式的改变和FC密度MTG已报告的功能磁共振成像(5,41,42]。此外,显著降低低频波动幅度(ALFF)在左MTG已报告在VaMCI [43]。在目前的研究中,左边MTG发现展览减少FCS aMCI和VaMCI组。此外,与aMCI相比,VaMCI组表现出更严重的FCS MTG的减少。这些结果表明,作为一个关键网络节点连接,丰富MTG优先目标认知impairment-related疾病,特别是在VaMCI组。

随后,我们离开MTG-based整个大脑FC地图进行进一步分析。值得注意的是,降低了FC左边MTG和一些大脑额叶区域,包括正确的和双边IFG一些小的,主要是报道VaMCI组。先前的研究表明,小血管疾病相关认知障碍,包括精神运动的恶化速度,执行控制,和全球认知功能,可能与破坏和断开frontal-subcortical通路(44]。IFG和一些小都与执行功能(45,46]。这是符合这个概念,背外侧前额叶主要涉及电路执行功能(47,48]。使用功能磁共振成像,减少ALFF和FC额叶一直在反复报道VaMCI [49- - - - - -52]。此外,前额综合症,如去抑制和减少社会行为,在比aMCI VaMCI更频繁。在目前的研究中,额叶之间的中断FC和MTG MCI组中被发现,尤其是VaMCI组。此外,FC值之间左MTG和左IFG与认知和生活状态有关,每个反映VaMCI MoCA ADL评分的患者,这可能是与执行功能障碍有关。

需要考虑一些局限性在这项研究中。首先,研究的样本量相对较小,与更大的样本和研究将需要复制当前的结果。第二,两个核磁共振序列之间有一些细微的差别。统一的MRI序列参数应该在未来研究中使用。

总之,本研究首次证明,MCI与中断相关脑功能网络和显著降低FCS MTG。此外,打乱了俱乐部在额叶和MTG VaMCI组中被发现,这可能是与执行功能障碍有关。这些发现可能会打开一个新的方法来更好地理解MCI的病理生理机制。

数据可用性

数据分析在当前研究并不公开由于未完成整个项目的研究但可从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

回族李高和帅进行了数据收集和写的手稿。贾带着发现数据分析。道江和李Kuncheng导致的概念化和设计研究和修订后的手稿。回族李和帅高了同样的工作。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金(62076169)和北京市科委(Z171100000117001)。

补充材料

补充材料的附加文件介绍了结果来自一个示例 - - - - - -测试的类内分析三组。S1-S3数据显示功能与大量的节点连接在HC, aMCI VaMCI,分别。S4-S6数据显示左边MTG的整个大脑FC HC, aMCI VaMCI,分别。(补充材料)

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