文摘
腰椎间盘突出症(LDH)诱导神经压迫综合症是一个普遍问题,复杂的神经机制。变化在分布式大脑区域参与综合症的发生和持久性。本研究旨在探讨脑功能网络的变化LDH慢性坐骨神经痛患者使用图论分析。总共三十LDH成人展示和/或一两百根(s)压缩综合症(LDH组)和30岁、性别、体重指数和education-matched健康控制(HC组)参与了核磁共振扫描。全脑功能网络构建了每个参与者使用皮尔逊相关性。全球和节点属性计算和比较两组之间,包括small-worldness指数、聚类系数,特征路径长度,学位中心(直流)、中间性中心(公元前)和节点效率。LDH和HC组显示在大脑功能网络的小世界体系结构。然而,LDH组显示节点中心(直流,公元前和节点效率)增加在鳃盖额下回的一部分;在轨道和减少额下回的一部分,舌皮层和枕下回。直流和效率在右枕下回在LDH与得以残疾指数负相关。总之,LDH-related慢性坐骨神经痛综合症可能诱发大脑区域变化涉及自我参照、情感反应和疼痛调节功能。但整个大脑小世界体系结构没有明显干扰。它可能提供新的见解LDH患者神经根症状从新的视角。
1。介绍
腰椎间盘突出症(LDH)是一个普遍的疾病引起的腰椎椎间盘退行性疾病。下腰痛是最常见的症状出现率高和伟大的成本负担1- - - - - -3]。研究揭示了相应的大脑的变化与慢性下腰痛使用功能性磁共振成像(fMRI)。更改涉及到特定的大脑区域,整个大脑网络的功能连通性和属性(4- - - - - -9]。这些研究极大地拓展了我们洞察下腰痛有关的大脑变化。然而,腰痛是一个非常普遍的症状,在大多数情况下模糊的原因。只有在少数的情况下直接链接到一些定义有机疾病存在。它可能不是一定有因果联系与LDH既不10- - - - - -12]。即使在LDH患者抱怨腰痛,腰痛的原因可能仍然不清楚。在临床实践中,它并不少见,LDH患者仅仅报告神经压迫症状没有明显的下腰痛的存在。
在临床实践中,许多LDH患者会出现持续的神经根症状,甚至有些人需要接受手术治疗的减压和腰椎融合。然而,并不是所有的病人获得了满意的缓解神经性疼痛甚至适当治疗后(13,14]。这是承认,在周围神经病变会导致复杂的疾病涉及周边和中枢神经系统(15- - - - - -17]。除了周围神经的因素,不适应的大脑的变化可能也有助于缓解症状的失败。然而,大脑的变化与坐骨神经痛由于椎间盘髓核脱出突出尚未透露。本研究旨在探索大脑的变化在全脑网络水平特别是伴有慢性单边神经根(s)压缩在LDH患者核磁共振(fMRI)形象。我们限制LDH患者对那些主要抱怨的神经性症状影响只有一条腿的时候招聘。图理论分析应用于描述每一对脑区之间的功能连接(18]。全球和脑功能网络计算的节点属性特征描述的网络和不同属性LDH-induced坐骨神经痛患者和健康对照组之间比较。
2。材料和方法
2.1。参与者
LDH诱导神经根(s)压缩(LDH组)患者招募根据入选标准如下:(1)腰椎间盘突出症诊断的磁共振成像评估;(2)主要抱怨单侧坐骨神经痛症状至少3个月;(3)单边L4和L5神经根(s)压缩证实了临床症状(正面直腿提高试验(SLRT)],体检和电生理测试;(4)年龄在18岁以上,性别不限;(5)单侧神经压迫症状持续至少3个月;(6)没有其他疼痛除了LDH相关疼痛;(7)没有神经缺陷,如视觉或听力损失;(8)没有发现异常,如梗塞或局部病变在脑MRI表现,证实了由两个独立的放射学家蒙蔽了。排除标准:(1)禁忌症或无法容忍先生扫描;(2)与神经系统疾病或大脑病变,如创伤性脑损伤、中风、神经退行性疾病、脑部肿瘤,癫痫; (2) with psychiatric diseases, such as schizophrenia, depression, anxiety disorder before the onset of current LDH-induced radiculopathy; (3) reported a history of drug abuse or alcohol addiction; (4) for other reasons they were unsuitable to undergo MR scan.
入选标准为健康对照组(HC组):(1)年龄在18岁以上,性别不限;(2)一般健康没有记录的慢性系统性疾病(如糖尿病、高血压);(3)无记录的神经或精神疾病,如中风,抑郁,或癫痫;(4)没有神经缺陷,如视觉或听力损失;(5)没有发现异常,如梗塞或局部病变在脑MRI表现,证实了由两个独立的放射学家蒙蔽了。排除标准:(1)禁忌症或无法容忍先生扫描;(2)历史的酒精/药物成瘾;(3)不愿意参加本研究或已经进入了另一个试验。
本研究机构审查委员会批准仁医院(没有。KJ2019-06)。所有的参与者提供的书面同意。
2.2。临床评估
得以残疾指数(ODI)和视觉模拟量表(血管)测定在LDH患者。海外开发的标准评估LDH的严重程度。ODI范围从0到100的得分,得分越高表明更多的功能受损19]。血管测量病人的疼痛感觉,范围从0到10,表示从没有极端的痛苦19]。这是评估在休息和在SLRT(记录60°症状一侧髋关节屈曲;记录为10分,如果病人无法达到60°)。
2.3。图像采集先生
先生获得图像3.0 T磁共振扫描仪(德国西门子Verio,埃朗根)。在扫描过程中,参与者被要求躺和放松睁大眼睛。泡沫垫和耳塞是用于头部极限运动,降低机器噪声的影响。他们被要求保持清醒,不去想什么特别的事。静息状态功能磁共振成像获得轴向有一个echo-planar成像(EPI)序列按照下列协议:重复时间(TR) = 3000 ms,回波时间(TE) = 30 ms,翻转角度= 90°,视野(FOV) = 240×240毫米2,= 64×64分辨率矩阵,片数= 43,切片厚度= 3毫米,体素的大小= 3.75×3.75×3毫米3,差距= 0,数量的体积= 240。三维t1影像获得了magnetization-prepared快速梯度回波(MPRAGE)序列与以下参数:重复时间(TR) = 1900 ms,回波时间(TE) = 2.93毫秒,反转时间= 900毫秒,翻转角度= 9°,= 256×256分辨率矩阵,片数= 160,切片厚度= 1.0毫米,体素的大小= 1×1×1毫米3。
2.4。数据预处理
大脑图像预处理与数据处理助理静息状态功能磁共振成像(DPARSF)工具箱,这是基于Matlab, SPM12 (https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm),DPABI [20.]。右腿受影响,患者大脑从左到右翻转,这样影响大脑的局部的一侧半球(21,22]。功能图像被丢弃的前十册,以便适应信号稳定。剩下的190卷纠正了不同片采集时间与每个重复时间的中间图像(TR)作为参考。头部运动与Friston 24-parameter方法和妨害白质信号、脑脊液和头部动作参数退化了23]。结构coregisteration T1图像分割的功能图像,然后归一化到蒙特利尔神经学研究所(MNI)空间使用Diffeomorphic解剖注册通过取幂李代数(DARTEL)。功能图像被重新取样3毫米各向同性体素空间平滑和6毫米半宽度(应用高斯内核。归一化函数图像与0.01 - -0.1 Hz带通暂时过滤减少生理噪声和低频漂移。翻译与头部的运动图像> 3毫米或> 3°旋转被排除在研究之外。
2.5。网络建设和图理论分析
整个大脑的皮质和皮质下区域parcellated到90年之前感兴趣的区域(roi)的基础上,阿特拉斯的解剖自动贴标(AAL) [24]。这90个roi被定义为网络的节点。的平均时间序列每个ROI提取和相关每一对节点之间的边表示。每一对之间的相关性系数(热阻)roi计算皮尔逊相关的措施。热阻是转换为z值与费舍尔的z变换获取near-normally-distributed数据。邻接矩阵z值的构造为每个主题和二进制无向连通网络然后获得选定的阈值(稀疏)。稀疏被设定从10%到46%的区间步骤0.01 (25]。网络的拓扑属性计算基于网络。
2.6。网络属性
全局属性包括:聚类系数(Cp),特征路径长度(lp),归一化聚类系数(γ),归一化特征路径长度(λ)和small-worldness (σ)。节点属性包括:学位中心(直流)、中间性中心(公元前)、效率(E给定节点)(详细定义,方程和临床意义的这些属性包含在补充材料(补充表S1)[26,27]。全脑功能网络的构建与格雷特纳(v2.0.0)工具箱(https://www.nitrc.org/projects/gretna)[28]。
2.7。统计分析
两个示例t检验和卡方测试应用在比较两组之间的人口特征。曲线下的面积(AUC)两组之间的属性和节点属性与非参数排列测试(29日]。显著性水平是设定在p< 0.05在全局属性的分析,同时在节点属性设置p< 0.05后错误发现率(罗斯福)修正多重比较。
2.8。相关分析
属性显示显著差异,这些属性之间的偏相关分析和临床变量(ODI与脉管)LDH组。年龄和性别控制的影响。软件SPSS (V21 SPSS Inc .)、芝加哥,美国)使用。
3所示。结果
3.1。参与者的特征
三十LDH诱导神经压迫的病人(LDH组)(56.3±9.7岁)和30 HC科目(HC组)(55.0±12.3岁)参加分析(表1)。年龄、性别、体重指数(BMI)和教育水平(低教育水平要求:初中或以下;高等教育:高中或以上)两组(所有之间的可比性p> 0.05)。LDH组L4神经根参与六个病人,L5二十例,L4和L5参与其余四个病人。LDH患者接受保守治疗,包括口腔医学(定期神经营养药物;非甾体抗炎药或根据需要鸦片),躺平,物理治疗、腰椎牵引或中国传统疗法(如针灸,草药)。但这些患者仍抱怨神经根症状招生。
3.2。临床评估
所有患者中度或重度症状涉及单边边报告。在十七岁患者左侧的影响,而其余13个患者的右侧。ODI评分平均为65.93±11.46。我们所有的患者能够达到60度在SLRT髋关节屈曲。血管评分静止为3.67±0.99,6.67±0.96 SLRT期间,分别。
3.3。全局属性
稀疏范围0.05 - -0.46,LDH和HC组显示小世界拓扑的功能网络,由归一化特征聚类系数(γ)> > 1,标准化的特征路径长度(λ)≈1和small-worldness (σ)=γ/λ> 1。没有发现显著差异γ,λ,σCpL,p通过比较曲线下面积(AUC)组(所有p>(图0.05)1)。结果没有翻转过程见补充材料(补充图S1)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
3.4。节点属性
与高碳钢相比,LDH集团增加中间性中心(公元前)在右额下回(轨道部分)(ORBinf.R);并没有减少公元前(图2(一个)、表2)。LDH集团增加学位中心(直流)在左额下回,鳃盖部分(IFGoperc.L);和减少直流在左舌回(LING.L)和右枕下回(IOG.R)(图2 (b)、表3)。节点效率增加左额下回,鳃盖骨的一部分(IFGoperc.L);和减少左舌gyr (LING.L)和右枕下回(IOG.R)(图2 (c)、表4)。结果没有翻转过程见补充材料(补充图S2补充表S2-4)。
(一)
(b)
(c)
3.5。相关分析
重要部分之间的相关性被发现在IOG直流。R和ODI (r= -0.412,p在IOG = 0.029), E。R和ODI (r= -0.464,p=(图0.013)3)。没有明显的相关性被发现在其他网络属性显示显著差异和临床变量。
(一)
(b)
4所示。讨论
LDH是一种常见的病理引起一系列症状,包括慢性下腰痛,根的腿部疼痛,虚弱,和感觉异常部位(30.,31日]。的大脑能够适应物理状态,异常复杂的变化会发生在大脑中与LDH诱发症状。积累的研究也提供了证据表明,pathology-specific大脑变化起到至关重要的作用在疼痛的发生和维护,特别是慢性疼痛(32- - - - - -36]。先前的研究已经证实了LDH患者大脑可塑性的参与。石狮等人证明了整个大脑网络中断,聚类系数和效率LDH-related慢性疼痛患者(包括慢性下腰痛和/或腿部疼痛),表明减少hubness,隔离和集成(5]。根据京et al .,下腰痛患者由于LDH显示大大延长特征路径长度和较低的聚类系数,全局效率和局部效率。他们还显示功能连通性下降几个脑区包括前扣带皮层,扣带皮层,et al (6]。然而,他们并没有限制调查LDH患者单方面神经根症状与神经根(s)压缩。
目前的研究集中在LDH引起的慢性神经根症状患者,尚未研究。具体来说,图论应用于静息状态功能磁共振成像数据的分析。LDH-induced坐骨神经痛患者和HC显示小世界结构的脑功能网络在全球层面。没有发现显著变化的全局属性在LDH集团广泛的稀疏阈值。小世界网络应该是更高效的信息传递比定期或随机网络。它是用来描述之间的平衡全局和本地信息传递效率(18,37]。因此,小世界的性质没有显著打断这些LDH-induced坐骨神经痛患者在选择范围的稀疏。结果暗示这些患者仍显示有效的小世界体系结构,这是种族隔离和集成的最佳平衡。人类的大脑是一个复杂的相互联系的网络。虽然1 - 2腰椎神经根在病理状态,整个大脑仍在大规模有组织得很好。这可能是由于整个大脑网络的能力来补偿当地周边神经根的干扰。
然而,异常的节点属性还发现在一些大脑区域在LDH组与健康对照组相比。公元前节点属性,直流和节点效率代表给定节点的重要性在地区或全球网络。具体地说,公元前描述给定节点的影响其他节点之间的信息流动;直流反映的信息沟通能力功能网络中的一个节点;节点效率特征并行效率的节点在网络的信息传递。
在目前的研究中,节点中心增加一个节点位于frontoparietal网络(IFGoperc.L);减少在默认模式网络(静)(ORBinf.R)和视觉网络(舌回和枕下回)(38]。大脑静息组成的广泛的脑区,主要包括内侧前额叶皮层(mPFC),后扣带皮层(PCC)和顶叶小叶(IPL) (39,40]。它描述了大脑的神经活动的基线状态与自身相关的心理活动(41]。区域的神经活动和功能连通性增加静被发现与抑郁症相关的(42,43]。枕叶皮层区域,包括距状裂和舌回被发现显示LDH-related减少节点中心。根据文学评论家,舌回也参与疼痛的过程(44,45]。因此,目前的研究表明加强协调作用的大脑区域在这些患者中,涉及自我指涉功能活动和疼痛调制。节点中心增加地区被发现LDH组在frontoparietal网络(IFGoperc.L) [38]。Frontoparietal网络及其与脑岛的功能连通性与情绪调节(46]。该地区增加节点中心建议潜在的补偿LDH-induced坐骨神经痛患者疼痛和情绪调节功能。它也可能是一种补偿周围神经的异常信号传入神经压迫综合症等病理状态。然而,异常的节点之间的确切关系属性和psychomental地位需要进一步探索。未来的研究涉及具体的尺度,代表不同方面思想的地位将是值得的。
在相关分析中,在控制年龄和性别的影响,我们只注意到在IOG ODI与直流之间存在显著负相关。在IOG.R R E。无显著临床变量之间的相关性被发现和其他异常LDH网络属性组。它在IOG隐含相关性改变节点的属性。R与临床表现。
仍然有几个问题需要在以后的研究中进一步解决。更大样本量的参与者需要包含在未来的研究来提高统计数据的力量。改变属性与干预和预测效果的预测还需要探索。网络结构及其与功能的关系网络将是一个重要的补充。然而,目前的研究仍然使我们深入理解大脑功能LDH-induced神经根病形成的网络。大脑区域与当地显著改变属性可以为未来潜在目标干预,如神经调节。
5。限制
因为它是一个观察性研究LDH患者与健康对照组比较,在参与者的分配随机化是不适用的。在混杂因素控制,可能有潜在的偏见由于主题的选择。随着口腔医学的影响是不可避免的在目前的临床研究,进一步研究(如实验研究)控制混杂因素是需要提供补充证据。
6。结论
本研究构建的脑功能网络静息状态功能磁共振成像对腰椎间盘突出症(LDH)诱导慢性神经根受压患者和健康对照组。图理论分析是用来研究大脑的全球和本地属性。两组表现出小世界结构但没有发现群体间的差异在小世界的措施。LDH组表现出减少节点中心在边缘节点,腹侧注意力和frontoparietal网络;而增加节点中心主要在默认模式和视觉网络的节点。研究提供更多的洞察的大脑网络改变与LDH-induced慢性坐骨神经痛综合症。更好的理解大脑可塑性可能帮助我们决策关于口服药物或手术等治疗策略。最后,样本量相对较小。在我们未来的工作中,与更大样本量调查仍需要得出更有说服力的结论。
数据可用性
本研究的数据可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突的披露。
作者的贡献
Yan-Peng张和Guang-Hui香港贡献同样这项工作。
资金
这项工作是由上海宝山地区科学技术委员会(格兰特数量:19-E-39)。
补充材料
图S1:小世界参数的变化,聚类系数(Cp)和特征路径长度(Lp)腰椎间盘突出症诱发神经根受压患者和健康对照组稀疏从0.1到0.46不等。图S2:不同的中间性中心(BC),学位中心(DC)和效率之间的腰椎间盘突出症(LDH)诱导神经根(s)压缩患者和健康对照组。表S1:定义,方程和临床意义的网络属性。表S2:有重大不同的中间性的大脑区域中心(BC)之间的LDH诱导神经根(s)压缩和健康对照组。表S3:有重大不同程度的大脑区域中心(DC)之间的LDH诱导神经根(s)压缩和健康对照组。表S4:有重大不同的大脑区域之间的给定节点效率(E) LDH诱导神经根(s)压缩和健康对照组。(补充材料)