文摘
帕金森病(PD)是一种常见的神经退行性疾病。快速眼动睡眠行为障碍(RBD)是PD的前驱症状之一。研究表明,大脑信息传递PD患者的影响。因此,我们假设大脑信息传递受损RBD和PD。为了证明我们的假设,我们执行功能连通性(FC)和功能三个基于aspect整个大脑的动力学分析,在静息状态的网络(工匠们),和之间的交互RSNs-using正常控制(数控)(n= 21),RBD (n= 24)和PD (n= 45)静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI)数据集。此外,我们测试了FC的解释力和功能性动力学的临床特征。我们的研究结果发现,全球RBD的功能动态和FC和PD受损。在工匠们,损伤主要集中在视觉网络(VIS)和感觉运动网络(SMN)和RBD SMN的受损程度高于PD。工匠们之间的互动,RBD显示普遍减少,和PD显示焦点集中在SMN和能见度降低。最后,我们证明了FC和功能性动力学相关的临床特征。这些差异证实大脑信息传递效率和灵活性在RBD和PD受损,这些障碍是与患者的临床特征。
1。介绍
帕金森病(PD)是一种神经退行性疾病的特点是电机和nonmotor症状;认知能力下降和睡眠障碍是最常见的症状之一1]。快速眼动睡眠行为障碍(RBD)被确定为一个关键的前驱症状PD的社会运动障碍(2]。它也可以发生在PD (3]。RBD的研究为PD的诊断具有重要意义。
研究表明,大脑网络RBD和PD受损3,4]。人类大脑功能连通性(FC)网络,估计基于静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI),已被广泛用于研究大脑功能网络RBD和PD。一些研究调查,全球FC效率是降低PD患者(5,6),而这些结果证明,整个大脑的大脑信息传递效率却降低了。研究发现PD伴随着FC感觉运动网络的损失(SMN),内部网络和与其他网络交互7]。在RBD,只有少数FC研究报告,关注异常motor-related网络(8]。FC的下降意味着大脑的异常信息传输能力。鉴于以上,一些研究发现大脑异常信息传输的RBD和PD从俱乐部的角度。然而,有一个缺乏共识FC RBD和帕金森病之间的关系。
最近,功能动态的分析方法,通过测量同步和亚稳度,已经被用于分析大脑信息传递的效率和灵活性9]。同步和亚稳度试图捕获功能动态属性基于大脑区域的振荡活动的时间模式(10,11]。这是因为同步振荡活动的网络区域被认为是支撑信息交换(12),而亚稳度代表了变化的同步网络地区随着时间的推移,被认为是必不可少的自适应信息处理(13,14]。目前,他们已经应用于脑部疾病,如创伤性脑损伤(TBI)、阿尔茨海默病(AD)和精神分裂症15- - - - - -17]。研究表明,PD的全球同步和亚稳度与正常相比减少了控制(数控)18]。然而,静息状态网络的性能(工匠们)功能动态PD尚不清楚。此外,功能性动力学的研究只有在PD报道。缺乏对RBD的研究,包括功能动态RBD和PD之间的差异。
鉴于上述,我们使用FC和功能性动力学来研究大脑信息传递RBD和PD患者的变化。我们FC和功能进行动力学分析在整个大脑三个基于aspect,工匠们内部和之间的交互RSNs-using数控,RBD和PD rs-fMRI数据集从帕金森进展标记倡议(PPMI)。最后,神经影像学措施之间的联系和临床特征是寻求跨多个临床和神经心理评估。我们的研究有助于理解RBD和PD。
2。材料和方法
总体技术路线如图1。静息状态功能磁共振成像图像parcellated预处理后,到90年区域平均的大胆的信号提取。那么大胆的信号转换为FC通过皮尔逊相关性,通过相位相干性(见图功能动态1(一))。全球FC然后用图论的特征指标。工匠们,每一个工匠们在和网络FC计算(见图1 (b))。我们使用阶段获得的信号来计算同步和亚稳度(见图1 (c))。最后,我们在全球的差异相比,在工匠们和工匠们之间的相互作用,分析了与临床特征的关系(见图1 (d))。
(一)
(b)
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2.1。参与者
在这项研究中,使用的数据从公开选择帕金森进展标记倡议(PPMI)数据集(https://www.ppmi-info.org)[19]。所有主题和他们的研究伙伴完成了知情同意的过程。PD患者诊断根据英国帕金森病的社会大脑银行诊断标准。所有RBD例经多导睡眠图符合美国睡眠医学学会提出的标准。RBD的存在并不是评估PD组。受试者被分为三组:正常对照组(NC) 21日24快速眼动睡眠行为障碍(RBD)没有帕金森症状,和45帕金森病(PD)。的详细信息如表所示1。
2.2。图像采集
这些参与者进入四PPMI网站使用的一个标准化的协议3特斯拉机器(所有西门子医疗、美国)。每个静息状态会话持续了大约8.4分钟(210卷,TR = 2.4 s, TE = 25 ms,翻转角度80)体素的大小为3.3×3.3×3.3毫米(40片)。受试者被要求休息安静,保持他们的眼睛睁开了,不睡着。MPRAGE扫描也获得(立体像素大小1×1×1毫米,TR = 2.3 s, TE = 2.98毫秒,翻转角度= 9)注册到MNI模板。
2.3。图像预处理
数据预处理进行了使用统计参数映射(SPM12)和数据处理助理Rs-fMRI (DPARSF)工具包20.]。预处理步骤如下:第十卷的功能图像被丢弃的fMRI信号平衡和参与者的适应扫描情况;执行slice-timing校正,图像重新头部动作;讨厌被反是的影响,包括全球信号,脑脊液,白质信号;图像归一化到蒙特利尔神经学研究所(MNI)空间(重新取样到3毫米×3毫米×3毫米压);然后信号漂移了。最后,时间带通滤波(0.01 - -0.21 Hz)进行剩余时间序列来减少低频漂移和高频噪声的影响。
2.4。皮质分割
自动化的解剖标记(AAL)阿特拉斯21)是用于定义感兴趣的区域(roi)。这个地图集包含45在每个半球皮质和皮质下区域(90地区总),或者散布(提供请求)。获得的总信号给定的ROI,有必要计算平均在整个时间序列的特定大脑区域的所有体素AAL地图集。在每一个主题,roi被分配到视觉网络(VIS),感觉运动网络(SMN),结合区域的背侧和腹侧关注网络和控制网络("),皮层下网络(子),默认模式网络(静)。
2.5。功能连通性
后的平均时间序列每个ROI提取ROI之间的皮尔逊相关性在整个大脑计算获得功能连通性(FC)。FC的全局拓扑是使用几个用指标评估。计算用图指标是由使用格雷特纳[22]。在这里,我们选择了等距稀疏阈值范围(从0.1到0.5分区间隔为0.05)。我们探索了以下网络拓扑属性:全球效率(网络传输信息的能力在全球层面;特征路径长度把整体网络的通信效率的程度(22]。
网络俱乐部为每个工匠们计算了平均时间序列之间的皮尔逊相关的所有体素的roi的分配给每个特定网络。对于网络俱乐部,我们首先计算平均时间序列在每个工匠们(如上所述)。然后我们计算皮尔逊的每个网络的时间序列之间的相关性和所有其他网络(17]。
2.6。同步和亚稳度
在我们的论文中,由同步功能的动态测量和亚稳度。我们用希尔伯特变换将时间序列转化为一个复杂的相平面表示法,然后计算参数R(t),定义为 在哪里N是在网络和区域的总数φn(t)是区域的瞬时相位意味着大胆地区时间序列n。水平阶段所描述时间序列之间的同步R(t)的相变前后一致地如何随着时间的推移,(10,23]。在完全同步行为,R(t)= 1,而R(t)= 0,阶段各阶段时间序列是完全异步的。我们考虑有序参数的均值R(t)时间同步指数的标准差R(t)作为亚稳定性的指标。
鉴于相互关联的工匠们工作行为相关信息传达比单一的工匠们在隔离观察。我们计算当地措施的网络动力学相位时间序列的定义在每个静息状态的大脑区域网络(如前所述):(1)的地区由单一的工匠们和(2)在评估他们的交互,地区由两个工匠们的集合,其中N是指脑区包括两个工匠们的数量(16]。
2.7。统计分析
使用SPSS软件统计测试是由。三组在神经影像学措施的差异进行了分析通过使用非参数克鲁斯卡尔-沃利斯单向方差分析。如果达成的重要结果方差分析、多重比较是通过Mann-WhitneyU测试。显著性水平是0.05。
因此,我们应用国家统计局FC和功能动态评估的工匠们之间。两两之间的相互作用这五工匠们使用上面描述的方法进行评估。我们应用国家统计局21 5×5对称矩阵来自数控和24 5×5对称矩阵来源于RBD, 45 5×5对称矩阵来自PD。每一行/列代表一个工匠们之间的交互和其他四人的矩阵。
3所示。结果
3.1。全球组织之间的差异
克鲁斯卡尔-沃利斯单向分析确定了统计上的显著差异在三组之间同步( ),metastablity ( ),全球效率( ),和特征路径长度( )。随后Mann-Whitney测试显示,全球同步(RBD): ,帕金森病: ),亚稳定性(RBD: ,帕金森病: ),和效率(RBD: ,帕金森病: )显著低于RBD和PD患者相比,数控(参见图吗2(一个)- - - - - -2 (c))。相反,特征路径长度(RBD: ,帕金森病: )明显高于RBD和PD患者(见图2 (d))。所有的差异都被修正。
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(c)
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3.2。在工匠们组间差异
在工匠们级别,RBD患者显示低同步(VIS: ,SMN: ,": ),较低的亚稳定性(SMN: ),和更低的FC (VIS: ,SMN: ,": )在所有5个工匠们相比,数控(见图3)。PD患者显示低同步(VIS: ,SMN: ),较低的亚稳定性(SMN: ),和更低的FC (VIS: )而数控(见图3)。特别是,RBD患者显示低同步( )和亚稳度( )和FC ( )在SMN而PD(见图3)。所有的差异都被修正。
(一)
(b)
(c)
3.3。组间交互工匠们的差异
国家统计局的结果显示普遍存在显著降低同步( ;纠正)和亚稳度( ;纠正),包括所有的工匠们之间的交互RBD而数控(见图4(一)和4 (c))。与数控相比,减少PD的同步( ;纠正)集中力和其他工匠们(见图4 (b)在亚稳度),( ;纠正)是专注于SMN和其他工匠们(见图4 (d))。与数控相比,网络FC减少RBD ( ;纠正)和PD ( ;纠正)患者。这些夹杂物减少SMN与能见度之间,SMN静,静子(见图4 (e)和4 (f))。
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3.4。神经影像学措施和临床特征之间的相关性
调查是否神经影像措施与临床特征,我们使用临床特征(UPDRS-I, II, III,总RBDSQ和MoCA)作为因变量,全球神经影像措施(同步,亚稳度、效率和特征路径长度)预测,和年龄不不感兴趣,进行多元线性回归。全球同步负相关神经影像措施,包括UPDRS-I (r= -0.310, ),UPDRS-II (t=−0.243, ),UPDRS-Total (t=−0.261, )和RBDSQ (t=−0.315, )(见图5(一个))。全球亚稳度负相关神经影像措施,包括UPDRS-I (t=−0.413, ),UPDRS-II (t=−0.267, ),UPDRS-Total (t=−0.305, ),和RBDSQ (t=−0.315, )(见图5 (b))。全球效率负相关神经影像措施,包括UPDRS-I (r=−0.316, ),UPDRS-II (t=−0.254, ),UPDRS-Total (t=−0.285, ),和RBDSQ (t=−0.265, )(见图5 (c))。神经影像学特征路径长度呈正相关措施,包括UPDRS-I (r= 0.304, ),UPDRS-II (t= 0.242, ),UPDRS-Total (t= 0.262, ),和RBDSQ (t= 0.244, )(见图5 (d))。全球神经影像之间没有显著相关措施和UPDRS-III,项目。在某种程度上,全球神经影像措施可以预测临床特征。
(一)
(b)
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我们也为当地的神经影像措施做了同样的事情。结果如表所示2。神经影像学的工匠们措施(同步,亚稳态,在和网络FC)下降,包括能见度和SMN陷落,负相关的临床特征,包括UPDRS-I II,总,RBDSQ。特别是,静息同步(r=−0.215, )和FC (r=−0.218, )与UPDRS-I负相关。静亚稳定性与UPDRS-I负相关(r=−0.235, ),UPDRS-II (r=−0.251, ),和UPDRS-Total (r=−0.246, )。
4所示。讨论
本文研究了大脑信息传输的变化由两个methods-FC RBD和PD患者和功能动态。与数控相比,全球功能动态RBD和PD和效率下降和特征路径长度增加(见图2)。当地减少集中在SMN和活力,而RBD更广泛的损害SMN PD(见图3)。工匠们之间的功能动态,RBD显示普遍减少,和PD显示焦减少集中在SMN和VIS(见图4)。网络FC减少RBD和PD,包括减少SMN与能见度之间,SMN静,静子(见图4)。最后,我们发现,我们的研究中使用的神经影像措施与电动机和nonmotor症状患者(见图5、表2)。
4.1。全球信息传播效率和灵活性是减少RBD和PD
我们使用FC和功能性动力学来研究大脑的变化信息的传播。FC是神经活动的时间相干性在解剖分离的大脑区域中出现的模式。全球效率和FC网络的特征路径长度反映了大脑的全球信息传输效率的程度。因为大脑是一个复杂的动力系统(13,24),神经集合体之间的通信是通过一致性,即两个神经集会的活动同步的波动可以交换信息(12]。因此,同步与大脑的信息交互效率。亚稳度指的是随着时间的变化同步。因此,它反映了大脑的灵活性信息传输(9]。
在我们的研究中,与数控相比,全球效率和功能动态RBD和PD的减少,和特征路径增加(见图2)。这些表明,病人的大脑信息传递效率降低。支持这个概念的研究发现,整个大脑活动RBD和PD的特点是低效率的状态18,25,26]。低亚稳度表明,信息传输灵活性较低,和活动的病人更严格和更少的变量。证据表明,PD和RBD呆更长时间处于弱连接状态和倾向于减少数量的转换,稀疏表示大脑网络的相对损失动力学(27,28]。亚稳度的减少被发现在精神疾病的研究,这是相关的认知能力的障碍15,16]。然而,亚稳度和行为之间的关系并不是特定于认知能力(15]。在我们的研究中,我们表明,全球同步和亚稳度负相关与PD的临床特征,包括UPDRS-I、二世,RBDSQ(见图5)。这些活动需要感官之间的通信、电机和认知控制区域,所以信息传输效率和灵活性的衰落表明临床症状的恶化。上述结果表明,全球同步和亚稳度可能是一个重要的动力学机制基础通用汽车和nonmotor RBD和PD症状。
有趣的是,我们发现RBD下行趋势大于PD在全球FC和功能动态(见图2)。可能的原因是,功能变化发展了几个月到几年RBD PD是非线性的。例如,在PD,众所周知,是一个复杂的关系所面临的特定认知问题病人和他们的疾病的特定阶段29日]。可能有一个补偿机制。
4.2。RBD比PD SMN更广泛的损害
据我们所知,这是第一个研究工匠们同步和亚稳度RBD和PD,结果加强SMN RBD和PD患者的重要性。SMN由初级感觉运动皮层以及地区参与运动任务准备,如运动前区皮层和SMA和激活的任务是自愿的运动(7]。在我们的研究中,同步、亚稳定性和SMN的FC患者低(见图3)。它反映了受损的大脑信息传递SMN的病人。神经影像学研究一再表明疾病改变感觉运动区域RBD和PD (7,8,30.]。特别是,我们发现SMN的同步和亚稳定性和FC RBD低于PD。它可能意味着代偿机制,这在文献中被发现。例如,一些论文证明了PD的发展,部分运动大脑区域联系加强,建议进行尝试的恢复和补偿机制影响函数(31日]。之间的互动网络,功能动态SMN和其他工匠们减少RBD和PD(见图4(一)- - - - - -4 (d))。他们强调,感觉运动综合函数驱动的中断不仅在网络变化,还通过大规模network-to-network断开连接(7]。不仅SMN的内部信息传递限制,而且SMN之间的信息传输和其他工匠们正在减少的病人,这削弱了子网之间的交互影响的大脑和大脑的整体功能。
我们没有观察到明显的相关性的UPDRS-III函数索引在SMN可能表明FC和SMN的功能动态可以独立于电动机在RBD症状严重程度和PD。另一方面,可想而知,不同病理效应存在在疾病的不同阶段和不同电机亚型,导致类似的发动机严重但不同FC和SMN的功能动态变化7]。值得注意的是,PD的UPDRS-III得分明显高于RBD的功能连接和功能的动力学SMN RBD明显低于PD。这些结果证实motor-associated财产的独立性。在这种情况下,效果更加明显相关性可以掩盖在我们研究的,而异构患者样本。
4.3。功能动态力和陷落的衰落伴随着FC的衰落
我们的研究结果表明,同步在工匠们在能见度和陷落(数据减少3(一个)和3 (b))。这也可以观察到在FC(参见图的结果3 (c))。PD与广泛的视觉症状(32),如RBD、视觉空间的障碍,和视觉幻觉。RBD患者总是伴随着噩梦,这可能与视觉幻觉在做梦(33RBD的认可,越来越多的证据表明,视觉相关领域与RBD的病理生理学密切相关,并进一步在电机控制(34]。"包括背侧和腹侧的关注和控制网络。类似于我们的研究中,张还报告说,RBD患者功能下降的注意,执行功能,语境言语记忆,而非语言的记忆(3]。减少患者的脑部连接通路,大脑信息传递在能见度受限,陷落。同样,我们发现神经影像措施活力和陷落与部分临床特征(见表2)。与数控相比,活力之间的交互和其他工匠们在RBD和PD受损。这些损失是与在工匠们的结果一致。它表明的工匠们互动网络交互损伤也可能是相关的工匠们内部功能损害(7,35]。损害在能见度可能导致与其他工匠们降低了信息传输。
4.4。静的神经影像措施预测Nonmotor RBD和PD症状
静的特点是基底活动,增加在休息或被动视觉固定和减少(“失效”)在认知任务(36]。它似乎是特别容易受到疾病的影响,据报道在PD37]。但是,在当前的研究中,RBD和PD展出在静没有异常。不幸的是,没有明确的模式对默认模式网络RBD和PD出现在文献[30.,38]。一些论文报告没有静息状态的改变(30.,37]。然而,旨在区分PD患者和健康受试者的研究发现,而静实质性改变的疾病(39]。这些相互矛盾的发现可以归因于不同的阶段,类型在不同的临床表型,和治疗PD组研究[40]。此外,我们发现神经影像措施静与UPDRS-I比率呈显著负相关关系,也就是说,情绪和cognition-related量表的得分(见表2)。因此,神经影像学措施静确实可以反映nonmotor症状的病人的严重程度(38]。
5。结论
总之,我们研究大脑信息传递由两个methods-FC RBD和PD和功能动态。我们发现不同的同步、亚稳定性和FC数控和患者之间。这些差异证明大脑信息传递效率和灵活性在RBD和PD受损。这个障碍是不仅在功能动态发现,还隐含与行为。
数据可用性
数据用于本文的准备从帕金森获得进展标记倡议(PPMI)数据库(https://www.ppmi-info.org/data)。因此,调查人员在PPMI导致的设计和实现PPMI和/或提供数据,但没有参与的分析或写这份报告。
附加分
限制。这项研究是横断面和回顾,我们不知道如果任何RBD那将开发PD alpha-synucleinopathy。因此,我们的结果必须被小心,和纵向研究涉及大样本的确认我们的发现。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这个项目是由中国国家自然科学功能(61873178,61873178,61906130),山西省国际合作基金会(201803 d421047),山西省基础研究项目和一般项目(自由探索)(20210302123099)。