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帕金森认知损伤和DTI脑网络
发布者:admin 发布时间:2018/5/22

帕金森认知损伤和DTI脑网络 

    这是一篇不算新的文章,但思影的team觉得会给大家带来帮助,So,推广一下,希望关友(关注的朋友)们钟意。

   来自意大利米兰圣拉斐尔大学的Sebastiano Galantucci等人在Radiology杂志发文,利用DTI脑网络方法研究有轻度认知障碍的帕金森(PD&MCI)和无轻度认知障碍的帕金森(PD&nMCI)患者的结构网络连接差异。

    主要内容:170个帕金森病人(54MCI 116个无MCI),41个正常对照(HC)。用确定性纤维束追踪的方法、基于网络的统计分析研究不同组别结构连接的差异。结果发现,PD&MCI组相比于PD&nMCI以及HC组,整体大脑网络连接均存在异常。相比于HCPD&MCI组的右脑的基底神经节以及额顶网络的部分各向异性(FA)值升高,双侧基底神经节以及额顶网络的平均扩散率(MD)值升高。相比于PD&nMCIPD&MCI组的双侧基底神经节以及双侧额颞顶网络的FA值降低。把运动障碍当做协变量去掉之后可以得到相似的结果。PD&MCIPD&nMCI两组的结构网络连接没有差异(p<0.01)。用基于网络的FAMD参数将PD&MCIHC以及PD&nMCI被试中区分开,有较高的正确率。结构网络连接异常有助于对PD&MCI患者的信息整合和组织能力异常进行检测。本文研究结果提供了新的关于结构异常的信息,这也许可以作为区分PD患者是否有认知障碍的标记物。

 前言:

       新确诊的PD患者中有25%存在认知障碍,有认知障碍的患者更有可能发展为痴呆。目前,认知损伤的神经机制还不清楚。有研究显示多巴胺以及非多巴胺神经递质系统、边缘系统以及和阿尔茨海默相关的病变也许都是PD认知障碍的分子以及病理机制。最近研究发现,PD认知障碍患者的皮层和亚皮层的网络结构存在异常。少数研究指出,PD&MCI患者的前额叶以及左右半球之间的白质微结构异常;在PD但是非痴呆患者中,白质异常可能出现在灰质萎缩之前。也有fMRI研究发现,病人的背侧注意网络以及右侧前额叶脑岛区域功能连接降低,额顶网络功能连接异常。

       大脑越来越被认为是一个完整的网络,大家都以网络的形式研究大脑,而不单单研究大脑的某个局部。图论作为一个有力的研究网络功能和结构组织形式的工具,被广泛运用。大脑被描述成图论的形式,具体的解剖结构作为节点,节点之间的连接定义为边。这种方法有助于对大脑组织形式的病变情况进行详细描述,也有助于对潜在的生理病理机制做出假设,有助于确定潜在的标记物。基于图论的对PD的研究结果发现,相比于健康人,PD患者整体和节点的功能效率降低。本研究用图论的方法对PD&MCI患者的整体的脑结构网络进行分析,用DTI的方法探究PD非痴呆患者的和认知相关的白质微结构的异常。

方法:

       170(这年头少于每组30个出门都不好意思跟人打招呼,老板,先来100万个被试数据做深度学习玩玩!)个PD非痴呆患者,41个健康被试(HC),采集T1以及DTI数据。用FSL进行数据分析,进行确定性纤维追踪。

       网络定义:Freesurfer分割的83个灰质脑区定义为节点,DTI追踪出的纤维束定义为边。

   网络分析:Brain Connectivity Toolbox( Olaf Spons组出品,必属精品,了解一下) 得到整个网络的拓扑属性,包括:小世界属性、平均网络度、聚类系数、路径长度、中心性、同配性、全局效率以及网络密度。用Wilcoxon秩和测试来比较这些参数的组间差异。对FAMD进行同样的分析,因为这些网络参数比如度、路径长度、以及密度只考虑网络连接是否存在。

       p<0.01p<0.05两个显著性水平来比较FAMD的组间差异,进行基于网络的统计分析。主要的和较小的连接组块的FA以及MD值作为参数输入到ROC曲线中,用留一法进行交叉验证,将各组病人区分开。


结果:

(1)PD&MCIPD&nMCIHC三组基本人口统计学信息(参见表1.)。

 

1.人口统计学信息


(2)全局脑网络拓扑属性(参见表2.)。


2.脑网络拓扑属性


(A)  FA的中介中心性(betweenness centrality):PD&nMCI>HC

          MD同配性(assortativity:PD&nMC

(B)  FA的中介中心性: PD&MCI>HC

           MD的中介中心性: PD&MCI>HC

           FA特征路径长度:PD&MCI>HC

           FA同配性:PD&MCI>HC

           FA聚类系数:PD&MCI

           MD聚类系数:PD&MCI

           FA全局效率:PD&MCI

(C)  FA同配性:PD&MCI> PD&nMCI;

           MD同配性:PD&MCI> PD&nMCI;

           FA聚类系数:PD&MCI< PD&nMCI;

           MD聚类系数:PD&MCI< PD&nMCI;

           FA全局效率:PD&MCI< PD&nMCI;

 

3)基于网络的统计分析


1红线表示主要连接成分,绿线表示异常的非主要的连接成分。

a表示和HC组比较,PD&MCI中受影响的结构连接

具体地:和HC组相比,PD&MCI整体的连接数目减少,FA值降低,全局MD值增加。和HC相比,PD&MCI的基底神经节以及额顶网络包括右侧壳核、海马、前额叶、背侧额中回、额下回、侧眶额部、脑岛以及顶叶下回的FA值降低;小次级网络的左侧丘脑,颞极以及梭状回的FA值降低,右侧颞中回、顶上回以及脑干也是这个小网络的一部分。和HC相比,PD&MCI的双边苍白球、右侧尾状核、壳核、海马前额叶的眼眶部分以及颞叶上部的MD值升高。在PD&MCI还有很多次级小网络的MD值升高,比如左侧基底神经节、中央前回、脑岛以及颞叶、顶叶、枕叶的部分脑区。


4ROC曲线分析:

留一验证法,ROC曲线分析结果。主要成分以及次级成分的平均的FA以及MD值用于ROC分析,来将PD&MCIPD&nMCI以及HC中区分开。结果显示FA能较好地进行区分。

 

5)基于体素的分析:

 


HC组相比,PD&MCI组双侧额叶、顶叶、颞叶、胼胝体膝部以及前部额顶网络的FA值降低。升高的MD值和降低的FA值模式相同,此外还有中脑和脑桥部分。将PD&nMCIPD&MCI两组比较时,也发现在PD&MCI组具有相同的升高模式。

 

讨论

       本文的主要发现是:在PD&MCI组中,结构异常主要发生在基底神经节以及额颞顶网络区域。这和研究运动、执行以及视觉空间等认知障碍得到的区域是一致的。和正常组相比,PD&nMCIPD&MCI组均存在白质微结构的异常,但是只有PD&MCI显示出显著差异,无论是和PD&nMCI比较还是和HC组比较。当关注全局的拓扑性质时,和HC组比较,PD&MCI显示出显著差异,而PD&nMCI组基本没有什么异常。这个结果显示,PD&MCI组和PD&nMCI组相比不只是出现白质退化, PD&MCI组的白质结构遭到破坏。该结果可以用来将PD&MCI以较高的正确率从PD&nMCI以及HC中区分开。

       少数研究用基于体素的方法以及基于TBSS的方法对PD&MCI白质结构改变模式进行研究。本文用TBSS方法得到的白质连接模式与之前研究大致相同。很多文献研究结果发现,在PD早期,患者出现认知障碍之前便可以发现DTI结构的异常。PD患者的前额叶FA值降低,在灰质没有出现萎缩的时候,还包括辅助运动区以及前扣带回。之前也有研究发现PD的胼胝体膝部以及上纵束的白质异常。基于我们的研究结果以及之前的发现,我们假设:只有白质结构的退化不足以引起认知障碍,而几个区域白质的连接异常才会改变大脑整合及组织信息的能力,从而引起认知障碍。

       之前基于功能连接的研究已经发现了PD患者的脑网络的改变和认知障碍有关。在PD&MCI中,全局网络参数(比如聚类系数、模块性、小世界属性)的改变和视觉空间障碍以及记忆障碍有关。用独立成分分析法,研究PD&MCI病人的静息态功能连接,已经发现在额顶网络以及额-脑岛网络的功能连接异常。本文发现的这些结构连接异常也许和之前研究得到的功能连接异常是相关的。

 

总结

       本文研究结果显示,基于全脑网络节点的DTI分析也许可以作为一个有力的工具,来研究PD患者中和认知障碍相关的结构异常。研究发现,PD&MCI病人的基底神经节以及额颞顶网络的FA值降低,MD值升高。而在PD&nMCI组只发现了白质结构的微变,并没有发现白质结构异常。本研究方法也许可以用来确定PD相关的认知障碍的新标记物,有助于新的靶向药物的研发以及对PD患者认知障碍的早期预测。

 一句话总结:通过比较DTI脑网络属性发现,PD&MCI相比于PD&nMCI患者的结构异常更严重。

 

参考文献:https://pubs.rsna.org/doi/full/10.1148/radiol.2016160274(原文可直接在此网址浏览,复制粘贴,YOU KNOW?)

 

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