静息态fMRI中视觉皮层区域同质性与功能连接性的映射

摘要

我们提出了一种分析功能性磁共振成像数据的方案，通过结合局部一致性与功能连接性方法，研究视网膜色素变性患者自发性神经活动的改变。

摘要

本研究采用一种联合的区域同质性（ReHo）和功能连接（FC）方法，该方法属于一种无创的功能性磁共振成像（fMRI）技术，用于评估视网膜色素变性（RP）患者神经元同步活动的变化。本研究的目的是描述我们用于分析RP患者脑内及脑区间神经元活动同步性变化的方法。联合ReHo与FC方法的优势在于其无创性，并且具有足够的敏感性，可用于体内检测大脑神经元同步活动的变化。在此研究中，16名RP患者与14名在年龄、性别和教育程度上密切匹配的健康对照者接受了静息态fMRI扫描。采用双样本t检验对两组间的ReHo和FC进行比较。结果显示，RP患者出现了视觉网络的失连接，以及视网膜-丘脑-皮层通路和背侧视觉通路的重组现象。本文将逐步详细描述该方法的具体操作流程、应用方式及其关键参数的影响。

引言

功能磁共振成像（fMRI）是一种可用于在活体中研究脑功能和结构变化的非侵入性方法。区域同质性（ReHo）和功能连接（FC）常用于评估脑活动的区域内和区域间同步。ReHo 是一种静息态 fMRI 方法，用于计算给定体素的时间序列与其邻近体素时间序列的相似性，反映脑活动的局部同步程度¹。FC 则用于研究空间上相距较远的脑区时间序列之间的相似性²。

功能性磁共振成像（fMRI）技术可在眼科疾病管理中对视觉功能提供客观评估。本文介绍了一种结合局部一致性（ReHo）和功能连接（FC）方法的方法学方案，旨在分享相关经验并促进本领域专业知识的传播。在本研究中，我们对视网膜色素变性（RP）患者和健康对照者（HCs）应用了ReHo与FC分析流程，以详细阐述该操作过程。RP是一种严重的遗传性眼病，其特征为夜盲以及进行性视力丧失^3,4。基因突变是RP的主要危险因素。视杆细胞和视锥细胞的死亡导致RP患者周边视野逐渐丧失，最终致盲。既往神经影像学研究已发现，RP患者在视觉皮层及视觉通路中存在结构与功能异常^5,6,7

方案

本研究方案经武汉大学人民医院医学伦理委员会批准。所有参与者均签署了书面知情同意书。

1. 受试者分类与筛选

1. 招募年龄、性别和教育程度相近的视网膜色素变性（RP）受试者和健康对照者（HCs）。
2. 确保所有参与者均符合以下标准：1）能够接受磁共振成像（MRI）扫描（例如，无心脏起搏器或植入式金属装置）；2）无幽闭恐惧症；3）无心脏病、高血压或脑部疾病。

2. fMRI 数据的采集

注意：本方案使用配备八通道头部线圈的 3 T MRI 扫描仪。

1. 在最终安全检查后，要求每位参与者在进入 MRI 扫描室前取下金属物品。
2. 指导参与者仰卧于检查床上，并确保眶耳线与床面垂直。然后在头部双侧颞区放置泡沫垫以防止头部移动，并提供耳塞以降低扫描仪噪声。
3. 指导参与者在扫描期间保持静息状态，闭眼但不要入睡，且不要刻意思考任何特定内容。
4. 通过定位光调整参与者的头部位置。确保轴向定位光标与外眦平行，矢状面定位光标与面部中线重合。随后移动检查床，使轴向定位光标位于参与者眉弓上方或下方约 2 cm 处。
5. 告知参与者扫描即将开始。通过扫描控制台启动结构定位扫描，以确定参与者头部在扫描仪中的位置，并为后续的结构和功能扫描规划提供依据。
....

结果

在本研究中，16名视网膜色素变性（RP）患者和14名在年龄、性别和教育程度上密切匹配的健康对照者接受了静息态功能性磁共振成像（fMRI）扫描。采用局部一致性（ReHo）和功能连接（FC）方法，探讨RP患者的脑内及脑间神经元同步活动。RP患者组的右眼（P < 0.001）和左眼（P < 0.001）最佳矫正视力（BCVA）均存在显著差异，但两组间在性别、年龄或体重方面的差异无统计学意义。

RP患者与健康对照组（HCs）在ReHo图上的空间分布相似。然而，RP患者的视觉区域ReHo值显著低于对照组（图3A、B）。与HCs相比，RP个体在双侧LGG/CPL（BA 17、18）区域的ReHo值显著降低（图4 和 表1）（双尾检验，体素水平P < 0.01，GRF校正，簇水平P < 0.05）。

与健康对照组相比，视网膜色素变性.......

讨论

本报告描述了一种用于计算视网膜色素变性（RP）组与健康对照（HC）组局部一致性（ReHo）和功能连接（FC）值的实验方案，并显示两组之间的ReHo和FC值存在显著差异。值得注意的是，该流程中一个关键步骤是在实验前对样本进行分类和筛选。在我们应用该方案进行自身分析时，所有RP受试者均由两名经验丰富的眼科医生确诊。我们排除了合并其他眼部疾病（如青光眼、白内障和视神经萎缩）的RP患者。此外，纳入研究的HC个体均无心脏病、脑部疾病或高血压病史。结果显示，RP受试者的视觉皮层局部一致性（ReHo）值降低，视觉皮层与运动皮层之间的功能连接（FC）显著减弱，而视觉皮层与丘脑之间的功能连接则增强。Qin等人证明，RP患者V1区的功能连接密度降低，这与我们的研究结果一致。¹⁰ 这些发现可能提示视网膜-丘脑-皮层通路及背侧视觉通路中的固有视觉网络出现断连与重组，提示存在视空间功能及立体视觉的损害。

本方案中的另一个重要问题是统计分析。当使用DPABI软件通过双样本t检验比较ReHo和FC指标时，统计分析过程中已去除混杂协变量（年龄、性别和头动参数）的影响.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
BrainNet Viewer 软件	北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室	BrainNet Viwer 2013	BrainNet Viewer 是一种用于可视化脑结构和功能连接模式的脑网络可视化工具
DPABI 软件	中国科学院心理研究所，中国北京	DPABI 4.3	DPABI 是用于脑成像数据处理与分析的工具箱
MATLAB	MathWorks, Natick, MA, 美国	2013a	MATLAB 是一种高级技术计算语言和交互式环境，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算
MRI 扫描仪	GE Healthcare, Milwaukee	MRI 3.0
SPM 软件	伦敦大学学院惠康神经影像中心	SPM8	SPM8 是 SPM 软件的一次重大更新，在理论、算法、结构和界面方面相较于早期版本均有显著提升
SPSS	IBM, Chicago, IL, 美国	SPSS 版本 20.0	SPSS 软件平台提供高级统计分析、文本分析、开源可扩展性、与大数据的集成，以及向应用程序的无缝部署