利用高密度fNIRS對(duì)帕金森患者丘腦下核深部腦刺激的皮質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)測(cè)圖

1. 研究背景

丘腦下核深部刺激(Subthalamic nucleus deep brain stimulation, STN-DBS)是治療先發(fā)性帕金森病的有效方法。雖然最近取得了一些進(jìn)展，但實(shí)現(xiàn)這一功能的生理機(jī)制尚不清楚。腦深部刺激的功能成像已經(jīng)得到了廣泛的研究，然而，使用功能性近紅外光譜(fNIRS)技術(shù)進(jìn)行研究的數(shù)據(jù)還卻很少。本研究使用fNIRS技術(shù)和EEG技術(shù)對(duì)STN-DBS與皮層網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)之間的相互作用進(jìn)行探討，希望能夠?qū)Υ擞行碌恼J(rèn)識(shí)。

2. 研究方法

2.1 被試

7名帕金森患者（4名右利手，3名左利手；年齡范圍：49 - 71歲，平均年齡為 58.3歲）。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

臨床評(píng)估：術(shù)前，當(dāng)患者處于OFF-drug（未服藥）狀態(tài)時(shí)，首先評(píng)估運(yùn)動(dòng)殘疾評(píng)分（至少中斷12小時(shí)的抗帕金森藥物治療后）；然后在ON-drug（服藥）狀態(tài)下（在給予單次超閾值左旋多巴后）。對(duì)于每個(gè)患者，術(shù)前左旋多巴反應(yīng)性必須與至少50%的臨床改善相對(duì)應(yīng)。在隨訪評(píng)估中，每個(gè)患者的運(yùn)動(dòng)殘疾評(píng)分在以下四種情況下進(jìn)行評(píng)分：ON-stim/OFF-drug;OFF-stim / OFF-drug；OFF-stim /藥物；ON-stim /藥物。OFF-stim狀態(tài)定義為停用STN-DBS至少1小時(shí)。所有患者術(shù)后隨訪至少12個(gè)月。

表1. 詳細(xì)的患者資料和下丘腦核活躍接觸的部位

操作技術(shù)和接引位置：3張Tesla MRI圖像。整個(gè)手術(shù)是在全身麻醉下進(jìn)行的，使用的是一個(gè)立體定向機(jī)器人和術(shù)中平板CT設(shè)備。在手術(shù)期間進(jìn)行神經(jīng)生理學(xué)記錄和臨床評(píng)估(副作用)。將術(shù)后CT圖像與術(shù)前計(jì)劃數(shù)據(jù)集融合來檢查電極位置。術(shù)前MRI很容易確定三個(gè)平面的STN邊界，MRI和CT圖像的融合使我們能夠確定STN中電極接觸的確切位置。

圖1 . 實(shí)驗(yàn)流程圖

受測(cè)者坐在一張離電腦屏幕1米遠(yuǎn)的椅子上，電腦屏幕顯示了任務(wù)流程。任務(wù)1：靜息狀態(tài)，使用ON-stim/OFF-stim交替STN-DBS模式。任務(wù)2：OFF-stim條件下的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。任務(wù)3：ON-stim模式下的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。在每次試驗(yàn)中，受試者固定一個(gè)“+”在屏幕上，持續(xù)40s（休息時(shí)間），然后進(jìn)行20s的運(yùn)動(dòng)任務(wù)。運(yùn)動(dòng)任務(wù)包括10個(gè)自定節(jié)奏的抓握動(dòng)作，并重復(fù)張開和關(guān)閉利手。此過程重復(fù)12次。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

在不同的實(shí)驗(yàn)條件下獲取功能性近紅外光譜數(shù)據(jù)，以表征和繪制STN-DBS對(duì)皮層表面網(wǎng)絡(luò)的急性影響。為了使fNIRS分析與STN-DBS同步，將11通道腦電電極嵌入高密度fNIRS帽內(nèi)，這使我們能夠精確監(jiān)測(cè)頭皮上任何與STN-DBS相關(guān)的偽跡。

近紅外成像系統(tǒng)：使用4個(gè)多通道雙波長(690和830 nm)頻域fNIRS成像系統(tǒng)(Imagent, ISS, Champaign, IL, USA)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中含氧血紅蛋白（[HbO]）和脫氧血紅蛋白（[HbR]）的相對(duì)變化。成像是一種頻域組織光譜儀，其中雙波長強(qiáng)度調(diào)制激光二極管與光纖耦合，增益調(diào)制光電倍增管探測(cè)器分別記錄兩個(gè)波長的信號(hào)。強(qiáng)度調(diào)制頻率為110 MHz，外差式檢波的互相關(guān)頻率為5 kHz。在光電倍增管中收集反射光解調(diào)后，測(cè)定其平均強(qiáng)度、調(diào)制振幅和相位。激光器的平均輸出功率約為0.5 mW，系統(tǒng)捕獲速率為9.1912 Hz（例如，大約每110ms每個(gè)樣本）。要有足夠高的空間分辨率來探索額葉、頂葉、顳枕葉皮質(zhì)，我們開發(fā)了一種獲得專利的光學(xué)成像帽配有48裝置(32配對(duì)690 nm和830 nm光源和16個(gè)探測(cè)器)，用它來監(jiān)控整個(gè)頭部血液動(dòng)力學(xué)的變化。

圖2. 探測(cè)器和震源位置的三維圖

低分辨率的EEG采集：為了在fNIRS測(cè)量中檢測(cè)DBS開關(guān)時(shí)間點(diǎn)(即DBS誘發(fā)的偽跡)，根據(jù)國際10 - 20系統(tǒng)放置的14個(gè)電極(ASA-Lab, ANT Neuro BV, Hengelo, the Netherlands)同時(shí)獲得連續(xù)的EEG信號(hào)記錄。電極位置如圖3所示。低分辨率EEG參照兩個(gè)乳突的平均值(M1和M2)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，電極阻抗保持在5 kΩ以下。采樣頻率為1024Hz，然后用陷波濾波器(50hz)和帶通濾波(0.53-200 Hz)進(jìn)行濾波處理。

利用誘發(fā)的腦電信號(hào)偽跡確定加工時(shí)間窗口：

為了檢測(cè)fNIRS數(shù)據(jù)中的DBS周期，對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行帶通濾波[100-200 Hz]，并標(biāo)記DBS偽影跡。在刺激開始前10 s開始監(jiān)測(cè)血流動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，刺激偏移后10 s停止監(jiān)測(cè)。因此，[HbR]和[HbO]信號(hào)相對(duì)于每個(gè)“DBS”上的組塊開始被分割。刺激開始前的-10-0s進(jìn)行線性趨勢(shì)和基線校正，總血紅蛋白（[HbR]+[HbO]）的相對(duì)變化也被報(bào)告。

光譜信號(hào)處理：

fNIRS數(shù)據(jù)基于MATLAB分析。預(yù)處理的第一步是對(duì)所有通道的原始強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，通過將每個(gè)值除以平均值來計(jì)算變化百分比。生理噪聲（例如，緩慢漂移和動(dòng)脈脈沖振蕩）的消除用歸一化處理。通過修正的比爾-朗伯定律、微分路徑長度因子(6.0)和部分體積修正值(50)，將得到的delta密度用于計(jì)算濃度變化。然后，在指定增產(chǎn)前(10秒)和增產(chǎn)后(10秒)的平均間隔后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)塊平均。分別對(duì)每個(gè)患者和所有患者的每一種情況(靜止時(shí)DBS、有或沒有DBS時(shí)的左手和右手運(yùn)動(dòng))分別進(jìn)行塊平均。

圖3. 對(duì)腦電進(jìn)行帶通濾波[100-200 Hz]，標(biāo)記偽跡，根據(jù)光學(xué)數(shù)據(jù)確定大腦刺激周期

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4. 大腦的三維圖的運(yùn)動(dòng)任務(wù)中HbO的相對(duì)變化

（圖解：雙側(cè)SM、PM和DLPF皮質(zhì)區(qū)域的[HbO]、[HbR]和[HbT]下降幾乎立即觀察到，并在刺激持續(xù)期間保持不變。正常大腦的三維圖顯示了在運(yùn)動(dòng)任務(wù)中HbO的相對(duì)變化。紅色表示相對(duì)濃度增加(z-score)，藍(lán)色表示相對(duì)濃度減少。兩種分析的ROI分別顯示在圖像的兩側(cè)(黑色：運(yùn)動(dòng)皮層和前運(yùn)動(dòng)皮層；灰色：額背外側(cè)皮質(zhì))。所有患者的個(gè)體曲線為一個(gè)曲線圖，每個(gè)個(gè)體在一個(gè)較小的曲線圖上，以及[HbO]、[HbT]、[HbR]相對(duì)變化的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。左腦皮層在左邊，右腦皮層在右邊）。

解釋：靜息狀態(tài)，有交替的ON-stim和OFF-stim模式。在所有患者中，與40 s的OFF-stim期相比，20 s雙側(cè)STN-DBS刺激顯著減輕帕金森癥狀，并立即引起伴隨的[HbO]、[HbT]雙側(cè)顯著(p<0.05)降低，SM、PM、和背外側(cè)前額葉(DLPF)皮質(zhì)(圖4)。[HbO]、[HbR]和[HbT]的波谷在刺激開始后5-20s內(nèi)觀察到?；謴?fù)到基線需要5-10s，隨后出現(xiàn)反彈效應(yīng)(即[HbO]和[HbT]的增加)，持續(xù)5 – 10s。在SM、PM和DLPFC區(qū)域，刺激強(qiáng)度與[HbO]下降幅度之間沒有相關(guān)性。

圖5 . STN-DBS刺激在OFF-stim條件下執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)的患者的皮質(zhì)效應(yīng)(A:右手運(yùn)動(dòng)；B:左手運(yùn)動(dòng))

圖6. STN-DBS刺激對(duì)在ON-stim條件下執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)的患者的皮層效應(yīng)(A:右手運(yùn)動(dòng)；B:左手運(yùn)動(dòng))

【說明】圖3-6：為了減少多次比較，使用了感興趣區(qū)域(ROI)方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和量化。ROI與Brodmann區(qū)域4-6(運(yùn)動(dòng)- pm皮層)和8-9 (DLPFC)的表面投影相對(duì)應(yīng)，這是由更高的Z-score激活(z-score >2 or <-2)定義的。只分析了ROI內(nèi)的數(shù)據(jù)。為了評(píng)估整體血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，在刺激期間(0-20 s)比較曲線下面積(AUC)，同時(shí)將每個(gè)條件的測(cè)量值減少到4個(gè)ROI。血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)以振幅和持續(xù)時(shí)間為特征。AUC的計(jì)算提供了在整個(gè)刺激周期內(nèi)發(fā)色團(tuán)(如[HbO])濃度累積變化的信息。因此，對(duì)每個(gè)ROI和每個(gè)條件進(jìn)行了血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)的單個(gè)AUCs評(píng)估。鑒于[HbR]的變化通常很小，且(相對(duì)于[HbO]的變化)信噪比低，于是使用[HbO]作為因變量。然而，[HbR]曲線如圖3 - 6所示。采用配對(duì)t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)不同條件下STN-DBS影響的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性。評(píng)估了每個(gè)ROI和每個(gè)條件下血液-動(dòng)態(tài)反應(yīng)的單個(gè)AUCs(右手運(yùn)動(dòng)：df = 15[4subjects× 4channels per ROI -1]；左手運(yùn)動(dòng)：df = 11[3subjects× 4 channels per ROIs -1])。為了減少I型誤差，我們使用Bonferroni方法來調(diào)整每個(gè)兩兩比較的統(tǒng)計(jì)顯著性。統(tǒng)計(jì)顯著性水平(α)除以ROI數(shù)目(M): α Bonf = α/M。在本分析中，閾值設(shè)置為[0.05/4 (αBonf = 0.0125)， 0.01/4 (αBonf = 0.0025)或0.001/4(αBonf = 0.00025)]具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖5結(jié)果顯示，在OFF-stim條件下手部運(yùn)動(dòng)時(shí)，皮質(zhì)[HbO]、[HbR]和[HbT]的相對(duì)變化。在OFF-stim條件下的運(yùn)動(dòng)中，觀察到對(duì)側(cè)SM和PM區(qū)域的[HbO]增加和[HbR](神經(jīng)-血管耦合)減少，同時(shí)DLPFC區(qū)域的代謝有顯著但較小的變化，即[HbO]、[HbR]和[HbT]同時(shí)增加。表明神經(jīng)血管耦合缺失時(shí)皮層激活。

圖6結(jié)果顯示，在ON-stim條件下手部運(yùn)動(dòng)時(shí)，皮質(zhì)[HbO]， [HbR]和[HbT]的相對(duì)變化。(A)右利手患者SM和PM皮質(zhì)同時(shí)激活，DLPFC失活。(B)在左利手患者中，運(yùn)動(dòng)任務(wù)開始后的前10s，右側(cè)SM和PM皮質(zhì)的[HbO]和[HbT]相對(duì)于基線的增加；然后[HbO]和[HbT]逐漸下降，在患者繼續(xù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)越過基線，最終在任務(wù)結(jié)束時(shí)回到基線。這是一個(gè)非典型的發(fā)現(xiàn)：任務(wù)的開始類似于經(jīng)典的大腦激活與神經(jīng)血管耦合，而任務(wù)的結(jié)束與相對(duì)的[HbO]，[HbT]和[HbR]變化類似于在皮質(zhì)失活期間觀察到的變化。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)中觀察到雙側(cè)DLPFC失活。

4、結(jié)論

①目前的fNIRS結(jié)果為STN-DBS的主要皮層效應(yīng)提供了新的見解——主要是直接減少主要SM區(qū)和DLPFC的血流量。

②STN-DBS神經(jīng)調(diào)節(jié)的皮質(zhì)效應(yīng)在休息和執(zhí)行任務(wù)時(shí)是相同的，功能性近紅外光譜(Functional NIRS)可用于量化個(gè)體患者的皮層血流動(dòng)力學(xué)(特別是額葉皮層)，以篩查STN-DBS的潛在副作用，并據(jù)此調(diào)整刺激參數(shù)。

③在未來的研究中，我們提出了一種多模態(tài)神經(jīng)成像方法，結(jié)合EEG、fNIRS和高密度彌散相關(guān)光譜(DCS)來測(cè)量除腦血流動(dòng)力學(xué)外的全身血流的影響。此外，每個(gè)源探測(cè)器對(duì)的短距離通道設(shè)置將提供有關(guān)系統(tǒng)干擾的整個(gè)頭部信息。

5、文獻(xiàn)名稱及DOI號(hào)

Cortical hemodynamic mapping of subthalamic nucleus deep brain stimulation in Parkinsonian patients, using high-density functional near-infrared spectroscopy

DOI：10.1371/journal.pone.0245188