利用高密度fNIRS對帕金森患者丘腦下核深部腦刺激的皮質血流動力學測圖

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展，但實現(xiàn)這一功能的生理機制尚不清楚。腦深部刺激的功能成像已經得到了廣泛的研究，然而，使用功能性近紅外光譜(fNIRS)技術進行研究的數據還卻很少。本研究使用fNIRS技術和EEG技術對STN-DBS與皮層網絡活動之間的相互作用進行探討，希望能夠對此有新的認識。

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 實驗過程

臨床評估：術前，當患者處于OFF-drug（未服藥）狀態(tài)時，首先評估運動殘疾評分（至少中斷12小時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）。對于每個患者，術前左旋多巴反應性必須與至少50%的臨床改善相對應。在隨訪評估中，每個患者的運動殘疾評分在以下四種情況下進行評分：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。所有患者術后隨訪至少12個月。

表1. 詳細的患者資料和下丘腦核活躍接觸的部位

操作技術和接引位置：3張Tesla MRI圖像。整個手術是在全身麻醉下進行的，使用的是一個立體定向機器人和術中平板CT設備。在手術期間進行神經生理學記錄和臨床評估(副作用)。將術后CT圖像與術前計劃數據集融合來檢查電極位置。術前MRI很容易確定三個平面的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 . 實驗流程圖

受測者坐在一張離電腦屏幕1米遠的椅子上，電腦屏幕顯示了任務流程。任務1：靜息狀態(tài)，使用ON-stim/OFF-stim交替STN-DBS模式。任務2：OFF-stim條件下的運動任務。任務3：ON-stim模式下的運動任務。在每次試驗中，受試者固定一個“+”在屏幕上，持續(xù)40s（休息時間），然后進行20s的運動任務。運動任務包括10個自定節(jié)奏的抓握動作，并重復張開和關閉利手。此過程重復12次。

2.3 數據采集和處理

在不同的實驗條件下獲取功能性近紅外光譜數據，以表征和繪制STN-DBS對皮層表面網絡的急性影響。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，這使我們能夠精確監(jiān)測頭皮上任何與STN-DBS相關的偽跡。

近紅外成像系統(tǒng)：使用4個多通道雙波長(690和830 nm)頻域fNIRS成像系統(tǒng)(Imagent, ISS, Champaign, IL, USA)測量實驗過程中含氧血紅蛋白（[HbO]）和脫氧血紅蛋白（[HbR]）的相對變化。成像是一種頻域組織光譜儀，其中雙波長強度調制激光二極管與光纖耦合，增益調制光電倍增管探測器分別記錄兩個波長的信號。強度調制頻率為110 MHz，外差式檢波的互相關頻率為5 kHz。在光電倍增管中收集反射光解調后，測定其平均強度、調制振幅和相位。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，我們開發(fā)了一種獲得專利的光學成像帽配有48裝置(32配對690 nm和830 nm光源和16個探測器)，用它來監(jiān)控整個頭部血液動力學的變化。

圖2. 探測器和震源位置的三維圖

低分辨率的EEG采集：為了在fNIRS測量中檢測DBS開關時間點(即DBS誘發(fā)的偽跡)，根據國際10 - 20系統(tǒng)放置的14個電極(ASA-Lab, ANT Neuro BV, Hengelo, the Netherlands)同時獲得連續(xù)的EEG信號記錄。電極位置如圖3所示。低分辨率EEG參照兩個乳突的平均值(M1和M2)。在整個實驗過程中，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)進行濾波處理。

利用誘發(fā)的腦電信號偽跡確定加工時間窗口：

為了檢測fNIRS數據中的DBS周期，對腦電信號進行帶通濾波[100-200 Hz]，并標記DBS偽影跡。在刺激開始前10 s開始監(jiān)測血流動力學響應，刺激偏移后10 s停止監(jiān)測。因此，[HbR]和[HbO]信號相對于每個“DBS”上的組塊開始被分割。刺激開始前的-10-0s進行線性趨勢和基線校正，總血紅蛋白（[HbR]+[HbO]）的相對變化也被報告。

光譜信號處理：

fNIRS數據基于MATLAB分析。預處理的第一步是對所有通道的原始強度數據進行歸一化，通過將每個值除以平均值來計算變化百分比。生理噪聲（例如，緩慢漂移和動脈脈沖振蕩）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密度用于計算濃度變化。然后，在指定增產前(10秒)和增產后(10秒)的平均間隔后，對數據進行區(qū)塊平均。分別對每個患者和所有患者的每一種情況(靜止時DBS、有或沒有DBS時的左手和右手運動)分別進行塊平均。

圖3. 對腦電進行帶通濾波[100-200 Hz]，標記偽跡，根據光學數據確定大腦刺激周期

3、實驗結果

圖4. 大腦的三維圖的運動任務中HbO的相對變化

（圖解：雙側SM、PM和DLPF皮質區(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動任務中HbO的相對變化。紅色表示相對濃度增加(z-score)，藍色表示相對濃度減少。兩種分析的ROI分別顯示在圖像的兩側(黑色：運動皮層和前運動皮層；灰色：額背外側皮質)。所有患者的個體曲線為一個曲線圖，每個個體在一個較小的曲線圖上，以及[HbO]、[HbT]、[HbR]相對變化的標準差和均值。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]雙側顯著(p<0.05)降低，SM、PM、和背外側前額葉(DLPF)皮質(圖4)。[HbO]、[HbR]和[HbT]的波谷在刺激開始后5-20s內觀察到?；謴偷交€需要5-10s，隨后出現(xiàn)反彈效應(即[HbO]和[HbT]的增加)，持續(xù)5 – 10s。在SM、PM和DLPFC區(qū)域，刺激強度與[HbO]下降幅度之間沒有相關性。

圖5 . STN-DBS刺激在OFF-stim條件下執(zhí)行運動任務的患者的皮質效應(A:右手運動；B:左手運動)

圖6. STN-DBS刺激對在ON-stim條件下執(zhí)行運動任務的患者的皮層效應(A:右手運動；B:左手運動)

【說明】圖3-6：為了減少多次比較，使用了感興趣區(qū)域(ROI)方法進行統(tǒng)計分析和量化。ROI與Brodmann區(qū)域4-6(運動- pm皮層)和8-9 (DLPFC)的表面投影相對應，這是由更高的Z-score激活(z-score >2 or <-2)定義的。只分析了ROI內的數據。為了評估整體血流動力學反應，在刺激期間(0-20 s)比較曲線下面積(AUC)，同時將每個條件的測量值減少到4個ROI。血流動力學反應以振幅和持續(xù)時間為特征。AUC的計算提供了在整個刺激周期內發(fā)色團(如[HbO])濃度累積變化的信息。因此，對每個ROI和每個條件進行了血流動力學反應的單個AUCs評估。鑒于[HbR]的變化通常很小，且(相對于[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t檢驗，檢驗不同條件下STN-DBS影響的統(tǒng)計學顯著性。評估了每個ROI和每個條件下血液-動態(tài)反應的單個AUCs(右手運動：df = 15[4subjects× 4channels per ROI -1]；左手運動：df = 11[3subjects× 4 channels per ROIs -1])。為了減少I型誤差，我們使用Bonferroni方法來調整每個兩兩比較的統(tǒng)計顯著性。統(tǒng)計顯著性水平(α)除以ROI數目(M): α Bonf = α/M。在本分析中，閾值設置為[0.05/4 (αBonf = 0.0125)， 0.01/4 (αBonf = 0.0025)或0.001/4(αBonf = 0.00025)]具有統(tǒng)計學意義。

圖5結果顯示，在OFF-stim條件下手部運動時，皮質[HbO]、[HbR]和[HbT]的相對變化。在OFF-stim條件下的運動中，觀察到對側SM和PM區(qū)域的[HbO]增加和[HbR](神經-血管耦合)減少，同時DLPFC區(qū)域的代謝有顯著但較小的變化，即[HbO]、[HbR]和[HbT]同時增加。表明神經血管耦合缺失時皮層激活。

圖6結果顯示，在ON-stim條件下手部運動時，皮質[HbO]， [HbR]和[HbT]的相對變化。(A)右利手患者SM和PM皮質同時激活，DLPFC失活。(B)在左利手患者中，運動任務開始后的前10s，右側SM和PM皮質的[HbO]和[HbT]相對于基線的增加；然后[HbO]和[HbT]逐漸下降，在患者繼續(xù)運動任務時越過基線，最終在任務結束時回到基線。這是一個非典型的發(fā)現(xiàn)：任務的開始類似于經典的大腦激活與神經血管耦合，而任務的結束與相對的[HbO]，[HbT]和[HbR]變化類似于在皮質失活期間觀察到的變化。在整個運動任務中觀察到雙側DLPFC失活。

4、結論

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

②STN-DBS神經調節(jié)的皮質效應在休息和執(zhí)行任務時是相同的，功能性近紅外光譜(Functional NIRS)可用于量化個體患者的皮層血流動力學(特別是額葉皮層)，以篩查STN-DBS的潛在副作用，并據此調整刺激參數。

③在未來的研究中，我們提出了一種多模態(tài)神經成像方法，結合EEG、fNIRS和高密度彌散相關光譜(DCS)來測量除腦血流動力學外的全身血流的影響。此外，每個源探測器對的短距離通道設置將提供有關系統(tǒng)干擾的整個頭部信息。

5、文獻名稱及DOI號

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