创伤性脑损伤患者的结构与功能网络连接变化研究

背景介绍

创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）是一种常见的神经系统疾病，可能导致长期的认知、情感和身体症状。尽管许多患者在受伤后的几个月内症状会有所缓解，但仍有相当一部分患者在受伤后数年甚至数十年内持续出现症状。为了更好地理解TBI对大脑的影响，研究人员开始关注大脑的结构连接（Structural Connectivity, SC）和功能连接（Functional Connectivity, FC）之间的关系。SC通常通过扩散张量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）来评估白质的完整性，而FC则通过功能磁共振成像（Functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI）来研究大脑不同区域之间的功能相关性。

本研究旨在探讨TBI患者，特别是那些有慢性症状的患者，其大脑SC和FC的变化，并与健康对照组进行比较。通过结合SC和FC的分析，研究人员希望能够更全面地理解TBI对大脑网络的影响，并为未来的诊断和治疗提供新的生物标志物。

论文来源

这篇论文由Xiaojian Kang、Emily Grossner、Byung C. Yoon和Maheen M. Adamson等人撰写，他们分别来自美国退伍军人事务部帕洛阿尔托医疗系统（VA Palo Alto Health Care System）和斯坦福大学医学院（Stanford University School of Medicine）。该研究于2025年发表在《European Journal of Neuroscience》期刊上，题为“Relationship between structural and functional network connectivity changes for patients with traumatic brain injury and chronic health symptoms”。

研究流程

研究对象与分组

研究共纳入了46名参与者，分为三组： 1. 健康对照组（CG）：13名无TBI病史的健康个体。 2. 无慢性症状的TBI患者组（TBI-NCS）：16名TBI患者，他们在测试时未报告慢性症状。 3. 有慢性症状的TBI患者组（TBI-CS）：17名TBI患者，他们在受伤后出现了慢性症状。

所有参与者都接受了全面的身体、神经、神经心理和精神评估，并进行了磁共振成像（MRI）扫描。

数据采集与预处理

研究使用了GE 3T Discovery MR750扫描仪进行MRI扫描，采集了高分辨率的T1加权图像、T2加权图像、扩散加权图像（DWI）和静息态功能磁共振成像（rsfMRI）数据。T1加权图像通过FreeSurfer软件进行预处理，包括强度归一化、图像分割、灰质（GM）和白质（WM）表面的膨胀以及大脑区域的划分。DWI数据通过MRtrix3软件进行处理，包括去噪、Gibbs伪影去除、EPI失真校正、b0场不均匀性校正、涡流和运动失真校正，最后通过FSL软件进行配准和重采样。

结构连接（SC）分析

SC通过MRtrix3软件进行构建，使用解剖约束的纤维追踪（ACT）方法生成1000万条纤维束，并通过球形反卷积滤波（SIFT）算法生成100万条纤维束。SC矩阵基于68个Desikan-Killiany（DK）脑区构建，连接强度通过节点之间的纤维束权重因子之和计算。

功能连接（FC）分析

rsfMRI数据通过CONN工具箱进行处理，包括加载结构表面数据、DK图谱、rsfMRI数据，并进行预处理。FC通过一级分析生成，信号时间序列经过线性去趋势和带通滤波（0.008-0.09 Hz），FC矩阵基于68个DK脑区构建。

SC与FC的相关性分析

研究计算了SC和FC之间的全局相关性，并比较了三组之间的差异。结果显示，TBI患者组的SC和FC相关性显著高于健康对照组。

主要结果

SC与FC的相关性

研究发现，TBI患者组的SC和FC相关性显著高于健康对照组。TBI-NCS组和TBI-CS组的SC和FC相关性分别比健康对照组高出11.5%和11.9%。

SC的聚类分析

与健康对照组相比，TBI-CS组在多个脑区显示出显著的SC降低，特别是在默认模式网络（DMN）和语言网络（LAN）中。TBI-NCS组仅在左侧DMN和LAN网络中显示出SC降低。

FC的聚类分析

TBI-NCS组在双侧DMN、左侧CON、双侧LAN、双侧SMN和双侧VMM网络中显示出FC降低。TBI-CS组在双侧DMN、FPN、SMN和VS2网络中显示出FC降低。TBI-CS组与TBI-NCS组相比，在双侧DMN和CON网络中显示出FC降低。

ROI分析

在TBI-CS组中，左侧DMN的rostral anterior cingulate gyrus（RACG）显示出SC增加，而其他四个ROI显示出SC降低。TBI-NCS组在右侧VS2的cuneus cortex（CU）显示出FC增加，而在左侧DMN的lateral orbital frontal gyrus（LOFG）显示出FC降低。TBI-CS组与TBI-NCS组相比，在右侧DMN的temporal pole（TP）显示出FC增加，而在左侧DMN的medial orbital frontal gyrus（MOFG）和右侧CON的posterior cingulate gyrus（PCG）显示出FC降低。

结论

本研究通过结合SC和FC的分析，揭示了TBI患者大脑网络连接的变化。研究发现，TBI患者，特别是那些有慢性症状的患者，其SC和FC的相关性显著高于健康对照组。此外，TBI-CS组在多个脑区显示出广泛的SC降低，而TBI-NCS组则显示出FC的降低。这些结果表明，慢性症状的存在与大脑结构和功能网络的特定变化模式相关，可能为TBI的诊断和治疗提供新的生物标志物。

研究亮点

1. 多模态神经影像分析：本研究结合了SC和FC的分析，提供了更全面的大脑网络连接变化视角。
2. 慢性症状的影响：研究发现，慢性症状的存在与大脑结构和功能网络的特定变化模式相关，这为理解TBI的长期影响提供了新的见解。
3. 潜在的生物标志物：研究结果表明，SC和FC的变化可能作为TBI诊断和预后的生物标志物，具有重要的临床应用价值。

其他有价值的信息

尽管本研究提供了重要的发现，但仍存在一些局限性，如样本量较小、性别比例不平衡等。未来的研究需要在更大、更多样化的样本中验证这些发现，并进一步探讨TBI的长期影响及其潜在的神经机制。