肌萎缩侧索硬化症的皮层神经生理特征
ALS的皮层神经生理特征解析及其生物标志物潜力研究
背景
Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) 亦称肌萎缩侧索硬化症，是一种成人发病的神经退行性疾病，其特征是逐渐失去大脑、脊髓和周围运动系统的完整性。尽管临床和基因研究已揭示与额颞叶痴呆存在重叠，且识别出多种上游生物路径，但目前尚无高效的药物疗法来减缓疾病进程，现行试验依赖的生存期延长等结果并不敏感。亟需能够更贴合个体疾病活动的生物标志物，以便更快速地测试药物效果。
来源
该研究由Michael Trubshaw、Chetan Gohil、Katie Yoganathan等人撰写，他们均来自英国牛津大学。论文发表于2024年5月13日，刊登在Brain Communications期刊上。
研究方法及工作流程
这是一项观察性、横截面、案例对照研究，以无任务磁脑图（Magnetoencephalography, MEG）为工具。研究选取了36名ALS患者和51名健康对照组。每位参与者进行了8到10分钟的无任务状态下（睁眼）的MEG扫描，并随后进行结构MRI扫描以进行配准。使用MEG数据处理工具包（OHBA Software Library, OSL），对提取的MEG度量进行了频带功率、1/f指数（复杂度）和幅度包络相关性（连通性）的分析。
具体步骤包括：
- MEG数据采集：MEG扫描并记录波谱密度和特定频率带内的振荡功率。
- MRI配准：通过结构MRI扫描和三个基准点校准数据。
- 数据处理及分析：采用OHBA软件库及MaxFilter软件进行数据净化、去噪，并使用带通滤波器和束成形法进行建模和分析。
实验设计的统计分析采用基于非参数置换的广义线性模型，纠正多重比较和混杂因子。为了测试提取的度量是否可以预测疾病严重程度，训练并评估了随机森林回归模型。
结果
在功率分析中，发现ALS组在感知运动区出现β波功率降低和γ波功率增加，其中β波功率下降反映了抑制性神经元功能减退，与γ波功率增加相应。对于1/f指数而言，在ALS组右前顶区，指数明显降低，表明脑活动复杂度更高，可能与更高的皮层兴奋性相关。
对于连通性分析，ALS患者在θ和γ频带的全局连通性有显著增高，特别是正相关于较高的功能损伤评分（ALSFRS-R）。此外，θ带的连接增加主要体现在额叶和枕叶区域，而γ带的连通性则更多出现在颞叶区。
在预测模型中，随机森林回归可显著预测ALS功能评分的变化（R2=0.242, p=0.002），说明MEG度量在疾病预测中具备潜力。
结论
该研究利用MEG成功提取了ALS的皮层神经生理特征，发现功率、复杂度和连通性的变化与疾病严重程度相关，提出了MEG度量作为ALS潜在预测性生物标志物的可能性，为未来实验药物疗效评价提供了敏感的指标。
亮点
- 新发现：发现ALS在特定皮层区域的β波功率下降和γ波功率增加，可能反映了抑制性GABA能神经环路的丧失。
- 复杂度研究：1/f指数的变化反映皮层活动的高复杂度，表明更高的皮层兴奋性。
- 功率和连通性关系：明确了不同频带功率和连通性变化如何与运动功能损害和脑网络补偿机制相关。
- 预示功能：MEG度量有望成为ALS的预测性生物标志物，提升了未来实验性药物研究的精确性。
这项研究拓展了对ALS皮层神经生理变化的理解，为开发更精准的谷解路径提供了新的方向。同时，也说明了MEG在高时间分辨率非侵入式脑功能监测中的应用潜力，可能对未来ALS及其他神经退行性疾病诊断和治疗带来广阔的前景。