冠心病患者功能性大脑网络变化：独立成分分析和图论分析

本文发表在《Brain Structure and Function》期刊2024年第229卷，探讨了冠心病（coronary heart disease, CHD）患者在功能性连接（functional connectivity, FC）和大脑网络拓扑性质方面的变化。文章由来自厦门大学附属心血管病医院、厦门大学医学院等多所机构的科学家们合作完成，主要作者包括Simin Lin、Puyeh Wu、Shaoyin Duan等。

研究背景与动机

冠心病是全球主要的死亡原因之一，其患者面临认知和心理损害风险增高。此前的研究已经表明，冠心病的发病机制与炎症因素密切相关（Li et al. 2017）。冠心病不仅仅是心血管系统的疾病，还与一系列危险因素相关，如高血压、糖尿病、肥胖、吸烟等，这些因素也会对认知功能产生负面影响（Arntzen et al. 2011；Grodstein 2007）。研究发现，冠心病患者在神经心理测试中表现较差，特别是在注意力、执行功能和心理运动速度方面（Roberts et al. 2010）。然而，冠心病与更高阶认知处理之间的潜在联系仍然缺乏深入研究。

来源

本文发表于2023年11月9日的《Brain Structure and Function》期刊，由Springer-Verlag GmbH Germany出版。研究团队主要来自厦门大学附属心血管病医院、厦门大学医学院、GE Healthcare等机构，研究得到了福建省自然科学基金资助。

研究方法

本文运用了静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI）以及独立成分分析（independent component analysis, ICA）和图理论分析（graph theoretical analysis, GTA）两种分析方法来研究冠心病患者的大脑功能网络变化。

实验流程

研究包含27名冠心病患者和44名年龄、性别、教育程度匹配的健康对照者。这些参与者均接受了静息态功能磁共振成像扫描。研究流程包括以下步骤：

1. 数据采集与预处理：使用GE Healthcare的3.0T MRI扫描仪获取所有结构和功能性MRI数据。数据通过SPM12和DPABI工具进行预处理。
2. 独立成分分析（ICA）：使用GIFT工具进行ICA分析，识别出36个独立成分，通过对这些成分进行时序相关分析，最终识别出12个功能网络。
3. 图理论分析（GTA）：使用GRETNA工具构建全脑功能网络，将整个大脑分割成90个感兴趣区域（regions of interest, ROIs），分别计算这些区域之间的Pearson相关系数，建立90×90的相关矩阵，进一步分析全局和区域网络指标。

样本处理和数据分析

样本分为冠心病组和健康对照组，分别进行组内与组间的功能连接性分析。研究采用Pearson相关系数计算各功能网络之间的时间序列，并利用Fisher的z转换将其转换为z值。通过图理论分析测量小世界网络拓扑和网络效率等指标，探讨两组之间的差异。

主要研究结果

独立成分分析结果

研究识别出12个功能网络，包括前和后默认模式网络（anterior and posterior default mode networks, aDMN and pDMN），左和右前额网络（left and right frontoparietal networks, LFPN and RFPN），背侧和腹侧动觉网络（dorsal and ventral sensorimotor networks, dSMN and vSMN）、背侧注意网络（dorsal attention network, DAN）、腹侧注意网络（ventral attention network, VAN）、兴奋性网络（salience network, SN）、听觉网络（auditory network, AN）以及中视觉网络和后视觉网络（medial and posterior visual networks, MVN and PVN）。

与健康对照组相比，冠心病患者表现出以下功能连接变化： - 增加的功能连接：pDMN与MVN之间的连接。 - 减少的功能连接：LFPN与AN之间，DAN与PVN之间的连接。

图理论分析结果

图理论分析发现两组均展示出小世界属性的功能大脑网络，表明在网络整合和隔离之间维持了一个较好的平衡。尽管如此，冠心病患者的大脑网络显示出拓扑组织的不优化，左侧豆状核（putamen）的局部效率显著降低。

讨论

本研究发现冠心病患者在功能性大脑网络连接和拓扑性质方面的显著变化。增加的默认模式网络和视觉网络之间的连接可能与更高阶认知和视觉处理相关。前额网络和听觉网络之间，以及背侧注意网络和后视觉网络之间的连接减少，与执行功能、注意力和听觉词汇学习能力的下降可能有关。

在小世界网络拓扑方面，尽管冠心病患者和健康对照组均展示出小世界网络性质，但冠心病患者的拓扑组织不那么优化，左侧豆状核的局部效率降低可能与运动控制相关。

结论与应用价值

研究展示了冠心病对功能性大脑网络的影响，特别是与更高阶认知功能相关的网络。这些发现扩展了我们对冠心病相关脑功能变化和潜在神经机制的理解，提示冠心病患者需要进一步的脑保护措施。

研究亮点

1. 增加的功能连接：默认模式网络和视觉网络之间的超连接，可能解释了冠心病患者的认知功能障碍。
2. 减少的功能连接：前额网络和听觉网络、背侧注意网络和后视觉网络之间的功能连接减少，可能与执行功能、注意力和听觉词学习能力下降有关。
3. 拓扑性质变化：冠心病患者尽管展示出小世界网络性质，但左侧豆状核的局部效率明显降低。 本研究初步揭示了冠心病患者功能性大脑网络的变化，为未来相关领域的研究提供了新的思路。未来可能需要更大样本量及包括认知功能评估的更全面研究以验证这些发现。