帕金森病中的全脑 1/f 指数地形图
全脑1/f指数在帕金森病中的拓扑图谱
作者: Pascal Helson、Daniel Lundqvist、Per Svenningsson、Mikkel C. Vinding、Arvind Kumar
研究背景
帕金森病（Parkinson’s Disease，PD）是一种进行性和使人衰弱的大脑疾病，以运动障碍为主要特征，但也会对感知和认知处理产生影响。由于症状的广泛性和多种神经调节器（如多巴胺）的脑遍布投射，许多脑区在PD中被同时影响。为了表征与疾病相关的全脑神经元功能变化，本研究分析了PD患者和健康对照者的静息态磁脑图（Magnetoencephalogram，MEG）。
传统的光谱分析已表明，PD患者的神经活动频谱在低频（θ波和α波）增加，而在高频（α波和γ波）减少。动力学的分析也显示出运动和认知症状之间的关联。然而，频率峰值的变化研究相对较少。本研究通过拟合幂律函数κ/f^λ—其中f是频率，κ和λ是拟合参数—对MEG的功率谱进行分析，以量化神经活动的非周期成分（如1/f指数，λ），并研究其与年龄和统一PD评分量表（UPDRS）的关系。
文章来源
本文由Pascal Helson、Daniel Lundqvist、Per Svenningsson、Mikkel C. Vinding和Arvind Kumar撰写，作者分别来自KTH皇家理工学院、卡罗琳斯卡医学院和哥本哈根大学医院等机构。该研究成果于2023年在《npj Parkinson’s Disease》期刊发表。
研究流程
研究使用了来自PD患者和健康对照者的静息态MEG数据，并进行了以下流程：
数据采集与预处理
- 使用306个传感器采集MEG数据，基于HCP-MMP1图谱，将数据预处理为44个脑源活动信号。
- 数据分为PD患者的“OFF药物状态”和“ON药物状态”，以及健康对照者的两次测量。
光谱分析
- 使用Welch方法计算功率谱密度（PSD）。
- 使用FOOOF算法对频谱进行拟合，以提取非周期成分和周期成分。
- 通过腓特条件估计频谱中高斯峰值频率总和和幂律指数（λ）。
主要结果
频谱峰值的减慢
研究发现，PD患者在所有频率下的频谱峰值均普遍减慢，而药物治疗并未改善这一减慢，甚至有所恶化。此外，PD患者在α和β波段的频谱峰值减少，其中γ波段峰显著缺失，且这些结果在感官和运动区域最为显著。
1/f指数（λ）的变化
研究表明，PD患者在感官和运动区域的λ显著高于健康对照者。此外，λ呈现从前到后的正梯度分布，而在健康对照者中未观察到显著梯度。药物治疗未能改变λ的空间分布，这意味着λ在PD中的变化不受多巴胺替代疗法的显著影响。
年龄与λ的关系
λ与年龄呈正相关，但与UPDRS-III评分无关，这表明在PD患者中，年龄对脑网络的影响超过运动症状的影响。在测量的脑区中，特别是感官区域，老年PD患者中λ往往更高，表明慢性多巴胺改变对老年患者的脑网络有更大影响。
时变性分析
λ在时间上的波动性不同，研究发现，PD患者的λ波动较小，尤其在感官区域更为稳定。药物治疗对λ波动性的影响不显著，但似乎在某些脑区（尤其是前额叶区域）减少了时间波动。
结论与意义
本研究首次全面表述了PD患者和健康对照者全脑范围内幂律指数（λ）的拓扑图谱。主要结论包括： 1. PD患者在感官和运动区域的λ显著高于健康对照者，且呈现显著的前-后梯度。 2. 药物治疗对λ的空间分布影响不大。 3. λ与年龄正相关，而与PD运动评分无关。
通过对λ进行分析，本研究提出了新的关于PD中皮层网络神经关联的假设，包括感官区域的兴奋-抑制平衡可能受到影响。这些发现不仅在理论上为理解PD提供了新的视角，也为未来通过非侵入性技术和动物模型验证这些假设提供了方向。此外，本研究提出了其他感官障碍，如视觉和听觉可能受到PD影响，进一步拓展了对PD症状和脑功能障碍的理解。
研究亮点
- 全脑范围分析：对整个新皮质区域的幂律指数进行拓扑分析，全面展示了PD对脑功能的影响。
- 定量与定性结合：结合光谱峰值的定量分析和λ的定性分析，揭示了PD患者不同脑区的活动特征。
- 新假设提出：结果表明PD不仅影响运动区域，还对感官区域的神经活动有显著影响，提出了新的研究假设。
研究方法的创新性
研究使用了先进的MEG数据分析方法，包括FOOOF算法和Welch方法，以非常高的精度量化了脑活动频谱的周期和非周期成分。通过这些方法，本研究不仅验证了已知的频谱变化，同时揭示了以前未曾深入研究的非周期成分（如1/f指数）的变化。
应用价值
本研究的结果对于制定更精确的PD诊断和治疗方案有重要意义。尤其是对感官障碍和认知功能的进一步研究，可能会带来新的治疗策略。此外，研究提出的假设可以通过未来的动物模型实验进行验证，为理解PD的神经机制提供更详细的科学依据。