第一章无明显认知障碍的终末期肾病患者脑局部一致性改变：静息态功能磁共振成像研究目的：应用静息态功能磁共振成像(fMRI)区域同质化研究计算方法前瞻性地研究和检测无明显认知障碍的终末期肾病(ESRD)患者的早期颅脑局部一致性(ReHo)值的改变。材料与方法：2013年9月至2014年9月期间,在广东省第二人民医院肾移植科招募31例终末期肾病患者(男24例,女7例)和31例年龄及受教育程度较匹配的正常对照被试(男21例,女10例)行脑静息态血氧水平依赖功能磁共振检查,31例终末期肾病患者平均年龄为39.9±9.6岁(24-61),受教育时间11.8±3.3年(3～16年)。31例正常对照被试平均年龄为42.7±8.5岁(26-61岁),受教育时间10.8±2.8年(6-16年)。所有研究对象均得到南方医科大学心理健康学会伦理调查研究委员会批准,并签署了知情同意书。所有研究对象均无任何精神疾病或重要神经系统疾病(如：严重大脑损伤,中风,癫痫或明显的病灶)；缺血疾病包括急性缺血性脑血管疾病、急性外周动脉闭塞、晚期肝衰竭或心衰竭；心电图测定无症状冠状动脉缺血；糖尿病病史；药物滥用包括药物成瘾、酗酒及吸烟史。所有被试均为右利手。此次研究,所有的患者在磁共振扫描进行了神经心理测试包括一个简易智能状态量表(MMSE)且分数大于等于28,以保证他们无明显认知障碍。应用飞利浦双梯度高场强(1.5T超导型)磁共振扫描仪进行脑静息态功能磁共振扫描,信号接收线圈为16通道头颈(NV)线圈。首先采集两个常规成像序列包括T1WI序列和T2-FLAIR序列,来筛查临床上的静息病灶。静息态脑功能数据采集采用GRE-EPI序列,TR/TE=3000/50ms,平行于前后联合的轴位33层,层厚为4.5mm,无层间距,分辨率128×128,视野230×230 mm2,共得到240个动态,静息态脑功能扫描时间为8分钟。借助基于Matlab7.6分析软件平台的SPM8脑成像处理软件对静息态脑功能磁共振数据进行预处理,具体预处理步骤包括：①手动去除前十个动态扫描,防止磁场达到稳态前的一过性信号改变；②时间差异校正(slice timing);③头动校正(realignment),静息态脑功能磁共振扫描过程中被试头动偏移1。或1.0mm的数据从本研究中去除；④标准化(normalization)处理：将头动校正后的数据标准化到MNI模板(重采样的最后分辨率为3x3x3 mm3)并转化到Talairach and Tournoux空间；⑤基于高斯随机场理论选取半高宽(FWHM)为8的平滑核进行空间平滑。进一步的预处理及ReHo计算需要借助REST软件实现。在ReHo值计算前,需要将平滑后的数据进行低频滤过(temporally filterd)和去线性飘移(lineardetrends),并采用0.01-0.08Hz的带宽以去除高频噪声和低频漂移的影响。接着再应用REST软件来计算每个既定体素的肯德尔和谐系数(Kendall’s coefficient concordance, KCC)值,最后可获得每个个体的KCC图。将单个体素的KCC值除以全脑平均KCC值就生成了标准化的ReHo图。基于SPSS13.0统计软件包应用双独立样本t检验统计分析终末期肾病患者和正常对照组间的头动、年龄、头动、受教育年限的差异,P<0.05认为有统计学意义。基于REST工具包,应用SPM8软件,分别对两组被试ReHo统计脑图进行随机效应分析,具体统计方法包括两组被试的单样本t检验分析及两组被试之间比较的两样本t检验分析,所得结果再进行多重比较验证以降低假阳性率。P<0.05(多重比较校正)认为有统计学意义。多重比较校正采用阈值校正的方法,通过REST软件里面的AlphaSim程序完成。应用Spearman相关分析评估ReHo值与MMSE分数、透析时间之间的关系。采用Xjview8.1软件(www.alivelearn.net/xjview)和REST软件来显示结果。结果：(1)与对照组相比,ESRD病人组左侧额中回、双侧颞上回及的颞中回ReHo值增高。(P<0.05,多重比较校正)(2)与对照组相比,ESRD病人组显示右侧颞中回皮层的ReHo值明显减低。(P<0.05,多重比较校正)(3) ESRD病人组与正常对照组的MMSE得分均为正常(≥28),且两组间MMSE分值无统计学差异(P>0.05); ESRD组的ReHo值改变与透析时间没有显著的相关性。(P>0.05,多重比较校正)结论：我们的研究发现ESRD患者颅脑异常活动主要分布于与记忆(颞叶)、认知功能(额叶)相关的脑区,此外这些脑区也是默认网络的重要组成部分。这些脑区自发性神经元的异常活动为研究ESRD患者认知障碍潜在的神经机制提供了客观依据,同时也证实了功能磁共振局部一致性研究方法是检测ESRD患者潜在认知损害的早期脑改变的一种有价值的非侵入性的成像技术。第二章 无明显认知障碍终末期肾病患者脑结构及功能的改变：基于体素的脑灰质形态及默认网络静息态功能连接研究目的：应用静息态功能磁共振成像(fMRI)基于体素脑形态学分析法及基于种子点功能连接法前瞻性地研究和检测无明显认知障碍的终末期肾病(ESRD)患者的颅脑结构及功能损害的早期证据材料与方法：所有的研究被试、纳入及排除标准纳入及排除标准同第一部分。将所有被试原始数据导入个人电脑工作站,采用MRIcro软件将原始DICOM格式图形转化成为NIfTI文件格式,然后用SPM8软件包以及VBM8工具包进行结构像的分析。主要步骤包括：(1)以前联合为坐标原点,手动调整所有被试的的原始图像；(2)将所有调整后的原始结构图像进行一次分割,再导入DARTEL内运算获得每一个个体的灰质图像；(3)应用这些分割后的灰质图像,在DARTEL内制作灰质模板；(4)图像标准化：(5)将灰质密度图像进行Jacobian参数校正；(6)图像平滑；(7)空间转化,应用SPM8软件对空间转化后的MRI图像进行数据分析后,将灰质体积减少的脑区叠加到结构图像上,并用不同的颜色显示出来。在上述图像处理的过程中,我们可同时自动得到全脑室的容积、全脑白质及全脑灰质体积。应用SPM8对所有被试功能图像进行预处理,接着我们应用一种基于种子点功能连接方法分析预处理图像,首先在VBM及ReHo的基础上定义了六个种子点,通过平均种子点区域内所有体素(voxels)的时间序列我们可以得到每一个种子点的参考时间序列,接着每一个时间序列进行时域的带通滤波(0.01-0.08Hz)。然后基于Pearson相关法将种子区的时间序列和全脑的每个体素的时间序列进行相关,并将得到的每一个像素的相关系数,并通过Fisher转换产生接近于正态分布相关系数。最后应用SPM8软件,分别对两组被试VBM结果进行随机效应分析,包括两组被试的单样本t检验分析及两组被试之间比较的两样本t检验分析,结果进行多重比较以降低假阳性率。P<0.05(多重比较校正)认为有统计学意义。结果：(1)正常对照组相比,ESRD患者在多个皮质和皮质下区域出现了灰质萎缩,这些结构包括双侧前额叶(眶回皮质)、双侧背外侧前额叶皮层、前扣带、颞上回、颞中回、舌回、海马回、壳核、尾状核、岛叶(P<0.05,已校正)。(2)当基于双侧前额叶皮质眶回为种子点时,ESRD患者表现出降低的功能连接在双侧小脑后部、右背外侧前额叶皮层、双侧前扣带回,表现出增强的功能连接在双侧前额叶皮质眶额回、双侧顶上小叶；当基于左背外侧前额叶皮层为种子点时,ESRD患者表现出增强的功能连接在颞上回；当基于右背外侧前额叶皮层为种子点时,ESRD患者表现出降低的功能连接在双侧小脑后部、左侧颞下回及右背外侧前额叶皮层,表现出增强的功能连接在双侧前额叶皮质眶额回、左侧的中央后回；当基于左侧颞中回为种子点时,ESRD患者变现出增强的功能连接在右额上回中部；当基于后扣带回为种子点时,ESRD患者表现出降低的功能连接在左侧颞中回、右侧前扣带回、双侧的额上回中部；当基于腹内侧前额叶皮层为种子点时,ESRD组仅出现右侧丘脑区功能连接显著降低。(3) ESRD患者异常的功能连接与其透析时间及临床实验室检查(血钙、血钾、血红蛋白、血肌酐、血尿素氮)无明显相关。结论：应用形态学分析及静息态功能连接分析方法,我们观察到无明显认知障碍的ESRD患者结构及功能改变。这些变化指出无明显认知障碍ESRD在常规透析治疗后会导致脑灰质结构方面的改变,且进一步影响脑区间的功能连接。第三章无明显认知障碍终末期肾病患者大脑功能网络拓扑特性的研究目的：1、利用高分辨磁共振检查技术及脑功能小世界网络图论分析方法探讨无明显认知障碍的终末期肾病患者脑网络拓扑属性的改变情况。2、探讨无明显认知障碍的终末期肾病患者脑网络拓扑属性的改变与其认知功能改变、肾功能功能损害及透析时间之间的关系。材料与方法：本研究纳入了22个ESRD患者(男16例,女6例)和29个年龄以及性别匹配的健康对照组(男19例,女10例)的静息态功能MRI数据。22例终末期肾病患者平均年龄为38±10.5岁(18-61),受教育时间11.4±3.3年(4-16年)。29例正常对照被试平均年龄为42.1±8.4岁(28-61岁),受教育时间12.5±3.4年(6-19年)。所有研究对象均得到南方医科大学心理健康学会伦理调查研究委员会批准,并签署了知情同意书。对所有ESRD患者行MMSE评分,并完善相关实验室检查(包括血肌酐、血尿素氮、血K+、血Ca+、血红蛋白、胆固醇)。所有被试均为右利手,所有排除标准均同第一部分。仪器设备同第一部分,通过获取常规成像序列包括T1加权和T2-FLAIR成像,探查临床上静息态病灶。静息态脑功能数据采集采用GRE-EPI序列,TR/TE=3000/50ms,平行于前后联合的轴位22层,层厚/层间距为4.5/0mm,分辨率128×128,视野230×230 mm2,240个动态；采用3D快速场回波序列(FFE)进行高分辨T1加权像采集,具体扫描参数如下：25/4.1ms(TR/TE),30°翻转角,层厚/层间距为1/0 mm,矩阵256×256,视野230×230 mm2,平行于正中矢状面进行全脑采集。数据预处理使用了spm8软件包(http://www.fil.ion.ucl.a.uk/spm/software/spmβ/)。我们首先删除了前10个时间点的数据以保证被试对MRI环境的适应,同时防止磁场达到稳态前出现一过性异常信号。接着将剩下的数据进行时间差异校正和头动效应校正。最后所有校正后的数据被配准到蒙特利尔神经研究所(MNI)标准空间,并进一步进行了带通滤波(0.01-0.1Hz)和去除线性趋势。这里,我们将六个头动参数、全局信号、白质、脑脊液以及这些信号的一阶差分作为协变量从每个体素时间序列回归掉。整个大脑功能网络构建是通过将整个大脑分为1024个区域,然后计算两两区域间自发的低频神经活动信号之间的相关性而得到。功能脑网络中的节点为模板中1024个脑区,网络中的连接为各个脑区之间的平均时间序列的皮尔森相关系数。为了去除掉网络节点间的虚假连接,我们对每个相关矩阵进行阈值处理,只有那些很显著的连接(P< 0.05, Bonferroni校正)被保留了下来,皮尔森相关系数代表的就是这些连结强度。然后,我们从全局和局部水平分析了构建的大脑网络的网络属性。我们计算了全脑网络的四个全局参数(全局效率Eglob,局部效率Eloc,标准化的全局效率Eglob,标准化的局部效率Eloc)和一个局部参数(节点效率,Ei-lob)；其次,将整个全脑网络分为四个模块,这四个模块分别是默认网络(Default Mode network, DMN),执行控制网络 (executive control network, ECN),感觉运动网络(Sensorimotor Network, SMN),视觉网络(Visual Network, VN);根据划分的模块,我们分析计算了模块内部及模块之间的功能连接情况及每个模块的网络属性；最后,我们计算了全脑网络的参数以及每个模块的网络参数与临床生化指标的关系包括网络局部效率、全局效率、模块性。结果：1、ESRD患者及正常对照组的脑网络均具有小世界性,但在全脑网络属性上,ESRD患者的全局效率Eglob,局部效率Eloc以及标准化的全局效率Eglob,均明显低于正常对照组(P<0.05)。2、局部参数Ei-glob方面的研究中,ESRD患者DMN中的一些脑区及VN中的一些脑区节点效率明显低于正常人(P<0.05),这些脑区主要位于双侧颞中下回、双侧额中回、内侧前额叶皮层、后扣带回、楔前叶、顶上小叶及辅助运动区、枕下回区域。此外,模块属性的研究结果指出在四个模块DMN、ECN、SMN、VN网络中,ESRD患者的局部效率Eloc值、全局效率Eglob值及标准化的全局效率Eglob值均显著低于正常对照组(P<0.05)。同时模块的功能连接的研究结果表明,两组之间各个模块之间的功能连接均不存在显著的差异(P>0.05)：两组之间默认网络模块内的功能连接存在明显差异,ESRD组DMN内的功能连接较正常组明显下降(P<0.05)。3、ESRD患者脑功能网络异常的拓扑属性与血红蛋白正性相关(P<0.05),我们发现仅有感觉运动网络(SMN)模块的局部效率(Eloc)和全局效率(Eglob)与血红蛋白浓度成明显的正相关关系,而其标准化的局部效率(Eloc)呈现出与血红蛋白浓度负相关关系(P<0.05)。结论：ESRD患者不仅局部脑神经活动存在改变,大脑功能连接的模式也存在改变,提示ESRD患者在功能整合方面也存在一定的缺陷,同时,我们的研究的另一个重要发现是默认网络在终末期肾病患者的神经活动改变中占有重要的地位,这些发现为进一步研究慢性肾病进展中大脑功能的改变的神经生理机制提供了早期影像学证据。