研究背景帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是仅次于阿尔茨海默病的第二常见的神经退行性疾病。PD的主要病理特征是黑质致密部多巴胺能神经元的进行性缺失及神经元内α-突触核蛋白的异常堆积(路易小体病理)。随着疾病的不断进展,路易小体病理从低位脑干逐渐累及大脑皮层的广泛区域,造成大脑结构萎缩改变。目前,基于3DT1WI序列的结构像MRI对PD患者的研究主要集中在灰质体积和皮层厚度(cortical thickness,CT),并且发现了 PD患者存在广泛的皮层萎缩改变,但对PD皮层表面形态的改变了解甚少。大脑表面由众多紧密排列的脑回和脑沟组成,随着老龄化或疾病的影响,脑回减少、回缩,脑沟增宽、加深,从而发生皮层形态的改变。局部分形维数(local fractal dimension,LFD),局部回指数(local gyrification index,LGI)及沟深(sulcal depth,SD)指标可以分别从皮层复杂度、脑回模式及沟的形态三个角度帮助我们研究PD患者皮层形态学的改变特征,更全面的了解PD患者神经解剖学的改变。另外,研究表明LFD和LGI两个指标存在显著正相关,LFD 比 LGI能更敏感地监测到老龄化带来的脑形态改变,但哪个指标能更敏感地发现PD患者的皮层形态改变还知之甚少。SD主要受CT和脑回下白质体积的影响,但哪个因素起了主导作用?SD和CT改变在同一组PD患者的分布特征尚不清楚。功能相同的脑区受到共同的发育、成熟、训练或疾病等因素的影响,在结构上会发生共同的改变,即结构协变。基于这一假设前提,图论的分析方法被广泛用于研究大脑结构协变网络拓扑属性的改变。PD神经退行性改变涉及多个脑网络的连接异常,因此对PD患者结构协变网络的研究可以在大尺度的网络水平增加对PD病理机制的了解。根据脑回形成主要是由于皮层下白质纤维连接张力的作用理论,皮层形态学改变反应了网络连接的异常。而且,皮层形态指标受皮层灰质、皮层下白质及深部核团共同的作用,所以基于皮层形态指标构建的结构协变网络会更加能够反应PD病理的结构网络改变机制。目的本研究将采用多个皮层形态指标,从局部单个脑区和大尺度网络两个水平对PD患者进行皮层形态学和基于皮层形态学指标构建的结构协变网络的探究,全面了解PD神经解剖病理改变,及该病理改变对临床症状的影响,有助于帕金森病早期临床症状的识别,并积极进行具有针对性的早期康复训练。方法一:招募60名PD患者和56名性别、年龄及受教育程度相匹配的健康对照者(Healthy Controls,HC),并采集基本临床信息和3DT1WI-MRI结构像。利用CAT12工具箱对两组被试分别计算LFD和LGI指标,并采用双样本t检验进行组间比较。此外,我们还探究了 PD患者LFD和LGI改变与临床指标的相关性。二:采用上述相同的被试和CAT12软件对SD和CT指标分别进行计算和组间比较。我们还探究了 PD患者LFD和LGI改变与临床指标的相关性。三:采用基于图论的网络分析工具包(GAT)对PD和HC两组患者分别构建基于SD的结构协变网络,并进行组间网络拓扑属性的比较。在一定稀疏度范围内探究全局网络属性(聚类系数Cp、特征路径长度Lp、全局效率Eglob和小世界属性相关指标Gamma、Lamda和Sigma)和节点网络属性(聚类系数、节点度、节点介数)的差异。对所有网络属性指标进行稀疏度范围内的曲线下面积(AUC)比较。结果一:与正常对照组相比,PD患者存在广泛脑区的LFD降低,主要包括左侧中央前、后回,左侧额上回,左侧额中回后部,双侧顶上小叶和右侧颞上回(TFCE非参数检验,P<0.05,FWE矫正)。PD患者未发现明显LFD增高的脑区。两组被试间LGI 比较无明显差异。偏相关分析发现PD患者的左侧中央后回LFD改变与病程呈显著负相关(Bonferroni correction,P<0.05)。二:与正常对照组相比,PD患者SD降低的脑区主要包括双侧岛叶、双侧颞上回、双侧缘上回、左侧额下回岛盖部、三角部、左侧中央前回、左侧颞横回和左侧顶上小叶(TFCE非参数检验,P<0.05,FWE矫正)。PD患者未发现明显SD增高的脑区。PD患者CT减低的区域主要位于左侧额叶、少许顶叶及后扣带回(TFCE非参数检验,P<0.05,FWE矫正)。多元线性回归分析发现PD患者右侧颞顶联合SD改变与H-Y分期呈显著的负相关,右侧背外侧前额叶SD改变与MMSE呈显著的正相关(顶点水平非矫正none=0.001,团块水平FWE矫正,P<0.05)。三:两组被试基于SD的结构协变网络均表现出明显的小世界属性(Sigma>1)。所有全局网络属性的AUC分析均未发现明显的组间差异。但与正常对照组相比,在稀疏度0.22时,PD患者的Gamma显著高于HC组,同时在稀疏度0.37与0.39时Sigma也显著高于HC组。在趋势上,PD患者的Cp增高,Lp、Lamda和Eglob降低。节点网络属性的比较发现PD患者右侧腹侧后扣带回聚类系数增高,右侧中央前回上部节点介数增高(P<0.05,FDR矫正)。结论一:PD患者存在广泛脑区的LFD降低,而LGI无明显组间差异,这说明LFD比LGI能更敏感地发现PD患者皮层形态学的改变,并反应了特定的神经解剖学机制。同时,左侧中央后回的LFD与病程呈显著负相关,这提示随着疾病的进展中央后回皮层的LFD逐渐降低,LFD可能有助于监测PD的疾病进展。二:PD患者存在广泛脑区的SD减低,并与H-Y分期和MMSE具有显著的相关性,说明其可以作为一个敏感的影像学指标评估和监测PD病理的神经解剖学改变。此外,通过与同一批PD患者的CT减低分布模式比较,我们发现SD降低可能更多地取决于脑回下白质的萎缩,而非CT。三:PD患者基于SD的结构协变网络表现出全局属性和节点属性的异常改变。这说明PD患者结构网络上发生了次优的拓扑重组,网络分隔程度增高,信息整合能力下降,这些可能是导致PD一系列临床症状的潜在网络机制。