利用高密度fNIRS对帕金森患者丘脑下核深部脑刺激的皮质血流动力学测图

1. 研究背景

丘脑下核深部刺激(Subthalamic nucleus deep brain stimulation, STN-DBS)是治疗先发性帕金森病的有效方法。虽然最近取得了一些进展，但实现这一功能的生理机制尚不清楚。脑深部刺激的功能成像已经得到了广泛的研究，然而，使用功能性近红外光谱(fNIRS)技术进行研究的数据还却很少。本研究使用fNIRS技术和EEG技术对STN-DBS与皮层网络活动之间的相互作用进行探讨，希望能够对此有新的认识。

2. 研究方法

2.1 被试

7名帕金森患者（4名右利手，3名左利手；年龄范围：49 - 71岁，平均年龄为 58.3岁）。

2.2 实验过程

临床评估：术前，当患者处于OFF-drug（未服药）状态时，首先评估运动残疾评分（至少中断12小时的抗帕金森药物治疗后）；然后在ON-drug（服药）状态下（在给予单次超阈值左旋多巴后）。对于每个患者，术前左旋多巴反应性必须与至少50%的临床改善相对应。在随访评估中，每个患者的运动残疾评分在以下四种情况下进行评分：ON-stim/OFF-drug;OFF-stim / OFF-drug；OFF-stim /药物；ON-stim /药物。OFF-stim状态定义为停用STN-DBS至少1小时。所有患者术后随访至少12个月。

表1. 详细的患者资料和下丘脑核活跃接触的部位

操作技术和接引位置：3张Tesla MRI图像。整个手术是在全身麻醉下进行的，使用的是一个立体定向机器人和术中平板CT设备。在手术期间进行神经生理学记录和临床评估(副作用)。将术后CT图像与术前计划数据集融合来检查电极位置。术前MRI很容易确定三个平面的STN边界，MRI和CT图像的融合使QY球友会能够确定STN中电极接触的确切位置。

图1 . 实验流程图

受测者坐在一张离电脑屏幕1米远的椅子上，电脑屏幕显示了任务流程。任务1：静息状态，使用ON-stim/OFF-stim交替STN-DBS模式。任务2：OFF-stim条件下的运动任务。任务3：ON-stim模式下的运动任务。在每次试验中，受试者固定一个“+”在屏幕上，持续40s（休息时间），然后进行20s的运动任务。运动任务包括10个自定节奏的抓握动作，并重复张开和关闭利手。此过程重复12次。

2.3 数据采集和处理

在不同的实验条件下获取功能性近红外光谱数据，以表征和绘制STN-DBS对皮层表面网络的急性影响。为了使fNIRS分析与STN-DBS同步，将11通道脑电电极嵌入高密度fNIRS帽内，这使QY球友会能够精确监测头皮上任何与STN-DBS相关的伪迹。

近红外成像系统：使用4个多通道双波长(690和830 nm)频域fNIRS成像系统(Imagent, ISS, Champaign, IL, USA)测量实验过程中含氧血红蛋白（[HbO]）和脱氧血红蛋白（[HbR]）的相对变化。成像是一种频域组织光谱仪，其中双波长强度调制激光二极管与光纤耦合，增益调制光电倍增管探测器分别记录两个波长的信号。强度调制频率为110 MHz，外差式检波的互相关频率为5 kHz。在光电倍增管中收集反射光解调后，测定其平均强度、调制振幅和相位。激光器的平均输出功率约为0.5 mW，系统捕获速率为9.1912 Hz（例如，大约每110ms每个样本）。要有足够高的空间分辨率来探索额叶、顶叶、颞枕叶皮质，QY球友会开发了一种获得专利的光学成像帽配有48装置(32配对690 nm和830 nm光源和16个探测器)，用它来监控整个头部血液动力学的变化。

图2. 探测器和震源位置的三维图

低分辨率的EEG采集：为了在fNIRS测量中检测DBS开关时间点(即DBS诱发的伪迹)，根据国际10 - 20系统放置的14个电极(ASA-Lab, ANT Neuro BV, Hengelo, the Netherlands)同时获得连续的EEG信号记录。电极位置如图3所示。低分辨率EEG参照两个乳突的平均值(M1和M2)。在整个实验过程中，电极阻抗保持在5 kΩ以下。采样频率为1024Hz，然后用陷波滤波器(50hz)和带通滤波(0.53-200 Hz)进行滤波处理。

利用诱发的脑电信号伪迹确定加工时间窗口：

为了检测fNIRS数据中的DBS周期，对脑电信号进行带通滤波[100-200 Hz]，并标记DBS伪影迹。在刺激开始前10 s开始监测血流动力学响应，刺激偏移后10 s停止监测。因此，[HbR]和[HbO]信号相对于每个“DBS”上的组块开始被分割。刺激开始前的-10-0s进行线性趋势和基线校正，总血红蛋白（[HbR]+[HbO]）的相对变化也被报告。

光谱信号处理：

fNIRS数据基于MATLAB分析。预处理的第一步是对所有通道的原始强度数据进行归一化，通过将每个值除以平均值来计算变化百分比。生理噪声（例如，缓慢漂移和动脉脉冲振荡）的消除用归一化处理。通过修正的比尔-朗伯定律、微分路径长度因子(6.0)和部分体积修正值(50)，将得到的delta密度用于计算浓度变化。然后，在指定增产前(10秒)和增产后(10秒)的平均间隔后，对数据进行区块平均。分别对每个患者和所有患者的每一种情况(静止时DBS、有或没有DBS时的左手和右手运动)分别进行块平均。

图3. 对脑电进行带通滤波[100-200 Hz]，标记伪迹，根据光学数据确定大脑刺激周期

3、实验结果

图4. 大脑的三维图的运动任务中HbO的相对变化

（图解：双侧SM、PM和DLPF皮质区域的[HbO]、[HbR]和[HbT]下降几乎立即观察到，并在刺激持续期间保持不变。正常大脑的三维图显示了在运动任务中HbO的相对变化。红色表示相对浓度增加(z-score)，蓝色表示相对浓度减少。两种分析的ROI分别显示在图像的两侧(黑色：运动皮层和前运动皮层；灰色：额背外侧皮质)。所有患者的个体曲线为一个曲线图，每个个体在一个较小的曲线图上，以及[HbO]、[HbT]、[HbR]相对变化的标准差和均值。左脑皮层在左边，右脑皮层在右边）。

解释：静息状态，有交替的ON-stim和OFF-stim模式。在所有患者中，与40 s的OFF-stim期相比，20 s双侧STN-DBS刺激显著减轻帕金森症状，并立即引起伴随的[HbO]、[HbT]双侧显著(p<0.05)降低，SM、PM、和背外侧前额叶(DLPF)皮质(图4)。[HbO]、[HbR]和[HbT]的波谷在刺激开始后5-20s内观察到。恢复到基线需要5-10s，随后出现反弹效应(即[HbO]和[HbT]的增加)，持续5 – 10s。在SM、PM和DLPFC区域，刺激强度与[HbO]下降幅度之间没有相关性。

图5 . STN-DBS刺激在OFF-stim条件下执行运动任务的患者的皮质效应(A:右手运动；B:左手运动)

图6. STN-DBS刺激对在ON-stim条件下执行运动任务的患者的皮层效应(A:右手运动；B:左手运动)

【说明】图3-6：为了减少多次比较，使用了感兴趣区域(ROI)方法进行统计分析和量化。ROI与Brodmann区域4-6(运动- pm皮层)和8-9 (DLPFC)的表面投影相对应，这是由更高的Z-score激活(z-score >2 or <-2)定义的。只分析了ROI内的数据。为了评估整体血流动力学反应，在刺激期间(0-20 s)比较曲线下面积(AUC)，同时将每个条件的测量值减少到4个ROI。血流动力学反应以振幅和持续时间为特征。AUC的计算提供了在整个刺激周期内发色团(如[HbO])浓度累积变化的信息。因此，对每个ROI和每个条件进行了血流动力学反应的单个AUCs评估。鉴于[HbR]的变化通常很小，且(相对于[HbO]的变化)信噪比低，于是使用[HbO]作为因变量。然而，[HbR]曲线如图3 - 6所示。采用配对t检验，检验不同条件下STN-DBS影响的统计学显著性。评估了每个ROI和每个条件下血液-动态反应的单个AUCs(右手运动：df = 15[4subjects× 4channels per ROI -1]；左手运动：df = 11[3subjects× 4 channels per ROIs -1])。为了减少I型误差，QY球友会使用Bonferroni方法来调整每个两两比较的统计显著性。统计显著性水平(α)除以ROI数目(M): α Bonf = α/M。在本分析中，阈值设置为[0.05/4 (αBonf = 0.0125)， 0.01/4 (αBonf = 0.0025)或0.001/4(αBonf = 0.00025)]具有统计学意义。

图5结果显示，在OFF-stim条件下手部运动时，皮质[HbO]、[HbR]和[HbT]的相对变化。在OFF-stim条件下的运动中，观察到对侧SM和PM区域的[HbO]增加和[HbR](神经-血管耦合)减少，同时DLPFC区域的代谢有显著但较小的变化，即[HbO]、[HbR]和[HbT]同时增加。表明神经血管耦合缺失时皮层激活。

图6结果显示，在ON-stim条件下手部运动时，皮质[HbO]， [HbR]和[HbT]的相对变化。(A)右利手患者SM和PM皮质同时激活，DLPFC失活。(B)在左利手患者中，运动任务开始后的前10s，右侧SM和PM皮质的[HbO]和[HbT]相对于基线的增加；然后[HbO]和[HbT]逐渐下降，在患者继续运动任务时越过基线，最终在任务结束时回到基线。这是一个非典型的发现：任务的开始类似于经典的大脑激活与神经血管耦合，而任务的结束与相对的[HbO]，[HbT]和[HbR]变化类似于在皮质失活期间观察到的变化。在整个运动任务中观察到双侧DLPFC失活。

4、结论

①目前的fNIRS结果为STN-DBS的主要皮层效应提供了新的见解——主要是直接减少主要SM区和DLPFC的血流量。

②STN-DBS神经调节的皮质效应在休息和执行任务时是相同的，功能性近红外光谱(Functional NIRS)可用于量化个体患者的皮层血流动力学(特别是额叶皮层)，以筛查STN-DBS的潜在副作用，并据此调整刺激参数。

③在未来的研究中，QY球友会提出了一种多模态神经成像方法，结合EEG、fNIRS和高密度弥散相关光谱(DCS)来测量除脑血流动力学外的全身血流的影响。此外，每个源探测器对的短距离通道设置将提供有关系统干扰的整个头部信息。

5、文献名称及DOI号

Cortical hemodynamic mapping of subthalamic nucleus deep brain stimulation in Parkinsonian patients, using high-density functional near-infrared spectroscopy

DOI：10.1371/journal.pone.0245188