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Disrupted functional brain connectivity networks in children with ADHD: evidence from resting-state fNIRS

發表時間: 2021-06-23 17:28:10

作者: 丹陽慧創醫療設備有限公司

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北京師范大學牛海晶教授與北醫六院錢秋瑾教授合作在《Neurophotonics》發表了題為“Disrupted functional brain connectivity networks in children with ADHD: evidence from resting-state fNIRS”的研究論文,揭示了ADHD兒童近紅外腦功能網絡異常。慧創近紅外腦功能成像系統NirScan的高通道、高靈敏度技術優勢,助力該研究將近紅外探頭陣列同時覆蓋到前額葉、顳葉、頂葉、視覺區,進而在全腦區精細探究ADHD兒童靜息態功能網絡規律。

多動癥是一種常見的兒童精神疾病,現有的神經影像學診斷技術由于其對于運動的零容忍使得對多動癥兒童的腦部掃描及其困難,不利于疾病的診斷和后續治療。

這項研究中,我們利用靜息態功能近紅外成像技術檢測多動癥兒童的自發腦活動。通過腦功能連接計算和圖論分析來探究患者腦網絡全局和局部性能的改變并對這些腦網絡特征與臨床表現之間的相關性進行評定。研究結果表明多動癥患者的功能連接和整體網絡效率都顯著下降,同時各網絡的節點效率也發生相應改變,視覺網絡和背側注意網絡內的節點效率升高,軀體運動網絡和默認網絡的節點效率則下降,另外缺失的功能連接和節點效率與ADHD的臨床評分顯著相關。

參與者:30個ADHD患者(男,7-12歲,22個ADHD-I型和8個ADHD-C型),30個性別、年齡、教育程度匹配的健康對照(Healthy Controls, HCs)。

fNIRS數據采集:通過丹陽慧創醫療設備有限公司近紅外腦功能成像裝置NirScan實現,使用24發射探頭和28接收探頭,組成超過80個有效通道,覆蓋幾乎整個大腦(前額葉、顳葉、頂葉、視覺區),光源探測器間距為3cm,探頭排布參考國際10-20腦電系統。數據采集時要求被試靜坐,閉眼,但不能睡覺,采集12min的近紅外數據,隨機挑選一個被試,在上述通道位置放維E膠囊,進行MRI結構成像獲得各通道的空間坐標,根據獲得的空間坐標將各通道對應到Yeo et al.的網絡模板中,將各通道劃分為六個功能網絡,并用不同的顏色標識不同的網絡(下圖)。


上圖 fNIRS采集、探頭排布、功能網絡劃分


研究方法:對數據進行預處理,包括帶通濾波(0.01-0.1)處理,ICA除噪等,選取8min穩定氧合血紅蛋白濃度信號用于后續腦連接和腦網絡分析。對每個被試求取通道時序信號間的相關系數矩陣,以0.2為稀疏度閾值構建腦網絡,分別計算全局、局部和節點網絡效率等網絡參數,應用基于網絡的統計學方法對變化的連接進行探究,并將變化的連接分為同位連接、半球內連接和異位連接。計算改變的腦功能連接及腦網絡參數與ADHD臨床表現之間的相關性。


1.人口學參數和量表評分統計結果

人口統計學參數和臨床評分的統計結果見表1。HC組和ADHD組的年齡和IQ無顯著差異,但ADHD組癥狀評估的量表評分均顯著大于HC組。


2.功能連接變化

ADHD組的組平均功能連接強度(0.37±0.13)遠低于HC組(0.42±0.14),且ADHD組連接強度低于0.4的人數遠大于HC組。兩組連接空間分布相似。(如圖二所示)。ADHD兒童大腦功能連接顯著降低(p < 0.05),降低的連接主要涉及默認模式網絡、視覺網絡以及背側注意網絡(如圖三所示)。顯著變化的半球內功能連接主要位于右半腦;顯著變化的異位功能連接主要是右半腦的額頂網絡、軀體運動網絡與左半腦的頂葉和視覺皮質間的連接。



上圖 ADHD和HC組的功能連通性



上圖 ADHD兒童大腦內顯著降低的功能連接。功能連接分為對稱連接(左)、半球內連接(中)和半球間非對稱連接(右)三組顯示


3.腦網絡形態變化

如圖四所示,ADHD兒童相比正常兒童大腦網絡全局效率顯著降低(圖四a),這表明ADHD兒童大腦全局信息整合能力較正常兒童發育滯后;局部網絡二者無顯著差異,這表明ADHD兒童局部信息處理能力與正常兒童發展一致;在大腦網絡節點效率方面, 與正常兒童相比,ADHD兒童表現出既有明顯降低(如右半球上軀體運動網絡、默認模式網絡和額頂葉網絡)的節點,也有明顯升高的節點(如左半球視覺和背側注意網絡的部分節點)。根據ADHD的雙通路模型,這一結果可能揭示了ADHD兒童的反應抑制缺陷以及在視覺和注意上的信息過載。


圖四 全局網絡效率、局部網絡效率,節點效率對比


4.功能連接/網絡特征與臨床癥狀間的相關性

變化的功能連接與臨床癥狀的相關性見圖五,左側額頂葉和右側軀體運動網絡連接(a圖中綠線)、右側額頂葉-右視覺網絡連接(a圖中棕線)等與超活動評分、總評分顯著負相關;網絡特征與臨床評分的相關性結果見圖六,右側軀體運動網絡內的一個節點的節點效率與超活動評分、總評分均顯著負相關。


上圖 ADHD兒童腦功能連接與其癥狀表現的關系


上圖 右側軀體運動網絡節點效率與癥狀表現的關系


本研究中,作者利用FNIRS技術探究ADHD患者腦功能連接和腦網絡變化規律,從連接組學這個新興視角揭示了ADHD兒童大腦網絡具有異于健康兒童的發育模式。該結果與以往基于磁共振影像的ADHD研究結論基本一致,表明了rs-fNIRS與連接組學方法相結合在探索ADHD兒童腦網絡研究上的可行性和潛在價值。

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