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脑电刺激结合纤维示踪技术显示下额枕束的功能分层

2021-09-12 李国松 邱天明 王知秋

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下额枕叶束是大脑最长的联合纤维束。




































































































































法国巴黎大学Sainte-Anne医院的Alexandre Roux等对右侧半球低级别胶质瘤患者实施唤醒手术时进行直接脑电刺激结合纤维示踪,验证下额枕束的功能分层;结果发表于2021年5月的《Frontiers in Neuroscience》在线。


——摘自文章章节


【Ref: Roux A, et al. Front Neurosci. 2021 May 20;15:683348. doi: 10.3389/fnins.2021.683348. eCollection 2021.】


研究背景




下额枕叶束(IFOF)是大脑最长的联合纤维束。解剖学研究表明,IFOF不仅是白质束(WM),而且参与不同的解剖组成,与IFOF的一系列功能相对应。采用直接电刺激的神经调节研究,证明这种对应联系在言语和视觉语义认知中的作用。法国巴黎大学Sainte-Anne医院的Alexandre Roux等对右侧半球低级别胶质瘤患者实施唤醒手术时进行直接脑电刺激结合纤维示踪,验证下额枕束的功能分层;结果发表于2021年5月的《Frontiers in Neuroscience》在线。


研究方法



研究者对111例右侧低级别胶质瘤患者进行清醒手术。111例患者中,女性46例,男性65例;平均年龄39.8±10.4岁(23-70岁)。术中实时、直接电刺激皮质-皮质下时,作下额枕叶束测绘制图。在电刺激过程中,要求患者执行两项功能行为,即心智化和视觉语义认知功能,该两项功能由IFOF调节。首先对响应性白质位点进行聚类分析,以评估网络组织中潜在的拓扑差异。然后,将基于HC1021扩散数据集(基于模板的方法)生成流线图。对每个功能获得的白质束图进行重叠和对比,以确定某纤维通路是否频繁地参与一种或另一种功能。


纳入的研究对象是,在“清醒”状态下进行右侧半球胶质瘤切除的患者,术中通过直接电刺激进行皮质-皮质下IFOF的测绘;肿瘤浸润右半球IFOF;术中进行心智化或视觉语义认知的测试;术后3个月MRI复查。


研究结果



“清醒”手术由同一经验丰富的神经外科医生主刀。术中通过直接电刺激在皮质和轴突水平上系统地实现多功能映射。104例(93.7%)患者在术中接受视觉语义认知评估,90例(81.1%)进行心智化评估,83例(74.8%)两种功能评估。接着通过刺激位点进行解剖定位。所有患者的MRI数据集登记在蒙特利尔神经学研究所(MNI)152模板,各向同性分辨率为1毫米。术中刺激部位定位到患者各自的MRI图像上。


心智化和视觉语义认知的皮质下位点分布具有明显的拓扑异质性,于是对每个刺激数据集进行聚类分析。使用Duda-Hart程序将数据拆分为两个或多个集群。然后,当同质性的原假设在p<0.05时被拒绝时,则使用k-means算法进行正式的聚类分析;通过改变k,从2到10,迭代100次。聚类是应用欧几里德距离平方测量最大化聚类间距离形成的。使用留一法交叉验证程序估计最佳聚类数。基于人类连接组项目1021例参与者的扩散数据构建人群模板,使用q空间微分同胚重构在MNI空间中重建扩散数据,以获得自旋分布函数,使用DSI Studio进行分析。使用MRIcron的差集绘图函数识别在心智化与语义电刺激期间最频繁并明显“断开”的WM立体像素,进行断线分析。最终分离出心智化或视觉语义认知的特殊WM纤维连接。


研究结果显示,首先皮质下聚类分析表明,心智化位点在三角部下方的白质深处过度表达,而语义认知位点在角回的深度过度表达,表明参与每个功能的IFOF 纤维是可分离的,但是仅在末端部分的水平。其次,差集分析表明,①与心智化位点相比,语义位点频繁地被腹侧流线穿过,包括IFOF眶额和中后颞叶纤维;②与语义位点相比,心智化位点频繁地被背侧流线穿过,包括颞干背侧部分纤维、三角部深部纤维和属于上纵束(SLF)的纤维。这种结果模式表明IFOF的功能区在皮质下水平以及它们的末端部分具有不同的亚层。具体地说,“腹侧”IFOF层可能与视觉语义处理有关,而“背侧”IFOF层可能与SLF的额外作用有关。


有关皮质部位的拓扑组织,总共确定101个的皮质位点;其中,有57个与心智化相关,41个具有视觉语义认知和3个同时具有两种功能(称为“非特定位点”)。总而言之,除IFG在视觉语义认知方面明显不足外,心智化和语义位点的空间分布在患者中相似。皮质下部位的拓扑组织,在皮质下刺激期间检测到105个位点:46个特定于心智化,49个特定于语义认知,10个与两种功能相关。在视觉上,虽然这两种分布非常相似,但有两个差异明显:事实上,心智化位点在dlPFC和三角部下方的WM纤维中过度表达,而视觉语义认知则在后顶叶皮质的WM纤维。


在与心智化或视觉语义认知相关的刺激过程中,大多数“断开”的体素主要属于右侧IFOF。然而,心智化和视觉语义认知二值化流线示踪图之间的差集揭示一些明显的差异:WM语义位点频繁地被眶额和颞中后IFOF流线穿过,而WM心智化位点频繁地被额顶和背侧颞干或颞极或外囊的流线穿过。这些差异不超过25%,属适度。


结论



简言之,目前的研究不仅证实由IFOF介导的网络参与心智化和视觉语义认知,而且还表明该束可以根据腹侧(语义)和背侧(心智化)划分为两个功能层,这对于在下额枕束附近手术的肿瘤患者非常重要。


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