帕金森病的功能性脑连接障碍:一项5年的纵向研究

追踪帕金森病(PD)的纵向（追踪研究）脑功能连接障碍是解码潜在的生理病理和了解PD进展的关键因素。本随访研究的目的是首次探讨帕金森病患者5年来脑功能网络的纵向变化，并将其与认知表现和运动症状联系起来。我们选取35例PD患者，在基线(BL)、3年随访(3YFU)和5年随访(5YFU)三个时间点完成运动和非运动评估和静息状态(RS)高密度脑电图(HD-EEG)记录。我们评估了疾病过程中频率依赖功能网络的中断，并探讨了它们与临床症状的关系。结果发现，与健康(HC)相比，PD患者α2 (10-13 Hz)和β (13-30 Hz)频带的连接逐渐受损。整体认知能力的恶化与网络断开密切相关。这些断开的网络也与运动症状的偏侧化有关，显示左PD患者的右半球连接受损，而右PD患者的左半球连接受损。综上所述，我们的研究结果表明，随着帕金森病的进展，脑网络连接障碍可以反映整体认知缺陷的恶化和运动症状的偏侧化。静息态HD-EEG可能是PD运动和非运动进展的早期生物标志物。本文发表在Movement Disorders杂志。

1. 介绍

帕金森病(PD)是老年人最常见的神经退行性疾病之一，除了其著名的运动症状外，一系列广泛的非运动障碍可从疾病早期(甚至前期症状)阶段开始表现出来，降低患者的生活质量。随着疾病的进展，神经病理过程可能通过网络传播到皮层，并引起大脑区域内部和之间的功能改变然而，这些神经病理学的见解还不足以阐明患者的异质表型以及他们大脑活动的进展相关变化。

很多研究使用功能性磁共振成像技术(fMRI)报道了早期和晚期PD阶段与运动和认知缺陷相关的功能中断。此外，电/磁脑成像(EEG/MEG)作为一种功能强大、成本低廉、无创的电生理技术，越来越多地用于探索神经退行性疾病中的功能性脑网络。

本研究采用静息态高密度(HD)脑电图(EEG)记录了77例在巴塞尔大学医院接受基线随访(BL)、3年随访(3YFU)和5年随访(5YFU)的PD患者。我们的主要目的是探讨这些PD患者的脑功能网络在BL、3YFU和5YFU之间的破坏。我们检查了他们的渐进进化过程，并将其与年龄匹配的健康对照组进行了比较。此外，我们将患者特异性改变的网络与临床评分的变化联系起来。最后，为了将中断的网络与患者的偏侧运动症状联系起来，我们揭示了BL（基线）和5YFU之间不同的网络改变，以表征左、右受累患者的疾病进展。

2. 方法和被试

从自发性PD患者和健康对照(HC)的纵向研究中选择患者。患者在BL时接受神经学、认知和脑电图检查，平均间隔3年和5年随访。对患者进行评估的专家并不知道这项研究的细节。主队列包括77例BL患者，其中42例未完成所有随访检查(见表S1主队列的详细人口统计学和临床测量)。所有患者在检查期间均接受多巴胺能药物治疗。我们首先对35例全部BL、3YFU和5YFU检查的PD患者亚组进行分析，然后对其余患者进行交叉验证。HC组包括32名BL参与者，其中21人完成3YFU, 3人完成5YFU(参见图S1了解受试者的研究流程细节)。专家根据这35例PD患者三次就诊的主要运动症状将其分为两个亚组：LPD患者(左侧PD，n = 23)和RPD患者(右侧PD，n = 10)。

表S1 基线中初始队列的人口学和临床数据，3YFU和5YFU表示平均值。

PD:帕金森病患者;HC:健康对照组;M / F:男/女;y:年;LEDD:左旋多巴等效日剂量;UPDRS-III:统一帕金森病分级量表;MoCA:蒙特利尔认知评估，MMSE:简易精神状态检查。

图S1 纳入的帕金森病(PD)和健康对照(HC)在三个时间点的随访流程图。分析队列只包括35例进行了所有3次就诊和所有HC的患者。来自5YFU数据集的7例患者被排除在分析队列中，因为他们在BL或3YFU(或在两个时间点)没有当时的脑电图记录的DBS患者。

使用256通道脑电图系统(Netstation 300, EGI, Eugene, OR)连续记录12分钟的静息状态脑电图数据。信号采样率设置为1000 Hz。高密度脑电图(HD-EEG)信号被分割为每个40秒的段，并丢弃每个记录的第一个段。它们使用开源工具箱Automagic26自动进行预处理，前六个具有最佳质量度量的分段被保留下来用于其余的分析。

预处理后，采用脑源连接法估计脑功能网络首先，通过求解反问题重构皮层脑源的动力学。为此，将脑电通道和核磁共振成像模板(ICBM152)共同使用，并使用OpenMEEG工具箱建立一个逼真的头部模型。采用加权最小范数估计(wMNE)计算脑网组图谱中210个感兴趣皮层区域(ROIs)的区域时间序列然后在脑电图不同频段theta(4-8 Hz)、alpha1 (8-10 Hz)、alpha2 (10-13 Hz)和beta(13 - 30 Hz)上滤波区域时间序列。对于每个频段，利用锁相值(PLV)计算重构源之间的功能连通性，我们为每个参与者在每个频段获得了6个动态连通性矩阵。这些矩阵最终被跨越时间和分段平均，以获得每个频带的单一静态功能连接矩阵，用于进一步的分析。

采用基于网络的统计方法(network-based statistic, NBS)识别BL和5YFU访视PD患者的脑网络差异。这种方法假设连接中断的子网络比孤立的断开更有可能表明真实的变化，并已被证明比一般方法提供了更大的统计能力。本研究分析认为年龄、性别、教育程度、左旋多巴等效日剂量(LEDD)和运动症状的优势侧为混杂因素。

我们定义了一个称为网络指数(NI)的度量，灵感来自Hassan等人之前的工作:

其中Wi表示有效网络i条边从NBS到NBS的连通性值，N表示该网络中边的总数。计算三次就诊中每位患者的NI值，以量化随着疾病的及时进展，网络的纵向破坏情况。相关性分析采用Pearson相关性分析方法，评估NI与PD患者不同时间点及不同时间点临床评分之间的关系。

3. 结果

表1总结了本研究纳入的PD患者和HC受试者的人口学和临床特征。PD患者与BL时HC在年龄、性别、教育时间等方面差异无统计学意义。

表1 参与者BL、3YFU和5YFU就诊时的人口学和临床特征。

3.1 PD患者功能连接网络的纵向变化

研究的总体流程如图1所示。我们采用数据驱动的方法，假设BL与5YFU的网络不同。研究了PD患者和HC患者三个时间点NI的纵向变化。

图1 分析的一般描述。使用基于网络的统计(Network-Based Statistics, NBS)比较PD患者在BL和5YFU的连接网络，检索一个显著hypo（连接减少） (BL > 5Y)/hyper （连接增多）(BL < 5Y)连接的子网。从这个重要的网络中，我们将网络指数(NI)归为三次就诊的每一位PD患者指标，以评估他们的及时进展，并将他们的纵向变化与临床评分的变化联系起来。

3.2 PD患者网络减少(BL > 5YFU)

在α2波段(10-13 Hz)，结果显示一个具有统计学意义的网络，其中5YFU的连通性显著低于BL，该网络包括125个连接和72个区域，主要位于右半球内。中断程度最高的区域主要是右侧额上回和额下回、右侧中央前回和右侧楔前叶的部分，其中额颞(12%)、额额(11.2%)和额中央(11.2%)连接占主导(图2A)。这些结果与先前的研究一致，即α频带额颞连通性的降低与疾病进展的严重程度有关。在后续分析偏侧化亚组时，我们将探讨右半球的显著优势。此外，为了更好地了解网络的纵向变化，我们计算了BL、3YFU和5YFU三次访问的NI。结果显示，NI在BL和5YFU之间显著降低。BL与3YFU呈进行性下降， 3YFU与5YFU呈进行性下降。应用于HC功能连接网络的NI显示BL和3YFU之间没有显著的纵向变化(图2B)。

图2 BL和5YFU的非连通性网络及其对应的(A) alpha2、 (C)beta的中断程度最高区域。小提琴图表示PD患者网络指数和HC在(B)alpha2， (D)beta的纵向变化。

对于β波段(13-30 Hz)，得到的网络由58个区域发出的103个连接组成。右半球局部连接数(56.3%)和区域数(58.6%)也占优势。中断程度最高区域主要位于右侧额上和额下、中央前和枕叶皮层，以额颞(12.6%)、额枕(9.7%)和额叶(8.7%)连接为主(图2C)。在BL和5YFU之间NI明显降低。3YFU与5YFU之间的线性斜率下降严重，而BL与3YFU之间的线性斜率下降更严重。至于HC，他们的NI在BL和3YFU之间没有明显的变化，由于他们在5YFU的样本量小，我们无法对3YFU和5YFU之间的下降进行统计检验(图2D)。

alpha1波段(8-10 Hz)与alpha2波段观察到的右半球连接优势，以及在PD患者和HC患者不同就诊间NI显著进行性下降的趋势相似(图S2 A, B)。

图S2 A) alpha -下降C) theta -下降E) alpha -上升对应中断程度最高区域的破坏网络。PD患者和HC网络指数的纵向变化:B) alpha1降低，D) theta降低，F) alpha2增加。

在θ波段观察到另一个减少的网络，包括83个连接和两个半球之间准均等分布的65个区域。中断程度最高的区域为左颞叶、左中叶和右顶叶的部分区域(图S2 C)。该波段NI在BL和5YFU之间显著降低，在3YFU和5YFU之间显著降低。然而，在HC中也观察到这种下降趋势，BL和3YFU之间存在显著差异(图S2 D)。我们应该注意到，在NBS中不同阈值的t检验结果在所有频带中是一致的。

3.3 认知指数与整体认知和运动得分的关系

结果显示，在两个随访时间点，PD患者的NI与以蒙特利尔认知评估评分(MoCA)为代表的整体认知评分之间存在全局正相关，在中间时间点3YFU有统计学意义(图3A,B)。此外，我们还发现了一个由之前发现的连接不良网络形成的子网络，其连接的纵向变化与BL和5YFU之间MoCA得分的纵向变化相关。在α2中，揭示了一个由16个连接组成的子网，主要位于右半球，并计算了相应的NI(图3C)。BL与5YFU之间NI和MoCA的变化呈显著正相关。引入中间时间点(3YFU)的NI也存在这种正相关关系，主要在3YFU和5YFU之间达到显著水平。

在β频段的子网中，涉及到分布在两个半球之间的40个连接(图3E)。其相应NI的纵向变化与BL ~ 5YFU、3YFU ~ 5YFU间MoCA评分变化高度相关。为了确保两个波段BL与5Y变化的显著相关性不是由两位MoCA评分急剧下降的患者驱动的(可能在图S4中显示)，我们在排除这些患者后计算相关性。结果显示，α2 和β的相关性仍然显著(图3F)。我们还发现，在3YFU和5YFU之间，NI的变化与运动评分(UPDRS-III)在α2和β的变化之间存在显著相关性。

图3 PD患者NI和MoCA评分的纵向变化。NI与PD患者MoCA评分(A) 3YFU和(B) 5YFU的相关性。在(C) alpha2和(E) beta中，连接度值的纵向变化与PD患者MoCA评分的纵向变化相关。(D) alpha2和(F) beta中BL与5YFU(左)、3YFU和5YFU(右)之间NI变化和MoCA变化之间的相关性。

图S4 A) Alpha2和B) Beta中BL和5YFU的网络指数(NI)变化与MoCA的变化之间存在相关性。

3.4 伴有偏侧性运动症状的PD患者网络的中断

上述网络显示，大部分中断的连接位于右脑α2和β带。为了研究这种不对称性，我们根据其偏侧性运动症状的优势将PD患者分为两个亚组:LPD（左）和RPD（右）。在基线时，两个亚组之间或同一亚组内不同就诊次数的人口统计学和临床试验均未观察到显著差异。为了检索与运动症状受累侧相关的特异性连接障碍网络，我们使用NBS对两个PD患者侧化亚组独立进行了相同的分析。

对于LPD患者，α2带显示BL和5YFU之间的网络中断，主要包括右半球内的区域(71%)和连接(63%)。中断程度最高的区域主要位于右半球的额叶、枕叶和中央叶。LPD患者相应NI在BL与3YFU、3YFU与5YFU、BL与5YFU均显著降低。然而，同样的NI应用于RPD患者时，三个时间点之间没有任何显著差异(图4A)，应用于HC时，BL和3YFU之间没有任何显著差异。相反，在BL和5YFU之间的RPD患者的连接网络异常显示，左半球的连接改变占主导地位。在α2中，被破坏的网络总共包含167个连接和83个区域。虽然大部分连接(52.7%)位于左半球，且程度最高的区域位于左额叶和左中叶，但右半脑中有40.1%的连接主要来自右中叶、右额叶和右顶叶。RPD患者相应的NI在BL与3YFU、BL与5YFU之间均有明显降低。然而，在LPD患者的时间点之间(图4C)和在HC的BL和3YFU之间没有任何显著的变化(P = 0.08)。

图4 连接障碍网络及其对应的最高程度区域(左)，以及LPD和RPD患者NI的纵向变化(右)。(A) LPD患者alpha2的网络，(B) LPD患者beta的网络，(C) RPD患者alpha2的网络，(D) RPD患者beta的网络。

4. 讨论

在这项纵向研究中，我们使用静息状态HD-EEG记录，研究了PD患者5年时间内脑功能网络的演变。我们发现了α2和β频段的网络中断，BL、3YFU和5YFU之间的功能连接逐渐减少，仅在PD患者中，而在HC中没有。我们还发现，功能连接的时间损失和主要用于检查PD患者整体认知表现的MoCA评分的恶化之间存在正相关。此外，我们注意到右半球在连接改变方面占主导地位，这使我们更深入地检查帕金森病患者运动症状的偏侧化和他们大脑功能网络中断之间的关系。

在α2和β断开连接和区域的空间分布方面，以右半球为主。特别是，在两个脑频带中，右额叶和右中央叶的支配地位都很明显，因为它们包括大部分最高级的区域。最近的一项分析显示，与HC相比，认知受损的PD患者右额上回和右中央回的功能连通性均降低。此外，此前有报道称，右侧额上回和右侧体动-感觉皮层的功能连通性降低反映了PD患者皮质变薄的减少。在α2和β连接的改变方面，额颞连接占主导地位。事实上，在几项脑磁图研究中，当比较非痴呆和痴呆的PD患者时，可以观察到α带额叶和颞叶之间的功能紊乱。在脑电图中，这些连接模式与认知完整和认知受损PD患者的α2相关。

我们还研究了帕金森病患者运动症状的侧化与脑功能网络纵向变化之间的潜在关系。虽然先前的研究报道了皮层和皮层下区域的变化与运动症状的不对称性有关，并将它们与疾病的运动和认知症状的进展联系起来，到目前为止，没有功能连通性研究解决了它们之间的纵向关系。当我们基于NBS对两个亚组分别进行相同的分析时，我们发现α2和β带的低连接网络主要位于右半球，并表征了LPD患者的疾病的纵向进展，而RPD患者的左半球占主导地位。这种在改变的半球和症状一侧之间观察到的对侧性可能与先前的研究一致，这些研究表明运动症状一侧和对侧黑质内多巴胺能神经元丢失之间的对应关系。此外，我们发现RPD患者的α2频段显示右半球紊乱。值得注意的是，当我们首次比较LPD和RPD患者初始NI随时间的演变时，两个亚组在不同时间点之间均显示显著下降(图S6)。因此，右半球的改变可能与两个亚组的疾病进展有关。此外，先前的研究结果显示，初始组PD患者右半球占优势，这不仅与LPD患者多于RPD患者有关，还与右半球的相关紊乱模式有关，这可以反映所有患者的临床共同恶化。对这些紊乱模式的另一种解释可能是，经过5年以上的演变，尽管主要一侧运动症状恶化，但疾病可能变为双侧这也可以解释为什么RPD患者左半球β带的连通性缺失在LPD患者中也很明显(图4D)。

图S6 左侧病变组(LPD, N=23)和右侧病变组(RPD, N=10) beta频段网络指数(NI)的纵向变化。

在本研究中，我们使用完成两次随访的PD患者的数据及时检索到被破坏的网络，样本量从77个相对减少到35个。然而，我们在初始队列中交叉验证了我们的结果，以确认在时间点之间发现的低连通性(附录S1中的图S3)。然而，5YFU只有3名健康受试者并不具有代表性，这阻碍了我们在HC中验证网络的纵向统计变化。因此，我们只考虑了BL和3YFU之间发生的相应演化。RPD患者样本量相对较小(n = 10)也可能影响该比较的统计力。至于相关性分析，我们选择了全局认知评分MoCA(涵盖多个认知领域)，而不是特定领域的测试，因为我们的连接障碍分析更有可能揭示一个大规模的网络，而不是特定领域的网络。最后，在脑电图记录和神经心理学评估期间，所有患者都接受了多巴胺能治疗(状态)，这可能掩盖了他们运动症状的程度以及他们的整体认知表现，并可能最终影响我们的分析。为了克服这一问题，PD患者的患侧在三个时间点根据UPDRS-III的偏侧项计算，而在相关分析中考虑LEDD为混淆项。

总之，本研究是迄今为止第一个使用HD-EEG评估PD患者随着疾病进展的脑功能网络纵向变化的研究。我们的研究结果表明，神经网络的中断不仅可能是疾病演变的特征，而且可能表征患者认知表现的演变和运动症状的偏侧化。进一步的研究可能有助于识别潜在的神经标记物，以协助PD患者分型，并及时预测其运动和认知症状的演变。

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