Diabetes:糖尿病周围神经病变患者的初级躯体感觉皮层的结构及功能异常

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糖尿病性远端对称性多发性周围神经病变(DSP)会导致躯体感觉皮层灰质的体积下降,且随着疾病进展,所受影响的脑区会发生形态改变。然而并无研究分析脑体积变化是否改变躯体感觉皮层的功能及其与不同疼痛程度的DSP患者临床表型的关系。来自英国谢菲尔德大学研究人员通过多模态磁共振分析对此进行了研究,并发表在Diabetes杂志。

文献导读:在复杂性较高的疾病研究中,除了对其生理成因的探究以外,对其不同表型的亚型疾病进行分类研究也正在成为诸多科研论文中关注的热点和重点(诸位读者可从公众号最近的文章分享中管中窥豹,其实从临床角度来看,这样的关注对于个体治疗来说,影响深远)。

本篇文章对糖尿病性远端对称性多发性周围神经病变患者(DSP)根据痛觉感知类型进行了详细的划分,其对不同表型患者的划分结合多个量表以及生理特征的临床测量进行了详细的定量和定性分析,同时对痛觉fMRI实验中的痛觉感知程度进行了基于个体特征化的操作

在数据处理和统计方面,作者同样延续了细致严谨的风格,对皮层数据的处理中根据对数据的总体样本特征的估计选择了合适的相关分析方法(统计方法的选择有时对于结果的解释性能力是决定性的),而对fMRI任务激活结果的分析中,分析了在类似实验中较少分析的激活peak点的皮层距离,同时也分析了激活程度的差异。作者对数据结果的细致挖掘值得仔细学习。

研究结果表明,在44名明确分型的被试中,躯体感觉皮层存在显著的解剖及功能变化。疼痛型DSP无感知组被试的躯体感觉皮层厚度显著降低,并由代表下肢疼痛的脑区扩展至代表脸部唇部区域。躯体感觉皮层解剖结构与功能的改变与周围神经病变的严重程度存在显著的关系。

此次研究表明,DSP患者大脑的动态可塑性由神经病理过程所驱动。该研究首次证明临床DSP疼痛亚型与躯体感觉皮层改变之间的病理生理关系。

前言:高达50%的糖尿病患者会并发远端对称性多发性周围神经病变(DSP),多数患者发展至无痛性神经病变,增加足部溃疡乃至截肢的风险。同时也有相当一部分患者发展为慢性疼痛状态,造成长期的痛苦。根据不同感觉类型可将患者分为:疼痛型或非疼痛型DSP。且疼痛型DSP也存在异质性,其中相当一部分患者存在动态机械性痛觉超敏阳性体征。目前无明确的病理生理机制可解释DSP神经病理表型谱,多数研究仅关注外周神经系统,而潜在的中枢神经系统的参与往往被忽略。

皮质结构及功能可塑性是人类中枢神经系统的基本属性,可对神经损伤进行调节。然而,这种调节也可能会产生适应不良的后果,导致慢性疼痛。以往研究证实,在DSP中同时存在明确的脊髓横截面积及初级躯体感觉皮层灰质体积的减低。在其他病理性痛患者中也有研究发现动态结构及功能的可塑性对大脑产生显著的影响。

因此,研究假设不同类型DSP均存在大脑结构及功能可塑性改变,联合功能及结构MRI对大脑初级躯体感觉皮层(S1)进行分析,如果DSP与皮质可塑性相关,那么这些改变可能会最终决定不同的临床表型(明确的研究假设往往是决定实验设计方向的决定性因素)。

研究设计与方法:

研究共纳入44名右利手被试(35名Ⅰ型糖尿病及9名健康被试)。

纳入标准:Ⅰ型糖尿病诊断>5年,右利手,年龄18-65岁,血糖控制稳定(HbA1c<11%),MRI扫描前自愿停用神经性止痛药物。

排除标准:中枢神经系统疾病(脑血管病),非糖尿病神经病变,酒精摄入超过20单位/周(1单位约为一杯葡萄酒或一量杯烈酒),非DSP的糖尿病性神经病变(单神经病变或近端运动神经病变),癫痫,反复发作严重低血糖,低血糖昏迷,精神疾病或幽闭恐惧症等无法完成MR。

健康志愿者(HV)为年龄、性别匹配,非糖尿病,无慢性痛,未使用止痛药物或替代疗法治疗疼痛。

感觉表型:所有被试均完成详细的临床及神经生理学评估。通过Neuropathy Impairment Score问卷对上下肢进行神经系统检查分级。神经生理学评估包括:

1)震动及热痛检测阈值;2)心脏自主功能测试;3)神经传导功能检查;测量以下神经特性:a)腓肠肌感觉神经动作电位和传导速度;b)腓、胫运动神经远端潜伏期,复合肌肉动作电位及传导速度。最后根据Dyck等人提出的标准利用以上数据计算神经病变综合评分(NCS),所有DSP患者均被证实至少存在两种神经生理学评估异常。

根据IASP神经性疼痛定义DSP疼痛感觉,并采用NTSS-6进行评分,对神经感觉症状的频率及强度进行评估(麻木/不敏感,刺痛、烧灼痛、酸痛/不透气等)。疼痛型DSP仅有足部及下肢表现为远端对称性神经性疼痛症状且至少6个月。

基于临床及神经生理学评估,疼痛型DSP被试被分为2组:

1)无感知组(Painful-DSP insensate,n=8):表现为下肢大、小感觉神经纤维分布区的感觉缺失伴有神经生理异常,可能代表神经传导阻滞或痛觉减退;

2)有感知组(Painful-DSP sensate,n=9):表现为大、小感觉纤维功能保留,伴有温度诱发痛觉过敏及低强度的机械刺激诱发痛觉超敏,可能代表感觉增益及痛觉感受器易感。

其余糖尿病被试被分为2组:

1)无周围神经病变组(No DSP, n=9):临床及电生理无异常的糖尿病患者;

2)非疼痛型DSP(painless-DSP, n=9):具有相应非痛觉表现的感觉异常且神经生理有两种以上异常表现组。

心理物理学分析:在进入MR扫描前进行,对被试进行疼痛刻度的刻画,得到热刺激与疼痛感知的剂量-反应曲线,确定被试感知疼痛数字评定量表(NRS)7分时所需的温度(0=不痛,10=可想象的最痛程度,具体示意看下图痛感得分示意图)。从中间温度40℃开始,NRS<7增加温度6℃,>7降低温度6℃,第二轮4℃,第三轮2℃,最高温度47.9℃。若三轮在47.9℃仍不能达到7分,则被试被分至无感知组(对于痛觉类似的基于一定主观性的变量,根据个体特征进行精细化的确定是必要的)。

痛感得分示意图

MRI采集:

3T Phillips扫描仪,T1WI及fMRI,扫描参数为常规设置,无特殊之处。扫描过程进行持续心电及呼吸检测(痛感实验对生理体征的影响是比较明显的,因此需要记录并作为协变量控制)。

fMRI任务设计:被试经过训练后进入扫描仪,MRI兼容的热探头被随机放置于右足背侧或大腿前侧,被试被随机分为两组,一组放置在右足北侧,另一组放在大腿前侧。在测试前,对每一个被试的热感知进行了校准。每个被试的fMRI图像采集超过7个block,使用经典的block设计包含基线与刺激,改变7次。每一个Block包含一个30s热刺激时期,刺激强度根据被试不同(作者在进行fMRI实验之前,对每个被试都进行了基于个体差异的热痛容忍度测试,是不是处处见细节!),变化不同,在1.5s时由32℃基线温度开始上升至目标温度(被试可感知疼痛强度至少为7分的温度),然后再降至基线温度(27s),保持1.5s。热刺激温度上升斜率为5℃/s,安全起见最高温度为47.9℃。rest(即休息期)会以50s,55s,或60s的长度以伪随机次序出现,以削弱对下一次热刺激的预期(图示信息见下图实验设计图)。并在结束后,被试会再一次评估任务期间热刺激的疼痛程度,以及对热痛的不愉快感受评分(0=无不愉快/可容忍,10=极度不愉快/无法忍受)。

fMRI实验设计图

MRI分析:

皮质厚度:采用Freesurfer进行皮层重建及体积分割,主要包括:

头动校正、T1图像体积平均、去除非脑组织、仿射变换至Talairach图谱、强度标准化、灰白质界限划分及自动拓扑校正、表面形变,以最大强度转换处作为组织过渡的边界来定义灰白质/灰质脑脊液边界。从整个3D MR体积在分割与形变过程得到的强度及连续性信息创建基于皮层表面图谱,通过计算灰质白质边界以及灰质脑脊液边界每个皮层顶点(vertex)间的最短距离测量皮层厚度。

测量的皮质厚度区域包括,感觉运动区域-S1,中央前回及深部核团体积(mm3, 丘脑、尾状核、脑岛)。其组间差异采用ANOVA分析,根据数据正态性采用Person相关及Spearman相关分析S1皮质厚度与神经病变程度(NCS)及疼痛评分((NTSS-6 及诱发疼痛)的相关性。

fMRI分析:标准流程预处理。功能数据采用FMRIB(即FSL)工具包,为了明确代表躯体部分的皮质形态改变,该研究进行以下两种不同分析:

(1)激活峰值的皮层距离分析

首先分析对侧S1(感觉运动区)皮质激活峰值的欧式距离的差异(欧几里得度量(euclidean metric)(也称欧氏距离)是一个通常采用的距离定义,指在m维空间中两个点之间的真实距离,或者向量的自然长度(即该点到原点的距离)。在二维和三维空间中的欧氏距离就是两点之间的实际距离)。

采用包含S1皮质的ROI来限定分析范围,确定每一次热刺激期间ROI内最大激活体素,通过从前后、内外、上下三个方位(大脑是个三维空间)计算该体素与一个标准解剖点(每个个体大脑中央沟与背侧纵列的交点)的欧式距离明确该体素的空间位置。采用勾股定理计算两点间欧式距离,得到与方向无关的绝对数值(即排除向量式定位带来的影响)。采用ANOVA分析激活峰值欧式距离的组间差异。然而该方法分析激活峰值位置差异,并未明确激活程度的差异(因此作者进行了后续的激活程度分析)。

(2)S1感受域激活程度分析

采用基于体素的一般线性模型估计每一个状态(足背/大腿热刺激)的激活图谱分析S1激活程度的组间差异。对每一个被试,构建感兴趣(足部或下肢热刺激)条件回归量,使用block范式,对GLM使用一个经典的HRF函数卷积,其时间导数用于模拟激活时间过程。每一个条件下的参数估计(回归斜率)得到该条件下每一个体素的激活强度的估计值(即Beta值)。

组分析确定特定条件下每组激活模式(HV, No DSP, 非疼痛型-DSP, 疼痛型-DSP无感知型、有感知型),采用FMRIB’s Local Analysis of Mixed Effects进行全脑组分析。以疼痛型-DSP 无感知组(Painful-DSP insensate)作为主要比较组分别与其他组比较。

Z统计图限制为Z>2的集群阈,采用P<0.05,使用基于团块(cluster)的FEW矫正进行多重比较矫正。为了展示结果,对图像进行4mm FWHM平滑,限制Z>1.5。

对于每一个被试,计算在伤害性热刺激期间,最大激活体素为中心的信号强度变化百分比(相对基线rest时期),并比较组间差异(Mann-Whitney U test, p<0.05)。除此之外,根据数据是否正态性,对S1信号强度Z值分别与S1皮质厚度、神经病变程度(NCS)及疼痛评分((NTSS-6 及诱发疼痛)的相关性采用Person相关及Spearman相关分析。

结果:

各组被试的人口学特征见下表:

表1.Ⅰ型糖尿病与健康志愿者(HV)人口学特征

NTSS-6:神经病变总症状评分-6;NCS:神经病变综合得分;P值由方差分析(ANOVA)所得。

感觉分析:所有疼痛型DSP被试(painful-DSP)均存在远端对称性周围神经病变,表现为典型的神经病变症状(图1),疼痛型DSP有感知组触诱发痛平均分数显著高于无感知组。

图1.感觉描述

NTSS-6问卷中6种痛觉描述的平均值及95%置信区间

心理物理学分析:疼痛达到7时足部温度无显著差异(post hoc亦无阳性结果),非疼痛型DSP与疼痛型DSP无感知组NRS疼痛评分、不愉快感最低。大腿刺激均无显著差异。(表2)

表2.MRI扫描前进行的心理物理实验结果

右足(神经病变位点)及大腿(非神经病变位点作为对照)进行热刺激。平均温度为疼痛评分至少为7分所需温度。被试同时对不愉快程度进行评分(0=无不愉快,10=最不愉快)。热刺激随机作用于足部或大腿。

皮质厚度分析结果:

疼痛型DSP无感知组被试双侧S1皮质厚度较其他组显著降低(3.60(0.1);F(4,39)=5.78, ANOVA p =0.001;HV4.04(0.1), No DSP 3.85(0.2), painless-DSP 3.82(0.2), painful-DSP Sensate3.88(0.2) 表3/图2(A,B)),较健康对照组减低12.2%。中央前回厚度存在组间差异。

对于疼痛型DSP,足部诱发疼痛评分与S1皮质厚度中度显著相关(图2C)。NCS(神经病变综合)评分与S1皮质厚度呈显著负相关(图2D)。大腿部诱发疼痛评分与皮质厚度无显著相关。

表3. 脑体积(ml, 周围灰质、总灰质、全脑)Mean(SD); 双侧局部皮质厚度(mm,中央后回,中央前回,脑岛);深部大脑核团(cm3,丘脑、尾状核)

图2.(A)(B)中央前回、中央后回皮层厚度(mm)各组箱须图(中位数、四分位数);(C)(D)疼痛型DSP(包括感知型与无感知型)S1皮质厚度与足部疼痛分数、神经病变综合得分(NCS)Spearman等级相关。

fMRI结果:

疼痛型DSP无感知组S1皮质厚度下降最大,同时伴随功能改变。右侧足部热刺激引起左侧初级躯体感觉皮层、丘脑、脑岛、前扣带BOLD信号增加,大腿热刺激激活区域与之相似(补充材料图3)。刺激足部及大腿显示对侧S1皮层由外侧向内测激活模式,与感觉分布映射图一致。S1激活空间位置即激活峰值的欧式距离在四组间无显著差异。

在足部刺激(图3)与大腿热刺激(图4)中,疼痛型DSP无感知组BOLD信号较其他三组存在显著差异。这一结果可能表明,疼痛型DSP无感知组存在显著S1功能重组,由下肢感觉区域向上(脸部唇部)扩展。脸/唇区域信号强度与神经病变严重程度、神经性疼痛评分、足部诱发痛评分、S1皮质厚度存在显著相关(补充材料图4)。

图3. 足部热刺激任务基于体素的全脑分析结果,疼痛型DSP无感知型较(A)健康志愿者;(B)糖尿病无周围神经病变;(C)非疼痛型DSP;(D)疼痛型DSP有感知型。激活图Z>1.5,通过FEW校正。第一列蓝圈为S1区域内各组激活峰值显著强于疼痛型DSP无感知型;第二列蓝圈疼痛型DSP无感知型S1区域激活峰值强于其他各组。箱图显示蓝圈内激活信号强度变化百分数的中值、四分位数间距、最小值和最大值。疼痛型DSP无感知型显示足部侧缘向脸部/唇部移动。采用Mann–Whitney U 检验(双边,p<0.05)

图4. 大腿热刺激任务组分析,疼痛型DSP无感知型较(A)健康志愿者;(B)糖尿病无周围神经病变;(C)非疼痛型DSP;(D)疼痛型DSP有感知型。

补充材料图3.糖尿病无周围神经病变组对右足部(A)及大腿(B)热刺激显著激活脑区组分析结果图。ACC,前扣带皮层;CB,小脑;INS脑岛;PAG中脑脑导水管周围灰质;ParaCC 扣带旁回;PCC,后扣带;PFC,前额叶皮层;PCG,中央前回;Thal, 丘脑;S1中央后回。

补充材料图4.脸/唇部信号强度Z值与(A)NTSS-6神经性症状评分;(B)S1皮质厚度;(C)足部诱发疼痛;(D)NCS 神经病变综合评分;Spearman 等级相关。

总结:本文通过对糖尿病性远端对称性多发性周围神经病变患者根据痛觉感知进行详细的临床表型分类,从而研究了不同的DSP疼痛亚型与躯体感觉皮层改变之间的病理生理关系。研究中详细的研究方案设计与谨慎的统计方法选择是文章的亮点之一,其研究结果基本符合研究假设也表明了作者假设提出的科学性。其在44名明确分型的被试中,发现了躯体感觉皮层存在显著的解剖及功能变化。这一结果表明了DSP患者大脑的动态可塑性由神经病理过程所驱动,这一研究结果可能会在未来促进不同的DSP疼痛亚型与躯体感觉皮层改变之间的病理生理因果关系的明晰和建立。

原文:

Structural and functional abnormalities of the primary somatosensory cortex in diabetic peripheral neuropathy: a multimodal MRI study

D Selvarajah, ID Wilkinson, F Fang, A Sankar… - Diabetes, 2019 - Am Diabetes Assoc

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原文发表时间:2019-07-27

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