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

发表时间: 2021-06-23 17:28:10

作者: 丹阳慧创医疗设备有限公司

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北京师范大学牛海晶教授与北医六院钱秋瑾教授合作在《Neurophotonics》发表了题为“Disrupted functional brain connectivity networks in children with ADHD: evidence from resting-state fNIRS”的研究论文,揭示了ADHD儿童近红外脑功能网络异常。慧创近红外脑功能成像系统NirScan的高通道、高灵敏度技术优势,助力该研究将近红外探头阵列同时覆盖到前额叶、颞叶、顶叶、视觉区,进而在全脑区精细探究ADHD儿童静息态功能网络规律。

多动症是一种常见的儿童精神疾病,现有的神经影像学诊断技术由于其对于运动的零容忍使得对多动症儿童的脑部扫描及其困难,不利于疾病的诊断和后续治疗。

这项研究中,我们利用静息态功能近红外成像技术检测多动症儿童的自发脑活动。通过脑功能连接计算和图论分析来探究患者脑网络全局和局部性能的改变并对这些脑网络特征与临床表现之间的相关性进行评定。研究结果表明多动症患者的功能连接和整体网络效率都显著下降,同时各网络的节点效率也发生相应改变,视觉网络和背侧注意网络内的节点效率升高,躯体运动网络和默认网络的节点效率则下降,另外缺失的功能连接和节点效率与ADHD的临床评分显著相关。

参与者:30个ADHD患者(男,7-12岁,22个ADHD-I型和8个ADHD-C型),30个性别、年龄、教育程度匹配的健康对照(Healthy Controls, HCs)。

fNIRS数据采集:通过丹阳慧创医疗设备有限公司近红外脑功能成像装置NirScan实现,使用24发射探头和28接收探头,组成超过80个有效通道,覆盖几乎整个大脑(前额叶、颞叶、顶叶、视觉区),光源探测器间距为3cm,探头排布参考国际10-20脑电系统。数据采集时要求被试静坐,闭眼,但不能睡觉,采集12min的近红外数据,随机挑选一个被试,在上述通道位置放维E胶囊,进行MRI结构成像获得各通道的空间坐标,根据获得的空间坐标将各通道对应到Yeo et al.的网络模板中,将各通道划分为六个功能网络,并用不同的颜色标识不同的网络(下图)。


上图 fNIRS采集、探头排布、功能网络划分


研究方法:对数据进行预处理,包括带通滤波(0.01-0.1)处理,ICA除噪等,选取8min稳定氧合血红蛋白浓度信号用于后续脑连接和脑网络分析。对每个被试求取通道时序信号间的相关系数矩阵,以0.2为稀疏度阈值构建脑网络,分别计算全局、局部和节点网络效率等网络参数,应用基于网络的统计学方法对变化的连接进行探究,并将变化的连接分为同位连接、半球内连接和异位连接。计算改变的脑功能连接及脑网络参数与ADHD临床表现之间的相关性。


1.人口学参数和量表评分统计结果

人口统计学参数和临床评分的统计结果见表1。HC组和ADHD组的年龄和IQ无显著差异,但ADHD组症状评估的量表评分均显著大于HC组。


2.功能连接变化

ADHD组的组平均功能连接强度(0.37±0.13)远低于HC组(0.42±0.14),且ADHD组连接强度低于0.4的人数远大于HC组。两组连接空间分布相似。(如图二所示)。ADHD儿童大脑功能连接显著降低(p < 0.05),降低的连接主要涉及默认模式网络、视觉网络以及背侧注意网络(如图三所示)。显著变化的半球内功能连接主要位于右半脑;显著变化的异位功能连接主要是右半脑的额顶网络、躯体运动网络与左半脑的顶叶和视觉皮质间的连接。



上图 ADHD和HC组的功能连通性



上图 ADHD儿童大脑内显著降低的功能连接。功能连接分为对称连接(左)、半球内连接(中)和半球间非对称连接(右)三组显示


3.脑网络形态变化

如图四所示,ADHD儿童相比正常儿童大脑网络全局效率显著降低(图四a),这表明ADHD儿童大脑全局信息整合能力较正常儿童发育滞后;局部网络二者无显著差异,这表明ADHD儿童局部信息处理能力与正常儿童发展一致;在大脑网络节点效率方面, 与正常儿童相比,ADHD儿童表现出既有明显降低(如右半球上躯体运动网络、默认模式网络和额顶叶网络)的节点,也有明显升高的节点(如左半球视觉和背侧注意网络的部分节点)。根据ADHD的双通路模型,这一结果可能揭示了ADHD儿童的反应抑制缺陷以及在视觉和注意上的信息过载。


图四 全局网络效率、局部网络效率,节点效率对比


4.功能连接/网络特征与临床症状间的相关性

变化的功能连接与临床症状的相关性见图五,左侧额顶叶和右侧躯体运动网络连接(a图中绿线)、右侧额顶叶-右视觉网络连接(a图中棕线)等与超活动评分、总评分显著负相关;网络特征与临床评分的相关性结果见图六,右侧躯体运动网络内的一个节点的节点效率与超活动评分、总评分均显著负相关。


上图 ADHD儿童脑功能连接与其症状表现的关系


上图 右侧躯体运动网络节点效率与症状表现的关系


本研究中,作者利用FNIRS技术探究ADHD患者脑功能连接和脑网络变化规律,从连接组学这个新兴视角揭示了ADHD儿童大脑网络具有异于健康儿童的发育模式。该结果与以往基于磁共振影像的ADHD研究结论基本一致,表明了rs-fNIRS与连接组学方法相结合在探索ADHD儿童脑网络研究上的可行性和潜在价值。

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