Brain：急性缺血性脑卒中大脑运动网络的瞬态变化

急性缺血性脑卒中扰乱了健康的大脑组织，促进了后续的可塑性和重组，以代偿特定神经的组织和功能损伤。之前的静息状态下的功能性核磁共振研究已经通过估计中风引起的持续几分钟的网络连接变化。这加深了我们对大脑重组的理解。

图1内在连通性网络和网络间分析。 (A)所有样本的13个独立成分的空间图(31例缺血性脑卒中患者和17例健康对照组)。(B)独立成分之间的静态功能网络连接，总共产生78对连接。

在这项研究中，我们对静息状态功能性核磁共振进行动态分析来增加时间分辨率，并探讨急性中风患者的运动网络的瞬态情况。

为此，我们收集了31例急性缺血性脑卒中患者和17例年龄匹配的健康对照者的静息状态功能性MRI数据。中风患者表现为中度至重度手部运动障碍。通过估计滑动窗口框架内的动态功能连接性，我们确定了与运动相关的网络的三种不同的连接性状态。运动网络被分为三个区域，即皮层域、皮层下域和小脑域(图1)。

图2 动态功能网络连通性分析。(A)由此产生的三种连接状态及其跨组频率。第一种状态的特征是所有区域(感觉运动(SMN)、皮层下(SC)、小脑(CB))的域内连接高度阳性，而域间连接高度阴性。以曼哈顿距离衡量，它是最像静态连接矩阵的状态。第二种也是最常见的状态是感觉运动区域内的连通性相对较低，尤其是腹侧中央前部分区和中央旁小叶与进一步的感觉运动分量之间的连通性。域间连接大部分是中性的。第三种状态包括感觉运动域和皮层下域与小脑域的正的域内连接、负的域间连接，而感觉运动域和皮层下域之间没有连接。(B)肘部准则。集群有效性指数随集群数量增加的轨迹，即k-means集群中的k(上)和给定数量集群的集群分布(下)。(C)这三个子群的连通性分别表示。

脑卒中患者的动态连接模式与健康对照组不同，这取决于初始运动障碍的严重程度。中度受影响的患者(n=18)在连接度较低的弱连接状态下(包括局部连接和远处连接)停留的时间明显更长。相比之下，严重受影响的患者(n=13)表现出向空间隔离连接状态过渡的明显倾向。这种状态的特点是三个区域域内的局部连接水平特别高，以及跨域的远隔网络之间的存在反相关的连接（图 2）。

第三种连接状态与前两种连接状态相比，代表了一种中间连接状态，其主要内容是皮层运动网络之间的半球间连接减少，而与个体缺陷严重程度无关。因此，第三种状态的改变与先前报道的卒中后静息状态功能性MRI研究的改变非常相似。

图3 不同子组之间动态功能连接的差异。亚组特异性连接矩阵以及组内受试者进入这种状态的数量和百分比(左图)和显著的功能动态连接差异圆图(右图，事后t检验，P<0.05，经FDR多重比较校正。显著的差异也用连通性矩阵中的星号表示)。

(A和B)中度中风患者与健康对照组的差异。

(A)在状态2中，轻度中风患者病灶侧感觉运动区域和壳核后部的成分之间的连接强度较高(A)。

(B)在状态3的差异就像静态功能连通性分析。卒中患者的同侧和对侧感觉运动区之间的连接性明显较差，病灶侧感觉运动区与中央旁小叶和辅助运动区之间的连接性较差。

(C)状态3健康对照组与严重患者的差异。脑卒中患者表现为右侧感觉运动区和中央旁小叶区之间的连接性减弱，而前部的壳核成分和两个小脑成分之间的连接性增强。

(D)中、重度脑卒中患者的状态3存在差异。在中度中风患者中，同侧的、左侧感觉运动皮层-壳核、中央旁皮质-壳核和左侧小脑-前部壳核成分的连接强度较低。

总之，急性缺血性脑卒中不仅促使不同网络之间的连接发生变化，而且还根据个体缺陷的严重程度导致大规模网络交互的时间特性发生特征性变化。这些发现为研究脑卒中患者急性神经症状的动态神经机制、皮层重组和治疗效果提供了新的视角。

参考文献：

Bonkhoff et al. Acute ischaemic stroke alters the brain’s preference for distinct dynamic connectivity states. brain. 2020. doi:10.1093/brain/awaa101 

作者信息

 

编译作者：CholeFu（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

题图：Everyday Health

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