慧創(chuàng)近紅外腦功能助力北京師范大學(xué)與北醫(yī)六院聯(lián)合發(fā)表ADHD兒童腦網(wǎng)絡(luò)研究SCI論文

喜報(bào)頻傳，北京師范大學(xué)牛海晶教授與北醫(yī)六院錢秋瑾教授合作在《Neurophotonics》發(fā)表了題為“Disrupted functional brain connectivity networks in children with ADHD: evidence from resting-state fNIRS”的研究論文，揭示了ADHD兒童近紅外腦功能網(wǎng)絡(luò)異常?；蹌?chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirScan的高通道、高靈敏度技術(shù)優(yōu)勢(shì)，助力該研究將近紅外探頭陣列同時(shí)覆蓋到前額葉、顳葉、頂葉、視覺區(qū)，進(jìn)而在全腦區(qū)精細(xì)探究ADHD兒童靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)規(guī)律。

慧創(chuàng)近紅外腦功能成像系統(tǒng)NirScan

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摘要：

多動(dòng)癥是一種常見的兒童精神疾病，現(xiàn)有的神經(jīng)影像學(xué)診斷技術(shù)由于其對(duì)于運(yùn)動(dòng)的零容忍使得對(duì)多動(dòng)癥兒童的腦部掃描及其困難，不利于疾病的診斷和后續(xù)治療。

這項(xiàng)研究中，我們利用靜息態(tài)功能近紅外成像技術(shù)檢測(cè)多動(dòng)癥兒童的自發(fā)腦活動(dòng)。通過腦功能連接計(jì)算和圖論分析來探究患者腦網(wǎng)絡(luò)全局和局部性能的改變并對(duì)這些腦網(wǎng)絡(luò)特征與臨床表現(xiàn)之間的相關(guān)性進(jìn)行評(píng)定。研究結(jié)果表明多動(dòng)癥患者的功能連接和整體網(wǎng)絡(luò)效率都顯著下降，同時(shí)各網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)效率也發(fā)生相應(yīng)改變，視覺網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)效率升高，軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)效率則下降，另外缺失的功能連接和節(jié)點(diǎn)效率與ADHD的臨床評(píng)分顯著相關(guān)。

材料和方法

參與者：30個(gè)ADHD患者（男，7-12歲，22個(gè)ADHD-I型和8個(gè)ADHD-C型），30個(gè)性別、年齡、教育程度匹配的健康對(duì)照(Healthy Controls, HCs)。

fNIRS數(shù)據(jù)采集：通過丹陽(yáng)慧創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備有限公司近紅外腦功能成像裝置NirScan實(shí)現(xiàn)，使用24發(fā)射探頭和28接收探頭，組成超過80個(gè)有效通道，覆蓋幾乎整個(gè)大腦（前額葉、顳葉、頂葉、視覺區(qū)），光源探測(cè)器間距為3cm，探頭排布參考10-20腦電系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集時(shí)要求被試靜坐，閉眼，但不能睡覺，采集12min的近紅外數(shù)據(jù)，隨機(jī)挑選一個(gè)被試，在上述通道位置放維E膠囊，進(jìn)行MRI結(jié)構(gòu)成像獲得各通道的空間坐標(biāo)，根據(jù)獲得的空間坐標(biāo)將各通道對(duì)應(yīng)到Yeo et al.的網(wǎng)絡(luò)模板中，將各通道劃分為六個(gè)功能網(wǎng)絡(luò)，并用不同的顏色標(biāo)識(shí)不同的網(wǎng)絡(luò)（如圖一所示）。

圖一 fNIRS采集、探頭排布、功能網(wǎng)絡(luò)劃分

研究方法：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括帶通濾波（0.01-0.1）處理，ICA除噪等，選取8min穩(wěn)定氧合血紅蛋白濃度信號(hào)用于后續(xù)腦連接和腦網(wǎng)絡(luò)分析。對(duì)每個(gè)被試求取通道時(shí)序信號(hào)間的相關(guān)系數(shù)矩陣，以0.2為稀疏度閾值構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)，分別計(jì)算全局、局部和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)效率等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，應(yīng)用基于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)變化的連接進(jìn)行探究，并將變化的連接分為同位連接、半球內(nèi)連接和異位連接。計(jì)算改變的腦功能連接及腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與ADHD臨床表現(xiàn)之間的相關(guān)性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、人口學(xué)參數(shù)和量表評(píng)分統(tǒng)計(jì)結(jié)果

人口統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)和臨床評(píng)分的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。HC組和ADHD組的年齡和IQ無顯著差異，但ADHD組癥狀評(píng)估的量表評(píng)分均顯著大于HC組。

2、功能連接變化

ADHD組的組平均功能連接強(qiáng)度（0.37±0.13）遠(yuǎn)低于HC組（0.42±0.14），且ADHD組連接強(qiáng)度低于0.4的人數(shù)遠(yuǎn)大于HC組。兩組連接空間分布相似。（如圖二所示）。ADHD兒童大腦功能連接顯著降低(p < 0.05)，降低的連接主要涉及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)、視覺網(wǎng)絡(luò)以及背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（如圖三所示）。顯著變化的半球內(nèi)功能連接主要位于右半腦；顯著變化的異位功能連接主要是右半腦的額頂網(wǎng)絡(luò)、軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與左半腦的頂葉和視覺皮質(zhì)間的連接。

圖二ADHD和HC組的功能連通性

圖三 ADHD兒童大腦內(nèi)顯著降低的功能連接。功能連接分為對(duì)稱連接（左）、半球內(nèi)連接（中）和半球間非對(duì)稱連接（右）三組顯示。

3、腦網(wǎng)絡(luò)形態(tài)變化

如圖四所示，ADHD兒童相比正常兒童大腦網(wǎng)絡(luò)全局效率顯著降低(圖四a)，這表明ADHD兒童大腦全局信息整合能力較正常兒童發(fā)育滯后；局部網(wǎng)絡(luò)二者無顯著差異，這表明ADHD兒童局部信息處理能力與正常兒童發(fā)展一致；在大腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)效率方面， 與正常兒童相比，ADHD兒童表現(xiàn)出既有明顯降低（如右半球上軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和額頂葉網(wǎng)絡(luò)）的節(jié)點(diǎn)，也有明顯升高的節(jié)點(diǎn)（如左半球視覺和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)的部分節(jié)點(diǎn)）。根據(jù)ADHD的雙通路模型，這一結(jié)果可能揭示了ADHD兒童的反應(yīng)抑制缺陷以及在視覺和注意上的信息過載。

圖四 全局網(wǎng)絡(luò)效率、局部網(wǎng)絡(luò)效率，節(jié)點(diǎn)效率對(duì)比。

4、功能連接/網(wǎng)絡(luò)特征與臨床癥狀間的相關(guān)性

變化的功能連接與臨床癥狀的相關(guān)性見圖五，左側(cè)額頂葉和右側(cè)軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接（a圖中綠線）、右側(cè)額頂葉-右視覺網(wǎng)絡(luò)連接（a圖中棕線）等與超活動(dòng)評(píng)分、總評(píng)分顯著負(fù)相關(guān)；網(wǎng)絡(luò)特征與臨床評(píng)分的相關(guān)性結(jié)果見圖六，右側(cè)軀體運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)效率與超活動(dòng)評(píng)分、總評(píng)分均顯著負(fù)相關(guān)

圖五 ADHD兒童腦功能連接與其癥狀表現(xiàn)的關(guān)系。

結(jié)論

本研究中，作者利用FNIRS技術(shù)探究ADHD患者腦功能連接和腦網(wǎng)絡(luò)變化規(guī)律，從連接組學(xué)這個(gè)新興視角揭示了ADHD兒童大腦網(wǎng)絡(luò)具有異于健康兒童的發(fā)育模式。該結(jié)果與以往基于磁共振影像的ADHD研究結(jié)論基本一致，表明了rs-fNIRS與連接組學(xué)方法相結(jié)合在探索ADHD兒童腦網(wǎng)絡(luò)研究上的可行性和潛在價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

Wang Mengjing, Hu Zhishan , Liu Lu, Li Haimei, Qian Qujin, Niu Haijing. Disrupted functional brain connectivity networks in children with attention-deficit/hyperactivity disorder: evidence from resting-state functional near-infrared spectroscopy[J]. NeuroPhotonics, 2020.