基于静息态功能磁共振影像的肠易激综合征患者大脑动态功能连接研究

作     者：杨琳 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：姚志军

授予年度：2023年

学科分类：1002[医学-临床医学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 100201[医学-内科学(含：心血管病、血液病、呼吸系病、消化系病、内分泌与代谢病、肾病、风湿病、传染病)] 0802[工学-机械工程] 10[医学] 

主      题：肠易激综合征 脑-肠轴 动态功能连接 滑动窗分析 动态条件相关 

摘      要：肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)是最常见的功能紊乱性胃肠疾病之一。因其病因尚不明确,目前没有有效的治疗手段,给患者的生活带来极大的负面影响。研究发现,脑-肠轴双向作用紊乱在IBS的发病机制中起着重要的作用。大脑是人体最高级的器官,主导机体内一切生理活动。静息态功能磁共振影像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-f MRI)技术的兴起,给研究人员提供了绝佳的探究疾病异常大脑机制的机会。但现有IBS的rs-f MRI研究大多基于大脑功能连接(functional connectivity,FC)是静止不变的这一假设,忽略了时间维度上的动态特性。因此,如何有效地挖掘脑网络中蕴含的时间信息,捕获IBS的异常病理模式进而为临床诊断和治疗提供帮助成为了一个亟待解决的问题。基于以上背景,本文的研究工作可以分为两个部分:1.探究IBS患者功能脑网络动态性与肠道微生物异常,以及二者之间的关系。本研究共纳入33例IBS患者以及32例年龄、性别匹配的健康对照。首先采用组独立成分分析对全脑区域进行划分,确定47个独立成分,分别属于7个功能子网络。使用滑动窗分析构建动态功能脑网络,并采用K-means聚类提取在时间维度上自发重复出现的功能连接状态。探究在每个状态下时间属性以及FC时间变异性的组间差异,及其与临床量表评分的相关性。另外,基于粪便样本的16S r RNA基因测序分析肠道菌群的结构和组成,并探究其与异常大脑指标的关系。本研究确定了4个反复出现的瞬时功能连接状态,IBS患者在状态4下的时间分数与平均驻留时间显著升高,从状态3到状态1的转换次数显著降低。此外,在状态1与状态3下都发现了IBS患者降低的FC变异性。在状态1下,颞中回和辅助运动区之间的FC变异性与内脏敏感性指数呈显著负相关,海马与前扣带回和旁扣带回之间的FC变异性与IBS生活质量评分呈显著正相关。肠道微生物分析结果表明,IBS患者alpha多样性显著降低,在科水平及属水平上共发现9个差异物种。相关分析结果表明,差异物种丰度与异常FC变异性存在显著相关性。本研究的结果从动态的角度为IBS脑网络异常以及脑-肠轴紊乱提供了新的证据。2.引入自回归-动态条件相关(auto-regressive dynamic conditional correlation,AR-DCC)模型来构建时变功能连接,并结合K-means聚类来探究IBS脑网络的动态特性。AR-DCC模型不仅克服了滑动窗分析参数选择的缺点,而且使得估计出的DFC达到灵敏度和特异性的最佳平衡。本研究识别了4个反复出现的功能连接模式。IBS患者时间属性在多个状态下都存在异常,并且这些异常与抑郁评分显著相关。另外,在状态4下发现了IBS组若干FC变异性的降低,这可能与疼痛的“感知-传导-处理-调控回路的异常有关。结果表明,额中回与楔前叶在多个状态下表现出动态图论属性异常,并且这些异常与抑郁、焦虑等临床量表呈现显著相关关系,表明这些脑区可能在IBS异常的大脑机制中扮演着重要的角色。与滑动窗分析相比,AR-DCC模型所构建的动态功能连接能够揭示更多疾病相关的差异,并且这些差异能够更有效地区分患者与对照组。综上所述,挖掘rs-f MRI数据在时间维度上丰富的动态信息,探究IBS患者动态脑网络异常,有助于加深我们对IBS神经生理机制的理解,为未来IBS的临床诊断与治疗提供了参考。