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2014年12月09日 ;83 (24) 文章 开放获取

改变功能连通性在癫痫发病区揭示了fMRI内在连接

奠基石Woon李,Jagriti Arora,色诺芬Papademetris,Fuyuze Tokoglu,Michiro根岸英一,达斯汀Scheinost,Pue Farooque,哈尔Blumenfeld,丹尼斯·d·斯宾塞,r·托德·康斯特布尔
第一次出版2014年11月12日, DOI: https://doi.org/10.1212/WNL.0000000000001068
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摘要目的:本研究的目的是调查功能连通性(FC)的变化由癫痫引起的网络棘手的部分癫痫从静息状态功能磁共振成像获得通过使用内在连接对比(ICC),分布网络测量的程度,反映了各体素的连接数量。

方法:我们测量intrahemispheric——interhemispheric-ICC (ICC之间的区别内部−国米),可以揭示局部连接异常致癫痫的区域而更多全球网络的变化将被消除时减去这些值。国际刑事法庭内部−国米地图与癫痫发病区(但他)基于颅内脑电图(icEEG)录音在29日至少1年的患者手术后的后续。两个独立的评论者盲目地解释icEEG和功能磁共振成像数据,和各种临床因素的和谐率比较。

结果:icEEG但他和刑事法庭之间的一致性内部−国米地图在72.4%(21/29)的患者,这是更高的患者的手术结果好,特别是在患者颞叶癫痫症(框架)或侧颞本地化。和谐也在extratemporal叶癫痫比框架组。在85.7%(18/21)的情况下,国际刑事法庭内部−国米但他值为负,表明减少FC在癫痫脑半球之间的相对。

结论:评估改变FC使用fMRI-ICC地图可以帮助定位,但他有潜力为那些将要动手术的无创性诊断工具来提高手术结果。此外,该方法显示,在局灶性癫痫,intrahemispheric和interhemispheric-FC可能改变了,在这两个区域的存在以及全球网络异常。

术语表

CI=
置信区间;
ETLE=
extratemporal叶癫痫;
易之=
病灶;
足球俱乐部=
功能连通性;
视场=
的视野;
国际刑事法庭=
内在连接的对比;
icEEG=
颅内脑电图;
MNI=
蒙特利尔神经学研究所;
MPRAGE=
magnetization-prepared快速梯度回波的收购;
rs-fMRI=
静息状态功能磁共振成像;
但他=
癫痫发病区;
TE=
回声的时间;
框架=
颞叶癫痫;
TR=
重复的时间

癫痫可以概念化作为网络障碍,可能涉及不仅由癫痫引起的地区,而且远程皮质。1,2考试由癫痫引起的网络可以提供更好的理解癫痫生成和传播到其他大脑区域。此外,了解网络属性可以帮助指导更好的术后结果难治性癫痫的外科手术。连接的各种措施被用来更好地理解由癫痫引起的网络。2,- - - - - -,6

功能连通性(FC)测量静息状态功能磁共振成像(rs-fMRI)数据可以提供新的见解由癫痫引起的网络。7先前的研究在局灶性癫痫,主要关注内侧颞叶癫痫(框架),报道变量结果:FC通常下降但有时增加癫痫焦点,也改变了在颞侧和其他皮质。8,- - - - - -,16检查FC变化可能有助于定位病灶(EZ)。17然而,很少有rs-fMRI研究相比,这直接与手术后的结果。

fMRI FC分析应用于本地化的EZ无论发作重点需要分布分析方法,该方法不依赖于先验假设感兴趣的特定区域。由癫痫引起的同侧或对侧的网络节点可能涉及没收焦点,因此网络属性可能导致intrahemispheric和interhemispheric-FC变化。7区分没收重点从其他远程大脑区域的变化,对比intrahemispheric interhemispheric-FC被引入。intrahemispheric差异——interhemispheric-FC地图与癫痫发病区(但他)确定基于颅内脑电图(icEEG)癫痫手术患者的记录。我们还比较了和谐率在各种临床因素的子组。

方法

科目。

我们回顾性分析数据来自29个棘手的部分癫痫患者。患者入选标准是(1)被称为解剖MRI和rs-fMRI 2004年10月至2011年2月,(2)随后icEEG发作后癫痫手术记录,和(3)至少有1年的手术后的后续。病人的数据与85年相比正常健康志愿者(男/女= 44:41,平均年龄为34.7±11.3年)。

标准协议的审批、登记和病人同意。

从所有参与者获得书面知情同意。本研究是人类临床实验的委员会批准的耶鲁大学医学院。

数据采集。

所有患者2 8的rs-fMRI使用3 t磁共振扫描器(德国西门子三,西门子医疗、埃朗根)或1.5 t磁共振扫描器(西门子奏鸣曲)之间的短暂休息(不到一分钟)自由运动的构件提供高质量的数据。图像与一个echoplanar成像序列获得两秒钟重复时间(TR)、30-millisecond回波时间(TE), 256毫米的视野(FoV), 90°角翻转,64×64矩阵尺寸,4×4毫米的平面分辨率,图像和4毫米片厚度没有差距,产生了220卷。每个控制主体都有8分rs-fMRI使用相同的3 t磁共振扫描器成像参数。

解剖图像获得的二维(300毫秒TR, 2.43毫秒TE, 60°翻转角度)和三维t1矢状magnetization-prepared快速采集与梯度回波(MPRAGE)序列(2530毫秒TR 3.34毫秒TE 7°翻转角度)与256毫米FoV, 256×256矩阵大小,1毫米厚度,和176连续切片。

FC使用内在连接的对比分析。

计算的内在连接对比度(ICC-dth)测量,rs-fMRI大胆的时间之间的相关性的参考体素和所有其他灰质确定体素,和这种相关性的数量高于相关阈值(> 0.25)被用作衡量的程度反映了网络连接。18

首先,2 ICC-dth地图是计算每个体素预处理后捕获半球FC上的差异。第一个图是体素的连接在侧半球(ICC内部)。第二个地图是体素的连接侧半球(ICC国际米兰)。地图都是为每个体素生成灰质。最后,地图是由减去ICC的区别国际米兰从刑事法庭内部(ICC内部−国米)抵消了全球网络的更改(图1)。ICC值归一化以适应与零均值高斯分布和统一的方差,并与6毫米高斯平滑的内核。计算组统计、单主题结果归一化到蒙特利尔神经学研究所(MNI)标准模板使用intensity-only组件中实现BioImage套件软件(www.bioimagesuite.org)。19,20.

图1
图1 图总结了国际刑事法庭的预处理步骤,创建地图比较icEEG但他

国际刑事法院为每个立体像素测量,反映出各体素的连接数量与所有其他体素的灰质在同一个半球(intrahemispheric)或半球之间(两半球间的)。经过规范化的国际刑事法庭地图与对照组,受试的区别intrahemispheric——interhemispheric-ICC (ICC内部−国米)与icEEG相比,但他在个别病人。ICC =内在连接的对比;icEEG =颅内脑电图;rs-fMRI =静息状态功能磁共振成像;但他=癫痫发病区。

每个病人和85之间的差异控制使用一组受试者识别t测试(p< 0.05 family-wise纠错,20-voxel集群阈值)。国际刑事法庭内部−国米地图最初创建一个阈值t在每个病人值为2.0,然后逐步的调整t值为0.05时更高的门槛,如果地图显示弥漫性和广泛的变化,或到一个较低的阈值是否透露了微妙的变化。可靠的地区刑事法庭差异识别解剖使用Talairach守护进程地图集21改造后MNI坐标到Talairach坐标纠正使用非线性变换。22

解剖定位的三维电极位置和coregistration ICC的地图。

颅内电极(Ad-Tech医疗器械公司,拉辛,WI)被植入手术的一部分。所有患者进行了预处理和术后MRI和CT扫描与硬膜下电极。MRI进行如上所述,以及Lightspeed CT(西门子医疗)完成参数120千伏峰值,600毫秒/ 220 mA,螺旋/ 64模式,1.5 mm厚度没有差距,和260×220毫米视场。电极位置被确定使用术后CT和术后MRI术前MRI和注册,23然后coregistered MPRAGE个别病人使用BioImage套件的形象。19这一系列注册允许coregistered电极位置和ICC地图并显示在个人的MPRAGE图像(图1)。

icEEG但他的身份。

所有患者接受icEEG记录使用128 -通道video-EEG监测设备(Mundelein的生物逻辑的造物九律系统Corp .), IL)与16位A / D转换、256 hz抽样,90 - db共模抑制比,0.1 -∼70 hz的带通滤波器。首先,综述了icEEG另外,忽视其他临床信息,由2专家神经学家(H.W.L.和功率因数)来识别但他使用传统icEEG视觉分析。如果结果不同意,2评论者讨论达成最终共识或宣布案件nonlocalizing如果他们不能本地化但他或未能达成协议。

icEEG但他和fMRI-ICC地图之间的一致性。

fMRI-ICC地图之间的和合率是评估和icEEG但他不是在术后切除皮质区成像。这是因为并不是所有的患者术后MRI(其中一些术后CT相反)和一些患者单纯横断面有或没有局部手术切除,因为皮质区域包括一个功能的区域。ICC地图的结果分别解释2评论者(H.W.L.和R.T.C.)对所有其他临床资料也不清楚。fMRI-ICC地图提出了分开的2评论者,在患者随机顺序。在与多个皮质区域混合增加或减少ICC的变化,只有大脑皮层区域显示最大的集群与峰值强度的区别考虑。以同样的方式至于icEEG,如果2个审稿人不同意,他们讨论了案例nonlocalizing达成共识或分类。

icEEG但他和fMRI-ICC地图,评审人员解释异常的皮质定位到一边,大叶性或sublobar。这些模式之间的一致性决定coregistered三维大脑表面呈现的电极位置和ICC地图在每个病人。一致性决定只有当但他和ICC变化之间有空间重叠区域在同一sublobar位置。手术根据恩格尔分类结果确定24国际抗癫痫联盟的结果和标准。25

统计分析。

评估每个测试方法的可靠性,评论者之间的协议利率计算基于他们最初独立解释使用科恩κ系数。可靠性icEEG但他之间的一致性和ICC地图确定基于使用广义κ-type统计最后的共识。26的χ2测试使用比例比较一致率子组患者的各种临床因素包括手术结果和最终的定位。统计结果计算使用占据10.0 (StataCorp、大学城、TX)κ系数和SPSS 16.0.0 (SPSS Inc .,芝加哥,IL)为其他测试,p< 0.05被认为是重要的。

结果

患者14男性和15个女性,年龄范围的7到55岁(平均29.4±11.3)。框架有患者13和16 extratemporal叶癫痫(ETLE),平均12.4±8.1岁癫痫发作和癫痫持续时间13.9±7.4年(表1)。ICC的评分者间信协议内部−国米解释是89.7%(κ= 0.66,95%可信区间[CI] = 0.31 - -1.00),这是可比的icEEG但他(协议利率93.1%,κ= 0.79,95% CI 0.51 - -1.00)。国际刑事法庭内部−国米地图显示局部变化在23个29病人。其中,21患者显示一致性的刑事法庭内部−国米地图与icEEG但他(91.3%,κ= 0.76,95% CI 0.44 - -1.00)。

把这个表:
表1

所有患者的临床资料和颅内脑电图癫痫发作和fMRI-ICC地图之间的一致性

与和谐的18例(18/21,85.7%),国际刑事法庭内部−国米是负面的,但他表示减少FC在癫痫脑半球之间的相对。与和谐其余3例(3/21,14.3%)有积极的ICC的价值观内部−国米但他,表明两半球间的FC低于intrahemispheric FC。

具有代表性的例子所示图2和图3。患者5表1在国际刑事法庭与框架lesional负值内部−国米地图在左外侧颞皮层区域匹配与icEEG但他下方压迫边界的结构损伤(图2),表明较低的连接在癫痫脑半球之间相对于这个地区。相比之下,患者14 lesional ETLE对国际刑事法院积极的价值观内部−国米地图在正确的parietooccipital但他(图3),表明低两半球间的相对于intrahemispheric FC。这两个病人手术后癫痫免费。

图2
图2 icEEG但他/ ICC的例子内部−国米地图比较在一个15岁的男性lesional颞叶癫痫

患者5 (表1)与血管瘤显示负值国际刑事法庭内部−国米地图下方压迫边界的结构性病变在左外侧颞区顶部和底部图片左边和中间上图。这是整合与icEEG但他见三维核磁共振成像表面呈现在右上角(标记为粉红色)和右下角icEEG发现(红色箭头标志着癫痫发作)。彩条右边的ICC地图表示t得分差异intrahemispheric——interhemispheric-ICC值。国际刑事法院的结果映射和icEEG但他认为在左外侧颞叶病灶,这病人切除以来一直控制发作。ICC =内在连接的对比;icEEG =颅内脑电图;但他=癫痫发病区。

图3
图3 icEEG但他/ ICC的例子内部−国米映射在一个33岁的女人比较lesional extratemporal叶癫痫

病人14 (表1)与右parietooccipital叶癫痫显示积极的价值观在国际刑事法庭内部−国米地图在正确的parietooccipital地区图片左边和顶部和底部中间上图。这与之很好匹配icEEG但他所示MRI三维表面呈现在右上角(标记为粉红色)和右下角icEEG发现(红色箭头标志着癫痫发作)。彩条右边的ICC地图表示t得分差异intrahemispheric——interhemispheric-ICC值。国际刑事法院的结果映射和icEEG病灶是正确的但他认为parietooccipital叶,这个病人已经控制发作自本地区的切除。ICC =内在连接的对比;icEEG =颅内脑电图;但他=癫痫发病区。

整个icEEG但他和刑事法庭之间的一致性内部−国米地图是患者良好的手术结果高于那些可怜的结果(93.3% vs 50.0%)。框架患者尤其如此(85.7% vs 50.0%)和侧颞癫痫定位(80.0% vs 0%)。和谐也在ETLE比框架组(93.8% vs 46.2%,χ2= 8.134,p= 0.010)。值得注意的是,在ETLE无论发作的结果一致性很好(100% vs 87.5%),而在框架,这是良好的结果比贫穷的结果(85.7% vs 0%) (表2)。没有具体的趋势也发生在其他患者亚组(表2、表上e 1首页®网站首页Neurology.org)。

把这个表:
表2

一致几率颅内脑电图癫痫发作和fMRI-ICC地图在不同临床条件下根据手术后的癫痫发作的结果

讨论

这项研究表明FC映射在体元层面,基于rs-fMRI数据,可能提供额外信息的识别易之,可能改善手术结果。(ICC intrahemispheric——和interhemispheric-ICC之间的差异值内部−国米)被映射,而icEEG但他29癫痫手术的病人。本研究的主要发现如下:(1)icEEG但他和刑事法庭之间的一致性内部−国米观察地图在72.4%(21/29),(2)刑事法庭内部−国米地图,但他表现出较低的FC在癫痫脑半球之间相对于85.7%(18/21),和(3)一致性较高患者良好的手术结果(特别是那些有框架和侧颞癫痫定位)和框架还在ETLE比组。我们的研究结果表明,这种方法可以添加另一个维度的信息检查患者癫痫手术的候选人。

大多数rs-fMRI部分癫痫的研究,主要针对框架内侧,报道FC减少,6,8,9,14,16但是一些研究表明增加连接。11,17除了没收焦点的变化,侧颞皮质变化或远程报道。6,12,13,15,16这些发现可能与病人的可变性异质性或方法学的差异。只有少数皮层癫痫患者(包括主要框架组)研究了rs-fMRI为止。4,17变化在偏远地区癫痫的焦点或侧半球也被报道在其他人类研究使用不同的神经影像等形式的宠物。27,28癫痫病灶外的变化机制并不完全清楚,但频繁的癫痫合并神经行为异常的传播和可能的补偿机制的建议。29日一项研究使用破伤风毒素焦皮层癫痫大鼠模型,病因和没收的焦点在哪里控制在所有的动物都是相同的,表明两半球间的减少,但增加intrahemispheric FC在癫痫和nonepileptic半球,但是这些改变随着时间的推移改变。30.在这个局灶性癫痫模型,功能改变观察并不局限于癫痫的焦点,但在多个脑区,支持区域和全球变化的可能性发生在皮层癫痫。

有点违反直觉,但他站的位置时减去从intrahemispheric-ICC interhemispheric-ICC我们大部分的病人。这一发现表明,FC EZ的变化特征不同的癫痫脑内或半球之间,虽然FC在癫痫灶是癫痫和侧半球内的相对稳定。FC可能以不同的方式影响当比较本地和远程连接(例如,前者更epileptogenesis本身有关,而后者与更多的全球网络属性)的变化。

最近的证据表明,基于FC的一侧指数可以帮助预测手术结果EZ但这并不提供信息。4在目前的研究中,我们检查了FC变化是否可以本地化癫痫手术患者的价值。icEEG但他和fMRI FC变化之间的一致性进行了分析调查这些FC变化是否真正代表EZ。我们发现2模式之间的和合率较高的患者良好的手术结果。值得注意的是,ETLE不管手术结果一致性很好,而在病童,这是更高的患者很好的结果。这些发现表明,这种FC映射方法可能有助于改善癫痫定位子组的患者,否则贫穷的结果。

基于图论的网络分析的各种方法被用来评估FC在癫痫网络。3,6,- - - - - -,17,31日,32最近的一项研究显示增加了FC icEEG但他当使用局部FC措施关闭大脑皮层区域内。17在目前的分析,我们使用国际刑事法庭内部−国米地图,因为这突出局部变化而个人国际刑事法庭内部和刑事法庭国际米兰地图显示弥漫性和双边在大多数情况下改变不足的本地化。健康正常的脑组织通常显示在半球内连接,减少侧半球连接。7相比之下,国际刑事法庭的负值内部−国米的EZ在大多数病人可能表明少FC。传统上,发作癫痫样的排放特征观察脑电图上增加了同步EZ。33,34之前的研究使用头皮或icEEG报道增加连接在发作的焦点,但减少了连接外部框架的焦点11,35和ETLE。36其他几个研究已经挑战了这个经典视图显示脑电图活动的同步和/或相关动态改变随着时间的推移,甚至减少癫痫发作。37我们的研究表明,癫痫脑连接展品低于对侧的一面,尽管这并不意味着绝对的变化。评估,未来的研究需要更大更均匀组患者。

本地化ICC变化的困难之一是,国际刑事法庭地图经常显示多病灶的皮质的变化除了那些匹配的但他的领域。目前还不清楚在这个时候是否多个焦点区域(1)的结果从一个由癫痫引起的网络,而不是一个癫痫焦点,(2)反映功能变化的其他方面如共病神经行为异常,31日,38(3)工件之间的相关分析方法需要进一步的技术改进,或(4)由于上述的组合。下一个合乎逻辑的步骤,充分考虑所有的可能性将是执行网络分析(使用相同的rs-fMRI数据)在这些多个节点来确定中央节点和其他网络属性和关联这些详细的临床资料。然而,这种方法的整体有效性仍在调查之中,需要进一步的研究来开发一个自动的、可量化的方法来选择感兴趣的重要连接集群。

FC测量使用rs-fMRI有潜力提供了一种新颖的非侵入性方法来定位但他那些将要动手术的评估。在我们的研究中,icEEG但他和fMRI-ICC地图之间的和合率是患者更好的好结果,表明这种方法可能是有用的作为一个生物标志物反映epileptogenesis也提前预测手术结果在规划癫痫手术。例如,大脑区域显示刑事法庭更改被切除的病人完全将有更好的手术结果。虽然仍在开发的早期阶段,进一步验证棘手的部分癫痫患者,这种方法最终可能是有用的临床和科学用途,特别是那些将要动手术评估的一部分。我们希望我们的研究代表了一种进步发展中临床有用的分析范式使用fMRI-based内在连接测量。

作者的贡献

奠基石Woon李:设计和研究的概念化设计、主题选择、分析和解释数据,统计分析,起草和修改手稿。Jagriti Arora:数据收集、分析的功能磁共振成像数据,统计分析,修改手稿。色诺芬Papademetris:功能磁共振成像数据分析和修改手稿。Fuyuze Tokoglu:数据收集和分析的功能磁共振成像数据。Michiro根岸英一:数据收集和分析的功能磁共振成像数据。达斯汀Scheinost:功能磁共振成像数据分析和修改手稿。icEEG的Pue Farooque:分析、解释数据,并修改手稿。哈尔Blumenfeld:话题选择、数据收集、解释icEEG数据,修改手稿。丹尼斯·d·斯宾塞:数据收集、分析icEEG数据,修改手稿。r·托德警员:研究设计,功能磁共振成像数据的解释和修改的手稿。

研究资金

李博士是由基础科学研究项目通过韩国国家研究基金会(NRF)的科学,信息通信技术,和未来规划(NRF - 2011 - 0015788和2014 - r1a2a1a11052103),和全球前5名梨花格兰特2011韩国梨花女子大学。Blumenfeld博士是由美国国立卫生研究院拨款NS055829。警察是由美国国立卫生研究院拨款EB009666-02博士。

信息披露

作者报告没有披露相关的手稿。去首页Neurology.org为充分披露。

脚注

  • 去首页Neurology.org为充分披露。资金信息和披露认为作者相关的,如果有的话,年底提供这篇文章。本文所支付的加工费是内部资金的诊断放射学,耶鲁大学医学院的。

  • 补充数据首页Neurology.org

  • 收到了2013年5月31日。
  • 接受的最终形式2014年9月11日。

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