文摘
摘要目的:定义功能网络变化特征MRI-negative颞叶癫痫与海马硬化(框架)和框架(HS-TLE)。
方法:我们研究了36个患者医学框架耐火单边,拥有一个正常的临床磁共振成像(n = 18)或单侧海马硬化(n = 18)。患者与健康对照组的年龄和性别(n = 27)。功能连通性在10分钟内任务状态的功能磁共振成像评估使用voxel-resolution图理论分析,使用程度的度量,聚类系数,特征向量,中间性中心。显著的集群和seed-based分析进一步探讨。
结果:MRI-negative框架显示减少连接身体的同侧的优越和中间暂时控制相比,脑回(减少特征向量中心)。没有检测到功能异常在中间的时间结构。相比之下,HS-TLE显示增加连接在前影响海马和丘脑(增加聚类系数)和减少ventromesial前额叶皮层的连接(减少介数中心)。使用检测到集群作为种子区域显示减少连接从僵化的海马体侧颞叶和区域的默认模式网络。
结论:MRI-negative框架与受损发作颞皮层的连接,边音的癫痫的一面。HS-TLE展示了一个不同的模式,与僵化的海马体的功能隔离和损伤的远程连接。这表明框架MRI-negative海马硬化的不仅仅是一个微妙的版本,而是一个独立的条件,包括不同的大脑网络。
术语表
- 功能磁共振成像=
- 功能磁共振成像;
- FWE=
- family-wise错误;
- 应用=
- 半宽度;
- 海关=
- 海马硬化;
- ROI=
- 感兴趣的区域;
- TE=
- 回声的时间;
- 框架=
- 颞叶癫痫;
- TR=
- 重复的时间;
- vmPFC=
- ventromesial前额叶皮层
MRI-negative颞叶癫痫(框架)包含一个重要的子群的颞叶癫痫患者,没有证据表明海马硬化(HS)或其他由癫痫引起的损伤对结构磁共振成像。框架相比,患者与HS (HS-TLE),这些患者通常有后癫痫发作,1发热性惊厥发生率低,2,3记忆功能的损害小,4和低利率的发作癫痫手术后的自由。5组织病理学可能是正常的或显示相对温和的海马神经元的损失,3和颞皮层正常或显示微妙dyslamination。6尽管HS-TLE癫痫出现类似,这些特征表明,不同的大脑网络框架MRI-negative可能受到影响。
任务状态功能磁共振成像(fMRI)被用来演示HS-TLE网络连接异常,特别是影响海马体,侧中间的时间结构,和默认模式网络。7,- - - - - -,11相比之下,一种独特的异常的网络连接在框架MRI-negative尚未确定。图论方法适合描述这样的网络异常。先前的分析框架中使用相对粗粒度的方法,被测信号在哪里第一次平均在大的领土。12,- - - - - -,16细粒度的方法计算单一分辨率的像素点是更多的计算量,但可以检测异常的小皮质和皮质下区域。17,18
这里我们应用voxel-wise图理论分析框架任务状态患者的功能磁共振成像数据调查在高空间分辨率相关的网络改变框架MRI-negative和如何将这些不同于HS-TLE的原型。
方法
参与者。
医学框架耐火单边患者招募从奥斯汀医院综合癫痫项目,墨尔本,澳大利亚,2009年和2015年之间。诊断是根据临床特征,头皮video-EEG记录癫痫,相等的核医学异常(摄影代谢减退或ictal-interictal SPECT hyperperfusion)。独立的左和右颞叶癫痫患者不包括在内。常规临床核磁共振成像进行癫痫与我们的协议19并通过neuroradiologist和epileptologist审查。患者只包括如果有特征的单边HS (HS-TLE),或者如果没有潜在致癫痫的结构异常(框架MRI-negative)。
27 HS-TLE患者和21例MRI-negative框架符合纳入标准,同意参加,功能磁共振成像。这些6 HS-TLE框架和2 MRI-negative参与者排除由于截断fMRI收购(< 10分钟)或多余的头部运动。为癫痫和性,平衡军团1男性参与者对框架MRI-negative和3女性参与者对TLE-HS被随机选择和排除在外。最后分析(表1)每个框架MRI-negative和HS-TLE包括18名参与者。一个匹配的27名健康对照组选择从历史fMRI军团,与分层磁共振扫描仪和性。这些集团大小类似于以前的功能磁共振成像研究,足够动力来检测HS-TLE的重要影响。7,- - - - - -,11
标准协议的审批、登记和病人同意。
该协议是由人类研究奥斯汀医院伦理委员会批准。所有的参与者,或其法定监护人在未成年人的情况下,给了知情同意。
磁共振成像采集和预处理。
MRI进行3 t西门子(德国埃朗根)蒂姆三或Skyra扫描仪,扫描仪的组织平衡使用。使用整个大脑静息状态的功能图像获得gradient-echo单发射击echoplanar成像序列(回波时间(TE) 30毫秒,重复时间(TR) 3000 ms,翻转85°角,矩阵72×72,在角+ 30°44轴向片,3毫米各向同性体素)。参与者被要求闭着眼睛,不睡着。总共有210卷中可用的所有参与者。t1 magnetization-prepared快速梯度回波图像也获得(TR 1900 ms,反转时间900毫秒,TE 2.6毫秒,翻转角度9°,0.9毫米各向同性体素)。海马体积的测定t1影像使用FreeSurfer 5.3。
功能数据调整片时机和头部运动,使用boundary-based登记解剖图像对齐,20.然后非线性扭曲一个对称的模板。删除虚假信号由于扫描仪人工制品,运动,和非神经生理过程进行传播有关2数据驱动的新颖组合去噪方法:袜子21和CompCor22(附录e 1首页Neurology.org)。前没有进行空间平滑连接图计算。
癫痫患者右侧,同等比例随机选择的控制,被翻转右到左对齐癫痫。
Voxel-wise图理论分析。
成立一个无向未加权的(二进制)图对于每一个个体,每一个节点内的体元对称灰质面具(51603像素点)。一对边添加所有体素之间的皮尔逊相关系数r>r阈值> 0。只保留最大连接集群。的值r阈值在每个保持一个常数计算的自适应边缘总数每图,确保个体差异是由于图形拓扑而不是图大小或边缘密度。我们经验选择意味着20边缘节点保持大部分的体素内的面具的联系。对每个人来说,voxel-wise地图计算程度,聚类系数,特征向量中心,中间性中心23(图1),这些指标分别对不同类型的网络异常敏感。
主要分析:比较voxel-wise图框架组织控制的指标。
voxel-wise图指标计算后,地图空间平滑改善参与者之间的功能对齐(高斯内核8毫米半宽度[应用]),然后rank-transformed正态分布。每个框架组与控制使用t测试对比单向协方差分析模型中每个图形指标,包括从左到右翻转和磁共振扫描仪不不感兴趣,和修正SPM8内空间异质性。24voxel-level意义阈值p< 0.001,集群级别p< 0.05,family-wise错误(FWE)纠正。在每个重要的集群感兴趣的区域(ROI)进行分析,通过提取意味着voxel-wise图每个度量值。值使用2-tailed每个参与者组比较t测试,p对所有的比较值纠正错误发现率。
探索左侧和右侧癫痫之间的差异,一个额外的分析与组织分区左HS-TLE HS-TLE,左框架MRI-negative,右MRI-negative和控制。F-contrast建模左和右癫痫(与框架MRI-negative HS-TLE中指定单独的行)并没有发现任何显著图的度量(所有集群pFWE> 0.36)。
二次分析:Seed-based功能连通性检测的集群。
seed-based分析被用来进一步探讨集群中发现主分析的连通性。预处理功能磁共振成像数据进行空间平滑高斯内核)(6毫米的半最大值宽度。当然每个种子区域内提取时使用第一个eigenvariate体素和相关活动。使用费舍尔关系转换r- - - - - - - - -z转换和SPM groupwise比较执行如上所述。
结果
参与者人口学和临床特点。
MRI-negative病童有癫痫发作比HS-TLE (2-tailed晚7.3年t测试p= 0.02),相应的癫痫持续时间较短(表1)。大多数病人服用2或3抗癫痫药物;卡马西平、levetiracetam和拉莫三嗪是最常见的。Patient-reported发作频率不是不同组(p= 0.8)。发作频率临床头皮脑电图痫性放电,获得外部的核磁共振成像扫描仪和计算在一个小时期间,没有不同组(MRI-negative病童,平均6 / h,范围0 - 194 / h;HS-TLE值3 / h,射程0-49 / h;生存率较p= 0.11)。
框架侧海马体积在MRI-negative没有不同于控制(4776±371毫米3vs 4630±272毫米3,p= 0.40,颅内大脑体积和调整的)。在HS-TLE,同侧海马体积(3579±400毫米3在控件(SD)是小于p< 0.0001)和框架MRI-negative患者(p< 0.0001)。
在HS-TLE, 15/18患者随后颞叶切除术(8对,7左)与组织学确认的商品。患者MRI-negative框架,5/18接受前颞叶切除术(4对,1左)。没有发现病理异常患者中4例。一个病人MRI-negative框架显示轻度神经损失角ammonis。有好的HS-TLE患者术后癫痫发作的结果在13/15和4/5患者MRI-negative框架(详情见e 1表)。
功能磁共振成像采集和图像的形成。
平均头运动在fMRI收购组之间没有明显不同(意味着frame-wise位移±SD: HS-TLE 0.17±0.09毫米,MRI-negative框架0.18±0.09毫米,控制0.14±0.05毫米,单向方差分析p= 0.11)。更多的high-motion时间点(frame-wise位移> 0.5毫米)被审查的病人比控制(HS-TLE 23.0±24.9卷,MRI-negative框架22.8±26.0,8.7±10.4控制,p= 0.02)。自适应相关阈值产生图表50610±1896 SD连接体素(98.1±3.7%的体素内的面具;没有group-wise差异,p= 0.85)。的意思是r阈值是0.41±0.05,组(没有差异p= 0.33)。
比较图指标的控制。
4指标产生类似的空间模式控制,与parieto-occipital皮层连接值最高(图1),在脑干和小脑和较低的值。指标之间的相关性最高学位/中间性中心(的意思r= 0.91±0.13 SD),最低为特征向量中心/聚类系数(0.50±0.12)和特征向量/中间性中心(0.55±0.15)(表依照)。
主要分析框架MRI-negative:减少身体的同侧的颞皮层的连接。
MRI-negative框架显示减少特征向量中心相对于控件的前颞上沟的一部分,毗邻侧颞回和颞中回图2、集群pFWE= 0.022)。ROI分析显示额外的减少程度和中间性中心在这个地区MRI-negative框架。
主要分析HS-TLE:异常海马、丘脑和前额的连接。
在影响海马体,HS-TLE显示聚类系数高于控制(图3一、集群pFWE= 0.016)。其他海马连接主要是体素,表明异常clique-like隔离网络僵化的海马内。压在侧丘脑前核的位置,也显示增加聚类系数(图3一,体素p< 0.0001,集群pFWE= 0.03)。
(A)的增加或减少相比,HS-TLE voxel-wise连接控制(p< 0.05,family-wise错误集群纠正)。其他比较不重要。(B)检测到集群内个体voxel-average连接值。组织意味着标有“+。“红色栏显示组间显著差异(p< 0.05,罗斯福纠正)。
ventromesial前额叶皮层(vmPFC)降低了中间性HS-TLE中心(图3 b、集群pFWE= 0.04),稍微更大空间到同侧的程度。ROI分析显示下降程度HS-TLE和MRI-negative框架。
二次分析框架MRI-negative: Seed-based异常颞皮层的连接。
传统的连接,从集群中发现MRI-negative框架侧颞皮层(图4一),显示最积极的连接两国前颞和前扣带地区。连接的其他领域包括额叶皮层、岛叶和皮层下结构;丘脑、尾状髓质和桥。连接的模式没有发现不同的控制。
二次分析HS-TLE:减少seed-based影响海马体和默认模式网络之间的连接。
从侧海马在HS-TLE播种连接(图4 b显示强阳性连接侧中间的时间结构,以及侧中间的时间结构和身体的同侧的皮层区域的默认模式网络。相比,控制显示减少连接侧海马、海马旁回(集群pFWE= 0.008),对侧颞皮层,vmPFC,后扣带(体素p未修正的p < 0.001)。
种子从侧丘脑集群连接(图4 c)显示两国连接到闺房,尾状,前扣带回、小脑、梨状皮质,相似的框架和控制。
种子从腹内侧前额叶皮层连接(图4 d)显示积极的连通性vmPFC,海马、颞脑回,楔前叶/后扣带和侧顶叶(默认模式网络的区域)和眶额皮层。控制相比,从vmPFC HS-TLE显示连接减少侧额叶盖(集群pFWE= 0.005)和受影响的海马体(体素p未修正的p < 0.001)。
直接比较的框架MRI-negative HS-TLE。
ROI分析(图3 b)显示HS-TLE聚类系数显著大于MRI-negative病童,在同侧海马和丘脑前。Voxel-wise对比框架MRI-negative灰质和HS-TLE所有体素没有发现任何显著的集群在指定的阈值。然而,考试效果大小的地图(图e 1)显示了最大的差异在同侧海马(集群pFWE= 0.10)、丘脑和颞皮层,它概括ROI分析模式和发现差异的控制。比较seed-based连接显示集群的明显大连接在框架MRI-negative /小的连通性HS-TLE对于每一个种子,包括中间的时间,孤立和额叶盖区域(图飞行)。
讨论
使用voxel-resolution——方法,我们发现MRI-negative框架与受损侧颞皮层的连接,侧的癫痫发作。这是一个非常不同的模式从HS-TLE,哪里有增加连接在内侧颞叶、前丘脑的影响。这表明一个根本区别的方式发作网络在每个框架形式的影响。
降低特征向量的具体框架MRI-negative发现是中心,表明血液中的氧化等级相关信号的局部变化波动,降低了相关性与其他大脑区域高度相关。减少度和介数中心在这一地区也反映了干扰正常的网络。侧颞异常MRI-negative框架也在描述发作核医学研究中,葡萄糖代谢减退的下侧的颞皮层,2,25减少5 ht1绑定在外侧颞叶,26和增加GABA一个绑定在颞叶白质。27侧颞叶皮层的连接(使用seed-based方法)是双边前颞额,和皮层下结构,这表明这些地区如何参与下游功能障碍从癫痫网络驱动的。
框架的中央颞区MRI-negative没有异常的图论的措施。神经心理测试中执行类似的军团还显示小障碍函数有关中央的时间结构,语言和非语言记忆功能是一般保存。4这些观察结果支持这一概念,这中间的时间结构不是病理或功能障碍的主站点MRI-negative框架。
框架与MRI-negative, HS-TLE显示重要的中间的时间异常,增加聚类系数影响海马内压。此外,我们两seed-based分析和以前的功能磁共振成像研究显示减少从海马体远程连接到其他的大脑区域。8,9增加连接在海马体是一种新的成像技术发现,使用seed-based方法无法检测到,并补充那些以前的结果。支持的发现是生理的报告增加了在海马体在HS-TLE EEG信号的一致性,这是由于发作癫痫放电和内在一致的α和β的神经振荡频率。28
在HS-TLE vmPFC显示减少中间性中心。这个指标表明减少侧前额叶皮层之间的连接器的作用其他网络中心,例如海马,岛叶皮质,默认模式网络的其他节点,seed-based检测分析(图4),也在其他的研究中。29日,30.微妙的额叶功能障碍能被探测到的临床神经心理学测试框架的认知灵活性。31日,32此外,心理理论功能的障碍(例如,识别社会失礼)发生在HS-TLE,33并已与侧前额叶皮层功能异常有关。34当前的研究表明这样的额叶症状可能基于发作前额叶皮层的连接中断。此外,减少程度在这个地区MRI-negative框架(ROI分析)表明,它可能是一个更一般的框架的特点,尽管lesion-negative组较低的严重性。
在HS-TLE,丘脑显示的区域聚类系数增加侧丘脑前核。丘脑曾被证明对体积MRI显示萎缩,35在正代谢减退,36并在后期神经损失37在这个人口。这里的发现进一步支持前丘脑的变化作为一个HS-TLE的核心功能网络异常。这个集群检测侧海马硬化的很有趣,但不要马上解释,除了一些其他研究也表明两国36甚至主要侧丘脑参与。38在框架MRI-negative,丘脑的相对节约,展示了在这项研究中,在以前的工作。36,37
我们没有发现任何增加框架在MRI-negative连接。增加HS-TLE连接,特别是在海马的影响,似乎代表异常癫痫网络的核心。我们推测,缺乏等领域框架MRI-negative组级别分析可能与空间变化,如果一个功能hypersynchronous癫痫重点是位于不同的皮质区域的每个人。另外,框架MRI-negative可能是一个真正的扩散过程,减少了连接和网络不稳定存在的扩展区颞皮层在大多数情况下。
框架的标签MRI-negative有时用来指广泛,从患者癫痫发作很少以及特定的本地化特征证据高度患者在综合癫痫手术中心。在这里,我们专注于后者,需要多通道整合定位、准确性最大化决定没收的焦点。通过选择只有医学难治性患者,发作频率在框架MRI-negative HS-TLE相配的,确保结果是由潜在的病理,而不是发作严重程度或药物负担。是否连通性变化出现在温和形式的MRI-negative框架还有待调查。
本研究的一个限制是,没有同时脑电图记录在fMRI收购。虽然临床脑电图扫描器显示外发作癫痫样的排放是罕见的在大多数参与者和两组相似的频率,在这里是不可能的,以评估是否排放可能有一些影响测量功能连通性。第二,有一个相对较低的利率的组织学确认患者MRI-negative框架,这在很大程度上反映了临床关注关于小在这群颞叶切除术的有效性5和神经缺陷的可能的结果。4最后,这里使用的功能磁共振成像图论指标(毫米)的空间规模尚未有具体的神经关联识别,以及这些措施是否有个别患者临床效用水平需要进一步验证。
综上所述,在这个研究结果显示网络异常的模式在框架MRI-negative空间不同于那些HS-TLE中找到。MRI-negative框架连接在同侧颞皮层受损,与中央的相对保留时间结构。相比之下,HS-TLE显示hypersynchronously活跃但海马功能隔离,异常连接扩展到丘脑腹内侧前额叶皮层。这加强了框架认为MRI-negative不仅仅是“温和的商品,而是一个独立的条件,包括不同的大脑网络。这反映在神经心理障碍的模式HS-TLE vs MRI-negative框架,和报告的差异在临床反应颞叶手术。
作者的贡献
大卫·n·沃恩:研究概念和设计,采集的数据,统计分析和解释数据,研究协调,起草和修改手稿。吉纳维芙雷纳:采集的数据,修改手稿的内容。Chris Tailby:研究设计,数据分析和解释,修改手稿的内容。格雷姆·d·杰克逊:研究和设计概念,解释的数据,修改手稿的内容。
研究资金
这项研究得到了国家卫生和医学研究委员会(NHMRC)澳大利亚(计划拨款628952和项目资助1081151),维多利亚时代生命科学计算的计算发放计划,和维多利亚政府运营基础设施支持计划。一些参与者扫描由奥斯汀健康医学研究基金会授予广义相对论和墨尔本大学的萨拉·威尔逊教授和丽贝卡·l·库珀医学研究基金会授予比较温度D.N.V.支持NHMRC研究生奖学金和温德米尔湖基金会博士奖学金。支持G.D.J. NHMRC从业者奖学金(1060312)。
信息披露
d·沃恩·g·雷纳,c . Tailby报告没有披露相关的手稿。g·杰克逊已经收到酬金UCB制药和收到版税爱思唯尔的书磁共振在癫痫。去首页Neurology.org为充分披露。
承认
作者感谢参与者的参与这项研究,米拉Semmelroch和苏珊·帕尔默安排招聘和MRI扫描,和理查德Masterton首次图形分析软件的发展。
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。
补充数据首页Neurology.org
- 收到了2016年3月23日。
- 接受的最终形式2016年7月14日。
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