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JAMA Neurology:局灶性癫痫患者皮质的进行性变薄
发布者:admin 发布时间:2019/10/5

癫痫是静止性疾病还是进行性疾病目前尚存在争议,但明确该疾病是否具有发展性对于癫痫的治疗干预以及防止疾病的进一步发展具有重要的作用。以往研究往往从横断面研究方法出发,尽管一些研究通过与病程相关的方法来尝试解答这一问题,但是相关无法说明因果性关系,同时也容易受到其他混淆变量的影响(如年龄)。因此,从历时性出发进行直接的纵向研究可能是回答该问题更根本的方法。

    皮质萎缩(变薄)是癫痫患者常见的神经基础表现,对癫痫患者的皮质厚度进行历时性的测量可以检验癫痫患者是否存在进行性灰质损失。对该问题的研究有助于对癫痫疾病的早期诊断、快速治疗及尽早的手术干预。来自英国伦敦大学研究者就此对癫痫患者的大脑皮质的纵向改变进行了研究,该研究发表在JAMA Neurology.

 

研究目的

证明局灶性癫痫患者皮质进行性变薄不同于与老化相关的皮质萎缩。 

 

方法

190名局灶性癫痫患者,同时有3组年龄性别匹配的独立对照组(健康志愿者,n=141)作为病例对照研究。所有被试进行2次及以上高分辨率T1扫描,至少间隔6月以上(间隔Mean[SD]2.5[1.6]年),测量整体及基于顶点的皮质变化率。 

 

结果:      

190例局灶性癫痫患者F/M,99/91,Mean[SD]age,36[11]years,396 MRI scans,141例健康对照(F/M,76/65,Mean[SD]age,35[17]years,282 MRI scans)。结果表明,在146例癫痫患者中存在显著的超越正常老化速度的皮质变薄,广泛分布于双侧颞叶、内侧顶枕叶、中央前后回、岛盖 (76.8%;95%CI, 58%-95%)。癫痫患者全脑皮质变薄的平均年萎缩率(Mean[SD])是正常老化相关萎缩率的2倍(0.024[0.061] vs 0.011 [0.029] mm/y; P = 0.01)

年龄超过55岁以及首次癫痫发作后前5年进展最为显著,皮质变薄加速存在于癫痫发作早期的患者及伴有海马硬化的患者。变薄加速与癫痫发作频率、癫痫全面发作史、抗癫痫药物的使用无关,且在有无癫痫持续发作的患者间并无差异。颞叶癫痫(n=101)及额叶癫痫(n=28)进行性萎缩在致痫灶同侧最为明显,但影响范围远超出病灶区域,对侧通常受累。颞叶癫痫患者,皮质加速萎缩区域结构上与同侧海马相连。 

 

研究背景

使用结构MRI成对皮质厚度进行测量是一种定量可重复技术,可作为一种稳定的神经退行性改变的生物标记物。神经影像学研究发现癫痫患者存在广泛的新皮层(联合皮质区域)萎缩,然而,该类研究主要为横断面设计,并不能了解灰质的损伤是进行性还是静止性的。部分横断面研究将形态学改变与癫痫病程进行相关,但由于疾病病程与年龄高度相关,难免受到老化效应的影响。

纵向结构神经影像研究为评估疾病进程提供了一种客观有利的研究框架,然而在癫痫领域,全脑纵向研究很少。该研究评估局灶性癫痫及与之匹配的健康对照的大样本神经影像数据集皮层厚度随时间改变,目的是区分癫痫相关疾病进展与正常老化效应。 

 

研究方法:

被试:

该研究分析的数据来源于英国国家神经内科及神经外科龙8国际电脑版的一批随访的局灶性癫痫患者,至少有间隔超过6个月以上的两次同一机型的T1 MRI数据,并除外有大脑病灶(海马硬化除外)、扫描质量不佳以及临床数据缺失的患者。假定的癫痫定位及侧别是由具有丰富临床经验的神经病学医师,通过临床表现、电生理、神经影像学数据、及部分患者的视频脑电图或长程脑电图检测进行判断。定位或定侧不明确的归为待定组。      

健康对照数据来自3个纵向数据集(Neuromorphometry by Computer Algorithm Chicago, NMorphCH[n=24];Parkinson Progression Marker Initiative ,PPMI [n=48];SouthwestUniversity Longitudinal Imaging Multimodal study, SLIM [n=69]),年龄20-70岁,具有2次间隔超过6个月的高分辨率T1 MRI数据,并与病例组进行年龄和性别的匹配。 

 

MRI预处理:皮层厚度的估计采用Computational Anatomy Toolbox (CAT12)工具包(既能做VBM又能做皮层测量的优秀工具,想学习请点击:
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皮层厚度的估计采用基于映射的方法,该方法已被验证在球形及大脑中可以实现多个厚度级别广泛参数下的准确测量。CAT12工具包具有良好的可重复性(R2=0.986)。对皮层厚度图进行了15mm的基于表面的核平滑。

配准采用反向一致纵向表面配准方法(inverse-consistent longitudinal surfaceregistration approachCAT12中带的专门用来进行纵向数据的配准),减少因数据来自多个时间点产生的偏差。所有的数据均根据CAT12流程进行质量控制,对准、配准错误或厚度估计不准确均被排除。根据CAT12质量保障流程信噪比、不均匀性、分辨率所得分数进行图像质量评级。 

 

数据分析:

采用SPSS进行数据分析,分类变量采用Fisher 确切概率检验,连续变量采用双样本t检验(依据数据类型对统计方法进行选择极为重要)。

采用SurfStat进行基于顶点的皮层厚度测量,首先进行线性混合效应模型的拟合,对每个被试不同扫描间隔的多次重复测量数据进行纵向分析。皮层厚度随时间的改变在组间差异分析,或受临床变量影响(如:癫痫频率)的评估,采用检验感兴趣变量(组别、临床变量)和扫描年龄交互作用的主效应。

所有模型对被试的随机效应,扫描年龄、性别和组别的固定效应进行校正。该方法也可进行被试内皮质厚度随时间改变的检验,对基线人口统计学差异及扫描间隔进行校正。采用cluster wise(团块矫正)的非各向同性数据的随机场理论进行多重比较校正(FWEcluster wise 矫正),显著性水平P<0.05

年皮质萎缩率的计算

随访减去基线水平基于顶点的皮质厚度,除以间隔时间。在不同的年龄亚组(以20年为间隔[18<35, 35 <55, 55 <75 years])及不同的病程亚组(短病程<5年,长病程≥5年)计算平均年萎缩率。

根据年萎缩率,进行机器学习模型(贝叶斯)的拟合(Bayesian logistic ridge regression),区分癫痫及健康对照。采用基于顶点的数据(1000 posterior and 1000 burnin samples)提取前100个主要成分训练模型,调整年龄及性别,进行10层交叉验证。采用t分布随机邻近嵌入,将病例对照的进行性皮层厚度变薄的高维差异可视化(100 dimensions, perplexity 30)至2维空间。

该研究采用BCBtoolkit10个健康对照扩散加权数据进行结构连接分析,测量与海马相连的体素局部比例。通过Trackvis,以海马作为种子点进行概率追踪,因为所有患者中多数为颞叶癫痫,而海马是多数颞叶癫痫较为明确的致痫灶。追踪图像转变为visitation map,二值化并配准至MNI152空间。最后,得到一个连接图显示至少在一半追踪数据中皮质区域与海马之间存在可靠连接的体素比例。图像的展示使用MICCAI 2012 Gand Challenge and Workshop onMulti-Atlas Labeling brain parcellation,并被投射至平均脑表面,以便可视化。 

 

研究结果:纳入患者及对照的人口统计学信息如表1

人口统计学信息


皮质年萎缩率:

癫痫患者大脑皮质整体年萎缩率较对照组增高(0.024 [0.061] vs 0.011 [0.029]mm/y; P = 0.01;Figure 1A)。癫痫患者较55岁至75对照组的平均年萎缩率增加n = 12, 0.058[0.060] mm/y;

在年龄 18  <35 years的癫痫患者与对照组相比,同样平均年萎缩率增加: n = 83, 0.021 [0.066]mm/yP =0.07

在年龄 35  <55 years的癫痫患者和健康对照组的比较方面,结果相同,癫痫患者的平均年萎缩率增加: n = 95,0.023 [0.055]mm/yP = 0.04 Figure 1B。不同年龄组在癫痫发作频率、抗癫痫药物摄入或继发性广泛癫痫发作病史方面无显著差异。

1:癫痫相关进行性皮质变薄与正常老化组对应比较

A)健康对照(顶列)与癫痫患者(底列)年皮质萎缩率,分为3个年龄层(18 to <35, 35 to <55, and 55 to <75years)

B)病例对照年皮质萎缩率比较;

C)采用线性混合效应模型对病例对照组进行基于顶点的统计比较。多重比较随机场理论校正后具有显著的cluster存活(左侧);在10例健康被试中与双侧海马存在结构连接的体素比例(右侧)。

 

进行性皮质变薄与癫痫相关性:

比较癫痫患者与正常老化对照组进行性皮质变薄,发现局灶性癫痫患者存在广泛的进行性皮质萎缩(右侧团块部分包含63884个顶点,最大左侧团块包含37189个顶点,P<0.001Figure 1C)。双侧受影响区域包括:外侧及后侧颞叶、后扣带回、顶叶及中央前后回、岛盖。腹外侧前额叶及下顶叶右侧较左侧受影响更大。

研究进行变薄的皮质的空间分布模式是否反映与癫痫灶相连的区域,进行结构连接分析,发现进行性皮质变薄的分布区域与双侧海马连接区域相似Figure 1C)。

调整2次扫描期间抗癫痫药物摄入量结果基本不变(eFigure 3)。作者进行敏感性分析时,将健康对照组中的22名亚洲被试排除,结果依然不变(eFigure 4)。

eFigure 3 调整抗癫痫药物摄入后,癫痫患者与对照进行性皮质变薄比较

eFigure 4癫痫患者与排除亚洲被试后的对照组进行性皮质变薄比较

 

为了分析被试进行性的改变频率,该研究使用机器学习拟合模型(pseudo-R2 = 0.55; C statistic, 0.74; 95% CI,0.52-0.97)。该模型能够将癫痫患者年皮质萎缩率从正常老化数据中区分出来(242 of 331, 73.1%; 95% CI, 58%-88%),敏感度为77%(95% CI, 58%-95%),特异度为69%(95% CI, 35%-100%)。降维图(eFigure 6)癫痫患者与健康被试独立但是团块重叠(这说明老化导致的皮质变薄脑区和癫痫进行性损失的皮质厚度脑区是存在较多重叠的)。

     eFigure 6 降维图。

 

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癫痫的定位与侧别:

评估癫痫定位及侧别与皮质进行性萎缩空间分布的相关性,该研究比较了左侧及右侧颞叶癫痫(TLE)、左侧及右侧额叶癫痫(FLE)和对应的健康对照组(Figure 2)。     

左侧TLEn = 46; 93 MRI scansFigure 2A进行性皮质变薄位于左侧楔前叶、楔回、梭状回、舌回、中央后回、颞上回。右侧TLEn = 36; 77 MRI scansFigure 2A)进行性皮质变薄位于双侧梭状回、舌回及双侧楔前叶。右侧及左侧TLE患者皮质变薄加速区域的分布与同侧海马存在结构连接的区域相似(Figure 2B)。比较TLE侧别的影响发现,左侧TLE的左侧中央后回较右侧TLE萎缩率更高。     

左侧FLE患者(n = 11; 25 MRI scans; Figure 2C)进行性皮质变薄位于双侧后扣带、楔前叶、双侧后外侧颞叶及双侧岛盖额顶部,左半球受到的影响更为明显。右侧FLEn = 11; 23MRI scans; Figure 2C)显示右侧半球大部受到影响,但不包括内侧、腹侧颞叶,左侧半球进行性萎缩位于外侧颞叶、额上回、岛盖额顶部、楔叶及顶上小叶。右侧FLE较左侧FLE皮质萎缩进程更为显著,尤其是一些右侧颞顶及右侧额叶区域。

2. 癫痫定位及侧别与进行性皮质变薄的相关性

 

比较颞叶及额叶癫痫进行性皮质萎缩模式(Figure 2D),FLE表现出右侧额顶枕叶大部及后外侧颞叶集群、右侧扣带回、左侧岛盖、左侧外侧颞叶显著进行性皮质萎缩。TLE患者表现出海马旁回更为显著的进行性皮质变薄,但是这些小的cluster并未通过随机场理论校正。 

 

临床特征与进行性皮质变薄

该研究还分析了癫痫患者临床特征与进行性皮质变薄的速率与空间程度的相关性Figure 3)。

癫痫起病年龄较早与左侧后扣带及左侧楔前叶皮质加速变薄相关Figure 3A)。对于癫痫伴海马硬化患者而言,皮质变薄加速区域主要位于左侧缘上回、左侧顶下小叶、右侧额中回(Figure 3B)。皮质变薄速率与扫描期间癫痫发作、继发性全面发作病史、抗癫痫药物摄入量无关。皮质萎缩速率在癫痫患者有或无持续发作两组间无显著差异。

 

癫痫病程与皮质变薄

     癫痫患者病程较短者(<5 yearsn = 14;0.055 [0.102]mm/y; Figure 4)

较癫痫发病年龄5年及以上者(n= 176; 0.022 [0.056] mm/y)存在较高的年平均萎缩率(P=0.049)。这说明癫痫病程对患者的皮质萎缩变化是存在显著影响的。

3. 癫痫患者临床特征与进行性皮质变薄的相关性

 

4. 癫痫病程与进行性皮质变薄的相关性

 

 

总结   

局灶性癫痫患者存在超出正常老化速度的广泛的进行性皮质萎缩变薄,该发现强调了对癫痫缓解性治疗进行开发的必要性,通过干预,减慢这类病人的进行性皮质萎缩。同时,该研究还表明纵向皮质厚度变化可作为此类研究潜在的生物标记物。

 

原文:

Progressive Cortical Thinning in Patients With Focal Epilepsy

M Galovic, VQH van Dooren, T Postma, SB Vos… - JAMA …, 2019 - jamanetwork.com

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