在没有先兆的偏头痛患者中，纹状体-皮质网络的功能整合和有效连接存在异常，并与神经递质系统相关：一项静息态功能性磁共振成像（fMRI）研究

《Brain Research》：Abnormal functional integration and effective connectivity in striatal-cortical networks with neurotransmitter system correlates in migraine without aura: A resting-state fMRI study

　　偏头痛无先兆（MWoA）患者存在左苍白球功能整合降低和角回整合升高，其有效连接性异常与疼痛信号处理网络相关，且与5-羟色胺、多巴胺及谷氨酸能系统失衡显著相关，提示神经递质异常可能参与MWoA的病理机制。

　　研究揭示了无先兆偏头痛（Migraine without aura, MWoA）患者在发作间期大脑功能整合和有效连接的异常，以及这些异常与神经递质系统失衡之间的关系。MWoA是一种常见的神经系统疾病，全球范围内被认为是第二大导致残疾的疾病，其影响深远。研究表明，MWoA患者的脑功能异常可能不仅限于发作期，也可能在发作间期持续存在并进一步发展，这提示我们对偏头痛的神经影像学机制进行深入研究的重要性。

### 1. 研究背景

MWoA与异常的皮下/皮层网络活动及神经递质调节紊乱密切相关。然而，目前对MWoA患者在发作间期功能整合的改变以及大脑网络间信息流的模式仍不清楚。MWoA被认为是一种大脑的感官处理障碍，其发作过程可能涉及多个脑网络的异常活动，如默认模式网络（DMN）、感觉运动网络（SMN）、视觉皮层、丘脑-皮层网络、杏仁核和纹状体等。这些网络的异常可能与偏头痛的复发和慢性化有关。此外，研究表明，神经递质系统（如血清素系统、多巴胺系统、GABA系统、μ-阿片受体和谷氨酸系统）在偏头痛的发病机制中扮演关键角色。然而，目前对偏头痛患者神经递质调节紊乱与异常脑功能活动之间的关系研究仍不充分。

为了更好地理解MWoA的神经基础，研究采用了静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）技术，结合了功能整合（degree centrality, DC）和有效连接（effective connectivity, EC）分析，以探索皮层与皮下网络之间的双向连接模式。研究还使用了JuSpace工具箱，该工具箱能够通过分析MRI测量值与PET/SPECT放射性配体的图谱分布之间的空间相关性，揭示神经递质通路的异常。这一方法有助于揭示偏头痛与神经递质系统之间的潜在联系。

### 2. 研究方法

本研究是一项横断面研究，纳入了57名符合标准的MWoA患者和51名健康对照组（HCs）。所有患者均来自成都中医药大学附属医院和成都中医药大学第三附属医院的神经内科。研究遵循赫尔辛基宣言，并获得了成都中医药大学附属医院伦理委员会的批准，同时在国家临床试验注册中心注册。所有参与者均签署了书面知情同意书。

MWoA的诊断依据《国际头痛分类第3版》（ICHD-3）进行。纳入标准包括年龄在18至55岁之间、右利手、症状发作在50岁之前、符合ICHD-3诊断标准、在过去三个月内每月经历至少2次至15次头痛发作、每月头痛天数少于15天、基线期头痛强度中等（VAS评分在3至7之间）、疾病持续时间超过一年、完成基线期头痛日记等。健康对照组的纳入标准包括年龄在18至50岁之间、右利手、体检报告显示无显著器质性或功能性疾病、过去两个月未使用兴奋剂类药物、未参与类似研究等。

排除标准包括：其他类型的原发性头痛、严重的原发性疾病（如心血管、脑血管、肝、肾和血液系统疾病或其他器质性病变）、有头部外伤或精神智力障碍影响问卷合作、近六个月怀孕、哺乳或生育需求、物质滥用、过去四周接受针灸或预防性治疗、MRI检查禁忌症（如金属植入物、幽闭恐惧症等）、MRI扫描中发现严重的头部解剖不对称或可识别的病变、无法理解或维持头痛日记、过去三个月参与类似研究等。

### 3. 临床症状评估

研究收集了所有参与者的年龄、性别等人口学信息，并通过头痛日记评估了头痛强度和频率。关键指标包括：疾病持续时间、每次发作的平均持续时间、发作频率（至少两次发作间隔48小时）、头痛天数、VAS评分（“0”表示无痛，“10”表示最严重的疼痛）、头痛影响测试（HIT-6）评分、以及用于评估MWoA患者情绪状态的偏头痛特异性生活质量问卷（MSQ）。研究还分析了MSQ的三个子量表：限制性、预防性和情绪功能。

### 4. MRI采集

MRI扫描在收集人口学和临床症状数据后进行。所有MWoA患者在MRI扫描前至少72小时处于无痛状态，并在扫描后进行72小时的随访，确保在此期间未发生偏头痛发作。使用3特斯拉西门子MRI系统（Allegra，西门子医疗系统，德国）进行数据采集。参与者在扫描过程中佩戴耳塞和海绵垫以减少噪音和头部运动的影响，并被要求保持眼睛闭合但清醒，避免思考。采集了高分辨率的三维T1加权结构图像，使用快速spoiled梯度回波序列（FSPGR），参数包括TR/TE = 2530ms/3.4ms、视野（FOV）=240 mm × 240 mm、矩阵=512×512、翻转角=12°、切片厚度=1 mm。静息态功能图像则采用梯度回波平面成像（EPI）脉冲序列，参数包括TR/TE = 2000/30ms、翻转角=90°、40个切片、切片厚度=5 mm、矩阵=64×64、FOV=240×240 mm2、切片间隙=0 mm、体素大小=3.75×3.75×5 mm3。

### 5. 数据预处理

静息态fMRI数据预处理使用统计参数映射软件（SPM 12）和脑成像数据处理与分析工具（DPABI v4.3）。预处理步骤包括：去除前五个时间点以消除扫描仪不稳定的影响，并保留205个时间点用于进一步分析；进行切片时间校正以消除不同切片之间的采集时间差异；进行头部运动校正；将图像空间标准化到蒙特利尔神经学研究所（MNI）空间，使用结构图像的组织分割变形场进行重采样（体素大小=3 mm × 3 mm × 3 mm）；去除时间序列中的线性趋势；去除协变量（包括Friston-24、白质信号、脑脊液信号和全局信号）；应用带通滤波（0.01–0.08 Hz）。头部运动超过2.0 mm或旋转超过2.0°的参与者被排除。

### 6. 全脑功能整合：体素级DC分析

DC用于评估全脑范围内的功能连接。通过自动解剖标记（AAL）图谱，研究识别了大脑区域的差异。对处理后的fMRI数据中每个体素的时间序列与所有其他体素的时间序列进行皮尔逊相关分析，得到一个皮尔逊相关系数矩阵。通过设置相关系数阈值为r > 0.25，去除由信号噪声引起的低时间相关性。为了验证结果是否依赖于所选的阈值，还对不同的相关系数阈值（即0.20、0.30和0.40）进行了重新分析，并利用表S1-S3和图S2-S4进行展示。计算每个体素的DC值时，将正连接的权重相加。为了便于比较，每个体素的DC值被标准化为z值，即通过减去全脑DC值的平均值并除以全脑DC值的标准差。最后，使用6 mm的高斯核对标准化后的DC图进行平滑处理。

### 7. 体素级有效连接：GCA分析

基于DC分析，研究选取了PUT.L和ANG.L作为种子区域，以进行GCA分析。通过REST-GCA工具进行有效连接分析，其中种子区域的时间序列定义为x，全脑体素的时间序列定义为y。所有时间序列在模型拟合前均进行了z值标准化，以消除基线信号差异。计算了有符号路径系数作为GCA值，包括x到y的线性直接效应（x→y）和y到x的线性直接效应（y→x）。构建了两个Granger因果性图，然后使用Fisher的r到z转换将其转换为z值图，以提高正态性。这些分析有助于揭示MWoA患者大脑区域之间的方向性影响。

### 8. 相关性分析

使用斯皮尔曼相关性分析评估了DC和GCA测量值与临床数据之间的关系，包括疾病持续时间、头痛天数、发作频率、VAS评分、HIT-6评分和MSQ评分。相关性分析中，P值小于0.05的结果被认为是显著的。

### 9. 功能改变与神经递质分布的空间相关性

研究使用JuSpace工具箱（版本2.0）分析了MWoA患者功能改变的空间模式与特定神经递质系统之间的关系。考虑了以下神经递质系统：血清素传递（5HT1a、5HT1b、5HT2a和SERT）、多巴胺传递（D1、D2、DAT和FDOPA）、GABAa、阿片受体（KappaOp和MU）、去甲肾上腺素转运体（NAT）、乙酰胆碱囊泡转运体（VAChT）、代谢型谷氨酸受体5（mGluR5）、N-甲基-D-天冬氨酸受体（NMDA）和大麻素1受体（CB1）。这些神经递质图谱来源于大量健康个体的研究数据。

通过JuSpace工具箱（计算选项5）和AAL图谱，计算了个体DC图与所选受体/转运体图之间的Fisher’s z变换的斯皮尔曼相关系数。使用灰质概率图调整空间自相关性。通过单样本t检验计算精确P值，以测试观察到的相关系数是否与零显著不同。多重比较使用FDR校正（P < 0.05）。

### 10. 统计分析

研究基于前人研究的样本量估算（Hayasaka et al., 2007）和现有数据进行了主要分析。人口学和临床数据使用SPSS统计分析软件（SPSS 25.0）进行分析。临床和神经影像数据的正态性使用Shapiro-Wilk检验进行评估。随后，使用两样本t检验来识别两组之间脑影像数据和临床特征的潜在差异。对于正态分布的连续变量，以均值±标准差（SD）表示；其他变量则以中位数（第一四分位数，第三四分位数）表示。MWoA患者与HCs之间的年龄差异使用两样本t检验进行评估，性别和职业差异使用卡方检验进行分析。

对于内在脑活动分析，使用DPABI v4.3进行统计分析。两样本t检验比较了MWoA患者与HCs之间的DC和GCA值（x到y和y到x分别代表不同的方向性影响）。年龄、性别、头部运动和教育水平被作为协变量，以最小化其潜在影响。多重比较校正使用FDR校正，阈值为q < 0.05。显著的簇在P < sub>FDR < 0.05时被可视化。

### 11. 研究结果

研究共纳入了57名MWoA患者和51名HCs。在排除了两名因头部运动过大和两名因数据不完整后，最终分析包括53名MWoA患者和51名HCs。表1总结了所有参与者的流行病学特征和临床评估结果。研究发现，MWoA患者与HCs之间在年龄（P = 0.461）、性别（P = 0.705）、教育水平（P = 0.550）和职业（P = 0.357）方面均无显著差异。

### 12. DC分析结果

研究发现，MWoA患者在左侧角回（ANG.L）的DC值显著增加，而在左侧壳核（PUT.L）的DC值显著减少。这些区域分别属于皮层（DMN）和皮下结构（纹状体）。为了验证结果是否依赖于所选的阈值，研究还对不同的相关系数阈值（即0.20、0.30和0.40）进行了重新分析，并通过表S1-S3和图S2-S4进行展示。这些发现表明，MWoA患者在这些关键脑区的功能整合发生了改变。

### 13. 有效连接分析

研究进一步分析了PUT.L和ANG.L之间的有效连接（EC）。发现MWoA患者在PUT.L到右侧中额上回（SFGmed.R）、右侧顶上小叶（SMG.R）、右侧背外侧额上回（SFGdor.R）和右侧中央后回（PoCG.R）的有效连接值增加，而在PUT.L到右侧中额上回、右侧背外侧额上回和右侧中央后回的有效连接值减少。这些结果表明，MWoA患者的EC在这些区域发生了显著变化。

此外，研究还发现，MWoA患者在ANG.L到左侧壳核（CAU.L）、左侧中部额叶皮层（ORBmid.L）和右侧中额上回（ORBsupmed.R）的有效连接值减少，而在ANG.L从双侧壳核（CAU.R和CAU.L）和右侧楔前叶（CUN.R）的有效连接值增加。这些结果表明，MWoA患者在这些区域的EC发生了显著变化。

### 14. 临床症状的相关性

研究发现，PUT.L到右侧中央后回（PoCG.R）的有符号路径系数与头痛发作频率呈负相关（rho = -0.28，P = 0.046）。同时，右侧壳核（CAU.R）到ANG.L的有效连接值与疾病持续时间呈正相关（rho = 0.31，P = 0.026）。然而，在多重比较校正后，这些相关性未达到显著水平。此外，研究未发现DC分析结果与临床评分之间的显著相关性。

### 15. 功能改变与神经递质分布的空间相关性

研究发现，MWoA患者在功能改变的区域与血清素转运体（SERT）、多巴胺转运体（DAT）、μ-阿片受体（MU）和乙酰胆碱囊泡转运体（VAChT）之间存在显著的空间相关性。同时，这些区域也与5HT1b、5HT2a、GABAa和mGluR5等神经递质系统的分布相关。这些结果表明，MWoA患者的脑功能异常可能与多种神经递质系统的失衡有关。

### 16. DC-神经递质相关系数与临床症状的关系

研究进一步分析了DC-神经递质相关系数与临床症状之间的关系。发现MSQ的限制性子量表与DAT和FDOPA的信号密度呈正相关，而与5HT2a和mGluR5的信号密度呈负相关。这些结果表明，MWoA患者的神经递质系统失衡可能与生活质量下降密切相关。

### 17. 讨论

研究结果表明，MWoA患者在发作间期表现出功能整合和有效连接的异常。具体而言，左侧壳核（PUT.L）的DC值降低，而左侧角回（ANG.L）的DC值升高。这些变化可能与默认模式网络（DMN）和纹状体的功能异常有关。通过GCA分析，研究发现PUT.L与右侧中额上回、右侧顶上小叶、右侧背外侧额上回和右侧中央后回之间的有效连接发生了变化。这些变化可能反映了MWoA患者在疼痛信号处理和注意力网络之间的交互异常。

研究还发现，这些功能改变与多种神经递质系统的分布存在显著的空间相关性。例如，血清素转运体、多巴胺系统、μ-阿片受体和乙酰胆碱囊泡转运体的分布与功能异常区域高度重叠。此外，研究发现，这些功能改变与生活质量评分（MSQ）密切相关，表明神经递质系统的失衡可能对患者的生活质量产生重要影响。

研究还指出，尽管当前研究未发现显著的临床指标与功能改变之间的直接因果关系，但这些结果为未来研究MWoA患者的共病认知功能障碍提供了理论基础。此外，研究还强调了功能整合和有效连接在偏头痛病理机制中的重要性，并指出这些异常可能与神经递质系统的失衡有关。

### 18. 研究局限性

本研究存在一些局限性。首先，未探讨MWoA患者在发作期的脑活动变化，未来研究需要评估不同疾病阶段的脑功能变化。其次，未纳入标准化的焦虑、抑郁或睡眠质量评估，这些指标可能对研究结果产生影响。此外，GCA是一种探索性方法，其方向性可能受到噪声和血流动力学混杂因素的影响，因此未来研究可能需要采用动态因果建模等更精确的方法。最后，JuSpace工具箱基于健康个体的核成像数据，其结果仅能反映DC变化与神经递质分布的空间相似性，不能直接反映神经递质水平的变化。因此，未来研究可结合靶向分子成像技术（如PET和磁共振波谱成像，MRS）以进一步探索偏头痛的真正神经化学失衡。

### 19. 结论

本研究揭示了MWoA患者在发作间期的脑功能整合和有效连接异常。这些异常与血清素、多巴胺和谷氨酸等神经递质系统的失衡存在显著的空间相关性。研究结果为偏头痛的病理机制提供了新的视角，即异常的功能网络结构和神经递质系统失衡可能共同参与偏头痛的发生和发展。这些发现不仅加深了我们对偏头痛的神经基础的理解，也为未来的临床干预和治疗策略提供了科学依据。