原发性闭角型青光眼（PACG）动态低频波动振幅差异与基因分子多组学关联研究

　　本综述系统探讨了原发性闭角型青光眼（PACG）患者脑功能动态低频波动振幅（dALFF）的异常模式，通过多时间窗口（30TR/50TR/80TR）分析发现其与枕叶、小脑及角回等功能重塑密切相关。研究整合艾伦人脑图谱（AHBA）基因表达数据，揭示神经元投射发育调控（GO:0031175）、膜组织（GO:0061024）等通路的关键作用，并发现5-HT4R与mGlu5R等神经递质受体与dALFF值的显著关联，为PACG的神经分子机制提供了多组学证据。

　　

引言

原发性闭角型青光眼（PACG）是一种以眼前房角解剖性闭锁为特征的眼科疾病，其发病机制源于虹膜-角膜解剖位置异常引发的房角机械性阻塞，导致房水引流系统功能障碍和眼压（IOP）异常升高，进而造成视神经损伤。核心解剖学标志包括显著浅前房（ACD < 2.5 mm）、窄房角（<20°）以及晶状体前移，共同导致频繁的虹膜-角膜接触（ITC）。流行病学数据显示，东亚人群患病率尤高，且女性风险可达男性的1.5倍。PACG可导致严重视力丧失、视野缺损甚至失明，早期检测、诊断和治疗是防盲的关键措施。

近年来，磁共振成像（MRI）技术的发展为疾病早期预测提供了重要工具。功能磁共振成像（fMRI）通过血氧水平依赖（BOLD）效应，以毫米级空间分辨率和亚秒级时间分辨率捕捉脑区神经元集群的同步激活特性。研究表明，PACG患者存在广泛的脑结构和功能改变，如灰质体积变化、功能连接网络异常等。低频波动振幅（ALFF）作为静息态fMRI的分析方法，通过计算BOLD信号在0.01–0.1 Hz频段的功率谱均方根，量化脑区自发神经活动的能量强度。动态ALFF（dALFF）通过滑动时间窗口（如30TR、50TR、80TR）计算ALFF值的变异性，捕捉脑活动的动态特征，已广泛应用于帕金森病、阿尔茨海默病等神经精神疾病的研究。

PACG的病理过程与特定基因位点（如ABCA1、PMM2、PLEKHA7、COL11A1）显著相关。艾伦人脑图谱（AHBA）通过死后脑组织转录组分析，绘制了人脑区域特异性基因表达谱，为连接组与转录组研究的桥梁。神经递质受体/转运体系统的动态分子平衡可能是介导神经回路重塑的分子基础。本研究旨在通过dALFF分析探索PACG患者脑神经活动的动态变化及其与基因组学的关联，揭示潜在的神经机制。

方法

参与者

研究纳入47例PACG患者和46例年龄、性别、教育程度匹配的健康对照（HC）。所有实验流程符合《赫尔辛基宣言》，并经南昌大学江西医学院眼科医院伦理委员会批准。PACG患者纳入标准包括双侧窄房角、青光眼相关视野缺损、无青光眼药物或手术治疗史、无颅脑外伤史、无神经或精神疾病、符合MRI检查条件且急性症状缓解后接受扫描。排除标准包括合并原发性开角型青光眼（POAG）或继发性青光眼、其他影响视觉通路的眼病或系统性疾病、青光眼手术史、颅脑外伤史、严重神经/精神疾病、MRI禁忌症、长期使用影响脑功能/结构的神经药物、扫描时存在急性发作症状（如眼痛）以及脑血管疾病。对照组需无眼科器质性病变、无颅脑外伤史、无神经/精神疾病、符合MRI检查条件且人口学特征与PACG组匹配。

fMRI数据采集

使用美国通用电气750 T MRI系统配备3.0通道相控阵头线圈，通过梯度回波平面成像（EPI）序列采集BOLD信号。关键参数包括重复时间（TR）2000 ms、回波时间（TE）25 ms、层厚3.0 mm、层间距1.2 mm、接收矩阵64×64、射频翻转角90°、有效扫描视野240×240 mm2，体素分辨率3.6×3.6×3.6 mm3，共35层轴向覆盖全脑。每序列采集240个BOLD动力学时间点。扫描前要求参与者保持双眼睁开、清醒状态，尽量避免系统思维活动，头部用定制海绵垫固定以减少运动伪影。扫描后即刻完成标准化后效问卷验证行为规范遵守程度。

fMRI数据预处理

使用MATLAB 2022b平台上的DPABI和SPM软件进行数据预处理。步骤包括：DICOM原始数据转换为NIFTI格式；排除前10个时间点以消除MRI序列初始化阶段磁场瞬态效应；相邻切片时间对齐以实现多维时间校正；应用24参数头动校正模型，设置严格质控标准（平移>2 mm或旋转>2°）；基于DARTEL算法实现高精度结构图像分割，构建个体化解剖模板，将功能图像标准化至MNI模板空间（分辨率3×3×3 mm3）；采用6 mm全宽半高（FWHM）三维高斯核进行空间平滑以优化信噪比；相位线性回归分析消除时间序列中的低频漂移成分；头动参数和全脑平均信号作为正交干扰协变量进行回归校正以控制生理噪声干扰。

dALFF数据处理

使用DPABI v8.1内置时间动态分析模块计算dALFF。采用多时间窗口参数验证策略：30TR（60 s）、50TR（100 s）和80TR（160 s），滑动步长为2TR。计算每个体素时间变异性信号的算术均值和标准差，推导时间变异系数（CV=标准差/均值）。动态CV图像纳入组间统计分析框架。

基因表达数据处理

使用AHBA数据库（https://www.brainmap.org），涵盖6例死后大脑（男女比5:1，平均年龄42.5±13.4岁）的3,702个空间样本和超过20,000个基因表达水平。预处理包括：使用Re-annotator工具包验证探针-基因注释；强度过滤探针（不超过背景噪声）；选择与RN-seq数据相关性最高的探针；在AAL90图谱集内2 mm欧氏距离内分配样本；使用缩放稳健Sigmoid对每个参与者表达测量值进行标准化；基于差异稳定性的基因集过滤。由于AHBA仅包含两个右脑数据，分析仅考虑左脑。计算区域所有样本平均值获得转录水平矩阵（90区域×10,027基因表达水平）。应用偏最小二乘（PLS）回归建模dALFF（时间窗口=50 TR）与15,633个高质量基因特征的多变量关联，其中PLS主成分表征基因表达谱与神经活动动态的最大协方差线性组合。

使用PLS1和PLS2方法进行相关性分析，但PLS1分析中多数结果p值经FDR校正后超过0.05阈值，因此后续研究仅使用PLS2结果。第2PLS回归成分（PLS2）与dALFF区域差异高度相关。空间对齐测试（10,000次试验）验证PLS2统计显著性。通过bootstrap方法生成Z值估计每个基因在PLS2中的变异性，按基因对PLS2贡献排序。筛选FDR校正5‰显著基因，包括正权重（PLS+）和负权重（PLS-）基因。

富集分析

对50TR窗口下与dALFF值显著正负相关的基因分别进行富集分析。使用DAVID功能注释生物信息学微阵列分析平台探索生物学功能。基因本体（GO）术语包括生物过程（BP）评估生物功能。京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路研究相关生物通路。所有富集分析图使用Metascape生成（https://metascape.org/gp/）。输入PLS1+（Z>5）或PLS1-（Z

特异性表达分析

对50TR窗口下dALFF值显著正负相关的基因进行特异性表达分析。使用CSEA工具（http://doughertytools.wustl.edu/CSEAtool.html）识别基因在不同细胞类型、脑区和发育阶段的过表达。细胞特异性表达分析展示兴趣基因在各种细胞类型中的独特表达；脑特异性表达分析突出其在不同脑区的特异性表达模式；时间特异性表达分析阐明其在发育阶段和脑区的差异表达。特异性指数（pSI）阈值设为0.05、0.01、0.001和0.0001。

蛋白质与蛋白质相互作用

对50TR窗口下dALFF值显著正负相关的基因进行蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）分析。使用STRING v11.0研究脑功能改变相关基因间潜在PPI网络形成。选择连接度最高的基因，通过人脑转录组数据库绘制其时空表达模式。

神经递质受体/转运体分布图

神经递质密度图源自1,200多名健康个体的正电子发射断层扫描（PET）图像，涵盖9种不同神经递质系统的19种 distinct神经递质受体和转运蛋白。选择20种神经递质受体/转运体全脑密度谱，包括5-HT_1AR、5-HT_1BR、5-HT_2AR、5-HT₄R、5-HT₆R、5-HTT、α4β2、CB1R、D1R、D2R、DAT、FDOPA、GABA_AR、H3R、M1R、mGluR5、MU、NAT、NMDA和VAChT。从每个PET图谱提取受体/转运体密度值，按解剖自动标记图谱（AAL）90区域平均。对50TR窗口dALFF值进行两样本t检验，提取t值并按相同程序平均。最后进行相关性分析探究t值与神经递质受体/转运体密度的关系。

统计分析

使用SPSS26软件统计分析两组临床特征。以年龄、性别和头动为协变量，通过两样本t检验评估30TR、50TR和80TR dALFF值的组间差异。多重比较校正采用高斯随机场（GRF）方法，体素水平显著性设为p<0.005（双尾），簇水平p<0.01。神经递质/转运体与50TR窗口dALFF值的相关性显著性阈值设为0.05（双尾），经FDR校正。

结果

人口学与疾病特征

PACG组与HC组在性别（p=0.45）、年龄（p=0.86）和教育年限（p=0.38）上无显著差异。但PACG组在双眼最佳矫正视力（BCVA）（p<0.001）和眼压（IOP）（p<0.001）等关键视觉功能指标上存在显著差异。

不同窗口dALFF值

在30TR、50TR和80TR滑动窗口下对PACG组和HC组进行单样本检验，发现三组时间分辨率下dALFF空间分布组内一致性显著。两样本t检验显示，所有扫描状态下PACG患者dALFF振幅显著高于健康对照。30TR滑动窗口下，显著改变区域包括左中颞回（Temporal_Mid_L）、左枕下回（Occipital_Inf_L）、右小脑上部（Cerebelum_6_R）、右距状皮层（Calcarine_R）、右中颞回（Temporal_Mid_R）、左中枕回（Occipital_Mid_L）、右中枕回（Occipital_Mid_R）和右顶上缘角回（Parietal_Sup_R）。50TR滑动窗口下，异常改变脑区为右小脑上部（Cerebelum_6_R）、左枕下回（Occipital_Inf_L）、右枕上回（Occipital_Sup_R）和右顶下缘角回（Parietal_Sup_R）。80TR滑动窗口下，异常改变脑区为右角回（Angular_R）。所有异常脑区均显示dALFF值升高。

50TR滑动窗口dALFF值与皮层基因表达相关

PLS分析探索50TR滑动窗口dALFF特征与15,633个基因的全基因组表达谱关联模式。发现队列中PLS2解释51.37%的跨模态方差。PLS2权重分布反映基因表达的前后梯度。具体地，PLS2加权的基因表达谱与病例-对照差异t值谱显著相关（Pearson r=0.3742, pspin=0.0087）。经严格多重比较校正后，共340个基因与dALFF动态特征显著相关（p<0.05, FDR校正），其中155个为PLS+基因，185个为PLS-基因。

富集分析

对精细筛选的PLS+和PLS-基因簇进行系统富集分析揭示功能特征。PLS+基因显著富集GO生物过程（如“神经元投射发育调控”、“神经元投射发育”和“分泌”），但KEGG通路分析未检测到显著关联。PLS-基因在GO过程（如“膜组织”、“泛素依赖性蛋白 catabolic 过程”和“细胞分泌”）中显著富集，KEGG通路分析同样未显示显著相关性。

特异性表达分析

对50TR窗口下dALFF值PLS+和PLS-相关基因进行细胞特异性、脑特异性和时间特异性表达分析。PLS+基因在早期胎儿期杏仁核表达显著；PLS-基因在基底前脑胆碱能神经元、缰核和 hypothalamus hypocretinergic 神经元以及小脑星形胶质细胞中表达显著，脑特异性表达在丘脑，时间特异性表达在中年晚期小脑 versus 早期和晚期胎儿期、新生儿期、儿童期、青春期和成年早期的丘脑。

蛋白质-蛋白质相互作用分析

分别对PLS+和PLS-相关基因进行PPI分析，选择度值最高基因进行时空特异性表达分析。PLS+基因中，64个基因形成互联PPI网络，其中NOP58（度值=8） selected for spatiotemporal specific expression analysis；PLS-基因中，89个基因形成互联PPI网络，其中KRAS（度值=8）进行时空特异性表达分析。

神经递质受体/转运体相关性分析

将50TR滑动窗口dALFF值与神经递质受体/转运体表达矩阵相关性分析，结果显示2种神经递质受体/转运体显著相关：5-羟色胺4型受体（5-HT₄R）和代谢型谷氨酸受体5（mGlu₅R）。

讨论

本研究通过30TR、50TR和80TR滑动窗口方法分析PACG患者和健康对照的dALFF，发现与HC组相比，PACG患者在所有三个时间窗口均显示更显著的dALFF增强，这种功能改变主要集中于枕叶皮层、上小脑区和角回等神经解剖结构。通过PLS相关性分析共340个基因显示与神经影像特征显著关联，包括155个PLS+基因和185个PLS-基因，建立了基因表达与脑功能异常之间的定量关联图谱。基因本体富集分析揭示这些基因显著富集于“神经元投射发育调控”（GO:0031175）和“生物膜组织”（GO:0061024）等关键生物过程，表明其参与神经回路重塑和细胞膜稳定性的分子机制。时间特异性表达分析显示PLS相关基因在丘脑发育多个关键阶段显著富集（FDR<0.05），从个体发育角度揭示丘脑发育异常在PACG病理机制中的潜在作用。PPI分析表明多数PACG相关基因参与PPI网络组成，其中关键基因为NOP58和KRAS。与神经递质受体/转运体的相关性分析显示5-HT₄R和mGlu₅R显著相关。这些多组学发现系统阐明了PACG可能的分子调控网络，通过整合脑功能影像特征、遗传调控元件和神经递质系统异常，构建了从基因表达紊乱到临床表型的多尺度病理模型。

枕叶作为视觉信息处理的核心脑区，在PACG中可能通过补偿机制参与病理过程：视觉输入减少触发增强的补偿性神经活动，如右枕下回可能通过增强面部处理补偿周边视野缺损。高dALFF值反映局部神经元超同步活动，通过增强复杂视觉信息处理缓解功能缺损相关功能障碍。这些动态参数变化与视觉损伤程度相关，如右枕下回ALFF升高幅度与视神经纤维层变薄负相关（r=?0.456, p<0.01），可作为疾病严重程度无创评估的客观指标。PACG认知并发症发展可能涉及枕叶功能重组，与注意力和执行功能网络功能连接改变相关。基因组学研究进一步揭示PACG易感基因如COL11A1可能直接影响枕叶代谢活动，为了解中枢补偿机制的遗传基础提供新方向。

上小脑由小脑前叶、上后部、中部和前上部组成，分别调节姿势协调、运动计划、感觉整合和平衡功能，其深部核团如齿状核和中缝核通过中脑脚与中枢神经系统广泛连接，共同参与运动执行和认知情绪调节。PACG发展可能与小脑功能网络异常间接交互作用增强小脑神经元补偿性动态活动，部分缓解视觉损伤引起的感运动功能障碍慢性IOP异常可能诱导小脑-皮层突触可塑性改变，导致高能耗低效率异常功能状态。小脑dALFF动态参数结合机器学习模型可高精度区分PACG患者，其异常程度与视网膜神经纤维层变薄显著相关，提示该指标作为疾病进展评估生物标志物的潜在价值。

角回作为后顶叶重要脑区，位于颞、顶、枕叶交汇处，功能高度多模态整合，包括语言处理、记忆整合与检索、数学空间认知以及自我意识和社会认知。PACG患者角回dALFF值异常升高可能源于神经补偿机制视觉输入减少迫使角回增强多模态整合功能（如依赖听觉或触觉信息），导致局部活动波动增加慢性IOP升高可能导致 transsynaptic 退行性变化，角回作为多模态枢纽可能因输入失衡（如视觉-本体感觉失配）异常兴奋。PACG不仅是一种眼病，还涉及全脑神经退行性改变，患者默认模式网络、显着网络功能连接减少，可能导致角回在记忆和情境整合中功能异常。dALFF升高可能预测早期认知障碍风险，尤其在语义记忆和情境回忆任务中，其与PACG进展的相关性需结合纵向研究验证。

“神经元投射发育调控”和“膜组织”通路分别从神经元形态功能建立和膜动态平衡维度影响PACG病理过程。“神经元投射发育调控”通路通过转录因子级联、细胞骨架和迁移调控以及功能多样性建立参与神经元轴突和树突形态发生、导向和功能建立。PACG中视网膜节细胞（RGCs）轴突变性可能与SARM1介导的NAD+耗竭相关 tau蛋白异常磷酸化降低微管稳定性，加剧轴突运输损伤炎症因子（如IL-6）通过MAPK通路抑制轴突再生相关基因表达。“膜组织”通路涵盖膜结构动力学、脂质-蛋白质相互作用和信号传导。小梁网细胞外基质（ECM）重塑（如COL11A1突变）依赖整合素信号通路，膜脂筏结构异常可能干扰整合素-ECM相互作用，导致房水循环阻塞PACG患者血清中MDA和AOPP等氧化应激标志物升高，提示膜脂质过氧化可能损害小梁网细胞膜功能，加剧IOP波动。未来研究需进一步整合转录调控、膜信号网络和微环境相互作用，制定多靶点治疗策略。

特异性表达分析揭示与PACG负相关基因大量参与丘脑发生多数阶段。丘脑发育经历神经发生、核团分化、轴突导向和丘脑-皮层连接建立阶段丘脑神经元在胚胎期形成，不同核团基因表达差异决定其功能特异性随后轴突导向和连接建立逐渐发展出生后丘脑-皮层相互连接持续完善。PACG与丘脑发育存在重叠基因，如COL11A1、PLEKHA7和CNTNAP5，基因调控异常影响丘脑核团发育外侧膝状体（LGN）是视网膜信号向皮层传递的中继站发育性轴突导向错误或突触形成异常可能导致视觉信息处理效率下降和视神经对IOP升高敏感性增加未来需进一步探索脑-眼交互机制，为PACG早期诊断和干预提供新靶点。

PPI分析显示与PACG相关的PLS+和PLS-基因均可构建PPI网络，其中度值最高基因分别为NOP58和KRAS。NOP58是核仁 accumbens 核糖体生物合成关键蛋白，与NOP56和NOP1形成复合物调控rRNA前体加工和甲基化核糖体合成障碍可能加剧线粒体功能障碍，导致活性氧（ROS）积累，进而损害小梁网或虹膜基质细胞KRAS作为RAS家族成员，通过MAPK、PI3K/Akt等通路调控细胞增殖、存活和代谢KRAS下调抑制Hippo通路效应分子YAP活性，Hippo通路参与眼发育和前房结构形成KRAS沉默抑制氧化应激诱导的铁死亡，可能缓解小梁网细胞氧化损伤，从而维持房水流出通路完整性NOP56和KRAS可能影响胶原蛋和基质金属蛋白酶合成，两者在PACG虹膜基质重塑和房角粘连中起关键作用二者协同效应可能为PACG多机制发病提供新视角，但仍需进一步实验验证。

5-HT₄R在睫状体、虹膜和脉络膜表达，通过激活腺苷酸环化酶（AC）增加cAMP水平，进而调控PKA和Epac等下游通路该机制可能影响睫状体房水分泌功能5-HT₄R参与睫状体和眼动脉收缩调节房水流出受阻是PACG核心病理特征，血管张力改变可能间接影响IOP动态平衡5-HT₄R激活减少星形胶质细胞反应和IL-1β等炎症介质，慢性炎症是青光眼视神经损伤的重要致病因素mGlu₅R过度激活增强NMDA受体介导的兴奋毒性，谷氨酸积累是青光眼RGC死亡的关键机制慢性IOP模型中，mGlu₅R可能通过Gαq-PLCβ-IP3通路增加细胞内Ca²⁺超载，导致神经元损伤综上，5-HT₄R和mGlu₅R可能通过IOP调节、神经保护和炎症调节等多途径参与PACG病理过程，未来研究需深入探索其相互作用及作为治疗靶点的可行性。

本研究存在若干局限性：样本量相对有限，当前发现可能受采样误差显著影响，后续研究应通过扩大样本量确认结果稳健性dALFF参数时间分辨率限制需强调——该指标通过滑动时间窗口模拟动态时间演化，本质上仍属准静态指标，计算过程易受rs-fMRI相关混淆变量系统干扰采用AHBA数据库的结构缺陷值得注意，该数据集仅涵盖左半球脑区基因表达谱，导致基于半球不对称性的神经影像研究存在潜在偏差，尤其对dALFF等以脑区功能偏侧化为特征的生物标志物解释需保持谨慎。

结论

通过dALFF分析，本研究揭示PACG患者枕叶视觉皮层存在广泛动态功能重塑，系统评估其多时间窗口动态功能变异性，提示该人群既存在视觉通路损伤又存在神经补偿通过整合全基因组转录组谱和神经递质受体/转运体全脑定量空间分布模式分析，阐明皮层特异性功能异常与神经分子微环境改变间的潜在关联，为PACG创新治疗策略发展奠定分子神经科学基础。