一氧化碳中毒患者内在脑活动异常模式与神经递质分布的空间关联研究

本研究针对一氧化碳中毒（COP）后局部神经元活动评估不足及分子机制不明的问题，通过结合低频波动振幅（ALFF）与神经递质图谱，首次发现COP患者高阶联合网络脑活动降低而低阶感觉运动网络活动增强，且与单胺类神经递质（NE、5-HT、DA）及NMDA受体分布显著相关。结果揭示了ALFF可表征COP相关脑活动异常，为解释临床症状提供了神经化学基础，对COP病理机制研究和临床诊疗具有重要价值。

　　

在全球范围内，一氧化碳中毒（Carbon Monoxide Poisoning, COP）仍是导致中毒性死亡最常见的原因之一，每年约造成3万人死亡。在中国，随着经济快速发展，COP的发病率呈上升趋势，成为一个重要的公共卫生问题。COP会引起大脑和心脏等关键器官的缺氧性损伤，是导致死亡和疾病负担的主要因素之一。尽管磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）常用于评估COP患者的脑损伤，但传统MRI难以检测到与COP相关的脑内微观结构和代谢变化。随着神经影像技术的进步，学者们开始深入探索COP患者大脑的结构和功能变化，例如在急性期，胼胝体膝部、扣带回、运动相关束路、海马和苍白球等脑区的微结构会受到损伤。然而，目前尚无研究全面评估COP后大脑的局部神经元活动，且与异常神经元活动模式相关的分子机制仍不明确。

为了填补这一研究空白，来自中国广东省惠州市中心人民医院放射科的研究团队开展了一项创新性研究，旨在通过结合低频波动振幅（Amplitude of Low-Frequency Fluctuation, ALFF）和神经递质分布图谱，初步探索COP相关的潜在脑活动模式及其神经化学基础。该研究最近发表在《Brain Organoid and Systems Neuroscience Journal》，为理解COP的病理机制提供了新的视角。

研究采用了多项先进的技术方法。首先，研究人员招募了37名COP患者和37名年龄、性别匹配的健康对照（Healthy Controls, HCs），所有受试者均为右利手。利用3T GE磁共振扫描仪采集了静息态功能磁共振成像（resting-state fMRI）数据和高分辨率T1加权图像。功能数据预处理使用DPABI和SPM12软件，包括去除前10个时间点、头动校正、空间标准化和平滑等步骤。ALFF计算为0.01-0.10 Hz频率范围内的振幅平均值，并进行Z-score转换以用于组间比较。统计分析采用两样本t检验，控制年龄、性别、头动等混杂因素，并使用高斯随机场（GRF）理论进行多重比较校正。此外，研究利用JuSpace工具箱分析了ALFF差异图与14种神经递质受体/转运体密度图的空间相关性，包括多巴胺（D1、D2、DAT、FDOPA）、血清素（5HT1a、5HT1b、5HT2a、5HT4、SERT）、NMDA、GABAa、NAT、mGluR5和VAChT。空间相关性通过Spearman相关系数计算，并使用错误发现率（FDR）校正。临床数据采用t检验、卡方检验和Spearman相关分析。最后，研究还进行了分层分析，按年龄分为青少年和成人亚组，以探讨发育效应。

3.1. Demographic and clinical information

结果显示，COP组和HC组在年龄和性别分布上无显著差异，但COP组的简易精神状态检查（MMSE）得分显著低于HC组，表明COP患者存在认知功能障碍。其他临床指标如昏迷时间、碳氧血红蛋白浓度（CoHb%）、格拉斯哥昏迷量表（GCS）评分和汉密尔顿焦虑量表（HAMA）评分也均被记录。

3.2. Group differences in ALFF analysis

ALFF分析发现，与HC组相比，COP组在楔前叶皮层（PreC）、右侧内侧额极（FP）和右侧额极（FP）的ALFF显著降低，而在左侧Heschl回（HG）、左侧岛叶皮层（IC）、左侧顶盖皮层（PO）和左侧中央后回（PoG）的ALFF显著增加。这些脑区分别属于高阶联合网络（如默认模式网络和额顶控制网络）和低阶感觉运动网络，提示COP导致高阶网络活动减弱而低阶网络活动增强。

3.3. Relationship with clinical characteristics

相关分析表明，COP患者的GCS评分与右侧FP的ALFF Z值呈显著正相关，即GCS评分越高（意识状态越好），该脑区的活动越强。这提示额极脑区的活动可能与维持觉醒意识有关。

3.4. Correlations with neurotransmitter receptors/transporters

空间相关性分析显示，COP患者的ALFF差异与5HT1b、5HT2a、D2、NAT和NMDA受体/转运体的分布显著相关。具体而言，ALFF变化与单胺类神经递质（如去甲肾上腺素、血清素和多巴胺）以及NMDA受体的密度存在空间关联，表明COP相关的脑活动异常可能由特定的神经递质信号驱动。

3.5. Stratified Analysis and Interaction Effect Analysis

分层分析发现，在青少年亚组中，ALFF差异主要位于左侧中央前回和中央后回、右侧缘上回、楔叶、右侧额上回和枕叶，且与神经递质图谱的空间相关性仍显著。而在成人亚组中，未检测到显著的ALFF组间差异或空间相关性。交互效应分析显示，组别与年龄之间无显著交互作用，表明发育阶段可能影响结果，但需谨慎解释 due to 样本量较小。

研究结论部分强调，COP患者表现出低阶感觉运动网络活动增强和高阶联合网络活动减弱的模式，这可能反映了缺氧损伤下的神经补偿机制。高阶网络（如默认模式网络和额顶控制网络）由于神经解剖特征（如较大的树突棘密度、较高的突触密度和长程皮层连接）而代谢需求较高，使其对缺氧更敏感。相反，感觉运动皮层具有更强的 resilience。此外，ALFF变化与单胺类神经递质和NMDA受体的空间关联提供了分子机制证据，支持多种 neurotransmitter 系统参与COP的病理过程。单胺类神经递质在调节运动、睡眠、奖励和情绪中起关键作用，其 dysfunction 与多种神经精神疾病相关。NMDA受体则与 excitatory 氨基酸 glutamate 的释放和 neuronal damage 有关。

本研究的意义在于首次 comprehensive 评估了COP相关的脑活动异常及其神经化学基础，为理解COP的病理生理机制提供了新见解。ALFF可作为表征COP相关脑活动异常的非侵入性指标，有助于解释临床症状和神经认知表现。然而，研究存在一些局限性，如样本量较小、神经递质图谱来自独立成人样本、以及横断面设计无法捕捉 temporal changes。未来研究应聚焦青少年患者、使用儿科特异性神经递质图谱、并采用纵向设计以进一步验证结果和探索ALFF在 delayed encephalopathy 诊断中的价值。总体而言，该研究为COP的机制研究和临床干预提供了重要依据。