《CNS Neuroscience & Therapeutics》：Effective Connectivity Alterations of Directed Brain Network in Pediatric Patients With Spinal Cord Injury
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本研究首次结合独立成分分析（ICA）与动态因果模型（DCM），揭示了儿童脊髓损伤（SCI）后脑网络有效连接（EC）的重组机制。研究发现，后扣带回皮层（PCC）是网络失衡的关键上游节点，其增强的抑制性影响是默认模式网络（DMN）与突显网络（SAN）功能连接降低的因果基础。研究进一步阐明了完全性与不完全性SCI患者存在DMN-SAN双向调节失衡的差异模式，为靶向PCC的神经调控治疗提供了新靶点。
研究背景与目的
创伤性脊髓损伤（SCI）是一种严重的神经系统疾病，不仅导致感觉运动功能障碍，还会引发大脑功能网络的广泛重组。尤其是在神经系统处于发育关键期的儿童患者中，其重组机制可能与成人存在根本差异。既往研究多关注于静态的功能连接（FC），但FC无法揭示信息流的方向性或脑区间的因果相互作用。相比之下，有效连接（EC）分析可以量化一个神经元系统对另一个系统的直接因果影响。本研究旨在利用动态因果模型（DCM）这一基于贝叶斯框架的生成式模型，深入探究儿童SCI患者脑网络EC的改变，揭示网络重组机制，并识别潜在的治疗性神经调控靶点。
材料与方法
本研究共纳入37名6-12岁的儿童SCI患者（其中完全性SCI（CSCI）24例，不完全性SCI（ISCI）13例）和37名匹配的健康对照（HC）。所有参与者均接受了静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）扫描。
数据处理首先采用独立成分分析（ICA）这一数据驱动方法，从fMRI数据中提取出具有生理意义的功能网络成分，并识别出在SCI患者中发生显著改变的网络。结果显示，19个独立成分（ICs）被最终确认用于分析。组间比较发现，SCI患者默认模式网络（DMN，对应IC9）与突显网络（SAN，对应IC32）之间的功能连接显著降低。
基于ICA结果，研究进一步确定了7个关键感兴趣区（ROIs），包括DMN内的后扣带回皮层（PCC）、内侧前额叶皮层（mPFC）、左/右顶下小叶（LIPL/RIPL），以及SAN内的左/右脑岛（LInsula/RInsula）和前扣带回皮层（ACC）。以这些ROIs的峰值坐标为中心，提取每个被试的时间序列信号。
核心分析采用谱动态因果模型（spDCM）来推断ROIs之间的EC。首先为每个被试建立包含7个节点的全连接DCM模型（共49条连接，包括自连接），然后通过贝叶斯模型缩减（BMR）确定每个被试的最佳模型。最后，使用参数经验贝叶斯（PEB）方法进行组水平分析，获得平均EC强度。在DCM框架中，耦合参数的正负分别表示兴奋性（正）或抑制性（负）影响。统计显著性定义为贝叶斯后验概率（Pp）> 0.95。
研究结果
人口学与临床特征
SCI组与HC组在年龄和性别上无显著差异。在SCI患者内部，CSCI组与ISCI组的损伤持续时间无显著差异，但CSCI组的运动评分和感觉评分均显著低于ISCI组，符合临床预期。
ICA结果
ICA分析明确显示，与HC组相比，SCI组患者DMN与SAN之间的静态功能连接显著减弱。
有效连接（EC）改变
1. SCI患者与健康对照（HC）的比较
与HC相比，SCI患者表现出广泛的EC异常，其核心特征在于PCC的调控作用发生显著改变：
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PCC对mPFC、双侧脑岛（LInsula和RInsula）的抑制性影响增强。
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PCC对右顶下小叶（RIPL）的兴奋性影响减弱，同时mPFC对左顶下小叶（LIPL）的兴奋性影响也减弱。
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在SAN内部，出现了从左脑岛（LInsula）到右脑岛（RInsula），再到ACC的兴奋性影响增强的路径。
这些结果表明，PCC是SCI后脑网络重组中的一个关键上游驱动节点，其增强的抑制性输出可能主导了DMN内部以及DMN对SAN的相互作用失调。
2. 完全性SCI（CSCI）与不完全性SCI（ISCI）患者的比较
CSCI与ISCI患者相比，其EC改变呈现出更为复杂的DMN与SAN间双向调节失衡的模式：
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DMN对SAN的异常兴奋性驱动：在CSCI患者中，存在两条主要的异常兴奋性路径从DMN指向SAN。一条是PCC → LIPL → RIPL → ACC，另一条是mPFC → LInsula → RInsula。这表明在完全性损伤下，DMN可能对SAN产生了病理性的过度影响。
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SAN对DMN的增强抑制性反馈：作为可能的代偿性反应，CSCI患者中SAN对DMN的抑制性调节也增强了，具体表现为ACC → LInsula → PCC这条抑制性路径的加强。ACC也表现出对PCC的直接抑制性影响增强。
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网络内部连接改变：此外，还观察到顶下小叶之间（LIPL与RIPL）以及脑岛之间（LInsula与RInsula）兴奋性与抑制性影响的复杂变化。
这些差异揭示了脊髓损伤的严重程度与大脑网络重组模式密切相关，CSCI患者表现出更显著的DMN与SAN之间的双向调控失衡。
讨论
本研究通过结合ICA和DCM，超越了传统的相关性分析，为儿童SCI后的脑网络重组提供了因果机制层面的解释。
首先，ICA发现的DMN-SAN静态连接减弱，可以在三重网络模型框架下理解。SAN通常负责在专注于内部思维的DMN和应对外部任务的中央执行网络（CEN）之间进行动态切换。SCI导致的慢性感觉剥夺可能削弱了SAN的参与度，从而损害了其对DMN的调节，影响认知-运动整合。
更重要的是，DCM分析揭示PCC是网络重组中的核心枢纽。PCC对mPFC、脑岛等关键节点的抑制性影响增强，可能损害自我参照加工、注意力分配等功能，这与在其他神经精神疾病（如抑郁症、精神分裂症）中观察到的PCC功能异常有相似之处。这一发现表明PCC可能成为神经调控治疗（如经颅磁刺激或经颅电刺激）的潜在靶点。
此外，CSCI与ISCI患者之间的EC差异表明，损伤严重程度不同，大脑的代偿重组策略也不同。CSCI患者中存在的DMN到SAN的异常兴奋性驱动以及SAN到DMN的增强抑制性反馈，可能反映了在完全性感觉运动输入丧失后，大脑试图通过调整网络间平衡来维持有限认知资源的复杂代偿机制，但这种代偿也可能是功能缺损的基础。
局限性与展望
本研究存在一些局限性，包括样本量相对较小、缺乏与神经心理学行为数据的关联、损伤水平和病程存在异质性以及横断面设计无法追踪动态变化等。未来的研究需要通过更大样本、纵向设计并结合详细的行为学评估来验证这些发现，并进一步阐明EC改变与患者功能预后的关系。
结论
本研究证实，儿童脊髓损伤后存在显著的大脑有效连接重组，其中后扣带回皮层（PCC）是网络失衡的关键上游节点。完全性与不完全性脊髓损伤患者表现出不同的默认模式网络（DMN）与突显网络（SAN）间双向调节失衡模式。这些发现不仅深化了对脊髓损伤后脑重塑机制的理解，也为开发针对PCC等关键节点的精准神经调控疗法提供了重要的理论依据。
