在SELECTS研究中,多频率神经磁活动与认知功能:基于网络的频谱变化及遗传特征

《Neuroscience》:Multifrequency neuromagnetic activity and cognitive function in SeLECTS: network-based spectral alterations and genetic signatures

【字体: 时间:2026年02月18日 来源:Neuroscience 2.8

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  儿童局限性癫痫伴中央颞区尖波(SeLECTS)患者多频静息态神经磁活动异常,表现为前额叶-颞叶控制网络(FPCN)和默认模式网络(DMN)的theta/delta频段增强,与全量表智商(FSIQ)正相关。空间转录组学显示这些区域存在高度互联的mRNA剪接和代谢相关基因模块,提示神经活动异常与分子机制协同导致认知损害。

  
周新怡|卢静|李明昊|王英凡|朱音洁|江佩琳|胡凯|王晓山
南京医科大学附属脑医院神经科,南京,210024,中国

摘要

目的

本研究探讨了伴有中央颞区棘波的自限性癫痫儿童的多频率静息态神经磁活动及其与认知和区域基因表达的关联,旨在阐明潜在的神经生理机制。

方法

本研究纳入了59名未使用过抗癫痫药物的SeLECTS患儿和30名年龄匹配的健康对照组(HC)。所有参与者均接受了六个频段的脑磁图(MEG)记录。采用最小范数估计(MNE)结合Welch方法进行频谱功率计算。认知功能通过韦氏儿童智力量表(WISC-IV)进行评估。通过Spearman分析特定功率谱密度(PSD)和量表分数。利用BrainSpan Atlas进行空间转录组学映射,并结合基因本体(GO)和蛋白质-蛋白质相互作用(PPI)网络分析,识别关键生物过程和枢纽基因。

结果

与健康对照组相比,SeLECTS患儿在特定皮层区域和网络中表现出增强的θ波和δ波活动,尤其是在前额顶叶控制网络(FPCN)和默认模式网络(DMN)中。在认知表现方面,SeLECTS组在所有子测试中的得分均低于健康对照组,除了处理速度。值得注意的是,SeLECTS组的前额顶叶控制网络θ波PSD与全量表智商(FSIQ)呈正相关。空间转录组学分析进一步表明,这些功能异常的脑区由高度相互连接的分子模块定义。

结论

SeLECTS的频谱功率分析揭示了与认知表现相关的频率和网络特异性改变。此外,表现出这种神经生理特征的大脑区域在基因上富集了参与mRNA剪接和代谢的协同模块。

引言

伴有中央颞区棘波的自限性儿童癫痫(SeLECTS)是儿童期最常见的癫痫综合征之一,通常发生在2至14岁之间,发病率高峰在5至10岁(Wirrell, 1998; Hughes, 2010)。SeLECTS是一种局灶性癫痫,某些患者可能会进展为全身性强直-阵挛性发作,影响8-23%的癫痫患儿。其主要特征是简单部分性发作,包括口面部运动症状、言语停止和流口水,发作常发生在睡眠中或睡眠开始时(Kirby et al., 2017)。脑电图(EEG)通常显示中央颞区的高振幅棘波或尖波,通常是单侧或双侧交替分布。
历史上,SeLECTS被称为“伴有中央颞区棘波的良性儿童癫痫”(BECTs),基于其在青春期前自发缓解的假设以及不存在显著的神经或认知缺陷(Nicolai et al., 2006)。然而,近年来这种“良性”特征受到了越来越多的挑战。尽管许多研究表明(Piccinelli et al., 2008; Vannest et al., 2015),SeLECTS患儿的智力水平仍在正常范围内,尽管略低于健康同龄人,但在语言能力、视动整合和处理速度等特定领域的表现明显较差(Overvliet et al., 2013)。一项涉及1,237名SeLECTS患儿和1,137名健康对照组的荟萃分析(Wickens et al., 2017)进一步证实,患者的所有认知领域的神经心理评分均显著较低,尤其是长期记忆存储和检索方面存在明显缺陷。鉴于这些发现,国际抗癫痫联盟(ILAE)于2022年正式将BECTs更名为SeLECTS(Specchio et al., 2022; Manokaran et al., 2024),强调了该综合征潜在的非良性临床特征。
关于SeLECTS的病理生理机制的研究一直在进展,特别是在认知障碍方面。常规磁共振成像(MRI)通常无法显示显著的结构异常。Archer等人(Archer et al., 2003)使用结合EEG和fMRI的方法观察到左侧体感皮层的局灶性激活,证实SeLECTS的癫痫放电起源于中央颞区或感觉运动皮层。然而,SeLECTS不仅限于局灶性放电,还涉及多个脑网络的功能重组(Li et al., 2017),导致全局和局部信息传递效率降低。睡眠期间的EEG研究(?anl?da? et al., 2020)进一步揭示了丘脑-皮层振荡活动的异常,表明丘脑-皮层网络功能障碍也可能参与疾病机制。近年来,越来越多的研究关注SeLECTS中认知障碍的机制。Overvliet等人(Overvliet et al., 2013)提出,特定区域早期皮层变薄可能是语言功能受损的机制。在一项图论研究中(Garcia-Ramos et al., 2019),比较了新诊断的SeLECTS患儿和健康儿童的发展模式,发现SeLECTS患儿表现出更高的全局脑连接性配置,这与两年后的认知结果显著负相关。我们团队之前的MEG研究提供了将大规模神经磁变化与SeLECTS认知特征联系起来的证据(Wang et al., 2023)。Lu等人(Lu et al., 2025)重点研究了SeLECTS与健康对照组之间的功能连接性变化,发现前额-扣带回网络(FPCN)的连接性紊乱与言语理解能力显著相关。默认模式网络(DMN)(Menon, 2023)在休息和内省状态下最为活跃,已被证明容易受到频繁癫痫放电的破坏性影响(Chen et al., 2018),可能导致SeLECTS的认知衰退。最近,人们开始关注前额顶叶控制网络(FPCN),它在解剖位置和功能作用上介于DMN和背侧注意网络(DAN)之间(Dixon et al., 2018)。FPCN作为执行控制的核心系统,被认为在动态平衡内部和外部注意过程方面起着重要作用。
脑磁图(MEG)(Fred et al., 2022)是一种新型神经成像技术,结合了EEG的高时间分辨率和MRI的优越空间分辨率。这是一种非侵入性方法,能够捕捉由神经元活动产生的磁场,因为磁场穿过颅骨和软组织时不会显著衰减。这一优势使MEG特别适用于儿科人群。此外,MEG能够研究频率依赖性和空间选择性的神经动态,使其成为研究与认知功能相关的脑活动变化的理想工具。
然而,MRI和MEG本身无法阐明这些变化的潜在分子机制(Arnatkeviciute et al., 2023)。在脑发育过程中,基因表达的空间梯度指导神经元分化和连接性,从而塑造了大脑网络的大规模组织。虽然基于遗传关联的方法可以识别与特定表型相关的单核苷酸多态性(SNPs),但它们并不一定建立因果关系,因为相关变异可能与实际致病位点存在连锁不平衡。过去十年中,高通量组织处理和分析技术的进步使得生成人类大脑的解剖学全面转录组图谱成为可能(Lein et al., 2007; Hawrylycz et al., 2012)。这些资源为识别其空间表达模式与神经影像学表型相对应的基因开辟了新途径,从而产生了成像转录组学这一新兴领域(Arnatkevic?iūt? et al., 2019)。
在本研究中,我们使用韦氏儿童智力量表(WISC-IV)评估认知表现。我们使用MEG记录了多个频段的全脑神经磁活动,并从26个与认知相关的脑区提取数据。然后,我们研究了特定频率的神经磁活动与认知表现之间的关系。基于这一框架,我们将转录组数据投影到MEG显示神经磁活动显著改变的区域上,遵循实用指南(Arnatkevic?iūt? et al., 2019)的建议。这种多模态方法旨在探索SeLECTS患儿神经功能障碍或脆弱性的潜在分子机制。

章节片段

研究对象

纳入标准如下:(1)根据国际抗癫痫联盟2022年的分类标准确诊为SeLECTS(Manokaran et al., 2024);(2)典型的EEG检查显示缓慢、双相且高电压的中央颞区棘波;(3)未使用或目前未使用抗癫痫药物;(4)精神和身体发育正常。排除标准包括:(1)存在可能干扰MEG的金属植入物

临床特征

本研究共纳入了59名SeLECTS患儿和30名年龄和性别匹配的健康对照组(HC)。SeLECTS组的平均年龄为8.63±1.75岁,HC组的平均年龄为8.97±2.14岁。两组在年龄和性别上没有显著差异,这两个变量均作为协变量纳入后续的PSD分析。在SeLECTS患儿中,22例表现为双侧棘波起源,23例为左侧起源,14例为右侧起源

讨论

本研究采用多尺度方法探讨SeLECTS的认知脆弱性的神经生理基础。通过整合静息态MEG、详细的神经心理学评估和事后空间转录组分析,我们将行为观察与系统级别的脑网络活动及其潜在的分子特征联系起来。
临床特征和认知功能
WISC评估显示,SeLECTS组的

结论

总之,SeLECTS患儿在前额顶叶控制网络(FPCN)中表现出增强的θ波活动,这与全量表智商(FSIQ)呈正相关,表明可能存在支持认知的补偿机制。空间转录组学映射进一步显示,这些功能改变的区域在mRNA剪接和代谢过程中具有共同的分子特征,表明这些区域具有转录协调性

未引用的参考文献

Arnatkevic?iūt? et al., 2019, Garcia-Ramos et al., 2019, Haworth et al., n.d., Kirby et al., 2017.

CRediT作者贡献声明

周新怡:撰写 – 审稿与编辑,撰写 – 原始草稿,可视化,方法学,概念化。卢静:撰写 – 原始草稿,软件,正式分析,数据管理。李明昊:撰写 – 审稿与编辑,软件,方法学,数据管理。王英凡:正式分析,数据管理,概念化。朱音洁:方法学,正式分析,数据管理。江佩琳:可视化,方法学。胡凯:软件,方法学。王晓山:监督,项目

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(资助编号:82471480)、江苏省自然科学基金(资助编号:BK20191127)、江苏省卫生健康委员会(资助编号:H2018062)和南京市科学技术委员会(资助编号:201911044)的支持。
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