急性缺血性卒中患者功能预后神经影像学标志物的个体差异

《Stroke and Vascular Neurology》：Individual heterogeneity in neuroimaging markers of functional outcomes in patients with acute ischaemic stroke

　　摘要
背景：本研究旨在探讨急性缺血性脑卒中患者不同功能结局背后的地形学及连接组学机制的异质性。
方法与结果：来自中国第三次全国脑卒中登记系统的7891名患者，根据其缺血性病变生成了动脉供血区图、结构断连图和功能断连图。通过修正后的Rankin量表评分评估与功能结局相关的关键脑结构，再利用多扰动Shapley值分析确定这些结构。探索性亚组分析显示，动脉供血区图和功能断连图中识别的关键结构会因性别和年龄而有所不同，但在结构断连图中则保持一致。
结论：研究确定了与不良功能结局相关的特定地形分布和断连模式，揭示了与年龄和性别相关的个体差异。这些发现可作为影像学生物标志物，并为潜在的神经调节靶点提供可验证的假设。

已有研究进展：已知缺血性脑卒中患者的病变位置、推测的断连情况与功能结局之间存在显著相关性。
本研究的贡献：本研究量化了脑卒中后功能障碍的神经解剖学及连接组学基础，并明确了受性别和年龄影响的个体差异。
对研究、实践或政策的潜在影响：本研究提供了基于数据的定量框架，用于识别可作为分层生物标志物的神经影像学特征，同时为神经调节疗法的验证提供依据。

引言
急性缺血性脑卒中已成为导致功能障碍和死亡的主要病因。尽管病变位置与功能结局存在关联，但传统的单变量病变症状映射方法在模拟空间离散病变方面存在局限。为解决这一问题，人们开发了多变量病变症状映射方法。更重要的是，现代神经科学认为大脑功能源于各区域之间的动态相互作用，症状往往是由脑网络紊乱而非单纯局部损伤引起的。这一网络视角推动了基于连接组的病变症状映射方法的发展，该方法通过将局部损伤映射到标准连接组上，从而捕捉病变对网络层面的影响。由于脑卒中病变通常沿着动脉供血区边界分布，因此可能同时影响多个网络。为此，我们采用了基于博弈论的多扰动Shapley值分析方法，以公平地评估不同脑区域对整体功能结局的贡献。

临床恢复情况在不同个体间差异很大，这种异质性可能由性别和年龄等生物学因素导致。因此，本研究旨在识别关键的地形学及连接组学神经影像学特征，揭示受性别和年龄影响的个体差异，从而为潜在的神经调节靶点提供依据。

方法
研究设计与参与者：功能结局数据来自中国第三次全国脑卒中登记系统，该系统是一项针对急性脑血管疾病患者的全国性前瞻性队列研究。最初纳入了15,166名发病7天内的缺血性脑卒中或短暂性脑缺血发作患者。排除标准包括：发病前修正后Rankin量表评分大于3的患者（261例）、有癌症史（134例）、痴呆症史（50例）或精神障碍史（38例），以及被诊断为短暂性脑缺血发作的患者（1,020例），因为本研究聚焦于确诊为脑梗死的患者。此外，还排除了发病后接受再灌注治疗（包括溶栓或取栓术）且3个月内可能出现出血转化、脑卒中复发或死亡的患者（分别为262例、944例和218例）。那些缺失扩散加权成像或T1加权成像图像的患者（分别为2,373例和596例）、后续处理失败的患者（137例）以及出院时缺失mRS评分的患者（1例）也被排除在外。最终共有7,891名患者纳入分析（见在线补充图1）。

功能结局的定义：功能结局通过评估时的mRS评分来判定。出院时的mRS评分由经验丰富的神经科医生通过面对面访谈确定。3个月（90±7天）时的mRS评分则由经过专业培训的神经科医生，在不知晓患者基线临床特征的情况下，通过面对面或电话访谈重新评估。不良功能结局定义为出院时和3个月时的mRS评分在3–5之间。在3个月的随访期间，有97名患者因记录原因无法继续随访（见在线补充图1）。

影像采集与病变预处理：来自22个省和4个直辖市的201家医院的患者接受了本地MRI扫描。影像数据以数字医学成像与通信格式收集，由中国北京天坛医院影像研究中心进行集中分析。所使用的序列包括T1加权成像、T2加权成像、液体衰减反转恢复成像、扩散加权成像以及表观扩散系数序列，这些成像均采用1.5T或3T磁共振仪器完成（制造商包括西门子、荷兰阿姆斯特丹的飞利浦以及美国伊利诺伊州芝加哥的GE医疗）。

基于U-Net卷积神经网络的深度学习算法自动对扩散加权成像和ADC成像中的梗死区域进行分割。这些分割结果由两名拥有超过3年经验的标注员以及一名拥有超过8年经验的高级医生进行验证。

利用FMRIB软件库（版本6.0.0；网址：https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl），将每位患者的DWI图像和已分割的病变区域转换为T1空间，然后通过仿射配准方法将其与蒙特利尔神经病学研究所的标准脑模板对齐。病变图像以1立方毫米和2立方毫米的分辨率保存在模板空间中，以确保不同患者对应的体素能映射到相同的解剖位置。

结构与功能断连的构建：通过将已配准的病变区域映射到由年龄和性别匹配的健康对照组（共99人）构建的标准网络上，从而得到代表结构与功能连接的断连图。对照组在北京师范大学脑科学研究中心使用西门子3T磁共振仪进行扫描，以此建立标准的结构与功能网络。所使用的序列包括高分辨率T1加权结构MRI、扩散张量成像以及静息状态功能MRI。

间接结构断连是通过在1立方毫米分辨率下对DTI图像进行概率轨迹分析得到的。将每位患者的标准化病变区域分别注册到99名受试者的个体空间中，然后使用TrackVis软件提取该病变所破坏的结构连接，再将这些破坏情况平均，从而得到每位患者的SDC值。

间接功能断连则是通过2立方毫米分辨率的功能MRI获得的。将每个标准化病变区域注册到99名受试者的个体空间中，以每个病变区域的时间序列作为起点，计算其与大脑其他区域的皮尔逊相关系数。将99个样本中的FDC分布值平均，从而得到最终的FDC图。

统计分析：采用基于博弈论的群体级方法——MSA，来量化特定动脉供血区及断连对功能结局的贡献（见图1）。在MSA模型中，系统网络中的各个元素被视为游戏中的“参与者”，所有在扰动后被涉及的元素共同构成“联盟”。扰动后系统的表现被视为该联盟的“价值”，而每个“参与者”的贡献则用Shapley值来表示。这一数值代表了游戏价值在各个参与者之间的公平分配，在本研究中即指mRS评分（0–5分）在各个脑区域间的分布情况。Shapley值较高的区域被视为与较高mRS评分相关的关键结构。

根据标准脑图谱，将大脑划分为K个可能引发临床可见缺陷的区域，从而确定不同的“参与者”群体。我们选择了一个动脉图谱，该图谱包含了15对双侧动脉结构以及一对侧脑室，用于反映缺血的地形分布。间接受损的结构连接则通过约翰·霍普金斯大学白质轨迹图谱中的10对双侧白质束来表示。模拟的受损功能连接则通过Schaefer 400图谱中的17个网络组件来体现。有关图谱名称及缩写的详细信息，请参见在线补充表1–3。动脉图谱中某区域的损伤程度是根据该区域内病变体素的占比来计算的，而结构断连图或FDC图中的损伤程度则是根据该区域的平均断连值来确定的。某区域的状态记为X(i)，所有区域在一次扰动后的整体表现则记为Y(i)，即出院时或发病3个月后的mRS评分（记为M）。最终的分析数据由向量(X, Y)组成。

参照Shay Ofir Geva等人的方法，我们训练了一种基于k最近邻算法的预测模型，用于估算任意给定二元损伤状态下的mRS评分。我们采用了有限扰动策略，将分析范围限制在最多包含J个组分的联盟内，从而考虑深度有限的扰动效果。所选的扰动深度J设定为5，这一数值是在确保临床相关的多灶性损伤模式得到充分考虑的同时，兼顾计算成本和预测精度。对于某个区域i，其原始Shapley值γ(i)及其中间变量RJ(i)的计算方法如下：

原始Shapley值需经过校准，以纠正基于预测的估算方法中固有的系统性低估现象（即数值向均值靠拢的趋势），从而得到最终的校准后Shapley值（记为cSVs，其单一形式为cSV）。通过对cSVs进行自举重采样分析（样本量N=1000），可以估计置信区间。此外，还通过区域间的t检验来判断某个组分的cSV值是否显著高于所有组分的平均贡献值。所得到的p值需通过Benjamini-Hochberg假发现率校正方法进行多重比较校正。那些经过校正后p值（pFDR）小于0.05的组分，被认为对功能结局具有统计学上的显著贡献。

性别和年龄对异质性的影响评估：为了分析已识别出的关键组分在功能结局中的作用是否存在个体差异，我们进行了基于性别和年龄的分层分析。年龄以46岁作为划分标准，这一数值与中国女性的平均绝经年龄相符，同时也与“年轻脑卒中患者”（18–45岁）的定义相一致。这一划分标准也适用于男性患者。

结果
参与者的人口统计学特征：纳入研究的患者的平均年龄为62.10±11.23岁，其中女性占30.18%。从出院到3个月的时间里，共有97名患者失去随访联系。出院时，6,670名患者（84.53%）的mRS评分为0–2分，而3个月时这一比例为6,963名患者（88.24%）。无论是出院时还是3个月时，女性的不良功能结局风险均显著高于男性（出院时女性与男性的比例分别为18.64% vs 14.10%，p<0.001；3个月时为13.47% vs 9.44%，p<0.001）。总体及按性别分类的短期和长期功能结局分布情况见图2A。梗死病灶涉及皮质和皮层下区域，呈现近乎双侧对称性，且性别间的空间分布相似（图2B）。卒中后的关键动脉供血区及功能连接紊乱为明确卒中后整体功能状态背后的神经解剖学基础及相应网络结构，研究人员根据出院时及3个月时的mRS评分建立了动脉供血区图、SDC图和FDC图（图3，在线补充表4–6）。涉及左侧大脑中动脉顶叶段（MCAP）、双侧大脑前动脉枕顶叶段（PCAO）、右侧脉络膜前动脉及丘脑穿通动脉（ACTP）以及左侧小脑下叶（IC）区域的病灶与出院时的功能预后相关（cSV，95%置信区间：左侧MCAP为4.472（3.482至5.462），p FDR=0.027；左侧PCAO为5.647（4.373至6.922），p FDR=0.001；右侧PCAO为5.177（4.043至6.312），p FDR=0.002；右侧ACTP为7.094（4.496至9.692），p FDR=0.011；左侧IC为5.099（3.840至6.358），p FDR=0.010），而涉及左侧MCAP、右侧大脑中动脉枕顶叶段（MCAO）、左侧大脑中动脉岛叶段（MCAI）、右侧PCAO以及右侧IC区域的病灶则与3个月时的功能预后相关（cSV，95%置信区间：左侧MCAP为3.150（3.131至3.170），p FDR=0.046；右侧MCAO为3.181（3.149至3.212），p FDR=0.004；左侧MCAI为3.188（3.161至3.214），p FDR<0.001；右侧PCAO为3.160（3.138至3.183），p FDR=0.010；右侧IC为3.164（3.134至3.193），p FDR=0.046）。双侧皮质脊髓束（CST）、左侧扣带回海马部分以及双侧上纵束颞侧投射的SDC值与出院时及3个月时的功能预后均存在关联（出院时与3个月时对比，cSV，95%置信区间：左侧CST为8.758对比8.833；右侧CST为10.747对比10.799；左侧扣带回海马部分为18.333对比18.494；左侧上纵束的颞侧投射为39.074对比39.416；右侧上纵束的颞侧投射为26.348对比26.444）。视觉A网络（VIS-A）、显著性/腹侧A注意网络（VAN-A）、边缘系A网络（LIM-A）以及默认C网络（DMN-C）的FDC值与出院时及3个月时的功能预后均存在关联。相比之下，背侧注意A网络（DAN-A）仅与出院时的功能预后相关（cSV，95%置信区间：DAN-A为9.424（6.471至12.377），p FDR=0.032）。性别和年龄会影响大脑与功能预后的关系通过探索性亚组分析发现，按性别和年龄分层的动脉供血区图及FDC图中存在显著的个体差异，而SDC各组分的结果在所有人群中都较为一致，各组的cSV分布也相似（图4和图5，在线补充表7–24）。女性相比男性具有更广泛且更偏向左侧的动脉供血区特征（图4A），年龄还会进一步改变这些特征：与老年患者相比，年轻患者无论性别如何，其动脉供血区的受累范围都更广，且侧化特征更为明显（图5A）。在女性中，视觉网络和注意网络与功能预后相关，而在男性中，边缘系网络与功能预后的相关性更强，两种性别中默认网络都与功能预后相关（图4C）。不同性别中，网络受累范围的年龄相关变化存在差异：年轻女性的网络受累范围最初以视觉网络为主，而老年女性则还包括注意网络、边缘系网络和默认网络；年轻男性的网络受累范围原本较广，而老年男性则仅包括边缘系网络和默认网络（图5C）。讨论本研究采用博弈论层面的群体分析方法，旨在量化多层级脑结构对卒中后功能预后的影响。我们确定了与较高不良功能预后风险相关的关键动脉供血区及功能网络，探索性分析显示，受性别和年龄影响的个体差异显著，而白质束的分布则在不同人群中较为一致。尽管mRS评分在不同水平上存在异质性，这限制了其区分细微功能缺陷或反映患者独立性变化的能力，但鉴于其在重大卒中试验中作为主要终点的地位，我们仍需进一步了解其背后的神经解剖学及网络机制。值得注意的是，与我们目前的研究结果以及先前关于特定领域功能缺陷的研究相比，导致整体不良预后及特定领域功能缺陷的神经机制存在共性。我们基于mRS的探索性研究结果与先前基于NIHSS针对关键连接中断（如上纵束、CST、颞中回、枕极、枕外侧皮层、岛叶皮层、海马旁回、颞极）的研究结果相互印证，进一步凸显了所识别网络的重要性。卒中病灶是沿着动脉供血区的边界分布，而非功能单元。因此，识别这些供血区及其对应的供血动脉，有助于为基于病理生理机制的治疗决策提供依据。所识别的动脉供血区涵盖左侧顶叶、左侧岛叶、双侧枕叶（右侧的范围更广）、右侧颞中区及海马，以及双侧小脑下叶，这些区域可能与运动控制系统、认知功能、视觉处理以及调节炎症反应等功能相关。因此，除了再灌注治疗之外，针对特定领域的物理康复、抗炎药物及神经调控疗法也可能值得考虑。女性尤其是老年女性的关键动脉供血区在空间分布上更为广泛，且更偏向左侧，这一结果与先前的研究结论部分一致。未来研究应进一步探讨导致这些关联的潜在机制。双侧CST、左侧扣带回海马部分以及双侧上纵束的颞侧投射在不同性别和年龄组中均保持一致，表明它们在预测不同人群的功能预后方面具有稳定性。CST以及上纵束与功能预后之间的关联与先前的研究结果及解剖学知识相符。上纵束的颞侧投射可能比整个束路更能作为功能预后的生物标志物，值得进一步研究。扣带回海马部分与功能预后之间的关联及其明显的左侧偏倚在卒中研究中的报道较少，需要进一步探究。所识别的功能网络与功能依赖及运动缺陷存在关联。探索性亚组分析显示，不同性别和年龄组在功能网络的贡献模式上存在差异，这与先前的研究结果一致。这些差异并不代表特定的生物学机制，但可为未来的研究提供假设依据。未来需要结合纵向研究设计及多模态评估方法，进一步验证这些研究结果。这些网络研究结果为未来的神经调控研究提供了可检验的假设。例如，那些cSV值为负且p FDR<0.05的成分（详见在线补充信息），如躯体运动B网络（SMN-B）和颞顶网络，可能起到适应不良或过度抑制的作用，据此可推测，针对这些网络进行抑制性神经调控可能有助于改善功能预后。相反，那些cSV值为正且p FDR<0.05的成分，包括VIS-A、VAN-A、LIM-A和DMN-C，其活性可能具有益处，由此可推测，对这些网络进行兴奋性刺激可能具有治疗效果。本研究提出的是网络层面的潜在治疗靶点（如“抑制SMN-B”），而非具体的皮质刺激位置（如该网络中最容易到达的皮质节点），后者需要针对个体进行定位，属于干预研究设计中的单独步骤。探索性亚组分析显示，关键网络的特征因性别和年龄而异，因此在制定分层干预策略之前，需在独立的队列中进一步验证这些结果。本研究报告的cSV值用于群体层面分析，旨在确定同一患者组中、同一脑图谱中对功能预后有统计学意义的脑结构成分，它们反映的是模型内的相对贡献度，不应被解读为效应大小的直接测量值或个体层面的风险指标。考虑到这一点，本研究在方法学上具有多项优势。MSA算法能够将功能预后归因于多个同时受损的脑结构成分，突破了基于二元症状的分析方式。我们还对大脑的功能不对称性进行了空间特征描述，更重要的是，发现了受性别和年龄影响的、个体间存在的脑结构与功能预后关系的差异。较大的样本量以及全面的病灶覆盖范围提升了研究结果的稳定性和可靠性。未来研究还需解决该研究的若干局限性。首先，MSA算法要求预设固定的脑结构成分数量，这必然会简化复杂的神经网络交互关系。其次，研究中模拟的“断开连接”的神经网络是基于健康、性别和年龄匹配且无合并症的对照组的标准网络构建的，这是CLSM研究中常用的方法，虽能分离出卒中特异的连接中断，但只能大致反映每个患者的实际结构和功能动态。这种模拟方法通过平均健康对照组的数据来简化患者特有的网络状态，可能会降低个体差异，进而低估那些本身就存在非典型连接模式的患者的神经网络关联程度。因此，所有基于连接中断的研究结果都应被视为初步探索性的。未来需要结合更先进的成像技术（如灌注成像和连接数据）来验证这些观察结果。总之，本研究明确了影响短期和长期功能预后的关键动脉供血区、白质束及功能网络，为开发考虑性别和年龄差异的个性化预后模型提供了解剖学和电路学依据，同时也为未来开展分层、精准的神经调控治疗提供了可检验的假设。脚注LY和HT为共同第一作者。TL、YW和LD为共同资深作者。贡献者：YW、LD和TL参与了研究的构思与设计；LY、LD、ZL、JJ、YJ、XM、YC、XZ、HN、HL和HT负责数据的收集与分析；LY和HT负责文本撰写或图表制作。YW为项目负责人。资助情况：本研究得到了国家自然科学基金（项目编号82571499、82372040、82171270）以及广东省基础研究重大专项（项目编号2026B0303000005）的支持。利益冲突：无。研究来源与同行评审：本研究并非委托开展，而是经过外部同行评审。补充材料：这些内容由作者提供，未经BMJ Publishing Group Limited审核，也可能未经过同行评审。其中所表达的观点或建议仅代表作者个人观点，不代表BMJ的态度。BMJ不对任何基于这些内容而产生的后果承担任何责任。如果内容包含翻译内容，BMJ不保证翻译的准确性和可靠性（包括但不限于当地法规、临床指南、术语、药品名称及剂量），也不对翻译和调整过程中出现的任何错误或疏漏负责。数据可用性声明伦理声明患者出版同意书：无需。伦理审批：本研究已获得北京天坛医院伦理委员会的批准（批准号：KY2015-001-01），且研究过程符合最新版《赫尔辛基宣言》的伦理标准。所有患者或其法定代理人均已签署书面知情同意书。致谢我们感谢所有参与研究的患者以及参与研究的医院，同时也要感谢Editage（www.editage.cn）提供的英文编辑服务。