静息态功能磁共振成像指标的日内变化与重测信度

《Human Brain Mapping》：Diurnal Variations and Test–Retest Reliability of Resting-State Functional MRI Metrics

　　

静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）广泛用于评估内在脑活动，但对其重测信度和可重复性的担忧仍然存在。昼夜节律强烈影响脑生理学，但其对rs-fMRI信度的影响仍知之甚少。在本研究中，研究人员在标准化条件下对39名健康年轻成人进行了单日内的六次扫描（08:00–20:00）。对于每个扫描会话，研究人员计算了四种常见的rs-fMRI指标，包括低频振幅（ALFF）、小波变换ALFF（wALFF）、分数ALFF（fALFF）和局部一致性（ReHo），并使用组内相关系数（ICC）评估信度。ReHo在各会话间表现出相对较高且更稳定的信度，而基于振幅的指标，特别是fALFF，表现出更大的日内变化。网络水平和区域特异性分析均显示，边缘系统和皮层下结构的信度较低，并在10:00出现上午中段下降。此外，ALFF、wALFF和fALFF的ICC随扫描间隔增加而下降，而ReHo保持稳健。这些发现表明rs-fMRI信度存在日内波动，不同指标表现出不同的时间稳定性特征。研究人员建议，在未来的rs-fMRI研究的设计、分析和解释中应明确考虑扫描时间和昼夜节律影响。

**论文解读：静息态功能磁共振成像指标的日内变化与重测信度**

**研究背景与问题**
静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）是评估内在脑活动的核心工具，但其重测信度和可重复性一直是方法学关注的焦点。尽管已有研究指出扫描仪硬件、采集协议、分析流程及受试者运动等因素会影响信度，但潜在的系统性个体内变异来源，如扫描时间（一天中的具体时刻），尚未被充分探讨。昼夜节律对脑生理、神经及认知功能有广泛影响，例如血氧水平依赖（BOLD）信号波动、脑血流（CBF）及皮质醇分泌均呈现日内节律。然而，扫描时间对rs-fMRI指标重测信度的具体影响仍不清楚。现有研究多聚焦于跨天或跨周的信度评估，缺少对单日内多个时间点系统性的信度分析。为此，本研究旨在填补这一空白，通过单日内六次重复扫描，系统评估四种常用rs-fMRI指标（ALFF、wALFF、fALFF及ReHo）的日内重测信度，并探讨时间点与扫描间隔对信度的影响。该研究发表在《Human Brain Mapping》，为实验设计中的扫描时间控制提供了重要依据。

**关键技术方法**
本研究招募了39名健康青年受试者（最终样本，来自上海外国语大学校园广告和在线招募，排除标准包括睡眠异常、精神神经疾病史、节律干扰行为等），在单日内的08:00、10:00、13:00、15:00、18:00和20:00六个时间点进行标准化扫描。使用3T Siemens MAGNETOM Prisma扫描仪采集BOLD梯度回波EPI序列（TR=2000 ms，TE=30 ms，翻转角90°，体素3 mm3，240 volumes）及高分辨率T1结构像。预处理采用DPABISurf v2.1（含fMRIPrep流水线），包括运动校正、配准、空间标准化及协变量回归。计算四种rs-fMRI指标：ALFF（0.01–0.10 Hz频段振幅总和）、wALFF（连续小波变换后同频段系数平均）、fALFF（ALFF与全频段总振幅比值）和ReHo（肯德尔和谐系数，基于0.01–0.10 Hz带通滤波后邻域体素）。信度评估采用组内相关系数（ICC(1)，单因素随机效应模型），并进行网络水平（Yeo七网络图谱）和区域水平（Brainnetome图谱）分析。同时计算各时间点平均ICC及不同扫描间隔（2–12 h）的ICC变化，使用线性混合效应模型和事后比较检验。

**研究结果**

**3.1 日内rs-fMRI指标的重测信度**
研究人员首先通过线性混合效应模型发现，ReHo在全脑灰质中表现出显著的时间主效应（F(5,190)=3.65, p<0.01, η²_p=0.05），其中20:00的ReHo值显著低于10:00（Cohen's d=0.76），而ALFF、wALFF和fALFF无显著时间效应。体素ICC分析显示，ReHo整体信度最佳（ICC > 0.6），呈右偏分布；ALFF和wALFF信度良好，fALFF最低。网络水平分析中，ReHo在所有网络均保持稳健，而fALFF在边缘系统（LN）和皮层下结构中信度最低，且LN的ICC显著低于其他网络（p<0.001）。

**3.2 各时间点及扫描间隔的平均重测信度**
基于逐对扫描的平均ICC，10:00时间点在所有指标中（除LN的ReHo外）均表现出最低信度（体素比较p<0.001）。ReHo在所有网络（除LN）的中位ICC超过0.75。区域分析同样显示，ALFF、wALFF和fALFF在10:00的信度最低，且皮层下核团信度最差。在扫描间隔分析中，fALFF的ICC随间隔增加而单调下降（全脑及网络水平），ALFF和wALFF在12 h间隔时显著低于2 h间隔，而ReHo在不同间隔下保持稳定，仅在部分网络（如GM、VN、VAN、LN）出现12 h下降，在SMN、DAN、FPN、DMN反而上升。

**3.3 rs-fMRI指标的时间变化**
进一步分析指标值的时间变化，ALFF在FPN和VAN有显著主效应（p<0.05），20:00高于13:00；wALFF在DMN、FPN、VAN显著，同样20:00高于13:00；fALFF在VAN、VN、LN显著，08:00与13:00在VAN有差异，13:00与20:00在VN有差异；ReHo在DMN、FPN、SMN、VN显著，20:00在DMN和FPN高于10:00，而VN和SMN在10:00和13:00高于20:00。这些结果显示了不同脑网络对昼夜节律的差异化响应。

**讨论部分总结**
本研究表明，ReHo具有相对稳定的日内重测信度，而基于振幅的指标（尤其是fALFF）表现出更大的日内波动。这种差异可能源于ReHo基于秩次估计局部时间一致性，对生理噪声和极端信号波动不敏感；而fALFF更易受噪声干扰。边缘系统（LN）信度最低，与其直接受昼夜节律调控（如海马与视交叉上核相互作用）及BOLD信号质量差有关。皮层下核团（如丘脑）信度低，因其与SCN紧密联系并参与觉醒调节。10:00信度最低点可能与皮质醇水平快速下降（觉醒后30–45 min达到峰值后的下降期）导致神经血管耦合变异，以及个体间觉醒状态差异（残留睡眠惯性vs完全清醒）有关。扫描间隔增加导致基于振幅的指标信度下降，符合睡眠稳态压力（Process S）累积效应；ReHo对此不敏感，体现出其稳健性。此外，晚上20:00时额顶网络和默认模式网络指标升高，视觉网络则相反，反映了昼夜节律驱动的认知加工变化。

**研究结论**
简而言之，本研究首次对四种常用静息态fMRI指标进行了全面的日内重测信度评估。ReHo在各会话间表现出相对稳定的信度特征，而基于振幅的指标显示出更大的时间变异性，其中fALFF波动最大。大多数脑区和网络的信度在10:00出现显著下降，提示上午中段的昼夜节律扰动。此外，基于振幅的指标信度随扫描间隔延长而下降，但ReHo保持稳定。这些发现强调了扫描时间对静息态fMRI指标可重复性的关键影响，并提示在实验设计和数据解释中需考虑昼夜节律因素。