术前局部一致性预测心脏手术后术后谵妄易感性

《Brain Research Bulletin》：Preoperative Regional Homogeneity Predicts Postoperative Delirium Susceptibility After Cardiac Surgery

　　

术后谵妄(POD)是一种以注意力、意识和认知波动障碍为特征的急性神经精神综合征，是大型手术后最常见和最严重的并发症之一。其在心脏手术后的发生率尤其高，高龄、体外循环(CPB)和围术期生理应激共同对脑功能提出了巨大需求。尽管POD通常是短暂的，但它是预后不良的前兆，能独立预测住院时间延长、神经退行性衰退加速和长期功能自主丧失。尽管进行了广泛研究，POD的神经生物学基础仍不完全清楚。虽然许多围术期临床风险因素与POD相关，但这些因素不能直接表征可能构成个体谵妄易感性的脑功能改变。在心脏瓣膜病(VHD)患者中，慢性心功能不全和长期血流动力学紊乱可能通过持续的心脑相互作用伴随脑功能的细微变化。这些术前功能特征可能在决定POD易感性的个体差异中起关键作用。 静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)利用血氧水平依赖(BOLD)信号的自发低频波动来描绘大脑的内在功能架构。虽然该技术为研究心脑相互作用提供了有力手段，但在调查接受心脏手术患者脑功能的相对稀缺的文献中，方法主要集中在体素水平的全局功能连接分析和基于图论的指标上。这些方法主要捕捉更广泛的大脑连接模式并关注特定的网络关系，可能忽略了局部自发脑活动的细微动态。相比之下，局部一致性(ReHo)的优势在于能够在体素水平上量化给定体素的时间序列与其相邻体素之间的时间同步性，而无需依赖预定义的大脑区域或网络。这种方法允许对局部神经活动进行更精细的评估，捕捉到更广泛的功能连接方法可能遗漏的细微区域动态。先前在非心脏手术人群中的研究报告称，随后发生早期术后认知功能障碍的老年患者的术前自发脑活动发生了改变。这一观察结果被解释为支持病态前神经脆弱性的概念。在VHD患者中，慢性血流动力学紊乱和心脑相互作用可能对内在脑功能产生独特影响。作为ReHo指标的局部术前自发神经同步异常是否表征了瓣膜置换术后的POD易感性仍有待确定。 从临床角度来看，可靠地术前识别个体对POD的易感性仍然是一个未解决的挑战。尽管rs-fMRI结合机器学习已被应用于认知和神经精神结果的预测，但其在围术期环境中的应用迄今有限，并且主要集中在大规模功能连接和全局网络组织。这种强调可能不足以捕捉编码与谵妄相关的潜在神经脆弱性的局灶性内在异常。因此，需要一种对局部内在脑活动敏感的术前神经影像标记物，以支持POD的个体水平风险分层和预测。 在本研究中，研究人员通过调查术前ReHo的改变是否与接受瓣膜置换手术患者的POD易感性相关来解决这一空白。具体而言，研究人员试图：(1) 描述随后发生POD的患者在手术前存在的体素水平ReHo异常；(2) 探究这些内在神经特征与相关临床或认知指标之间的关系；(3) 评估在支持向量机(SVM)分类器中结合术前ReHo特征与年龄进行POD风险预测的可行性。通过在手术暴露前靶向局部神经同步，本研究旨在阐明谵妄易感性的神经生物学基础，并建立局部功能标记物在术前风险分层中的价值。

研究背景与意义

术后谵妄(POD)是大型手术后常见且严重的并发症，尤其在心脏手术后高发。它不仅表现为注意力、意识和认知的急性波动，更是患者预后不良的重要预警信号，往往预示着住院时间延长及长期的认知与功能衰退。尽管临床已知高龄、体外循环等因素会增加POD风险，但其背后的神经生物学机制尚未完全阐明。传统的临床风险因素无法直观反映大脑本身的微观功能改变。随着心脑相互作用研究的深入，科学家们发现心脏瓣膜病患者的慢性心功能不全可能早已对大脑内在功能产生了潜移默化的影响。然而，既往的神经影像学研究多聚焦于大尺度的脑网络连接，容易忽略局部脑区活动的细微异常。因此，寻找能够敏感捕捉局部神经同步异常的术前标记物，对于实现POD的个体化精准预防具有重要的临床转化价值。该研究被发表在《Brain Research Bulletin》上。

关键技术方法

研究人员开展了一项前瞻性队列研究，招募了接受体外循环下瓣膜置换手术的心脏瓣膜病患者，并设置了社区健康志愿者作为对照组。所有受试者均接受了严格的临床认知评估与多时间点（术前、术后第7天、术后第30天）的静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)扫描。在图像处理上，研究人员采用了DPABI软件进行标准化预处理，并利用肯德尔系数计算了体素水平的局部一致性(ReHo)以量化局部神经同步性。为了排除混杂因素，统计分析纳入了年龄、性别、教育年限、颅内总体积及头动参数作为协变量。此外，研究团队构建了支持向量机(SVM)分类模型，结合关键脑区的ReHo值与患者年龄，采用留一交叉验证法来评估其对POD发生的预测效能。

研究结果

人口统计学与神经心理学特征

在最终纳入分析的35例心脏手术患者中，有7例发生了POD。组间比较显示，发生POD的患者年龄显著大于未发生者，而在性别、教育程度、体重指数、临床合并症、左心室射血分数(LVEF)、手术时长、体外循环时间及各项基线认知评分上均无显著差异。这表明年龄是POD的一个强混杂因素，但两组患者在常规临床评估下具有高度同质性。

局部一致性(ReHo)的组间差异

与健康对照组相比，瓣膜病患者术前即表现出右侧颞上回ReHo值的降低，术后第7天进一步扩展至右侧海马和右顶下小叶，但术后第30天差异消失。更为关键的是，在发生POD与未发生POD的患者之间，术前即存在显著的局部脑功能差异：POD患者术前在左侧海马、左侧楔前叶和左侧罗兰迪克岛盖表现出明显的ReHo降低。术后第7天和第30天，两组间的ReHo差异分别位于右侧小脑后叶及右侧颞叶区域、左侧小脑后叶及左侧额叶区域。这说明POD患者的脑功能脆弱性在术前便已存在。

纵向分析

纵向数据分析表明，在未发生POD的患者中，术后第7天到第30天期间，右侧小脑后叶和右侧颞上/中回的ReHo发生了显著改变，提示非POD患者术后脑功能存在一定的自我恢复轨迹。而发生POD的患者在整个随访期内其ReHo并未表现出显著的纵向变化。重复测量分析显示，组间主效应显著，但时间与交互作用不显著，进一步印证了术前基线差异是区分两组的核心要素。

基线ReHo与临床及认知指标的关联

相关性分析揭示了脑功能与机体状态的密切联系。术前左侧海马的ReHo值与左心室射血分数(LVEF)呈显著正相关，说明心脏泵血功能越差，海马区的局部神经同步性越低。同时，左侧罗兰迪克岛盖的ReHo值与听觉词语学习测验即时回忆(AVLT-IM)得分呈正相关，表明局部脑活动的协调性直接关系到患者的记忆表现。这证实了ReHo指标能够捕捉到常规认知量表未能发现的亚临床功能差异。

基于基线ReHo特征与年龄的POD预测

机器学习预测模型显示出极高的判别价值。当仅结合年龄与单个脑区ReHo时，模型曲线下面积(AUC)最高达0.77。当组合两个脑区特征时，AUC提升至0.82。而当模型整合了年龄以及左侧海马、楔前叶和罗兰迪克岛盖三个关键区域的ReHo特征时，预测效能达到顶峰，AUC高达0.99，准确率、灵敏度和特异度分别达到97.14%、1.00和0.96。这证明多模态特征融合能够有效实现POD的个体化术前预警。

讨论与结论总结

讨论部分指出，该研究首次证实POD患者在术前即存在特定的局部神经同步异常。左侧海马的异常反映了记忆处理回路的脆弱性及其与心脏功能的交互；左侧楔前叶作为默认模式网络(DMN)的核心节点，其低同步性暗示了注意力稳定性和意识调节能力的受损；左侧罗兰迪克岛盖的异常则与感觉运动信息整合及认知控制有关。这些区域的ReHo降低构成了POD发作的潜在神经基础。结合年龄与多区域ReHo的机器学习模型展现了优异的预测能力，表明ReHo可作为手术应激挑战下大脑稳态维持能力的敏感指标。尽管样本量较小且缺乏非心脏手术对照是当前研究的局限，但这项成果为心脏手术前的神经风险评估提供了全新的影像学视角。

研究结论明确：术前较低的局部一致性(ReHo)与随后的术后谵妄(POD)发生密切相关；术前ReHo将谵妄易感性与心功能及记忆力联系起来；术前ReHo结合年龄能够支持个体层面的谵妄预测。