功能性神经疾病的结构脑成像大规模分析

《Biological Psychiatry》：Mega-analysis of Structural Brain Imaging in Functional Neurological Disorder

　　马特·巴特勒|米里亚姆·维尼亚多|简·B·阿伦多弗尔|托马斯·哈萨|西尔维娜·G·霍罗维茨|雅各布斯·F·A·詹森|约翰内斯·容吉利根斯|韦斯利·T·克尔|拉梅什·S·马拉平|恩里科·普雷米|亚历山德尔·J·里斯蒂克|特雷莎·塞拉诺瓦|佩特·索伊卡|宗田大一|芭芭拉·博罗尼|安东尼·戴维|昆顿·迪利|伊拜·迪埃斯|萨拉·帕雷德斯·埃切维里|道恩·S·埃拉希夫|蒂莫西·尼科尔森
伦敦国王学院精神病学、心理学与神经科学研究所

**摘要**
**背景**：尽管取得了诸多进展，功能性神经障碍的病理生理机制仍不完全清楚。结构神经影像学研究发现了躯体运动网络、显著性网络、边缘系统以及默认模式网络相关区域的灰质异常，但研究结果并不一致。通过整合不同研究中的个体数据进行的宏分析有助于明确这些结构异常。

**方法**：我们對15个国际研究小组提供的T1加权MRI扫描数据进行了脑结构形态测量学的宏分析。在运用ComBat方法对不同研究中心的数据进行标准化处理后，我们将493名功能运动障碍和癫痫发作患者与564名健康对照者进行了比较。为考虑头部运动的影响，我们还纳入了欧拉数。

**结果**：功能性神经障碍患者双侧额上回（左侧d=0.22，右侧d=0.21）及沟回（d=0.22和0.23）、双侧中央前沟（d=0.22和0.26）、右侧中央前回（d=0.25）、右侧中央旁回及沟回（d=0.23）、右侧楔前叶（d=0.23）以及右侧下盖回（d=0.21）的皮质厚度均有所降低；左侧中央后回的表面积（d=0.25）和右侧海马体的体积（d=0.22）也出现下降。各区域的相对表面积则无差异。形态测量指标与疾病持续时间、抑郁或焦虑的既往史之间均无关联，且功能运动障碍与癫痫发作类型之间也未发现差异。

**结论**：这项大规模宏分析表明，功能性神经障碍患者在额叶和运动相关区域存在细微的形态学差异，这些差异可能代表着易感因素、代偿机制或该疾病特有的结构改变。进一步明确功能性神经障碍研究对象的神经心理学特征，有助于更深入地理解这些结构异常的生物学意义。

**引言**
功能性神经障碍， formerly称为转换障碍，是一种常见、成本高昂且可能致残的神经精神疾病(1, 2, 3)。其特点为运动控制的异常或意识状态的改变所引发的神经系统症状(4,5)。最常见的两种亚型为功能运动障碍和功能性癫痫发作(4)。患者往往同时或在不同时间出现多种症状类型(6)。

功能性神经障碍是患者前往门诊神经科和神经精神科就诊的最常见原因之一(5,7)，其造成的残疾程度与多发性硬化症、帕金森病和癫痫相当(8,9)。尽管已有治疗方法，仍有许多患者长期处于残疾状态(10)。因此，迫切需要更深入地了解功能性神经障碍的神经生物学机制，以便开发出基于机制的创新干预手段(11)。

“形式随功能而定”：大脑的结构与功能紧密相连，活动与功能连接的变化可能与形态学改变相关(12,13)。已有研究在额叶和边缘系统皮层等区域发现了形态学异常，但由于单中心研究样本量较小或处于中等水平，研究结果差异较大（最大样本量仅为48例）(14)。对结构神经影像学的系统性回顾指出，前额叶皮层（包括边缘结构）、运动区域以及边缘系统存在异常(14, 15, 16)。部分研究还发现，形态测量指标与症状严重程度、疾病持续时间以及易感因素有关(17, 18, 19, 20)。

针对功能运动障碍的功能磁共振成像研究显示，双侧基底节和右侧丘脑等皮下结构的体积有所减小(21, 22, 23)，而左侧杏仁核、纹状体、小脑以及双侧丘脑等皮下区域的体积则增大(24)。在功能运动障碍的皮质结构研究中，左侧感觉运动皮层和右侧中央后回的体积较小(24)，而双侧运动前区的皮质厚度则较大(17)。

针对功能性癫痫发作的结构神经影像学研究则显示，中间额回、前扣带回以及双侧小脑的体积较小(18)，额回、颞上回以及边缘系统的皮质厚度也较薄(18,25, 26, 27, 28)。还有研究表明，左侧杏仁核和海马体的皮下体积较小(29)，功能性癫痫发作患者的额叶和岛叶区域的表面积也有所减小(30)。

总体而言，现有研究结果存在较大差异，部分研究甚至未发现任何差异(19,31, 32, 33, 34, 35)。其中一个可能的原因是功能性神经障碍患者中心理健康问题的高发率(36)，但只有部分研究考虑到了这一因素(28)。其他原因可能还包括样本量相对较小，以及功能性神经障碍与正常对照组之间可能存在细微差异。正因如此，采用大数据分析方法十分必要。

通过对共享数据的大规模分析——例如通过宏分析——可有效克服单个研究中的差异性(37, 38, 39)。对神经影像学数据集采用宏分析方法具有诸多优势，包括统一的方法学、更强的控制混杂变量的能力、统一的分析模型，以及能够纳入尚未发表的结构数据(37)。此外，这种方法的统计效力也更高。

皮质厚度和表面积属于相互独立的参数，其形成机制各不相同，因此可将其视为独立的分析指标。皮质体积的主要相关因素是皮质表面积，而皮质厚度的变化更能反映体积的减少情况(40)。对这两个参数分别进行分析，比仅使用体积指标能更准确地了解皮层的实际变化(28)。

对所有现有的功能性神经障碍结构神经影像学数据进行全面分析，是进一步深入了解其潜在神经生物学机制的关键步骤(11)。在这项宏分析中，我们试图从那些发表过关于功能运动障碍和功能性癫痫发作患者结构MRI研究的团队那里获取数据，包括混合群体研究的数据，并将所有个体的原始数据整合到一起进行分析。

我们假设，此前已确定的额叶、运动相关区域、(旁)边缘系统以及基底节等皮质和皮下区域，在功能性神经障碍患者与健康对照组之间存在显著差异。我们计划通过全脑分析方法来验证这些假设，即从数据集中提取形态测量指标，通过标准化处理减少不同研究中心之间的差异，再利用多元协方差分析来比较各区域之间的差异。此外，我们还进行了其他分析，以探讨功能运动障碍与功能性癫痫发作、抑郁或焦虑的既往史以及性别差异可能带来的影响。

**方法片段**
该研究于2021年4月15日获得了伦敦国王学院研究伦理办公室、精神病学、护理与助产学研究伦理委员会的批准（编号LRS-20/21-22422）。纳入的研究是通过初步的系统性文献检索确定的（详见补充方法）。

**数据获取**：我们联系了相关研究团队，请求提供T1加权MRI扫描数据以及人口统计学和临床信息。共联系了26位作者，其中20位给予了回复。在这20位作者中，有4位无法提供数据，1位未能达成数据共享协议，还有1位拒绝参与。此外，我们还通过口头沟通找到了另外3项符合纳入标准的研究（来自另一个研究中心）。我们要求各团队提供尽可能多的群体特征信息。

**参与者**：根据各研究团队提供的信息，只要患有功能性癫痫发作或功能运动障碍，患者即可被纳入主要的功能性神经障碍组（更多详细信息见补充方法）。

**MRI数据预处理与标准化**：数据预处理和标准化的流程参考了Vignando等人(37)的方法。MRI数据是用Freesurfer 6.0.0软件进行预处理的(41)。根据Destrieux脑区图谱，我们提取了各自的皮质厚度、皮质表面积以及皮下体积数值（用于皮质厚度分析的脑区数量为148个；用于皮质表面积分析的脑区数量也为148个；用于皮下体积分析的脑区数量为20个）(42)。关于分析流程的完整描述，请参见补充方法。

**ComBat标准化处理**：为减少不同扫描设备带来的差异，同时保留与生物特征相关的变异，我们对脑区分割结果采用了ComBat标准化方法（一种经验贝叶斯算法）(图1)(43,44)。这种方法此前已在皮质厚度、皮质表面积以及皮下体积的研究中得到成功应用(37,43)（更多细节见补充说明1）。

**运动校正**：扫描过程中的微小移动可能导致皮质厚度出现伪影变化(45)，这在功能运动障碍研究中尤为值得关注(11)。欧拉数已被证明是评估图像质量和运动情况的可靠数值指标(46)。我们使用FreeSurfer软件中的函数计算欧拉数，并取其平均值（[左侧值 + 右侧值]/2）。有1名患者的欧拉数无法确定，因此未被纳入相关分析。

**病例-对照匹配**：在进行组间比较之前，我们使用SPSS 24软件（IBM公司，2016年）通过模糊匹配技术进行了病例-对照匹配，年龄和性别的容忍度分别设置为1岁和0。对于每一项子分析，我们都单独进行了病例-对照匹配（功能性神经障碍组与健康对照组、功能运动障碍组与健康对照组、功能性癫痫发作组与健康对照组、功能运动障碍组与功能性癫痫发作组、经过性别匹配的功能性神经障碍组、有抑郁史的患者组与无抑郁史的患者组、有焦虑史的患者组与无焦虑史的患者组）。

**特征选择**：为降低数据维度，我们采用了主成分分析进行特征选择。这种方法通过无偏的、基于数据的结构分析方式，提升了多元协方差分析的可计算性和可解释性。由于皮下体积相关的脑区数量较少（N=20），我们没有对其开展特征选择。针对每一项子分析，我们都独立进行了主成分分析特征选择（功能性神经障碍组与健康对照组、功能运动障碍组与健康对照组、功能性癫痫发作组与健康对照组……）。

**组间差异分析**：我们使用多元协方差分析来比较功能性神经障碍组与健康对照组之间的差异，同时控制了年龄、性别、估计的颅内总体积（皮下结构）以及欧拉数（皮质厚度和表面积）等因素。分析结果通过假发现率法进行了多重比较校正。（所有在显著多元协方差分析中被纳入分析的脑区信息见补充表A-F。）主要分析的是功能性神经障碍组与健康对照组之间的差异，此外还有若干次要分析，具体如下。模型的计算基于……

**临床特征**：我们试图将那些超过60%的参与者具备的临床信息作为混杂变量纳入分析。如果研究团队指出患者存在当前或既往的抑郁或焦虑症状，或通过临床量表得出相关结论，那么该患者就被视为患有抑郁或焦虑疾病。

**次要分析**：上述分析针对每一项子分析都分别进行了重复（功能性神经障碍组与健康对照组、功能运动障碍组与健康对照组、功能性癫痫发作组与健康对照组、功能运动障碍组与功能性癫痫发作组、经过性别匹配的功能性神经障碍组、有抑郁史的患者组与无抑郁史的患者组、有焦虑史的患者组与无焦虑史的患者组）。

**疾病持续时间**：我们对功能性神经障碍组中那些在分析中显示有显著差异的脑区的疾病持续时间进行了偏相关分析，同时控制了年龄和性别因素（对于皮下体积数据，则还控制了颅内总体积）。

**排除一个研究中心后的分析**：我们再次对整个功能性神经障碍患者组进行了多元协方差分析，每次手动排除一个研究团队的数据，通过直观检查来判断是否是某个单一研究中心导致了分析结果。由于没有发现单一研究中心的影响，我们并未计算偏差或方差估计值。

**探索性主成分分析**：为进一步解读多元协方差分析的结果，我们采用了探索性事后主成分分析，旨在识别潜在的维度，并判断各个变量在这些维度中的分布情况。我们希望了解那些存在差异的脑区是如何相互作用并共同影响功能性神经障碍的变异程度的(37)。完整描述请参见补充方法。

**结果**：共有15个研究团队提供了已发表或未发表的数据，数据以NIFTI文件或预处理后的数据集形式提供。我们最初有553份功能性神经障碍患者的MRI扫描数据和594份健康对照者的MRI扫描数据；其中有23份功能性神经障碍患者的数据和30份健康对照者的数据因质量不足而被剔除。另有24份临床扫描数据因缺乏临床信息，还有13份数据不符合诊断标准而被删除。最终的分析样本包括493名功能性神经障碍患者（372名为女性，占比75.5%；平均年龄为38.2岁，标准差为12.7岁）和564名健康对照者（402名为女性，占比71.3%；平均年龄为38.1岁，标准差为12.7岁；详见表1）。

**总体指标**：两组的估计颅内总体积存在显著差异（功能性神经障碍组为1,442,791立方毫米，健康对照组为1,492,294立方毫米；t值为5.325，p值小于0.001）。即使在将年龄和性别作为混杂变量纳入分析后，这一差异仍然显著（p值小于0.001）。功能性神经障碍组与健康对照组的总表面积也存在显著差异（功能性神经障碍组为164,703平方毫米，健康对照组为169,943平方毫米；t值为5.431，p值小于0.001）。即使在将年龄和性别作为混杂变量纳入分析后，这一差异依然显著（p值小于0.001）。

**经过病例-对照匹配后的功能性神经障碍患者组**：在完成病例-对照匹配后，共有463名功能性神经障碍患者被纳入分析（其中352名为女性，占比76.0%，平均年龄为37.83岁，标准差为12.35岁；294名为功能运动障碍患者，占比63.50%），另有463名健康对照者被纳入分析（其中352名为女性，占比76.03%，平均年龄为37.83岁，标准差为12.35岁）。

**排除一个研究中心后的分析（整个患者组）**：详见补充结果。

**疾病持续时间**：共有384名患者提供了疾病持续时间数据，占比为77.9%。整个患者组的平均疾病持续时间为5.2年（标准差为5.9年；最小值为0年，最大值为35年；中位数为3年）。疾病持续时间与任何形态测量指标的各个区域之间均无显著相关性（p>0.10）。抑郁和焦虑：306名患者（占样本的62.1%）有终生抑郁的记录，同样有306名患者（62.1%）有终生焦虑的记录。其余亚组比较则因临床数据不足而无法进行。总体而言，192名FND-癫痫发作患者（99.5%）与健康对照者进行了匹配，307名FND-运动障碍患者（97.8%）也与健康对照者进行了匹配（见补充表10）。

皮质厚度：主成分分析得出了两个特征值大于1的维度，这些维度解释了总方差的64.80%。第一维度的主成分特征值为5.99，对应方差占比为54.41%，涉及双侧中央前回及其沟、双侧额上回以及右侧中央前回（见补充图11）。第二维度的主成分特征值为1.14，对应方差占比为10.39%，涉及双侧中央旁回及其沟以及双侧额上沟（见图4）。

讨论：在这项针对FND结构磁共振成像的大规模分析中，我们发现与健康对照者相比，FND患者的脑部形态存在细微但一致的差异，尤其是皮质厚度较低。这些发现与目前关于FND主要是功能网络异常而非明显宏观结构变化的观点一致（14,47）。不过，这些差异的效应大小较小，约为0.05毫米，差异程度有限：平均皮质厚度……

数据可用性：在所有相关机构的内部审查委员会批准后，可根据合理请求共享数据。由于不同机构的数据所有权规定存在差异，该数据集尚未上传到公开平台。

补充说明：补充方法、结果、图S1-S11、表S1-S22

致谢：感谢KCL研究管理与发展部的Louise Bolderstone协助安排数据传输协议。

资金支持：MB是Wellcome Trust博士级临床研究研究员（227515/Z/23/Z）。这项工作部分得到了美国国立卫生研究院的支持[资助编号：K23MH111983（D.L.P.）、K23NS135134（WK）、R25NS065723（WK）、R25NS089450（WK）、U01MH110008（WK）、R01 AT012101-01（JPS）、1R61/R33 MH127155（JPS）、R01DC017137（JPS）、R01MH085900（WK）、R01NS033310（WK）、P20NS080181（WK）]。