小鼠皮层与皮层-纹状体卒中中的动态功能连接变化

《CNS Neuroscience & Therapeutics》：Dynamic Functional Connectivity Changes in Cortical and Cortico-Striatal Strokes in Mice

　　

目的：确定病变大小和位置如何塑造卒中后纵向功能连接（FC）变化。
方法：成年雄性小鼠在基线以及小型光血栓性皮层卒中（N=25）或较大型短暂皮层-纹状体MCAO卒中（N=6）后1、2和4周接受基于图谱的静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）。跨98个图谱区域量化FC，重点关注感觉运动皮层、纹状体和丘脑，包括半球内和半球间连接矩阵及区域种子强度。
结果：皮层卒中在第1–2周引起广泛的高连接性，约90%的连接增加，随后在第4周部分恢复正常。该效应在缺血半球下降最为显著，而在对侧半球则更为持续。相比之下，皮层-纹状体卒中在第1周诱导整体低连接性，超过90%的连接减少，第2周出现相对于基线的中等且异质性回升，第4周仍存在广泛减少。在两种模型中表现出相反变化的感觉运动连接子集在所有卒中后时间点均稳健地将各组分离。区域病变累及程度与相对于基线的FC改变幅度成比例。
结论：病变拓扑结构驱动卒中后不同的纵向FC轨迹，可能有助于定义网络生物标志物和靶向干预的最佳时间窗。

**小鼠皮层与皮层-纹状体卒中动态功能连接变化研究解读**

**研究背景与目的**
卒中是成人获得性残疾的首要原因，给患者和社会造成重大负担。尽管急性再灌注治疗（如溶栓和血栓切除术）可限制初始脑损伤，但目前尚无针对支持自发功能恢复的生物学机制的临床疗法。功能磁共振成像（fMRI）研究已表明，卒中后脑网络动态与功能缺陷及恢复潜力相关，其中初级运动区之间的半球间功能连接（FC）与运动恢复密切相关。然而，实验性卒中研究中采用静息态fMRI（rs-fMRI）关联FC与行为缺陷及恢复的仍较少，且多数研究仅聚焦特定连接或整体网络改变，未能全面表征纵向FC变化及其与病变大小、位置和运动恢复的关系。光血栓性皮层卒中产生局灶性永久皮层病变，而短暂大脑中动脉闭塞（MCAO）涉及缺血-再灌注损伤和明显的半暗带，两者生物学损伤机制不同。既往缺乏对两种模型的直接比较。研究人员因此开展纵向rs-fMRI研究，比较皮层卒中和皮层-纹状体卒中后感觉运动、纹状体和丘脑网络内外的FC变化，以确定病变大小和位置如何塑造卒中后纵向FC轨迹。

**研究内容与结论**
研究人员分析了25只成年雄性C57Bl/6J小鼠（光血栓性皮层卒中）和6只成年雄性NMRI-nu小鼠（短暂皮层-纹状体MCAO）在基线和术后1、2、4周的rs-fMRI数据，基于Allen小鼠脑图谱98个区域量化FC。结果发现，皮层卒中引起第1–2周广泛高连接（约90%连接增加），第4周部分正常化；皮层-纹状体卒中则诱导第1周全局低连接（>90%连接降低），第2周部分回升，第4周持续广泛下降。从378条感觉运动连接中筛选出63条在两种模型中始终相反变化的连接，可稳健区分两组。病变区域受累程度与FC改变幅度相关。该研究发表在《CNS Neuroscience》上，其意义在于首次直接比较两种卒中模型的纵向FC变化，表明病变拓扑结构驱动不同FC轨迹，有助于定义网络生物标志物和靶向干预的时间窗。

**主要关键技术方法**
研究人员从既往建立的纵向MRI研究获取数据，包括光血栓性皮层卒中（C57BL/6J，N=25）和短暂皮层-纹状体MCAO（NMRI-nu，N=6）两个队列。在基线和术后1、2、4周行9.4T MRI T2加权成像和rs-fMRI（美托咪定镇静）。使用AIDAmri流程将图像配准至Allen小鼠脑图谱（CCF v3），定义98个双侧图谱区域。提取各区域时间序列，计算两两Pearson相关并转换为Fisher z分数，生成FC矩阵；种子强度定义为区域与同矩阵隔室内所有其他区域的平均FC。病变掩膜基于第1周T2图像生成并纵向配准，在FC计算中排除病变体素。统计采用线性混合效应模型及估计边际均值。

**研究结果**
**3.1 两种卒中模型中的功能连接**
第1周T2加权MRI显示皮层卒中病变体积为全脑的1.41%±0.92%，皮层-纹状体卒中为11.53%±2.80%。皮层卒中主要影响初级躯体感觉皮层上/下肢代表区（SSp-ul、SSp-ll），而皮层-纹状体卒中更多影响SSp-bfd、纹状体背侧和腹侧（STRd、STRv）。全脑FC矩阵包含98个ROI共4753条连接，后续聚焦于28个感觉运动相关ROI。FC分析显示，皮层卒中在双侧半球约90%连接于第1周增加，第2周对侧半球内连接进一步增强，但第4周缺血半球约50%连接降低，对侧仍高于基线。皮层-纹状体卒中第1周>90%连接降低（SSp-n和SSp-m例外），第2周有轻微回升，第4周再次广泛下降。使用所有378条连接时组间差异不显著，但筛选出的63条具有相反轨迹的连接在每一时间点均显著区分模型。回归分析显示，皮层卒中中完整区域体积与ΔFC种子强度在第2周显著正相关（斜率0.0012，p=0.035），第4周有正趋势；皮层-纹状体卒中无显著相关。

**3.2 种子强度**
种子强度分析显示，皮层卒中在第1–2周全局性增加，尤其在SSp-bfd、SSp-ul、SSp-un、SSs、丘脑背内侧（DORpm）和STRd，第4周恢复基线；半球间种子强度在第1–2周双向增加，尤其DORpm和STRd，第4周恢复。皮层-纹状体卒中缺血半球种子强度第1周下降（SSp-n和SSp-m增加），第2周多数区域升高，第4周全局下降；对侧半球类似但第2周增幅更大。组间差异经校正后不显著，未校正水平存在若干区域时间点差异，表明效应量中等且变异较大。

**3.3 体感区域单个连接的时间动态**
对SSp-ul、SSp-ll和MOp种子网络分析显示，皮层卒中MOp子网络在第1–2周缺血半球>80%连接增加，对侧半球100%增加，第4周转为混合模式；半球间连接亦持续增加，尤其MOp与SSp-ll之间。皮层-纹状体卒中则第1周约80%–92%连接降低，第2周部分混合，第4周几乎全部降低，其中运动-运动及运动-体感连接（MOp、MOs与SSp-ll）下降最显著。SSp-ll和SSp-ul表现出与MOp不同的种子特异性模式，包括皮层卒中后对侧更持久的增加，以及皮层-纹状体卒中第2周更明显的暂时回升后第4周下降。

**3.4 FC增加和减少的模式**
总结显示，皮层卒中时多数连接增加，而皮层-纹状体卒中时减少。同源皮层连接中，SSp-ll和SSp-ul在两种模型中均倾向降低；而MOp同源连接在皮层卒中增加、在皮层-纹状体卒中减少。这种差异提示MOp网络对皮层下结构受累特别敏感。

**讨论与结论**
讨论指出，皮层卒中早期高连接与既往光血栓模型研究一致，而功能光学成像研究报道的FC降低可能因单一时间点而反映了时间动态。同源连接逐渐降低而皮层下丘脑-皮层环路连接增强，可能代表代偿性反应。皮层-纹状体卒中早期广泛低连接与纹状体和基底节受累破坏皮层-纹状体和丘脑-皮层回路一致，导致持续低连接。病变拓扑而非单纯体积决定FC变化方向和统计强度。与结构连接（SC）数据相比，FC增加先于SC增加，提示功能网络反应先于轴突重塑。局限性包括队列来源、样本量、品系差异、统计功效及行为数据不统一。结论：通过这项首次直接比较小鼠皮层和皮层-纹状体卒中纵向FC变化的研究，研究人员为针对卒中后功能恢复相关的FC再平衡和网络稳定的干预研究提供了框架。基于图谱的深入表征为设计区域和连接特异性的神经调控和药物治疗提供了机会，这些治疗可基于卒中后急性、亚急性和慢性期自发FC动态。