白质各向异性分数预测帕金森病脑深部电刺激治疗中的药物变化

《Parkinsonism & Related Disorders》：White matter fractional anisotropy predicts Parkinson’s disease medication changes with deep brain stimulation

　　

摘要

基于扩散的纤维束追踪已被用于预测帕金森病（PD）的深部脑刺激（DBS）治疗结果，但分数各向异性（FA）图的预测价值仍有待深入探索，而这些FA图可以用更少的计算量生成。我们回顾性分析了2013年至2023年间接受DBS治疗的143名PD患者的术前扩散MRI。提取全脑和特定纤维束的FA测量值，并评估其与术前至术后左旋多巴等效日剂量变化（ΔLEDD）的关系。嵌套回归模型比较了仅含临床预测因子与在临床预测因子基础上加入全脑FA或稳定性筛选的特定纤维束FA的模型。特定纤维束FA额外解释了ΔLEDD方差的2.3-3.4%（p=0.038），而全脑FA则没有（p=0.497）；在调整金标准的运动反应后，效应方向相同但较小且不再显著。钩束和扣带回扣带束被最一致地选中。术前特定纤维束FA可能作为帕金森病DBS治疗结果的已建立临床预测因子的补充。

引言

在过去二十年中，深部脑刺激（DBS）已成为帕金森病（PD）的有效疗法。1, 2虽然PD的DBS治疗结果通常比其他疾病更好且更稳定，但治疗反应仍存在较大差异，且副作用会显著影响患者的生活质量。3, 4, 5, 6全球已有超过23万名患者报告植入DBS，7其中大多数为PD患者，这提供了前所未有的机会来整合大量患者数据并阐明治疗反应差异的关键来源。为此，术前MRI数据现在正被用于研究结构性脑特征对DBS治疗结果的影响，因为这些结构特征支持直接被刺激调节的神经功能。8例如，神经退行性变引起的皮层厚度和灰质体积变化已被证明可以解释DBS后运动症状改善9和步态冻结10的差异。这些分别由81名和151名患者组成的大样本队列研究，与我们在231名患者中发现的结构性脑复杂度指标相辅相成，该指标增强了DBS后PD药物变化的预测。11

除形态学MRI外，扩散成像也被广泛用于表征轴突白质并研究结构性连接对PD DBS反应的影响。用于个性化手术电极放置的相同重建白质通路，12, 13, 14也被用于研究与治疗反应的关系，通过患者活跃刺激位点与特定白质纤维束之间的距离或结构连接来识别最佳刺激位点并解释PD对DBS的反应。15, 16, 17即使在没有患者特异性扩散数据的情况下，来自健康对照者的庞大规范数据集，这些数据集捕捉了人类白质的典型方向取向，也可以作为参考连接组，从中估计刺激位点的连接性，从而在PD患者中获得与DBS反应相当的预测。18, 19对于PD的DBS治疗管理，扩散MRI提供了一种多功能资源，我们可以从中生成临床上有用的工具和治疗优化的生物标志物。用于建模结构连接的定量扩散指标具有生物标志物潜力，多个研究组在44名或更少的患者中证明，各向异性水扩散的程度和密度以及其他微观结构特性与DBS治疗PD的运动和非运动结果相关。20, 21, 22

扩散各向异性提供了一种比纤维束追踪更计算高效的替代方案，不需要纤维重建。可以使用标准图像处理和白质纤维束图谱提取特定纤维束的测量值，23避免了纤维束追踪算法对时间和噪声的敏感性。利用扩散各向异性作为DBS的生物标志物还将消除对患者术后电极坐标的需求，适合开发真正的术前DBS决策支持工具。在此，在一个包含143名患者、样本量远超此前基于分数各向异性（FA）的DBS研究的队列中，我们回顾性研究了术前白质FA（无需纤维束追踪且无需术后电极坐标即可提取）是否能解释PD对DBS反应的额外方差。

章节片段

数据可用性

所有预处理和分析代码，以及表格格式的处理后扩散数据和临床指标，均可在GitHub上获取：https://github.com/Radiology-Morrison-lab-UCSF/DBS_FA_prediction。用于计算运动评分和DBS治疗PD药物变化的模板（作为DBS治疗结果的间接测量）已与我们之前的工作一同发表（https://github.com/Radiology-Morrison-lab-UCSF/T1w_FractalDimension）。11

数据收集

为143名患者回顾性收集了术前影像数据

LASSO特征选择

图3A显示了与ΔLEDD相关的特定纤维束FA预测因子的选择频率。三条纤维束在子采样迭代中表现出一致的选择：右侧钩束（UF-R，选择频率0.88）、左侧钩束（UF-L，0.60）和左侧扣带回扣带束（CGC-L，0.55）。内侧束的选择频率为0.48，略低于0.50的稳定性阈值；所有其他候选纤维束的选择频率较低。

讨论

FA是一种广泛使用的扩散MRI指标，计算高效且对与PD相关的微观结构特征敏感。FA已被广泛应用于表征神经退行性变和创伤性脑损伤，并预测患者对治疗干预的反应。34, 35, 36, 37特定纤维束FA测量值允许更详细地描述白质组织与临床结果之间的关系，通过研究纤维束内的微观结构变异

CRediT作者贡献声明

Devin Schoen：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。Melanie A. Morrison：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，可视化，验证，监督，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。Philip Shih：撰写–审阅与编辑，撰写–原稿，

伦理声明

所有参与者或其法定代表均已书面知情同意参与本研究并发表文章。已遵守参与者的隐私权。

本研究是在研究所在地的相关法律、法规框架和指导方针下进行的。本研究已获加州大学旧金山分校批准。（批准号：19-28710）

利益冲突声明

?作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：J.L.O.获得Medtronic和Boston Scientific对研究和教育的支持，并为AbbVie提供咨询。D.D.W.获得Boston Scientific的支持，并为Boston Scientific、Medtronic和Iota Biosciences提供咨询。D.S.、P.S.、L.W.、S.D.、J.M.、C.M.、S.W.、D.C.、I.O.B.和M.A.M.声明无利益冲突。

致谢

作者感谢美国国立卫生研究院，包括国立神经疾病与卒中研究所和国立生物医学影像与生物工程研究所，对本工作的支持（资助编号R01NS130066和F99EB037629）。

Devin Schoen|Philip Shih|Lucia West|Skyler Deutsch|Juhi Mehta|Carleigh Williams|Sarah Wang|Doris D. Wang|Jill L. Ostrem|Ian O. Bledsoe|Melanie A. Morrison

美国加州大学旧金山分校放射科与生物医学影像科