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《Frontiers Aging Neuroscience》杂志 2022 年5月23日在线发表瑞士和法国的Thomas A W Bolton , Dimitri Van De Ville , Jean Régis 等撰写的《用结构协方差图形理论分析揭示在立体定向放射外科丘脑毁损治疗原发性震颤后恢复中视觉空间和注意区域的相关性。Graph Theoretical Analysis of Structural Covariance Reveals the Relevance of Visuospatial and Attentional Areas in Essential Tremor Recovery After Stereotactic Radiosurgical Thalamotomy》（doi: 10.3389/fnagi.2022.873605. ） 。
特发性震颤(ET)是最常见的运动障碍。它的病理生理学只得到部分了解。 特发性震颤(ET)是最常见的运动障碍，65岁以上人群中高达5%的人患有特发性震颤。患者表现为手和手臂的体位性和运动性震颤，有时还伴有头、腿或声音震颤( Patients exhibit postural and kinetic tremor of the hands and arms, sometimes with head, legs, or voice tremor as well)。感觉缺陷、认知缺陷、精神和睡眠障碍也可以补充运动症状(Sensory deficiencies, cognitive deficits, psychiatric and sleep disorders can also complement motor symptoms)。鉴于有阳性家族史的会频繁发生，ET有明确的潜在遗传起源，但对罪魁祸首基因的可靠鉴定仍部分不确定(While ET has clear underlying genetic origins given the frequent occurrence of positive family history，the reliable identification of culprit genes remains partly unconclusive )。 神经影像研究已经能够定位与ET运动成分相关的大脑区域，这属于所谓的震颤网络(so-called tremor network):其中包括小脑[有时被认为是ET的基石]、运动丘脑(腹中间核，或Vim)和运动皮层[they include the cerebellum [sometimes regarded as the cornerstone of ET ,the motor thalamus (the ventro-intermediate nucleus, or Vim) and the motor cortex. ]。然而，在一些部分重叠的理论中，具体的病理生理机制仍然存在争议，人们认为ET表现为互动区域的网络失调(ET manifests itself as a dysregulated network of interacting areas.)。 这使得在个体网络层面(例如，专门针对ET引起的运动或非运动损伤)或全脑层面(从整体上描述跨区域的相互作用)研究大脑结构和功能成为一个明智的分析方向[This makes the study of brain structure and function at the level of individual networks (to specifically address motor or non-motor impairments caused by ET, for instance), or at the whole-brain scale (to characterize cross-regional interactions in their entirety), a sensible analytical direction to pursue]。图形理论已经成为这一目的的主要分析方法，因为它提供了一种优雅而强大的方式来洞察信息如何在由连接图顶点的边所描述的复杂系统中流动（Graph theory has emerged as the primary analytical approach for this purpose, since it provides an elegant and powerful way to gain insight into how information flows in complex systems described by edges linking the vertices of a graph.）。 应用领域众多:包括工程问题，如运输系统的研究或齿轮传动(engineering problems such as the study of transportation systems or gear transmission)，以及生命科学学科，如蛋白质组学 life science disciplines such as proteomics)或分子拓扑(or molecular topology )。神经科学也是图形理论应用的一个特别富有成果的领域;这部分是因为可以通过不同的成像方式来有意义地构建一个表示不同大脑区域之间相互作用的图表，其中两个著名的例子是弥散加权磁共振成像(DW-MRI，其中边缘是区域之间的物理连接[ edges are the physical connections between the areas])和静息态功能磁共振成像(RS-fMRI，其中边缘表示区域活动时间过程之间的统计相关性)[resting-state functional magnetic resonance imaging (RS-fMRI, where edges denote the statistical dependencies between the activity time courses of the areas)]。最近的发展还包括多层网络的生成[例如，捕捉大脑功能交互动态的相互关联的时间后续图(the generation of multilayer networks [e.g., interconnected temporally subsequent graphs capturing the dynamics of functional brain interactions ]，以及图形信号处理、图形神经网络和图形学习的子领域(and the subfields of graph signal processing, graph neural networks and graph learning)。 图形理论在更好地掌握健康和患病大脑的认知神经基础方面发挥了关键作用。ET也从这个角度被考虑:通过DW-MRI和关注执行网络，Prasad等发现，与匹配的健康对照组相比，前额执行大脑中心和前扣带皮层的整体和局部效率更低。在一项概念上类似的以运动网络为中心的研究中，ET患者的小脑局部效率更高，而那些患有静息性震颤的患者的丘脑、苍白球、尾状核和辅助运动区也进一步增加( In a conceptually similar study centered on the motor network, the local efficiency of the cerebellum was higher in ET patients, and those with resting tremor also showed further increases in the thalamus, globus pallidus, caudate, and supplementary motor area)。 使用RS-fMRI, Li J. Y等证实了额叶和辅助运动区、楔前叶和小脑的结节效率较低（lower nodal efficiency in frontal and supplementary motor areas, the precuneus and the cerebellum. ）。伴随抑郁的个体表现出进一步的中央前回、中央后回和额前回下降（ Individuals with concomitant depression showed further pre-central, post-central, and frontal decreases）。在另一项调查中，也涉及其他图形理论指标(中间中心性、程度[betweenness centrality, degree])显示在额叶、枕叶、颞叶和扣带回皮层以及皮层下和小脑位置的广泛差异(revealed in frontal, occipital, temporal, and cingulate cortices as well as subcortical and cerebellar loci)。 从这些报告中，ET诱导的大脑结构和功能的改变跨越多个脑网络。此外，疾病的这些特征可以通过各种图表理论测量来捕捉。基于这些原因，在目前的工作中，我们选择通过全脑方法研究ET，并结合提取一套互补的图形理论指标。 与之前的工作相比，我们提出了三个重要的进展:首先，我们研究了接受伽玛刀(GK)立体定向放射外科治疗Vim的ET耐药患者群体。我们不仅探讨这些受试者与匹配的健康对照(HC)之间的差异，而且还探讨了Vim丘脑毁损术后1年的大脑可塑性。过去只有一项研究使用图形理论探讨了这种机制，但手术干预不同(影像引导的高强度聚焦超声热消融)。此外，受试者数量较少(N = 10)，分析集中在运动网络(丘脑毁损术后程度和效率下降)。值得注意的是，干预3个月后中断随访。 其次，我们不像上述病例那样从DW-MRI或RS-fMRI数据构建图表，而是从结构性MR图像构建图表。为此，我们利用了结构性协方差分析(SCA)，在该研究中，感兴趣的(如皮层厚度)形态测量在不同区域的受试者之间的相关性被用来构建图形[ where the extent to which a morphometric measure of interest (e.g., cortical thickness) correlates across subjects in pairs of regions is used to build the graph. ]。这种协方差模式是人类皮层的特征，受遗传控制，并概括了结构连通性特征。在这里，我们研究了三个互补特征，其潜力已被广泛验证(:皮质厚度(CT)、表面积(SA)和平均曲率(MC)。它们在健康的大脑中编码部分独特的信息，并经历不同的环境调制，证明了他们的平行评估。迄今为止，只有另一项工作将图论应用于ET的结构性MR图像:Yang等量化了区域内灰质轮廓的相似性(基于Kullback Leibler散度)，以构建主题图，并揭示了额回、颞回和角回、尾状核、海马、丘脑和小脑的某些部分的指标改变。第三，除了平行评估个体形态特征之外，我们还提出了一种新的分析方法，通过生成和分析方向图，可以进一步研究交叉特征相关性。这是由公认的基因和表型的互补性所驱动的，它们的相互作用可能会被ET 和/或丘脑毁损术改变。我们引入了可以从这些图形中生成的简单特征，并在数据集中解释它们。 在此，我们利用图形理论分析对ET患者在立体定向放射外科丘脑毁损治疗腹中间核(Vim)术前和术后一年(为了解释延迟的临床效应)的皮层厚度、表面积和平均曲率的形态测量值量化的结构协方差模式进行分析[we leveraged graph theoretical analysis on structural covariance patterns quantified from morphometric estimates for cortical thickness, surface area, and mean curvature in patients with ET before and one year after (to account for delayed clinical effect) ventro-intermediate nucleus (Vim) stereotactic radiosurgical thalamotomy.]。我们进一步将观察到的模式与匹配的健康对照(healthy controls,HCs)进行对比。在个体形态测量特性水平上组间显著差异是特定于平均曲率和所对比的丘脑毁损术后/丘脑毁损术前，证明靶向左侧丘脑水平上，以及在背侧视觉流中所涉及的低视觉水平、高视觉空间水平和注意区域的大脑可塑性（Significant group differences at the level of individual morphometric properties were specific to mean curvature and the post-/pre-thalamotomy contrast, evidencing brain plasticity at the level of the targeted left thalamus, and of low-level visual, high-level visuospatial and attentional areas implicated in the dorsal visual stream. ）。通过对形态特征的交叉相关分析，强化了丘脑毁损术后背侧视觉流存在的重新调整，因为右侧舌侧回、双侧嘴侧额中回和左侧中央前回的皮层厚度与大脑其余部分的平均曲率相关（The introduction of cross-correlational analysis across pairs of morphometric properties strengthened the presence of dorsal visual stream readjustments following thalamotomy, as cortical thickness in the right lingual gyrus, bilateral rostral middle frontal gyrus, and left precentral gyrus was interrelated with mean curvature in the rest of the brain. ）。
放射外科手术 于2014年9月至2016年4月间在the Centre Hospitalier Universitaire de la Timone in Marseille进行伽玛刀丘脑毁损术（ Thalamotomy was performed with GK ）。负责的外科医生是JR，他使用了Leksell伽玛刀和相关的Leksell GammaPlan软件(Elekta Instruments, AB, Stockholm, Sweden)。为了避免伪影，首先在没有头架的情况下获取DTI数据，然后与治疗性立体定向图像共配准。总是在丘脑毁损术当天局部麻醉下使用Leksell坐标G型头架(Elekta Instruments, AB, Stockholm, Sweden)。框架安装到位后，患者接受立体定向CT和MRI检查。通过MR扫描(尤其是T2 CISS/FIESTA序列，取代了以前的脑室造影)确定了包括前后连节在内的重要标志。使用Guiot图进行均匀间接靶向，将其置于前后联合线上方2.5 mm，第三脑室壁外侧11 mm处。始终采用单个4 mm等中心点，在100%等剂量线处统一开出最大处方剂量130 Gy[Uniform indirect targeting was performed using the Guiot diagram , placed 2.5 mm above the anterior-posterior commissure line, and 11 mm lateral to the wall of the third ventricle. A single 4 mm isocenter was always used, and a maximum prescription dose of 130 Gy at the 100% isodose line was uniformly prescribed]。
总的来说，我们的结果将平均曲率定位为理解耐药ET患者Vim丘脑毁损术后大脑可塑性最相关的形态测量特征。他们还强调了不仅要检查个体特征，还要检查它们之间的相互作用，以深入了解干预后恢复的路径。 在这项研究中，我们证实了Vim丘脑毁损术对耐药ET患者的皮层折叠褶皱（ cortical gyrification）有显著影响。在视觉空间和注意力区域内，可以通过互补图理论指标捕捉到干预后的变化。这表明这些区域与大脑其他部分有统计学上的依赖关系在网络层面上的重新配置，并要求在未来ET的研究中对视觉回路进行更广泛的研究（This denotes the network-level reconfiguration of these regions statistical dependencies to the rest of the brain, and calls for more extensive investigations of the visual circuitry in future studies of ET.）。 |
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