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《AJNR.American Journal of Neuroradiology》杂志 2023 年1月 26日在线发表美国Mayo Clinic的E H Middlebrooks , R A Popple , E Greco , 等撰写的《立体定向放射外科丘脑毁损术中震颤控制的连接组学基础。Connectomic Basis for Tremor Control in Stereotactic Radiosurgical Thalamotomy》（doi: 10.3174/ajnr.A7778.） 。
背景和目的: 鉴于越来越多使用立体定向放射外科丘脑毁损术和其他消融术治疗震颤，需要新的生物标志物来改善结果。使用静息态功能磁共振成像和磁共振传导束成像（esting-state fMRI and MR tractography），我们假设“连接组学指纹（connectome fingerprint）”可以预测震颤的结果，并有可能作为立体定向放射手术丘脑毁损术的靶向生物标志物。 震颤是一种使人衰弱的神经系统疾病，见于多种疾病，最常见于原发性震颤和帕金森病药物治疗无效的患者可能需要手术治疗。脑深部电刺激术(DBS)是目前标准的外科治疗方法；然而，并不是所有的患者都适合或希望接受DBS术。近年来，利用立体定向放射外科(SRS)和磁共振成像引导的聚焦超声等无切口消融技术的消融性治疗兴起。虽然消融治疗机制可能与DBS术重叠，但对于SRS治疗震颤改善的连接组学知之甚少。 与传统的脑“功能定位化论(localizationist)”模型相比，最近向网络或“连接组学”模型的转变极大地增强了我们对脑功能和病理的理解这种转变也发生在神经调控领域，人们认识到许多疾病是“神经环路疾病”，并且需要靶向网络手术或“连接手术”。连接组学模型，使用MR纤维束成像作为结构连接的测量方法，使用静息态fMRI作为结构连接的功能连接组学测量方法，，已被用于更好地了解DBS手术的治疗效果。在震颤的治疗中，这使得小脑-丘脑-皮质感觉运动网络在解释之前DBS文献中报道的许多“甜蜜点（sweet spot）”方面的作用得到巩固。迄今为止，连接组学模型在震颤SRS中的应用有限。通过结合静息态功能磁共振成像和磁共振纤维束成像，我们探索了SRS治疗震颤的治疗网络是否显示出与震颤改善相关的“连接组指纹”。识别这样的网络可能会进一步了解震颤改善的机制，并指导SRS的靶向治疗。我们还假设，任何患者的个体连接图与震颤改善的连接组学指纹的相似性可以预测其测量到的震颤改善情况，这可能为连接指纹指导SRS靶向治疗的潜力奠定了可行性。 材料和方法: 我们评估了27例行单侧立体定向放射外科丘脑毁损术治疗原发性震颤或以震颤为主的帕金森病的患者。对侧肢体Fahn - Toloso - Marin临床震颤评分量表(Fahn-Tolosa-Marin Clinical Tremor Rating Scale，TRS)术后改善百分比为主要终点。在立体定向放射外科治疗前进行连接组学式静息态fMRI和MR传导束成像。使用最终病变体积作为种子，使用voxelwise非参数斯皮尔曼相关系数（voxelwise nonparametric Spearman correlation）生成代表理想连接映射（ ideal connectivity maps）的“连接指纹（"connectivity fingerprints" ）”作为全脑R映射图（ whole-brain R-maps ）。使用生成的R -map执行留一法交叉验证（A leave-one-out cross-validation）。 这项前瞻性临床试验获得了阿拉巴马大学伯明翰分校(University of Alabama at Birmingham)伦理审查委员会批准。所有患者均提供了口头和书面知情同意。本试验在试验NCT03305588的https:// www.clinicaltrials.gov/注册。研究对象是与阿拉巴马大学伯明翰分校神经内科、神经外科、运动障碍科和放射肿瘤科合作招募的。美国东部肿瘤协作组表现状态评分（Eastern Cooperative Oncology Group Performance Status）≦2的18岁以上的药物难治性特发性震颤或以震颤为主的帕金森病患者被纳入研究。根据内科/外科合并症或患者自己的选择，患者均不适合接受DBS治疗。如果患者既往接受过脑部放射外科治疗或治疗性脑部放射治疗，或者有磁共振成像禁忌证的，则不符合纳入标准。 影像协议 患者在丘脑毁损术前使用西门子3T Magnetom Prisma扫描仪进行扫描，扫描仪采用高性能的80 mT/m梯度系统和64通道头颈线圈。患者的头部被紧紧包裹在头部线圈中，以减少活动。采用同步多层螺旋(SMS)激发的自旋回波EPI序列进行弥散成像。采用b值=1500 s/mm2 + 6 B0体积未进行弥散加权，共获得64个弥散方向。以相反的相位编码方向重复扩散扫描以进行畸变校正。其他相关参数包括:TR=3.3秒，TE=90ms, SMS系数=4，平面内加速度=2，相位部分傅里叶（phase partial Fourier）=6/8，接收机带宽（receiver bandwidth）=1232 Hz/px，回波间距=0.94 ms, EPI系数=140，平面内分辨率=1.5x1.5mm，截面厚度=1.5 mm，每次采集扫描时间=4分21秒。 采用多回波血氧水平依赖(multiecho blood oxygen level–dependent,BOLD)梯度回波EPI序列，利用SMS激发进行连接组静息态fMRI扫描。BOLD成像的颞侧SNR通常在皮层下区域较低，这与许多因素有关，包括与接收线圈的距离和生理噪声增加。为了解决这一问题，我们使用了可显著改善皮质下连接测量值的多回波BOLD方法。此外，使用具有高空间分辨率的低TR和长连接组风格的BOLD采集都被证明可以改善静息态fMRI数据的统计分析。相关参数包括:TR=1.5秒，回波时间=12.4、34.3、56.2 ms，反转角=65°，SMS系数=4，面内加速度=2，相位部分傅里叶=6/8，接收机带宽=1850 Hz/px，回波间距=0.66 ms, EPI系数=81，面内分辨率=2.0 mm，断面厚度=2.0 mm。考虑到方向偏差，使用相反的相位编码方向重复扫描。共获得1180次测量，总扫描时间为31分28秒。采用T1加权MPRAGE序列进行结构配准，并在SRS治疗前进行。在SRS治疗后3个月，静脉注射对比剂，重复3D T1加权图像。有关序列的详细信息，请参见在线补充数据。 SRS治疗过程 我们使用对患者头部塑形的开放面部的热塑面罩进行无框架SRS。使用Varian Eclipse治疗计划系统(Eclipse Medical Systems)创建计划，使用Analytical Anisotropic算法或AcurosXB算法(Varian Eclipse treatment planning system)计算剂量，网格间距为1 mm。患者使用Edge(瓦里安)直线加速器，配备高清多叶准直器和10 MV无均整器光束，采用虚拟锥形技术进行治疗在治疗期间使用光学表面引导监测患者体位。有关该过程的详细信息，请参见在线补充数据。 临床试验 在SRS治疗前，我们评估了基线Fahn-Tolosa-Marin临床震颤评定量表(TRS)。在SRS治疗后的每次随访评估中重复TRS评分，并以最后一次记录的TRS评分进行分析。TRS由一名评估者评估，评估时该检查者对影像学结果不知情。本研究的主要结局指标是对侧上半身和下半身震颤减少的百分比，以治疗半球对侧身体侧第一部分的偏侧TRS评分的总和来衡量。在随访期间，所有与疾病相关的药物均维持在术前剂量。 图像预处理 采用高级标准化工具(http://stnava./ANTs/)将术后增强后的T1加权图像与术前的T1加权图像进行配准。在术后3个月增强后的T1加权图像上，将最终病灶的位置手动分割为增强区域。在使用3个NVIDIA Quadro P5000 gpu的定制Linux工作站上，在FSL " eddy_cuda " (https://git.fmrib./fsl/conda/fsl-eddycuda)中对弥散数据进行了涡流校正、截面到体积的移动校正和离群值替换。采用FSL " topup " (https://fsl.fmrib.)对磁敏感引起的畸变进行校正。Uk /fsl/fslwiki/ topup)使用反向相位编码方向的重复获取FSL " BEDPOSTX_GPU " (https://users.fmrib..uk/ moisesf/Bedpostx_GPU/),用3个纤维方向来估计每个体素的方向分布函数。使用FreeSurfer (http://surfer.nmr.mgh.)实现的基于边界的配准方法将扩散数据与T1 MPRAGE进行配准。生成一个包含脑室和对侧半球白质的排除膜。多回波BOLD数据在AFNI 22.0.06版(https://afni.nimh./)中进行初始预处理。预处理步骤包括重新排列、4 mm全宽半最大值空间平滑、与T1 MPRAGE共配准。使用AFNI中的TE依赖分析进行多回波独立成分分析对数据进行去噪。最后，使用AFNI的默认值进行运动截尾(每帧位移>0.0.3 mm)和异常值检测。我们还进行了全局平均信号回归和运动参数回归。 连接体的一代 从FMRIB Software Library使用“probtrackx2_gpu”((https://users.fmrib./ moisesf/Probtrackx_GPU/index.html)进行概率传导束成像（Probabilistic tractography），版本6.0.3 (http://fsl.fmrib.)，在每个主题中，有250,000个样本，曲率阈值为0.2，修改的欧拉流线型(https:///programming/category/numerical-analysis/ modified- Euler -method)，步长为0.5 mm。增加一个回避区域以排除对侧半球的内囊和深部白质。因为没有合理的纤维或现有的证据表明通过囊性纤维连接丘脑和对侧半球，这种连接很可能是假纤维，它们的包含导致了自由方向的人为增加，从而导致P值的膨胀。以节段性病变为种子区，进行概率束成像，生成通过病变的所有束的“病变束图”(图1)。预处理后的BOLD静息状态fMRI数据，以节段性病变为种子点，对每个受试者进行全脑的基于种子的相关分析，生成全脑“病变连通性图”(图1)。得到的T图用于后续分析。然后将结构图像、病变连通性图和病变束图归一化到蒙特利尔神经学研究所模板空间，如在线补充数据所述。将右半球病变连通性图和病变束图非线性翻转到左半球，以便在整个队列中进行比较。
图1。用于生成单主题病变连接图和病变传导束图(Aa和B)。从治疗后的磁共振成像(C)中分割病变。提取病变的平均BOLD时间序列并与所有其他脑体素相关。D，得到的T评分图是一个患者特异性的病变连接图。E，病变作为种子区域，生成一个患者特定的病变路径图，代表所有与病变相连的流线的概率。 连接组学分析 为了确定结构连接和对侧震颤改善之间的关系，我们为队列生成了一个理想的传导束指纹。首先，每个受试者的单个病变传导束图与对侧震颤的改善百分比相关，以体素为基础生成Spearman秩相关系数。由此产生的组R图或传导束指纹代表了改善对侧震颤的最佳体素-体素传导束图。为了评估传导束指纹在预测结局方面的意义，我们进行了留一交叉验证(leave-one-out cross-validation)。除1例患者外，所有患者通过将穿过病变的传导束与对侧TRS改善相关联，创建一个R图。然后，我们使用来自左侧患者的概率传导束图计算与队列其他患者生成的传导束指纹的空间相似性(通过Fisher z转换的空间相关系数测量)。然后对每个被遗漏的科目的相似性指数进行相关分析，与测量到的震颤改善使用Spearman相关作比较。然后，利用静息态fMRI生成的病灶连接图重复上述过程，生成功能指纹。 结果: 平均随访10.0 (SD, 5.0)个月，对侧震颤评分平均改善55.1% (SD, 38.9%)。结构连通性与对侧TRS改善相关(r = 0.52;P =0.006)，解释了27.0%的结果方差。功能连通性与对侧TRS改善相关(r = 0.50;P =0.008)解释了25.0%的结果方差。与震颤改善最相关的节点对应于已知的震颤网络功能障碍区域（Nodes most correlated with tremor improvement corresponded to areas of known network dysfunction in tremor），包括小脑-丘脑-皮质通路以及初级和纹外视觉皮质（the cerebello-thalamo-cortical pathway and the primary and extrastriate visual cortices）。 人口统计学和临床结果 共纳入40例患者。随访前3例患者死亡，1例患者拒绝治疗，3例患者不符合3T MRI检查条件，6例患者影像学和(或)临床评估失访，共27例患者纳入分析。人口统计学和组学结局数据列于表中。左侧丘脑毁损术23例(85.2%)，右侧丘脑毁损术4例(14.8%)。20例(74.0%)对侧震颤减轻50%，7例(26.0%)对侧震颤减轻50%。对侧震颤评分的平均改善为55.1%(标准差，38.9%)。所有患者均获得至少6个月的临床随访，平均随访时间为10.0 (SD, 5.0)个月。与放射外科治疗相关的不良事件包括1名受试者在放射外科治疗后10个月出现I级感觉障碍，包括左侧第一和第二指麻木以及左侧口腔和颊黏膜感觉障碍。2名受试者经历了与高反应一致的II级放射性坏死。其中1例患者于放射外科治疗后7个月出现右足牵拉、右手握力减弱、右臂本体感觉丧失、轻度表达性失语、双侧唇部感觉异常和左侧头痛。1例患者在放射外科治疗后11个月出现跌倒、构音障碍、右臂和右腿无力和动作不协调。2例II级放射性坏死的受试者报告在放射外科治疗后4个月震颤接近消退。3例发生与放射外科相关不良事件的患者均接受了糖皮质激素减量和贝伐珠单抗输注治疗。未发生与放射外科相关的III-V级不良事件。 结构连接组学分析 图2显示传导束R图或传导束指纹图。小脑-丘脑-皮层躯体感觉网络是受累网络的主要组成部分，该网络包括初级躯体感觉皮层、辅助运动区、运动前皮质、腹侧丘脑核和小脑(主要是小脑IV、V、VI和VIIIb)，所有区域均涉及小脑躯体感觉网络，与颞区、枕区和前额区也存在额外的连接。与震颤改善相关的路径(图3)显示原发性累及齿状-红核-丘脑束(DRTT)；主要感觉运动区、辅助运动区和前额叶皮质的丘脑皮质束；以及苍白球丘脑束。示踪成像的留一交叉验证结果见图4A。结构连接与测量到的对侧TRS改善相关(r=0.52;P=0.006)，可以解释27.0%的结果变异。
图2。传导束指纹代表了改善震颤的理想传导束连接模式目前已确定震颤中常见的异常区域，包括小脑-丘脑-皮层运动网络，以及纹状体和纹状体外皮质区域。
图3。与震颤改善最相关的路径的组传导束R图。 图4所示。A，震颤束指纹的留一交叉验证显示，个体的病变束图谱与预测测量到的震颤改善的指纹图谱有更大的相似性(r¼0.52;P < 0.05)。B，功能指纹的留一交叉验证也表明，个体病变的功能图谱与指纹图谱的相似性越大，预示着震颤的测量改善(r¼0.50;P < 0.05)。 功能连接组学分析 图5显示了功能R图，即功能指纹图。功能连接数据进一步证实了结构连接，与小脑-丘脑-皮质体感觉网络存在相关性，特别是初级躯体感觉皮质、丘脑腹侧核和小脑小叶IV、V、VI和VIIIb。与颞区、枕区和前额区也存在额外的连接。功能连接的留一交叉验证结果如图4B所示。功能连接与测量到的对侧TRS改善相关(r=0.50;P=0.008)，可解释25.0%的结果变异。
图4。A，震颤传导束指纹的留一交叉验证显示，个体的病变传导束图谱与预测测量到的震颤改善的指纹图谱有更大的相似性(r=0.52;P < 0.05)。B，功能指纹的留一交叉验证也表明，个体病变的功能图谱与指纹图谱的相似性越大，预示着震颤的测量改善(r=0.50;P < 0.05)。
图5。功能指纹代表了改善震颤的理想的传导束连接模式与传导束指纹相似，震颤中常见的异常区域也被发现，包括小脑-丘脑-皮层运动网络以及纹状体和纹状外皮质区域。 讨论： 在这项研究中，我们发现SRS丘脑毁损术后震颤的改善与独特的结构和功能连接模式显著相关，主要通过小脑丘脑-皮层通路。该网络已被证明是震颤病理生理学的重要驱动因素，也是其他形式的神经调控(如DBS)的靶点。我们的研究结果表明，SRS治疗后震颤结果的显著差异是由可识别的网络拓扑结构驱动的，这可能作为SRS靶向治疗的新的生物标志物。与其他形式的神经调控(如DBS)不同，SRS中没有用于验证靶点选择的术中生物标志物。通过应用连接外科的概念，我们已经证明了通过MR传导束成像和静息态功能MRI，病变连接组学指纹可以预测给定SRS靶点的震颤改善情况。 我们的方法可能增强SRS治疗中的网络特异性靶向，并提供患者特异性的生物标志物。关于震颤神经调控的最佳靶点已经争论了几十年。最常提出的靶点是腹侧中间核(VIM)和后丘脑底核区，包括尾侧不确定带、丘脑前辐射和丘脑底核。最近，DBS中的连接研究提示，这些靶点由一个共同的网络统一起来，并且所有靶点都与DRTT重叠。DRTT在改善震颤方面的作用在DBS中得到了很好的证明，但关于纤维传导束造影在SRS治疗规划中的应用数据有限。DRTT由起源于小脑齿状核的小脑传出纤维定义，这些纤维向上穿过同侧小脑上脚，在中脑交叉，穿过红核(但红核内不发生突触)，并在途中到达对侧丘脑腹中间核（VIM）和丘脑喙腹侧核（ventralis oralis nucleus）。传导束最终分别从VIM和丘脑腹中间核到达对侧初级运动皮层和运动前/辅助运动皮层。最近，研究表明，少量DRTT纤维在中脑内遵循类似的路径，但没有交叉，并延伸到同侧丘脑；然而，这些c传导束可能在运动功能中作用较小。我们的研究为DRTT在震颤手术治疗中的作用提供了进一步证据，特别是表明SRS治疗中的治疗靶点与DBS中观察到的相似。从解剖学角度来看，指纹图谱中的节点对应于已知在震颤中表现出网络异常的区域。首先，指纹网络分布与已建立的震颤相关。网络异常是通过小脑-丘脑-皮层通路中多个节点(包括小脑、丘脑、初级感觉运动皮质、辅助运动皮层和运动前皮层)的震颤特异性频率同步实现的。与之前DBS治疗特发性震颤的工作相似，我们发现包括运动网络和辅助运动网络的病变网络指纹也与SRS治疗的震颤改善相关。此外，病变网络指纹也与小脑小叶IV、V和VI相关，这些区域是之前在特发性震颤中显示异常的区域，也是感觉运动网络的一部分。 综上所述，我们的结果表明，SRS丘脑毁损术所涉及的治疗网络为靶向生物标志物提供了与现有DBS文献中相似的证据。最有趣的是，我们还发现作为震颤连接组指纹的一部分，与初级和纹状体外视觉皮质的结构和功能连接。虽然在历史上并没有被认为是震颤发病机制的主要部分，但主要的和相关的视觉皮层已经成为视觉空间网络在震颤增强中的作用的最近研究的主题。Archer等表明，视觉反馈加重了特发性震颤的严重程度，而纹状体外区域的功能变化与震颤的恶化相关。同样，术后在视觉皮层中观察到与MR成像引导的聚焦超声和SRS 治疗的震颤改善相关的脑连接变化。使用活动的DBS时，未观察到该区域的直接激活。治疗前丘脑腹外侧区和视觉关联区之间的功能连接也被证明是SRS治疗后震颤改善的预测因素。我们需要通过进一步研究来了解视觉网络连接与小脑丘脑-皮层运动网络之外的同步变化之间的真正因果效应。 结论: 具有明显连通性的立体定向放射外科靶区可预测治疗后震颤的改善（tereotactic radiosurgical targets with a distinct connectivity profile predict improvement in tremor after treatment.）。这种连接组学指纹显示出开发患者特异性生物标志物的前景，以指导立体定向放射外科丘脑毁损术的治疗。 使用连接组学方法，我们已经证明具有明显连接组学特征的SRS靶点可以预测治疗后的震颤改善。其中有与震颤发病机制有关的网络，包括小脑-丘脑-皮层网络（ the cerebello-thalamo-cortical network）和视觉传感网络（visual networks）。这种连接组学指纹的使用可能为SRS丘脑毁损术提供患者特异性的生物标志物；然而，验证这种方法用于靶向还需要进一步的研究来前瞻性地验证这些结果。 |
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