近红外脑功能成像在帕金森病的研究应用

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帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是仅次于阿兹海默病的第二大常见慢性进行性神经退行性疾病，影响了全球近1000万人。据估计，全世界65岁以上的老年人中，约有1-2%的人受此疾病影响，在我国50岁以上PD发病率为0.5%，60岁是1%。随着全球老龄化的加剧，患该疾病的人数还有可能进一步增加，而此病的发病率又随着年龄的增高而增加，因此帕金森病患者人数有逐年增加的趋势。

帕金森病

帕金森病，是一种中枢神经系统退行性疾病，也是中老年人常见的神经系统变性疾病。中老年患者在静止时，手和嘴常发生不自主的震颤、行动缓慢、肌肉僵直，此外还伴随着认知和精神障碍、抑郁等。但目前直接上并没有针对治疗帕金森病的有效治疗方法，只能通过减轻病痛、延缓疾病发展，以及尽可能提高患者的生活质量等方法来缓解病人疾病的发展。

近红外脑功能成像

近红外脑功能成像（fNIRS）是一种新兴的光学成像技术，可以在大脑活动期间获得大脑组织内脱氧血红蛋白（HbR）和氧合血红蛋白（HbO）的变化情况，是一种非侵入性脑成像技术；具有适用范围广泛、运动伪迹不敏感、电磁兼容性好、时空分辨率高等优势。由于帕金森病人通常伴有肢体活动障碍，而fNIRS技术不需要对受试者的姿势施加太多限制，因此它可能是研究帕金森病人脑功能变化和治疗效果评价中最适用的技术。

图 近红外脑功能成像装置

帕金森患者在行走时脑功能激活特征

Jeannette等人（2015）对帕金森综合症病人（Parkinsonian syndrome），轻度帕金森综合症（MPS）老年人和正常老年人在站立时的前额叶皮质激活程度进行分析，结果发现具有MPS、PS的患者需要前额区域中更大的HbO激活才能成功完成该姿势控制任务；与健康对照与具有MPS的个体进行对比，PS患者在整个任务中表现出更大的姿势不稳定性，而且健康对照和MPS个体需要较少的HbO激活就可以在姿势控制任务中保持相似水平姿势的稳定性。

图 健康人、MPS、PS在姿势控制时前额叶皮质激活

Inbal 等人（2017）利用fNIRS收集了帕金森病人行走、转向时前额皮质的脑部激活，分析后发现在所有PD患者中，与静止站立相比，行走期间的前额叶激活显着增加。相比之下，在转弯期间，与安静站立相比，前期激活显着减少。且在行走期间HbO水平明显高于转向期间。将患者分为活动能力强与活动能力弱的2组后，对比转向期间的前额叶激活，发现在常规行走期间在前额叶激活中观察到两个组之间没有显着差异，但在转弯时，受限组的激活更少。且转弯时的HbO水平与步态速度呈现相关。

图 行走与转向期间的前额激活对比

帕金森患者接收DBS脑功能变化

深部脑刺激术（DBS）通过在脑内特定靶点植入刺激点击进行高频电刺激，达到改善帕金森病症状的效果，是帕金森病临床治疗的常规手术方法。Takashi等人（2016）对接受了DBS的患者进行了脑皮质激活变化的追踪，要求患者进行简单的手部抓握运动，利用fNIRS收集大脑激活变化，结果发现所有患者手术后半球的皮质活动更加活跃。而且对PD患者跟踪了6个月，结果发现两个半球的皮质活动变化：在DBS手术之前，基于HbO水平变化的皮质活动在整个研究区域中显示出几乎相等的强度。然而，术后运动相关活动更集中于运动皮层。

图 治疗前后激活区域变化

Jutta S. Mayer等人（2016）对9名经受双侧丘脑基底深部脑刺激的PD患者及8名健康志愿者进行记忆工作时前额皮质激活的追踪，PD患者分别在DBS和药物治疗均开启、DBS关闭药物治疗开启、DBS和药物均关闭情况下进行。结果发现健康志愿者与DBS和药物均关闭条件下的患者相比，对照组双侧额叶区域的延迟相关激活明显更大。

为了评估DBS对WM任务时的皮质效应，作者比较了DBS与药物治疗均开启和DBS关闭和药物治疗开启之间的氧合血红蛋白时间序列。发现DBS开启中的正面氧合血红蛋白水平高于DBS关闭时。这一发现也表明DBS刺激后基底神经节向前额叶回路的功能性改变。

图 不同条件下记忆工作准确率（左）与前额皮质激活（右）的对比

帕金森患者在进行双重任务时脑功能变化

Freek等人（2016）对14名PD患者在步行的同时进行（1）向前计数，（2）连续减法，以及（3）背诵数字等不同的认知的双任务时前额皮质激活进行了分析。结果发现平均HbO浓度从开始任务后增加，并在任务执行后的休息期间再次减少。与HbO相比，HbR浓度保持相对稳，只在任务表现期间略微减少。在所有三个双重步行任务中，均为双侧PFC活动模式。

图 前额皮质的激活变化，实线代表HbO，虚线为HbR。

Inbal Maidan等人（2016）对38名健康老年人和68名PD患者进行测试，测试分为3种方式：a.常规步行，b.从给定的数字减3回答并行走（双任务，DT模式），以及c.在障碍（750px×500px×250px）中行走，使用fNIRS系统测量前额皮质中氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度的变化，分析后发现，在健康老年人中，与常规步行相比，DT行走时额叶激活增加，是由于认知活动引起的前额皮质激活上升。而PD患者表现出不同健康人的皮质激活，在PD患者中，HbO水平在双重任务行走期间没有显著增加，但在障碍物行走期间与常规步行相比确实增加。但在DT行走与障碍行走期间无明显关联。

图 皮质激活在3种不同任务中的不同表现，左侧健康人，右侧PD患者

并且在DT期间的ΔHbO与通常步行之间的比较揭示了健康老年人和PD患者的前额皮质不同的激活模式。在健康的老年人中，与步行相比，DT期间HbO的大量增加恰好反映了步态行走在双重任务需要的脑部资源低。而在PD的患者中，与步行相比，DT的HbO的小幅增加与步态行走所需要的脑部资源高一致。并且PD患者的在障碍行走中原本的激活就很高，表明占用大脑资源较多。

图 双任务时，健康人（A）和PD（B）患者脑部资源的占用，灰色条状代表变化量，黑色方块代表初始激活量

帕金森患者在选择决策时脑功能变化

由于帕金森病人经常出现一些非运动方向的不良症状（如病理性赌博 PG），因此Michela等人（2018）对PD患者的对照组（暂无PG表现）与实际患有PG的PD患者和患有PG历史的PD患者（不再患有PG）进行了测试，患者参与IOWA赌博任务（IGT），他们必须从四个样子相同的卡牌中选择金钱奖励和惩罚金额不同的卡片。通过总共100次试验并避免损失来最大化利润，这四个卡牌之间进行选择但不知道其中两个是不利的（风险更大，产生即时的大额奖励，但也有大量的金钱损失，DD）或有利的选择（特点是小而频繁的奖励，但损失较少，AD），使用fNIRS采集任务期间的前额皮质激活，并记录行为指数（IGT）。对行为（IGT指数）分析显示，不同组显示出不同的主效应，PDG的阴性IGT值比PDNG和CG更多，表明了PDG组有脑部损伤，患者显示出来的行为可以视为PD患者的决策行为功能失调。

图 行为指数在不同组之间的差别

对前额皮质激活进行了分析，由于HbR的分析没有显示出显着的效果，因此作者仅报告了HbO值的结果。PDG组在任务时的前额皮质激活反应高于PDNG和CG。此外，关于第二种相互作用效应，PDG组在左侧PFC比右侧PFC显示出对不利选项（DD）的更高的激活反应。此外，PDNG和CG组在有利选项时激活程度大于不利选项，但不明显，且整个过程中都是右侧PFC激活大于左侧。

图 前额皮质在2种不同选项之间的激活区别

小结

目前， fNIRS由于不会受肢体运动的影响从而可以很好地对帕金森病人在不同任务下的脑功能激活和脑网络进行追踪，这将在帕金森疾病的治疗评估及帮助病人制定有效的康复方案等方面有巨大应用前景。

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