肥胖及减重手术对大脑功能和结构网络拓扑属性影响的神经影像研究

摘要

近年来，随着我国经济的迅猛发展、互联网餐饮、洋快餐行业的逐渐发达，人们的生活水平和节奏也发生了显著的变化。长期不健康的饮食和较少的运动习惯，必然会引起肥胖问题。肥胖已经被世界卫生组织（World Health Organization，WHO）定义为疾病，肥胖及其并发症严重危害人们的身心健康。据统计，全球肥胖人口数已经超越6亿，而截止到2014年，我国的肥胖人口已经超过美国位于世界第一位。因此，肥胖成为我们面临的棘手问题之一。而临床显示，减重手术是治疗肥胖唯一长期有效的方式。 神经影像学研究发现，肥胖造成大脑功能和结构的显著变化。而减重手术在降低肥胖患者体重的同时，能够调节大脑功能异常和促进大脑结构的可塑性变化。以往的报道更多关注肥胖患者差异脑区的变化，缺乏从大脑网络角度整体去研究。尤其是关于肥胖患者大脑功能和结构网络拓扑属性的变化还较少被报道以及减重手术干预前后大脑功能和结构网络拓扑属性的变化还尚未研究。因此，本文以肥胖患者为研究对象，借助减重手术做为干预，结合图论算法和磁共振成像技术研究肥胖患者及减重手术前后大脑功能和结构网络拓扑属性的变化。 1）静息态下，大脑功能网络的研究发现：肥胖组与正常组的功能网络都具有典型的“小世界”属性。相比于正常被试，肥胖患者的最短路径长度（Shortest Path Length，Lp）显著增加，而全局效率（Global Efficiency，Eglob）显著降低；前额叶（内侧眶额回，media Orbitofrontal Cortex-mOFC；腹侧前扣带回，rostral Anterior Cingulate Cortex-rACC）、纹状体（伏隔阂，Nucleus Accumbens-NAc）、边缘系统（脑岛，Insula；杏仁核，Amygdala-AMY；海马，Hippocampus-HIPP；旁海马，Parahippocampus-PHIPP）和丘脑（Thalamus）等区域的节点度值或效率显著降低；基于网络统计分析（Network-based Statistic，NBS）发现，肥胖组以右侧rACC为核心的子网络功能连接减弱，包含31个节点和30条边。肥胖患者手术前后纵向对比发现，两组功能网络均具有典型的“小世界”属性，其中术后一个月时，最短路径长度和归一化最短路径长度显著降低，全局效率显著升高；额叶（腹内侧前额叶皮层，ventromedial Prefrontal Cortex-VMPFC）、扣带回（后扣带回，Posterior Cingutate Cortex-PCC；前扣带回，Anterior Cingulate Cortex-ACC）和边缘系统（PHIPP）等区域的节点度值和效率较术前显著升高；同时，肥胖组的部分网络属性（如LP和Eglob）与体质指数（Body Mass Index，BMI）具有相关性。 2）基于弥散张量成像技术对全局白质纤维网络的研究发现：肥胖组与正常组的白质纤维网络同样具有典型的“小世界”属性。肥胖患者与正常被试相比，集群系数（Clustering Coefficient，Cp）显著升高；额叶区域的节点度值或效率显著升高，主要包括眶部额上回（Orbital part of Superior Frontal Gyrus，ORBsub）、眶部额中回（Orbital part of Middle Frontal Gyrus，ORBmid）、内侧额上回（medial Superior Frontal Gyrus，SFGmed）。此外，尾状核（Caudate）的节点效率也显著升高；PHIPP、PCC和中央旁小叶（Paracentral Lobule，PCL）核团的节点度值和效率显著降低；NBS分析发现，肥胖患者结构连接异常的子网络包含34个节点和31条边，主要节点位于默认模式网络、边缘系统、奖赏回路、感知运动回路和控制网络。此外，手术前后自身纵向对比的（NBS）分析发现，肥胖患者术后大脑结构子网络连接增强，该网络包括15个节点和12条边，主要位于默认模式网络、边缘系统、奖赏回路、控制回路和辅助运动区。 3）选取上述肥胖患者与正常被试之间功能和结构网络属性的差异作为特征，采用支持向量机的二分类方法，分别对功能和结构影像数据进行分类，结果显示分类准确率分别为85.21%（灵敏性：88.38%，特异性：84.50%）和81.26%（灵敏性：78.37%，特异性：81.80%）。此项从网络拓扑属性提取特征进行分类工作的尝试，将为后续进行减重手术疗效预测和肥胖患者的手术筛选提供先验知识和理论基础。 本文从全局网络的角度，阐明了肥胖患者大脑功能和结构网络拓扑属性的异常和减重手术对功能和结构网络拓扑属性的调节，为揭示肥胖的致病机理和减重手术干预机制提供了全新的影像学证据，并突出了网络属性作为疾病相关影像生物标记的潜在可能性。

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