BRAIN HARDI研究：认知控制中的前额叶通路：来自术中刺激和纤维追踪的直接证据

认知控制的一个关键点是管理相互冲突的输入信息，以实现一个被称为“干扰控制”的目标。虽然右额叶在干扰控制中的作用显而易见，但影响这一认知过程的白质纤维束仍不清楚。为了研究这一点，我们在术中和术后对患者进行Stroop测试，以研究暂时性网络中断(通过直接电刺激形式)和永久性断开(由神经外科切除引起)对干扰控制过程的影响。我们对34例额叶右半球胶质瘤患者进行了术中Stroop试验，并直接电刺激可能产生（干扰控制）错误的部位。在Stroop试验中，采用病变-症状标测来评估切除空洞与术后表现的关系，并与另外29例未执行术中试验的对照患者(63例患者，年龄17-77岁；女性28例)进行比较。然后，我们分析了其中8名同时都接受了术中Stroop试验及HARDI 的患者的脑纤维束断裂的情况。结果显示，与术中Stroop测试错误相关的脑区大部分部位聚集在右额下回内侧、纹状体外侧和上方的白质区域。接受术中Stroop测试的患者在术后1个月的随访中保持了认知控制能力(P=0.003)。病变-症状分析显示，右额下回切除与术后Stroop测试能力减慢有关(使用非参数检验，迭代5000次，显著性通过多重比较校正)。 与术中Stroop测试错误相关的刺激部位, 最常见的（>75%）是额下回纹状体通路及丘脑前辐射，但后者（丘脑前辐射）切除后对大部分（>60%）患者术后Stroop测试结果没影响。我们的结果显示，越来越多的证据支持额叶下回在干扰控制过程中的关键作用。术中数据结合DTI结果表明，皮质-皮质连接上的皮质-皮质下纤维束在维持认知控制过程的效率方面可能是至关重要的。这表明了在右额叶肿瘤切除术中保留它们的重要性。 

关键字： 认知控制  术中电刺激  纤维追踪  Stroop试验 

编者注：Stroop试验，让患者在2s内说出屏幕上“文字的颜色”，如图，屏幕上显示的是“红”这个字，用蓝色颜色写的，所以患者要说蓝才是正确的。术中通过刺激皮层及皮层下纤维束观察患者回答正确率变化情况。该试验为经典测试“干扰控制”的试验。

图注：Stroop试验示意图

引言     

从进化的角度来看，超越本能、刻意且灵活的调整行为能力是人类认知进化基础。该行为的发展与前额叶脑区的成型相对应。这被称为"干扰控制"，对于随机应变至关重要，该能力对于人们在嘈杂的环境中保持专注特别重要。认知控制缺陷将导致人注意力无法充分集中，影响生活质量。此外，它们还与精神疾病有关，如危险行为、注意力缺陷（多动症） 、强迫行为、精神分裂症。     

认知控制的一个重要组成部分是对干扰的抵抗力，这一点最常见的评估方法是Stroop颜色和单词测试，该测试要求受试者观看一系列描述颜色的单词(例如，“绿”、“红”、“蓝”)，并报告字体的颜色。鉴于单词与字体颜色不一致（例如，单词“绿”写成蓝色，“红”写成绿色等），受试者必须抑制阅读单词的主要倾向，并命名单词的颜色，从而导致一种称为“Stroop效应”的认知干扰。来自神经科的临床数据表明，额叶损伤与干扰控制缺陷有关。神经影像学研究已经确定了一个与之有关的复杂的皮质-皮质和皮质-皮质下区域网络(Koechlin等人，2003年；Badre，2008年)，越来越多的证据表明这个系统是右侧化的(Chambers等人，2009年)。在皮质水平，功能成像研究强调涉及的脑区包括额下回(IFG)、前额叶皮质背外侧、前扣带回和前副运动区(pre-SMA)。这些区域大多通过长距离的白质通路相互连接，并与其他脑叶相连。同时，他们与基底节也有相当大的联系，基底节在抑制信号处理中发挥的作用有目共睹。认知控制可能是通过内侧(IFG)和额叶上段(Pre-SMA)的纹状体连接介导的，也可能是通过额叶斜束（FAT, frontal aslant tract）在这些区域之间进行直接的皮质联系。虽然许多大脑区域已经被证明与认知控制有关，但与这一功能相关的白质连接仍然没有明确的定义。       

术中唤醒为测试认知功能提供了独特的机会，由于肿瘤切除的界限需根据神经功能区域分布范围进行调整，而神经功能区域可通过术中直接电刺激(DES)的方式进行评估。我们最近证明， 当使用低频(LF) 直接电刺激（DES）作用于右下额回、额中回、尾状核头部外侧的离散白质区域时， 仅术中Stroop测试(iST)被干扰（中断），而语言或运动 (命名、计数、手部运动)的任务测试仍正常，这表明这一区域可能与干扰控制相关。神经功能组织的行为学研究表明，刺激这一皮质下区域会导致调节认知控制的潜在白质网络的短暂中断。事实上，术中进行这项测试的患者与没有进行该测试的患者相比，认知控制缺陷有所减少，这表明该区域的白质连接与认知控制相关。        

除了强调在术中唤醒中使用iST来维持认知控制能力的重要性外，本研究的主要目的是确定参与干扰控制的精确解剖区域。假设若欲诱发iST错误，需刺激服务于认知控制的网络的特定白质纤维束。识别这些纤维束将有助于揭示认知控制所涉及的神经回路，并能直接影响临床，使接受右额叶肿瘤手术的患者的认知控制能力得以保留。为了实现这一点，我们使用了互补的方法。首先，在术中唤醒组，我们利用34例右半球额叶胶质瘤患者确定了诱发iST错误的概率最高的皮质下部位。接下来，我们通过比较iST组（34例）与非iST组（29例） 的术后Stroop测试成绩，评估了iST在保护认知控制相关区域的中的作用。然后，我们使用整个组(总共63名患者)的切除腔进行病变-症状分析(VLSM)，以调查术后Stroop试验缺陷是否与特定解剖区域的切除有关。最后，在iST组中有8名患者在术前进行了高角分辨率扩散成像(HARDI)优化的弥散成像扫描，该亚组患者主要用于术中刺激纤维（认知控制相关纤维）的定位。 

材料与方法 

患者     

在2014年至2018年期间，63名接受脑部病变手术的成年神经肿瘤科患者[53名右利手，30名女性，平均年龄43岁，标准差(SD)14]参与了Humanitas 医院的这项研究(表1)。采用以下纳入标准招募患者：(I)单侧右半球病变；(Ii)没有任何语言和视觉缺陷。排除因素包括既往神经和精神疾病史、低教育水平(<8年正规教育)或Stroop测试术前缺陷。除4例行次全切除外，其余均行全切除或幕上肿瘤切除。所有患者均对手术及术中认知控制相关纤维束定位流程（IRB1299）表示知情同意，该程序遵循赫尔辛基法令中概述的原则。这项研究严格按照外科肿瘤切除的常规程序进行。 

手术及术中定位     

所有63名患者都接受术中唤醒，根据脑功能区定位技术确定的功能边界切除肿瘤。在这组患者中，34名在2016年至2018年间入选，接受了标准的脑功能区定位，以保存语言、运动及运用中枢(Rossi等人，2018年)，并用术中 Stroop Test(iST)来识别皮质-皮质下与认知控制相关部位。这34名患者中有8名术前还接受了HARDI扫描。从2014年到2015年 登记的29名患者作为对照组，在没有iST的情况下接受了标准的脑功能区定位技术。     

在iST组中，刺激器一般选择 60 Hz的低频刺激，使用与定位语言区时相同的电流强度(2.75+-0.93 mA)。少数情况下使用高频刺激(train of 5, pulse duration 0.5ms; interstimulus interval: 3–4ms, repetition rate 3Hz)。手术过程中，我们首先用相应低频电刺激作用于皮层下结构，并评估其对患者计数和命名功能的影响。若语言功能未受影响，则开始iST，同时切除肿瘤，直到出现iST错误，手术切除立即停止。 通过将刺激器与超声探头相连，以确定导致iST错误的具体位置。当患者直接说出单词代表的颜色，而非字体颜色；或虽然回答正确但回答太慢（延时>1s）时，均将被判定为iST错误。当间隔一定时间，刺激同一皮质下部位三次，均导致iST出现错误时， 则该区域被认定为导致iST错误区域。术中刺激全过程录像，术后临床医生将对定位全过程统一进行评估。iST错误判定由神经心理学家进行，判定过程不受神经解剖位置影响（判定过程使用盲法，神经心理学家不知道刺激位置信息，只根据患者反应判定）。

图注：手术及测试流程

针对术中刺激的统计分析       

阳性区域的位置用神经导航+术中超声记录,并全程录像术后对定位过程进行复查，以确定定位的准确性。之后将这些阳性部位配准到MNI空间（SPM8）。最后我们通过MATLAB统计工具箱中的非参数核密度估计，计算出与iST干扰最相关的区域。

       编者注：非参数核密度估计（KDE），为非参数检验，与传统方法最大的不同在于其不利用有关数据分布的先验知识，对数据分布不附加任何假定，是一种从数据样本本身出发研究数据分布特征的方法。分析时主要可调参数有两个，一个为核的类型，另一个是带宽值，本文使用高斯平滑核，但带宽值未给出。（相关阅读：https://www.cnblogs.com/bonelee/p/11050244.html；https://mathisonian.github.io/kde/）

神经心理学量表评估及统计

      所有患者均接受两次神经心理评估，术前1周和术后1个月。评估内容包括语言、实践能力、注意力、执行力及干扰控制力（Stroop测试）。所有测试的分数都根据教育程度和年龄进行了校正。值得注意的是，对于术后忽视(n=9)或象限视(n=2)的患者，那些需要准确视觉扫描的任务[如注意矩阵、连线测验、雷伊图形、瑞文矩阵]的分数不可靠，因此分析中没有考虑这些分数。用于术后评估的Stroop仅针对需要纵向阅读的单词，因此不受偏盲或忽视的影响。

        用于术后评估的Stroop， 由三个子测试组成：

        测试1. 患者被要求垂直地阅读颜色名称列表(红色、蓝色或绿色)，

        测试2. 患者被要求说出一系列垂直排列的彩色圆点的颜色(红色、蓝色或绿色) 。 

        测试3.患者被要求报告文字的颜色 (例如，以红色打印的“蓝色”这个词，患者需报告红色)。如果在前两个测试中出现阅读或颜色识别困难，则不进行测试3。最后根据测试的准确度(基于出错的数量)和反应速度(以完成任务所需的秒数，根据前两次试验的执行速度进行加权)进行评分。所有统计分析用IBM SPSS 24.0软件进行。

        我们使用配对样本t检验对不同时间点(手术前和术后)的每项神经心理测试进行了比较。使用Bonferroni校正对p值进行校正。为了评估使用iST保存功能结构的效果，我们比较了iST组的与非iST组的神经心理表现。我们采用了双因素混合设计方差分析，先将患者分为以 iST与非iST组，在根据神经心理评估时间点，术前与1个月后，将各组的进行分层。（离群值被定义为具有超过两倍的标准差，离群值并且不包括在分析中。）

补充表1. 神经心理测试项目

病变-症状映射     

我们使用MATLAB的NiiStat工具箱(http://www.nitrc.org/projects/niistat).)进行了VLSM分析以及基于感兴趣的区域（ROI）的分析。     

基于ROI的分析：

该方法通过ROI水平，而非单个体素水平，对病变与症状的相关性进行分析，由于比较维度的大幅减少，FWE也随之降低。     

我们将分析限制在右半球， 基于AAL模版绘制ROI，范围涵盖白质及皮质下区域。在确定与术后1个月校正的神经心理评分相关的脑区时，手术对于每个脑区的切除比例被作为协变量输入模型。模型的最终结果以z-score进行展示，z-score越高，切除后造成神经心理测试评分降低的可能性就越大。通过置换检验(5000次置换)和多重比较校正来确定有统计学意义的脑区。我们在分析中仅包括了>15%的患者切除的体素, 15%这个阈值是随机选择的，我们还测试了10%和25% ，结果显示，不论使用10%、15% 还是25%对最终结果都没有影响。

弥散成像数据预处理及分析     

扩散数据(补充材料)首先通过目测检查异常值， 使用ExploreDTI进行头部运动和涡流失真矫正。我们使用StarTrack(https://www.mr-startrack.com/)进行球形去卷积建模（CSD），参数：The tractography algorithm： M-Euler ; SD algorithm ：Damped Richardson-Lucy (dRL)， α-value=1.5， iterations=200 ， n =0.001, v =16, and absolute threshold = 0.00138， step size=0.5 mm， Minimum streamline length =15，Maximum streamline length=300 mm ，angle threshold=35度 。该方法有利于区分交叉纤维，较传统方法更精确。最后我们通过FSL 中的FLIRT和FNIRT 函数， 将结构像和DTI图像都配准到MNI空间以方便后期对比分析。 

定义纤维束刺激及断裂      

纤维解剖（建立纤维模版）：基于成人白质纤维的公认走形，作者选择性地提取了以下几条纤维束：额纹状体束、丘脑前束(ATR)、额斜束(FAT)、上纵束(SLF)II和III以及额枕下束(IFOF)（后文提到的纤维束共8个，其中桥皮质束的定位方法文章未提及）。       

额上回纹状体通路：位于额上回(SFG) 与背侧纹状体之间，以额上回(SFG) 为ROI1，以尾状核和壳核为ROI2，勾画该通路。       

额下回纹状体通路：在额下回(IFG)与背侧纹状体之间，以额下回(IFG)为ROI1，以尾状核和壳核为ROI2，勾画该通路。       

丘脑前束(ATR)：ROI1位于丘脑，ROI2为丘脑前部的冠状切面，取出所有自丘脑发出，止于前额叶的纤维。       

额斜束(FAT)：矢状面使用一个包含额下回的ROI1，轴向使用位于额上回ROI2。       

上纵束（SLF） III使用含顶下小叶的冠状ROI1，ROI2位于额下回。     

上纵束（SLF） II使用含顶下小叶的冠状ROI1，ROI2位于额中回。     

额枕下束（IFOF）：最常见的终点描述位于枕腹皮层、额下部和额眶皮质，纤维多聚集在外囊内，我们使用三个冠状夹ROI，分别位于腹侧枕叶、腹侧额叶和外囊。

图4.  电刺激位点与纤维束位置示例

刺激：我们以刺激部位为中心制作直径为5 mm的球形感兴趣区域，并叠加到TrackVis软件中。该直径的设置与刺激器的刺激范围一致。然后，我们以球体作为ROI，提取通过该区域的所有纤维，并将这些纤维与前面的模版进行对比，确定“受刺激的”白质纤维。（图5b）。

断裂：记录与切除腔相交的纤维束体积(mm³)。如果这个切除的体积超过白质束整个体积的50%，我们将其定义为“纤维断裂”。（图5c）

图5. 手术对白质的影响

结果：

肿瘤位置：最大重叠区域(n=12)位于右额叶和颞叶前部。

图1. 肿瘤切除腔的地形图。

术中刺激：

      在34名iST的患者中，有25名患者在刺激期间记录到Stroop任务受到干扰（错误(65%)或反应延迟(35%)）。在其余9名患者中，刺激没有影响iST表现。共发现 34个与Stroop任务障碍相关区域，有4名被试具有多个Stroop任务障碍相关区域。同一位置使用高频或低频刺激，均可引发相同的Stroop任务障碍。刺激额下回、额中回或额上回皮质均无法诱发Stroop错误。而在刺激右侧IFG内侧、纹状体外侧和上方的脑室周围白质时，所有患者（25名）均出现Stroop错误。当将刺激位点归为一个共同的模板时，这些部位聚集在白质束内的一个离散的皮质下区域，该白质束位于额下回和额中回下方，在前岛叶前方，尾状核头部外侧，穿过壳核和丘脑前部到达扣带。核密度估计证实Stroop错误位点聚集在该区域内(图2C)。有4名患者Stroop错误位点分布于额下回较外侧白质内。

图2.术中操作流程与电刺激位点。 

图a为Stroop的示意图，

b显示会导致iST错误的刺激位置，

c表示术中刺激过哪些位置，

d表示会导致iST错误的刺激位置（黑点为刺激中心，以黑点为中心画直径5mm的球，然后重叠）

神经心理学量表结果     

术前术后评分是否有差异（配对t检验）：仅手术前后语音流利性测试成绩下降有统计学意义[t=3.36，p=0.002, adjusted P-value = 0.02]。       

 iST与非iST患者，术前术后评分是否有差异（双因素混合设计方差分析）：Stroop测试结果在两组测量前后具有交互效应（分组-时间）（p=0.03）。事后分析表明，iST可改善Stroop测试结果（p = 0.003, adjusted P-value = 0.006 ），但非iST组术后Stroop测试也没有出现明显下降（p>0.05）。

图3. 肿瘤切除手术对行为结果的影响。

病变-症状映射分析结果 (限于右半球)

目的：评估切除特定脑区是否与Stroop测试反应变慢有关。

VLSM：在额下沟基底部周围区域，包括尾状核头部后面的白质与Stroop测试反应变慢有关（z>3.55, p<0.05）。

基于ROI的分析:右侧额下回后部（盖部，z = 3.122, P <0.05; 三角部 z = 3.113, P <0.05）右侧额中回（z = 3.024, P < 0.05）与Stroop测试反应变慢有关。

白质纤维束分析       

唯一一位术后出现Stroop缺陷的患者是7号患者，他的所有8个被研究纤维（额上回纹状体束、额下回纹状体束，丘脑前束(ATR)、额斜束(FAT)、上纵束(SLF)II和III，额枕下束(IFOF)及桥皮质束）均被“切断”（损害>50%）。在所有术后无Stroop缺陷的患者中，额下回纹状体通路都保留完好。多余一半的术后无Stroop缺陷的患者，手术“切断”了他们的额上回纹状体束、额斜束、丘脑前部放射和SLFⅡ。

编者注：由于只有8人做了DTI，只有一个病人出现Stroop缺陷，因此结果稳定性有待商榷，但方法学值得借鉴。 

总结：

1.  要保护右侧额叶白质纤维束。

2.   右侧额下回及其相关通路在在干扰控制调节中具有重要作用。

编者注：本文最值得学习的地方是其勾画了病人特异性的白质纤维，由于肿瘤的存在，患者白质纤维多移位明显，若强行套用白质纤维模版将导致分析结果具有极大的偏差。本文通过解剖学上公认的一些纤维的起止点对纤维束进行重建，进而得到患者特异性的白质纤维模版，很好地解决了纤维移位的问题。

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