额顶网络韧性与帕金森病认知衰退的保护作用相关 - 认知障碍

尽管帕金森病主要被定义为运动障碍，但它也以一系列非运动症状为特征，包括认知衰退。帕金森病患者认知衰退的发生和进展具有变异性，而促进或保护其免受认知衰退的神经生物学机制尚不明确。利用从有或无认知衰退的帕金森病患者中收集的静息态功能磁共振成像数据，我们研究了脑网络拓扑韧性与帕金森病认知功能之间的关系。通过利用网络攻击分析，我们证明，相对于经历认知衰退的帕金森病患者，认知稳定的帕金森病患者的额顶网络对网络扰动的韧性显著更强。我们的研究结果表明，额顶网络的拓扑鲁棒性与帕金森病患者未出现认知衰退相关。

引言

帕金森病是一种进行性神经退行性疾病，以静止性震颤、强直、运动迟缓和姿势不稳等核心运动症状为特征[1,2]。然而，帕金森病也常伴有广泛的非运动症状[3]，其中最常见之一是认知衰退[4,5,6]。重要的是，包括认知障碍在内的非运动症状深刻影响帕金森病患者的生活质量[7]。尽管认知衰退在帕金森病的临床表现中占据核心地位，但其机制仍不清楚。

尽管帕金森病认知衰退的总体患病率很高，但其发生、进展和严重程度具有变异性。许多帕金森病患者可多年不出现认知缺陷[4,8]。帕金森病中的认知缺陷存在于一个谱系中，从轻度认知障碍到中度或重度痴呆[5,9]。虽然痴呆可能影响帕金森病患者，但认知结局通常高度可变，并非所有经历轻度认知障碍的帕金森病患者都会发展为痴呆[9]。此外，一些帕金森病轻度认知障碍患者在整个病程中保持认知稳定，另一些甚至可能改善认知症状[4,10]。重要的是，帕金森病中领域特异性认知缺陷也存在异质性，有或无痴呆的帕金森病患者在记忆和视空间领域均存在缺陷[11,12]。这些缺陷被认为与额纹状体多巴胺网络的破坏以及额顶网络区域结构和功能特性的改变有关[13,14,15]。

事实上，神经影像学研究已开始揭示可能构成帕金森病认知功能障碍的神经生物学机制[16]。帕金森病的病理特征是黑质纹状体多巴胺能神经元变性[17]，这些神经元通过背侧纹状体（即尾状核和壳核）向基底节的苍白球和黑质提供大量多巴胺输入[16,18]。关键的是，向尾状核的多巴胺能投射的进行性丧失与帕金森病认知功能评估得分和痴呆程度显著相关[19,20]。此外，尾状核中的多巴胺转运体可用性与帕金森病认知功能相关[21,22]。研究还表明，在执行功能任务期间，有认知障碍的帕金森病患者相对于无认知障碍者，尾状核的激活降低[23]。此外，尾状核的功能连接与帕金森病认知功能相关，较低的尾状核连接与较差的整体认知得分相关[24]。这种认知障碍与尾状核功能降低之间的关系并不仅仅是更晚期的帕金森病与更差的认知功能相关的反映[24]。

在存在认知衰退的帕金森病患者中也观察到了网络水平的功能障碍，尤其是在额顶脑区[14]。帕金森病轻度认知障碍和帕金森病痴呆患者的额叶和顶叶皮层存在代谢网络活动改变，以及这些区域内广泛的灰质萎缩和白质微结构改变[25,26,27]。功能神经影像学研究也表明，有痴呆的帕金森病患者的认知衰退与额叶和顶叶脑区之间的功能连接破坏相关[28,29]。

尽管许多神经影像学研究探讨了帕金森病认知功能障碍的神经基础，但对帕金森病患者认知衰退轨迹巨大变异性的机制解释仍然缺失。脑网络韧性的研究——它量化了脑网络在受到扰动后保持拓扑完整性的程度[30]——是一个有前景的研究方向。人脑网络是稳健的，能够承受相当大的扰动，这通常通过定向攻击来模拟[31,32]。定向攻击方法涉及系统性地移除网络中的节点，例如基于节点度数（即网络中每个节点连接的边数）[33]。在移除高度连接的节点后，健康大脑功能网络的拓扑特性在很大程度上得以保留[34]。帕金森病中脑网络的攻击容限尚未被研究。因此，我们推测，量化并比较经历认知衰退和未经历认知衰退的帕金森病患者之间的脑网络韧性，将为了解帕金森病认知功能障碍变异性的机制提供见解。

在本研究中，我们考虑了脑网络韧性保护帕金森病患者免受认知衰退的假设。为验证这一假设，我们评估了有和无纵向认知衰退的帕金森病患者是否表现出不同水平的拓扑韧性以抵抗定向攻击。我们的分析侧重于全脑对定向攻击的韧性，以及额顶网络（一个与尾状核有广泛功能连接的大尺度功能网络）的韧性[35,36]。我们还比较了两组在全脑和网络层面平均节点加权度上的差异，以确认韧性作为帕金森病认知衰退保护因素的特异性。

结果

我们分析了来自两组帕金森病患者（认知衰退组和认知稳定组）的神经影像和表型数据（见“方法”；表1）。两组帕金森病患者在年龄（t57=0.348，p=0.73）、男女分布（χ²(1)=1.95，p=0.16）或教育程度（t57=-0.296，p=0.77）上没有差异（图1a）。此外，两组帕金森病患者在主要临床变量上无差异，包括运动功能（通过运动障碍学会-统一帕金森病评定量表III（MDS-UPDRS-III）评估，仅关药状态得分；t57=0.577，p=0.57）（图1b）、受累侧分布（χ²(2)=3.41，p=0.18）或Hoehn和Yahr分期分布（χ²(2)=1.46，p=0.48）（图1c）。两组帕金森病患者的初始蒙特利尔认知评估（MoCA）得分无差异（t57=0.2858，p=0.78）；然而，重复测量方差分析显示，临床组与评估时间之间存在显著交互作用（F(1,57)=27.93，p<0.0001；补充表1），表明两组之间存在纵向认知差异。重要的是，在MoCA和UPDRS评分时，两组患者中服用帕金森病药物和未服用药物的比例无显著差异（χ²(1)=0.197，p=0.66）。我们还发现，在初始MoCA评分时（χ²(2)=1.38，p=0.50）和UPDRS评分时（χ²(2)=1.23，p=0.54），两组患者中服用左旋多巴、多巴胺激动剂或两者联用的比例无显著差异。两次MoCA评估之间的月数（衰退组范围=12–77个月，稳定组范围=21–84个月；t57=0.023，p=0.98）、影像数据采集与初始MoCA评估之间的时间（t57=0.502，p=0.62）、帕金森病症状出现与初始MoCA评估之间的时间（t57=0.308，p=0.76），以及影像数据采集与帕金森病症状近似出现时间（t57=0.252，p=0.80）或正式诊断时间（t57=0.235，p=0.81）均未观察到差异。然而，正如预期，认知衰退组在观察期间MoCA得分的下降幅度大于认知稳定组（t57=-5.285，p<0.05）（图1d）。

我们还检查了认知衰退组中哪些特定认知领域在MoCA测试中更容易下降，发现患者记忆领域的下降百分比最大，其次是语言领域，最后是注意力、集中力和工作记忆领域（补充表2）。

全脑定向攻击分析

我们首先检查了全脑对定向攻击的韧性，迭代攻击整个功能连接组，如本研究使用的300节点分区所示（图2a）。攻击容限值（为每名患者量化）在每个检查的网络成本（2.5%–25%）下使用非参数检验进行比较（图2b）。在所有检查的成本下均未观察到组间差异（所有p值>0.66，补充表3）。尽管我们的整个认知衰退组（n=37）包括17名MoCA得分单点下降的个体，但我们确认，在10个成本中的每个成本下，得分变化1点的受试者与变化超过1点的受试者在全脑（所有p值>0.17）或额顶网络（所有p值>0.06）攻击容限上没有显著差异。

单一网络定向攻击分析

然后，我们检查了网络层面的定向攻击韧性。我们的分析特别关注额顶网络（图2c），因为它与尾状核（帕金森病的主要病理位点之一[16,18]）有广泛连接，并在认知功能中发挥作用[19,20]。临床组在10个检查成本中的9个上存在额顶攻击容限差异（所有p值<0.028）。具体来说，认知衰退组在所有网络成本下（除一个2.5%成本外）均显示出显著低于认知稳定组的攻击容限（图2d；补充表4）。我们还比较了认知衰退组中表现出临床相关认知变化的子集（n=12）。为定义该子集，我们根据初始和最终MoCA评估将认知衰退组中的每名受试者分类为认知完好、轻度认知障碍或痴呆[37]。当比较经历了认知衰退且认知状态发生变化的个体子集与认知稳定组时，我们发现了类似的攻击容限差异（所有p值<0.036；补充表5）。我们进一步通过随机置换检验（5000次迭代）评估了该发现的重要性，该检验在先前分析中考虑的不同成本下，将两个临床组在相同大小（36个节点）的随机网络中的攻击容限进行了比较（图2e，补充表6）。我们确定，两组之间的实际攻击容限差异在所有检查成本下均一致高于随机差异得分（所有p值<0.01；补充表6）。此外，我们发现在认知衰退组中，额顶网络的攻击容限与MoCA得分变化在10个成本中的6个上相关（所有p值<0.05），但额顶网络攻击容限与运动症状严重程度之间无关系（所有p值>0.456），MoCA得分下降与MDS-UPDRS-III得分之间也无关系（p=0.649）。

我们还检查了排除小脑节点后额顶网络的攻击容限。在包含（图2d）和排除（补充图1）小脑节点的分析中，两组之间的攻击容限模式相似，即认知衰退组在所有成本下均表现出较低的攻击容限。在10个成本中的4个上存在显著差异（所有p值<0.047；补充表7）。

接下来，我们检查了上述攻击容限差异是额顶网络特有的，还是在其他单一功能网络中也观察到。作为对照网络，我们检查了听觉网络——一个由初级听觉皮层和颞上回外周听觉区域组成的大尺度功能网络（图2c）[38]。选择该网络作为对照是因为它在帕金森病中没有主要受累。实际上，在10个成本中的8个中，组间攻击容限无显著差异（图2f和补充表8）。

定向攻击韧性的拓扑属性特异性

鉴于帕金森病组在额顶网络攻击容限上的差异，我们考虑了这些差异可能反映两组之间一般拓扑差异的可能性。因此，我们检查了全脑和额顶网络的加权度（也称为“强度”；图3；补充表9–10）。两个帕金森病组在所有检查成本下，全脑（图3a）和单一网络（图3b）的加权度没有差异（所有p值>0.21）。

我们还检查了两个临床组额顶网络的整体功能连接，以确认对定向攻击的韧性并非由简单的功能连接差异或连接矩阵比例阈值化引起的混杂因素[39]。当保留正相关时（t57=1.32，p=0.19），以及检查所有相关的绝对值时（t57=1.00，p=0.32），额顶网络的功能连接在临床组间无显著差异。

检查健康对照中的额顶网络攻击和加权度分析

接下来，我们想检验额顶网络攻击容限差异是否特定于帕金森病认知衰退，抑或反映了患者与对照之间更一般的差异。我们首先确认了患者与对照在年龄（t78=-0.185，p=0.85）、男女分布（χ²(1)=1.63，p=0.20）或初始MoCA得分（t78=-1.088，p=0.28）上无显著差异。我们检查了临床组和对照组之间额顶网络对定向攻击的韧性（图4a）。将两个临床组合并后，我们发现帕金森病患者在除三个网络成本外的所有成本上均显示出显著低于对照的攻击容限（p值<0.03）（补充表11）。分别比较两个帕金森病组与对照组，发现帕金森病组与对照组之间的攻击容限差异仅存在于认知衰退帕金森病组中。即，认知衰退帕金森病组显示出显著低于对照组的攻击容限（所有校正后p值<0.03），但认知稳定帕金森病组与对照组之间无差异（所有校正后p值>0.08；补充表12）。帕金森病组与对照组之间的攻击容限差异很可能反映了基本的网络拓扑差异，因为对照组在所有有效成本下均显示出显著低于患者的额顶网络加权度（所有p值<0.0002）（图4b；补充表13–14）。

讨论

认知衰退是帕金森病最常见的非运动症状之一，然而认知功能障碍的发生、进展和严重程度在患者间具有变异性[4,8]。导致认知衰退轨迹变异性的机制仍然未知。在本研究中，我们通过利用功能连接组的定向攻击分析，检查了脑网络韧性与帕金森病认知衰退之间的关系。我们发现，额顶网络的脑网络韧性与帕金森病患者未出现认知衰退相关。即，相对于认知衰退的帕金森病患者，认知稳定的帕金森病患者在额顶网络内对定向攻击表现出更强的韧性。这两组患者在额顶网络内的整体功能连接或该网络的更一般拓扑属性（即加权度）方面没有差异。此外，我们确定结果对于额顶网络是特异性的，在检查的10个成本中的8个中，对于在帕金森病中没有主要作用的网络（即听觉网络）进行定向攻击时，未发现组间差异。我们发现的听觉网络攻击容限的显著差异可能反映了成本依赖性差异，而非真正的组间差异，因为在10个成本中仅有2个存在显著差异[40]。

我们通过量化个体受试者脑网络对定向攻击的容限，评估了帕金森病中的脑网络韧性。我们报告，认知稳定的帕金森病患者在额顶网络中对定向攻击的容限强于认知衰退的帕金森病患者。网络对损伤和扰动的韧性已在生物、社会和人工系统背景下被广泛研究[33,41,42,43]。脑网络的稳健组织使其具有韧性，使得脑网络的拓扑完整性在退化或疾病面前高度保守[30]。根据我们的发现，这可能意味着一些帕金森病患者的脑网络能够承受相当大的损伤，同时保持对于正常认知至关重要的关键拓扑特征。脑网络承受扰动的能力也可能源于皮质-皮质下脑网络中冗余的存在[44,45]，这种冗余在不同患者间可能不同。即，帕金森病患者的脑网络维持相同程度扰动的能力可能不同，这在神经病理学进展后会变得明显。

我们的研究结果记录了额顶网络——一个参与高级负责高级认知功能的大尺度功能网络，与尾状核存在复杂的功连接[46]。我们未发现全脑网络韧性、与额顶网络大小相同的随机网络韧性，或听觉网络（作为对照网络分析，因其通常与认知无关也不在帕金森病中显着受累）的组间差异[47,48]。我们的发现因此揭示了额顶网络韧性的特异性。这些结果与先前揭示尾状核和额顶网络在帕金森病认知功能中核心作用的研究一致[19,20,23]。特别是，尾状核和额顶网络的异常连接与帕金森病认知功能相关[24,49]。因此，我们的结果进一步证实了尾状核和额顶网络在认知以及在帕金森病认知衰退病因学中的关键作用。

在我们的主要分析中，我们检查了整个额顶网络的韧性，包括小脑节点，如本研究使用的皮质-皮质下分区所示[35]。有证据表明小脑区域整合到大尺度功能网络中，并且小脑节点与包括额顶网络在内的特征化网络相关联[35,50,51]。由于先前的功能神经影像工作发现小脑区域在认知任务期间与额顶皮质共同激活[52]，并且小脑区域接收来自前额叶和顶叶区域的输入[53,54]，我们希望进一步检查小脑节点在攻击容限中的作用。我们的结果突出显示了额顶网络中小脑节点在脑网络韧性中的核心作用。这些发现与先前检查帕金森病功能激活和连接的研究非常吻合，这些研究发现认知需求高任务期间小脑区域过度激活[55]。小脑活动增加也与帕金森病患者更好的认知表现相关[56]。这种过度激活被认为代表一种代偿功能，可能减轻帕金森病神经退行性变的早期症状[57,58]。即，当大脑其他部分（如多巴胺能基底节区域）受到帕金森病病理挑战时，小脑可能维持脑网络韧性。目前的结果补充了现有文献，并支持这些论点，因为我们的结果表明，额顶网络的韧性，特别是包含小脑感兴趣区时，与该人群未出现认知衰退相关。

为了评估额顶网络韧性在帕金森病中的发现是否反映或由更一般的拓扑差异驱动，我们测试了两个临床组是否在基本的网络拓扑度量（加权度/‘强度’）或额顶网络的整体功能连接上存在差异。这一点值得注意，因为从功能连接矩阵导出的指标受基本拓扑特征影响[30]。我们观察到加权度或额顶网络整体功能连接无差异。因此，这些辅助发现表明我们的分析方法捕捉到了帕金森病网络组织的一个独特特征。换句话说，我们的发现表明帕金森病中认知的差异更多地由拓扑鲁棒性差异驱动，而非更基本的拓扑网络属性或简单的功能连接差异[24]。先前还发现，在病程较长（即八年）后，通过脑电图数据分析揭示的前额叶脑区高连接性可能是帕金森病认知衰退的预测因子[59]。然而，与本研究的方法差异包括使用不同的成像方式和病程的巨大差异可能妨碍直接比较。未来研究可使用其他成像方式和病程范围更大的临床样本来检查帕金森病功能连接组的拓扑结构。

我们还将患者和对照组的额顶网络韧性进行了比较。我们发现健康对照对定向攻击的韧性显著更强，但患者和对照组之间在该网络中存在基本拓扑差异（即在加权度上）。鉴于这一发现，并且网络度量确实可能受拓扑基本特征影响[30]，这些结果可能反映了临床组和对照组之间的一般拓扑差异。这些结果与先前的工作一致，该工作显示了帕金森病患者与年龄匹配对照在功能网络拓扑上的显著差异[13,60,61]。更具体地说，与本文报告的结果类似，先前研究也发现年龄匹配对照相对于帕金森病患者的功能连接组度值显著降低[60,61]。

应讨论几个局限性。我们的发现表明额顶网络的拓扑鲁棒性可能对帕金森病认知衰退具有保护作用，但我们使用了横截面成像数据和纵向认知测量。未来研究可使用纵向成像数据进一步证实我们的发现。此外，我们使用了全局认知测量MoCA来评估认知的纵向变化。MoCA已成功用作帕金森病认知障碍的有效可靠筛查工具[62,63,64]；然而，未来研究可使用更具体的测量来纵向检查认知。

总之，我们发现，相对于经历认知衰退的帕金森病患者和年龄匹配对照，认知稳定的帕金森病患者的额顶网络对定向攻击的韧性显著更强。我们的发现表明，额顶网络的拓扑鲁棒性与帕金森病患者未出现认知衰退相关。

方法

受试者

本研究所有数据均来自帕金森病进展标志物倡议数据库。帕金森病进展标志物倡议是一项综合性的观察性国际多中心研究，旨在识别帕金森病的进展标志物[65]。所有参与者均提供书面知情同意书，程序符合参与研究中心机构审查委员会的批准规定和指南。

本研究帕金森病参与者最初基于存在完整的解剖和静息态功能磁共振成像数据以及在数据下载时（2019年8月；n=101名参与者）的纵向整体认知评估而被选择。将每名受试者最近一次评估的整体认知（通过MoCA得分测量，范围0-30）与其初始评估的认知进行比较（MoCA最后 − MoCA初始）。排除了认知有所改善（即MoCA最后 − MoCA初始 > 0）的个体。满足入选标准的个体根据是否存在认知衰退进一步分为两个帕金森病组之一。认知衰退组的个体是那些MoCA得分下降至少一分（即MoCA最后 − MoCA初始 < 0）的个体，而认知稳定组的个体MoCA得分未发生变化（即MoCA最后 − MoCA初始 = 0）。因此，总体分析了59名帕金森病患者的数据，包括37名经历认知衰退（平均年龄62.97 ± 9.8岁）和22名认知稳定（平均年龄62.05 ± 10.0岁）的个体。这两组中具有提示认知障碍（即<26）的初始MoCA得分的受试者比例相似（χ²(1)=0.154, p=0.69）。根据帕金森病进展标志物倡议研究队列指南，本研究中包含的帕金森病受试者在入组时均为未用药个体，帕金森病诊断时间为两年或更短。然而，大多数帕金森病进展标志物倡议参与者在研究前两年内开始服用多巴胺能药物，这正是在添加静息态功能磁共振成像方案时。我们发现，在服药且扫描时药物状态已知的受试者中，静息态功能磁共振成像扫描时开启/关闭帕金森病药物的个体比例在组间相似（χ²(1)=0.505, p=0.48）。当也将未用药者考虑在关闭药物组中时，我们再次未发现组间在功能磁共振成像扫描时开启/关闭帕金森病药物的个体比例存在显著差异（χ²(1)=0.0002, p=0.99）。帕金森病进展标志物倡议临床组的完整纳入和排除标准可在网上获取。

我们还在本研究中纳入了年龄匹配的健康对照。在帕金森病进展标志物倡议研究中登记的对照中，根据数据下载时存在完整的解剖和静息态功能磁共振成像数据选择本研究受试者（n=22）。一名对照受试者因扫描期间头部运动过度被排除分析（见下文）。我们未在对照组中纵向检查认知，因为我们的对照组样本量较小（n=21，平均年龄63.10 ± 10.3岁），不足以检测纵向认知结局的组间差异。

临床和认知评估

根据帕金森病进展标志物倡议方案，所有受试者均接受临床和认知评估。临床特征使用MDS-UPDRS评分，使用量表第三部分得分评估运动功能障碍。帕金森病症状进展也根据Hoehn和Yahr系统进行评分。使用MoCA评估整体认知（表1）[63]，这是一种用于检测轻度认知障碍的认知筛查测试。

影像数据采集

所有磁共振成像数据均使用西门子3T扫描仪采集。解剖扫描使用MPRAGE序列进行采集。静息态功能磁共振成像扫描使用平面回波序列进行采集。静息态扫描时长为8.4分钟。在静息态扫描期间，受试者被要求静卧清醒，睁眼。

图像预处理

影像数据预处理通过MATLAB R2019b完成，使用SPM12和CONN工具箱18.b版[66]。以下CONN流程的完整文档可在网上获取[67]。

使用CONN默认的基于体积分析的预处理流程。预处理期间，对功能图像进行重新对齐、解扭曲和切片时间校正。识别并擦除离群体积，使用中间设置的0.9毫米受试者运动（按帧位移测量）和Z=5的全局信号阈值。排除>50%体积被移除的受试者（n=1）。将功能数据标准化到标准MNI空间，并对灰质、白质和脑脊液进行分割。最后，使用8毫米全宽半高斯的核函数对功能数据进行空间平滑。数据预处理后，使用CONN默认的去噪流程。白质、脑脊液和12个受试者运动参数作为回归量纳入去噪步骤。还应用了时域带通滤波器，以从BOLD信号中移除低于0.008 Hz或高于0.09 Hz的时域频率。

矩阵构建和攻击分析

使用一个功能定义的300个非重叠球形感兴趣区的皮质-皮质下-小脑分区来推导功能时间序列[35]。根据Seitzman等(2020)[35]中概述的功能细分定义单个网络（即额顶和听觉网络），其中开发了一个全面的功能定义的皮质-皮质下分区。额顶和听觉网络中各感兴趣区的MNI坐标可分别在补充表15和16中找到。计算未加权连接矩阵，每个矩阵中的元素表示每对感兴趣区之间BOLD时间序列的Fisher Z转换双变量相关性（图5a）。在网络攻击分析之前，我们在一个阈值范围内对连接矩阵进行二值化，其中保留前2.5%–25%的边。我们检查了10个总成本，每个之间间隔2.5%。

使用MATLAB R2019b和Brain Connectivity Toolbox[30]进行全脑和单网络定向攻击分析。所有攻击分析在所有网络成本（2.5%–25%）下进行。节点按照度数降序迭代移除，度数是衡量节点与其他节点连接数的度量（图5b）[30]。每次攻击迭代后计算全局效率，得到一个表示全局效率值随移除/攻击节点比例变化的总体曲线。然后计算所有迭代的曲线下面积，并将其用作网络韧性的度量[68]。

度数和全局效率的计算

未加权度数计算为...（公式1）

加权度数计算为...（公式2）

全局效率计算为...（公式3）

统计学和可重复性

所有统计分析在R 4.0.2版中完成[69]。在帕金森病组中，使用独立样本t检验或卡方检验比较人口学和量表变量。还使用重复测量方差分析检查临床组间MoCA得分的纵向变化。在方差分析中，将评估时间（初始/最终）和帕金森病组（稳定/衰退）作为因素纳入。使用置换检验进行网络韧性（如上所述的AUC值）和加权度的临床组间比较。使用permuco包中的aovperm函数，在每个10个成本下使用非参数配对置换检验评估临床组间比较[70]。每次检验使用5000次置换，显著性水平设为p=0.05。

比较临床组和对照组在额顶网络的网络韧性和加权度指标。再次使用非参数配对置换检验在10个成本下进行临床组和对照组的比较。