本篇文献分享发表于NeuroImage: Clinical。本公众号所发布内容旨在与大家分享学术新知，促进交流学习，版权归原作者或原出处所有，感谢各位学者的辛勤成果。

1 引言

帕金森病（PD）是一种多方面的神经退行性疾病，其特征为多种多样的病理生理改变和临床症状，并非单纯的运动障碍。帕金森病相关的神经病理改变包括多巴胺能神经元进行性变性，同时伴随路易小体沉积、神经递质缺乏、神经炎症和脑萎缩。然而，导致运动、自主神经、认知和情感症状多样化表现的具体神经生物学机制仍不清楚。

更复杂的是，帕金森病患者在临床症状、疾病进展和治疗反应方面表现出显著的异质性。这种临床异质性的成因尚未得到充分解释，不仅影响患者生活质量，还增加了寻找有效治疗方法的难度。因此，成功的治疗需要个体化评估和个性化干预。

帕金森病症状表现多样的一个解释是，神经病理改变破坏了不同相互连接的脑区或 “网络” 之间的信息交流。静息态功能连接（RSFC）是一种利用功能磁共振成像（fMRI）无创评估大规模脑连接和脑网络的技术，已被证明对帕金森病具有敏感性。事实上，网络功能障碍与神经病理改变（如血清和脑脊液生物标志物）以及包括认知障碍和精神症状在内的临床表型相关。因此，以往的静息态功能连接研究为揭示帕金森病的网络特征及其与临床表型的关系提供了见解。

然而，大多数静息态功能连接研究采用组水平分析方法，将不同个体的数据合并，从而降低了临床相关性，并削弱了个体水平的统计效力。标准的数据采集策略通常为每位参与者采集 5-10 分钟的原始静息态功能连接数据，这一数据量不足以可靠地识别个体水平的网络组织。此外，运动校正作为减少网络估计偏差的必要步骤，会剔除部分数据，进一步减少可用于分析的数据量。

“精准”静息态功能连接（Precision RSFC）是一种以可靠检测个体差异而非组平均结果为核心的新方法，通过延长数据采集时间（在多个标准时长的扫描中采集超过 40 分钟的静息态功能连接数据）、对运动和其他生理混杂因素进行严格去噪，以及采用先进的网络定义技术来解决上述缺陷。健康对照人群的前期研究表明，精准静息态功能连接能够获得可靠且稳定的个体水平网络测量结果，而这些结果通常会被传统方法所掩盖。这些方法揭示了网络拓扑结构中具有重要意义的个体水平差异，且这些差异与精神病理状态相关。这些优势对于聚焦皮层下区域的研究可能尤为重要，该区域的磁共振成像通常信噪比（SNR）较低，但连接改变在帕金森病中可能最为明显。因此，精准静息态功能连接可能是揭示帕金森病临床异质性功能相关因素的关键。个体化网络图谱能够捕捉帕金森病患者与健康对照者之间的差异，揭示异质性背后的机制，捕捉疾病的纵向进展，并为早期检测、亚型分类和预后识别生物标志物。

然而，精准静息态功能连接尚未在帕金森病患者中得到验证，且存在一些方法学上的问题，如扫描过程中的疲劳、头部运动增加，以及由于神经病理改变和 / 或临床症状可能导致的扫描间不稳定性。要确定精准静息态功能连接在帕金森病研究中的可行性，必须解决这些问题。

为验证精准静息态功能连接方法在帕金森病中的可行性和可靠性，从 20 名帕金森病患者和 10 名健康对照者中采集了超过 100 分钟的静息态功能连接数据。首先，通过比较完成数据采集所需的扫描次数和两组受试者的扫描中头部运动来评估可行性。为评估可靠性，将 40 分钟数据（可靠的个体水平网络测量所需的最小数据量）的重测估计值与传统 5 分钟数据采集的结果进行比较。接下来，分析了个体相关矩阵的扫描间相似性，同时评估了稳定性（个体内）和功能区分度（个体间）。最后，对个体水平网络图谱进行了概念验证评估，以证明精准静息态功能连接能提高可靠性，并对比部分帕金森病患者中识别的特征。

2 方法

2.1 研究对象

研究对象来自两项正在进行的纵向研究，这些研究纳入了帕金森病和健康对照参与者的多模态成像、生物样本分析和临床随访。符合条件的参与者年龄≥50 岁，以英语为母语，受教育年限≥12 年。帕金森病参与者符合临床诊断标准；健康对照者无神经系统疾病，且一级亲属中无帕金森病患者。排除标准包括其他神经系统疾病、精神分裂症、双相情感障碍、痴呆、简易精神状态检查评分 < 24 分或临床检查提示痴呆、中 / 重度脑外伤史，或磁共振成像禁忌证（如脑深部电刺激）。在停用帕金森病药物过夜后，由运动障碍专科医生在关药状态下采用统一帕金森病评定量表运动亚量表（UPDRS-III）评估运动严重程度。当运动障碍专科医生无法到场时，对参与者完成统一帕金森病评定量表运动亚量表的过程进行视频记录，并按照既定方法进行评分。圣路易斯华盛顿大学机构审查委员会批准了所有研究流程；所有参与者均签署了书面知情同意书。

2.2 磁共振成像采集

参与者在 3.0T 西门子 Prisma 扫描仪上使用 20 通道头部线圈完成了 3-5 次扫描，扫描周期为 1.0 至 6.9 个月。磁共振成像序列包括：T1 加权成像、T2 加权成像、回波平面成像血氧水平依赖（BOLD）序列，以及梯度回波场图成像。2 名帕金森病参与者的数据因场图采集错误影响了静息态功能连接处理，但仍被纳入可行性分析。

2.3 行为学质量控制

扫描过程中，通过眼动仪密切监测参与者的嗜睡情况，并观察身体运动（如震颤）。每次扫描后，参与者完成斯坦福嗜睡量表评分。如果参与者在≥40% 的扫描帧中出现持续的闭眼或运动伪影，或报告严重嗜睡（评分 > 5），则排除该功能扫描序列。2 名帕金森病参与者因嗜睡被排除在运动和静息态功能连接分析之外，但这些数据对数据采集范式的可行性分析具有参考价值。参与者 P020 的 4 次扫描中有 2 次因持续震颤被完全排除。

2.4 磁共振成像预处理

磁共振成像数据以脑成像数据结构格式整理，并使用 fMRIPrep v20.2.0 进行预处理。结构像进行了信号强度校正、颅骨剥离和空间标准化。功能像进行了场畸变校正和运动校正，与解剖像配准，并重采样至蒙特利尔神经学研究所（MNI）空间。静息态功能连接测量的后续处理包括混杂因素回归（头动参数、白质信号、脑脊液信号、全局信号）、滤波（0.009–0.08 Hz）和运动校正。滤波前对校正的扫描帧进行插值处理，在功能连接分析前将其移除。

2.5 头动计算

使用滤波后的帧间位移（fFD）量化与头动相关的数据丢失，该指标基于低通滤波的运动参数计算帧间位移，可减少呼吸和心脏伪影引起的虚假头部运动估计，从而保留可用数据。由于滤波后的帧间位移会降低测量运动的整体幅度，因此采用 fFD>0.1 mm 的阈值进行校正。既往研究表明，该阈值大致相当于未滤波帧间位移的 0.2 mm 阈值，且在减少运动伪影对功能连接的偏倚方面具有相似效果。将保留和校正的扫描帧转换为扫描时间，用于组间比较。采用 Welch 两样本 t 检验评估保留和校正的总扫描时间的组间差异。

2.6 功能连接

静息态功能连接通过血氧水平依赖时间序列之间的皮尔逊相关系数计算。采用 Seitzman 300 感兴趣区（ROI）图谱定义感兴趣区，该图谱包含与帕金森病相关的皮层下和小脑区域。为考虑潜在的脑萎缩，使用每位参与者的 FreeSurfer 灰质分割结果对感兴趣区进行mask处理。皮层和小脑感兴趣区中保留掩模内的所有体素；皮层下感兴趣区采用更保守的 50% 阈值进行mask处理。排除原始体积 < 25% 的感兴趣区，形成个体化的感兴趣区集。最终的静息态功能连接估计值以每位参与者的 300×300 相关矩阵表示。

2.7 重测信度

通过随机打乱并拼接血氧水平依赖扫描序列，为每位参与者创建两个独立的静息态功能连接估计值，评估个体内重测信度。前 70 分钟的数据作为 “高置信度” 参考；剩余数据用于计算不同时长的静息态功能连接估计值，并在每个 1 分钟的增量处计算相关系数。对每位参与者使用不同的随机选择分段重复此过程 50 次。通过分离与每个脑结构相关的功能连接，分别评估皮层、皮层下和小脑的信度。采用配对 t 检验比较传统 5 分钟和精准水平40 分钟数据的信度。

2.8 扫描间相似性

为分析静息态功能连接网络测量结果在不同扫描间的一致性，计算了可用数据≥25 分钟的扫描中功能连接矩阵之间的成对皮尔逊相关系数。个体内相似性定义为同一受试者不同扫描对的平均相似性；个体间相似性为不同受试者扫描之间的相似性。采用 Welch 校正的独立样本 t 检验进行组间比较。为评估数据量对信度的影响，重新计算了每次扫描前 5、10 和 25 分钟数据的功能连接矩阵，并采用配对 t 检验比较所得的个体内相似性评分。

2.9 个体化网络映射

为证明精准静息态功能连接在映射个体网络组织中的效果，为 2 名帕金森病参与者生成了基于种子点的功能图谱。将静息态功能连接时间序列投影至灰质坐标空间并进行平滑处理。使用初级运动皮层（M1）作为种子点生成基于种子点的连接图谱。为展示精准静息态功能连接的全脑映射能力，从 5名低头动、高信度的帕金森病参与者中获得了数据驱动的网络图谱。通过分半分析计算DICE系数重叠率评估信度。采用 Infomap 算法识别网络，遵循个体化分区流程。在图密度为 0.001 的情况下计算皮层顶点间的功能社区，并根据与典型组平均网络的空间和功能相似性进行标记。对低置信度或小分区进行复核并可能排除。通过平均所有纳入静息态功能连接分析的参与者的个体矩阵，生成帕金森病组连接矩阵。然后，将相同的网络映射流程应用于该平均矩阵。

在脑海科技云平台中，支持用户批量处理多模态数据，并确保每一步参数设置都有据可查。此外，平台的项目管理模块可清晰记录数据筛选标准、排除被试原因、分析版本、质量控制等信息，极大提升了多模态整合研究的透明度和可复现性。感兴趣可联系预约产品演示。

3 结果

在3-5 次扫描中从 20 名帕金森病患者和 10 名年龄匹配的健康对照者中记录了超过 100 分钟的静息态功能磁共振成像数据。报告了扫描中运动表现、重测信度和功能网络在不同扫描间的稳定性。在验证方法可行性后，绘制了 2 名代表性帕金森病参与者的个体水平功能网络图谱。

3.1 研究对象特征

两组参与者在受教育年限、性别和利手方面相似。帕金森病组年龄略小于健康对照组，但差异无统计学意义。同样，基线认知状态显示中等效应量，少数帕金森病参与者表现出一定的认知下降和损害。认知障碍评分分布的组间卡方检验无统计学意义。正如预期，帕金森病组的运动症状严重程度（采用统一帕金森病评定量表运动亚量表评估）显著更高。

3.2 数据采集时间线

所有参与者的数据采集均在相对较短的时间内完成，两组的采集时间具有可比性。帕金森病和健康对照参与者需要的扫描次数相似，总采集周期也相似。平均扫描间隔同样较短，大多数扫描在一个月内完成。

图1：总扫描时间保留vs.运动污染损失

3.3 可从帕金森病患者中采集到足够的低运动静息态功能连接数据

即使是轻微的运动也可能引入静息态功能连接偏倚，这引发了对帕金森病精准静息态功能连接研究可行性的担忧。为解决这一问题，采用了保守的运动校正，并计算了每位参与者剩余的数据量。平均而言，帕金森病参与者保留了 108 分钟的数据，健康对照者保留了 118 分钟的数据；校正的数据量和扫描次数在两组间无显著差异。尽管健康对照参与者的数据保留率有轻微至中度的非显著性升高趋势，但两组均为精准静息态功能连接提供了足够的数据。

3.4 足够的数据使帕金森病静息态功能连接数据达到高信度

接下来，分析了个体水平的静息态功能连接信度。亚采样分析比较了两个基准：传统的 5 分钟数据和精准水平的 40 分钟数据采集。分别报告皮层、皮层下和小脑的结果。在皮层中，帕金森病参与者的 5 分钟数据显示中等信度，而 40 分钟数据的信度显著提高，与健康对照组的模式一致。皮层下和小脑的信度提升幅度更大。总体而言，研究结果重复了午夜扫描俱乐部基准数据集的发现，该研究表明延长扫描时间能显著提高所有脑区静息态功能连接估计值的信度，尤其是与帕金森病病理相关的脑区。

图2：重测信度随着扫描时间的增加而提高

3.5 足够的数据使帕金森病静息态功能连接数据在扫描间稳定且具有区分度

接下来，探讨静息态功能连接网络测量结果是否在不同扫描间保持一致。在每次扫描 25 分钟数据的情况下，帕金森病患者的静息态功能连接个体内相似性较高，与健康对照者相似，且与信度估计值一致。相反，两组的静息态功能连接个体间相似性均显著低于个体内相似性，表明个体间的网络模式存在差异。这种模式在所有脑区均存在，尽管估计值因信噪比和信度的差异而有所不同。这些发现表明，帕金森病患者在不同扫描间表现出稳定且独特的静息态功能连接特征，结果与健康对照者和午夜扫描俱乐部数据集一致。扫描间稳定性估计值的差异可能由数据信度而非连接特征的真实日间波动驱动。为验证这一假设，使用每次扫描前 5、10 和 25 分钟的亚采样数据进行分析。在两组中，5 分钟数据的稳定性最低，10 分钟数据有所提高，25 分钟数据达到峰值。配对 t 检验证实，两组在每个数据量梯度上的稳定性提升均具有统计学意义。

图3：RSFC在session之间的稳定性

3.6 精准静息态功能连接实现帕金森病的个体化功能映射

帕金森病精准静息态功能连接的一个关键目标是识别可能与神经病理改变和临床表型相关的个体特异性网络特征。在验证了方法的信度和稳定性后，展示了帕金森病患者的静息态功能连接图谱，以说明精准静息态功能连接如何捕捉个性化的连接模式。初级运动皮层种子点的静息态功能连接在 P001 和 P026 两名参与者中存在差异。P001 的种子点与腹侧运动带表现出广泛的连接，与躯体运动面部网络的位置一致；相反，P026的该位置与类似躯体运动认知动作网络的区域表现出明显的交错连接，表明在与帕金森病病理生理相关的运动区出现了参与者特异性差异。将这种比较扩展至整个皮层，对比个体化和组平均网络分区发现，尽管个体的网络广泛分布与组水平相似，但网络布局存在明显的个体特异性偏差，这与以往的精准静息态功能连接研究一致。值得注意的是，外侧前额叶皮层在扣带回 - 岛叶网络、语言网络、背侧注意网络、额顶网络和默认模式网络的大小和位置上表现出显著差异。这些个体化模式强调了精准静息态功能连接在探索网络变异是否与帕金森病临床异质性相关方面的潜力。

4 讨论

探讨了精准静息态功能连接方法在帕金森病中的可行性、质量和可靠性，旨在利用这些技术研究帕金森病大规模脑系统的个体差异。帕金森病参与者能够很好地耐受精准静息态功能连接数据采集，所产生的数据质量和数量与健康对照者和以往的精准静息态功能连接研究相似，运动水平、重测信度和扫描间相似性均相当。随后，研究提供证据表明，从帕金森病参与者生成的网络图谱显示出相关的个体变异。

图4：全脑网络图显示了RSFC的个体差异

4.1 精准静息态功能连接在帕金森病研究中具有可行性

研究结果支持精准静息态功能连接数据采集在帕金森病中的可行性。能够在两组中采集大量跨多次扫描的静息态功能连接数据。2 名参与者因采集错误被排除，2 名因嗜睡被排除；这些都是静息态功能连接研究中常见的挑战，可能反映了该研究方法的普遍限制，而非精准功能磁共振成像在帕金森病中的特定局限性。1 名帕金森病参与者的 2 次扫描因全程持续震颤被排除，这是帕金森病静息态功能连接研究中预期的局限性。尽管如此，精准静息态功能连接通过多次扫描采集数据的方法能够保留该震颤患者的数据，这与典型的单次扫描方法相比具有明显优势。鉴于运动是静息态功能连接研究中常见且普遍的混杂因素，且在帕金森病样本中不可避免，这可能是精准静息态功能连接在帕金森病中数据采集最受关注的挑战。尽管统一帕金森病评定量表运动亚量表评分升高，但所有帕金森病参与者均提供了超过 40 分钟的低运动静息态功能连接数据。个体间的运动存在差异，但个体内的运动在不同扫描间保持一致，这与以往认为运动具有特质性的研究一致。通过去噪策略和跨多次扫描采集数据的能力，精准静息态功能连接能够克服低数据量研究的局限性，并提高参与者保留率。

4.2 精准静息态功能连接为帕金森病提供可靠且稳定的脑网络测量结果

重测结果突出了三个关键发现。首先，帕金森病患者达到的信度水平与健康对照者和以往的精准静息态功能连接研究相当。其次，基于超过40 分钟数据的静息态功能连接估计值的信度和稳定性显著优于基于传统数据量的指标。第三，精准静息态功能连接在提高信噪比低的皮层下区域的信度方面具有显著优势，能够更可靠地评估与帕金森病病理相关的脑区。这为疾病的早期检测、将连接模式与临床特征关联起来，以及测量帕金森病的纵向变化提供了可能。即使在健康人群中，静息态扫描也常因嗜睡和不适而受影响。精准静息态功能连接范式通过将数据采集分散在多个标准时长的扫描中，解决了这些普遍存在的混杂因素。以往的研究表明，只要有足够的数据，功能网络会随时间保持稳定，且表现出最小的状态依赖性变异，即使在数月或数年内也是如此。然而，扫描间数据的等效性此前尚未在帕金森病中得到验证。此研究发现，帕金森病组的扫描间相似性与健康对照组以及以往在健康年轻人中的研究结果相似。此外，稳定性似乎与信度相关，且与每个脑结构的信噪比相关。虽然这一结果为在帕金森病中应用精准静息态功能连接识别稳定的生物标志物带来了希望，但也引发了关于疾病过程中网络变化何时发生以及是否会持续变化的问题。纵向研究发现帕金森病患者的静息态功能连接降低，且与认知功能下降相关。精准静息态功能连接尚未用于研究帕金森病的个体水平纵向变化，这标志着未来的重要研究方向。

4.3 帕金森病网络拓扑结构的个体差异

关于帕金森病和静息态功能连接的组水平研究为揭示共同的病理生理机制提供了重要见解，但无法解释临床异质性，也不能为精准医疗提供信息。精准静息态功能连接能够可靠地分析与健康成年人行为相关的个体间变异。尽管组定义的网络与帕金森病患者的统一帕金森病评定量表运动亚量表评分相关，但很少有研究探索个体化网络。在此，证明了使用精准方法可以实现这一目标。尽管帕金森病的组平均网络图谱与健康对照者和年轻人的图谱一致，但帕金森病参与者的网络图谱与组平均图谱以及彼此之间存在差异，这与以往关于个体变异的报道一致。例如，放置在外侧运动皮层的种子点在 P001 中显示出强大的躯体运动 - 面部网络连接，而在 P026 中显示出明显的躯体 - 认知动作网络连接。这些发现再次反映在皮层网络分区的独特性上。研究结果突出了标准功能磁共振成像方法的两个主要局限性：1）组网络布局融合了个体的不同网络，模糊了解释；2）标准方法遗漏了可能与帕金森病症状特征相关的个体特征。

4.4 “最佳” 扫描时间的动态变化

Gratton 等人的以往研究强调了静息态功能连接 “实现信度的两条路径”：增加个体内的数据量或扩大个体间的样本量，这两种方法均可根据研究目标提高稳健性。精准静息态功能连接与前者一致，这与 Ooi 等人的研究结果一致，该研究报道约 30 分钟的数据能最佳支持皮层网络预测，而信噪比低的皮层下区域需要近两倍的扫描时间。同样，帕金森病样本中的皮层网络在约 30 分钟的数据时达到高信度，而皮层下结构的信度从 40 分钟的约 0.8 持续提高到55 分钟的约 0.85。这些结果与以往的精准映射研究一致，包括皮层和皮层下的基准研究。总体而言，这些发现强调 “最佳” 扫描时长并非固定不变，而是取决于采集参数和脑区信号特征。未来的精准静息态功能连接研究可能受益于提高信噪比的策略，如多回波或高场强采集，以在保持信度的同时提高效率，这在扫描耐受性降低的人群中尤为重要，如晚期帕金森病患者。

4.5 精准静息态功能连接在帕金森病中的未来应用