静息态脑功能成像评价夜磨牙者的大脑默认网络

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2999

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (5): 685-689.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2999

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静息态脑功能成像评价夜磨牙者的大脑默认网络

靖慧敏1，余雯娟1，王思佳2，陈聪2，李逸凡2，王永兰3，李欣3，张娟1，梁猛2

天津医科大学口腔医院，1修复科，3牙周科，天津市 300070；2天津医科大学医学影像学院及天津市功能影像重点实验室，天津市 300203

收稿日期:2020-03-11 修回日期:2020-03-18 接受日期:2020-04-11 出版日期:2021-02-18 发布日期:2020-11-28
通讯作者: 张娟，博士，副主任医师，天津医科大学口腔医院修复科，天津市 300070 梁猛，博士，教授，天津医科大学医学影像学院及天津市功能影像重点实验室，天津市 300203
作者简介:靖慧敏，女，山东省济南市人，汉族，2020年天津医科大学毕业，硕士，主要从事口腔修复与关节、脑功能研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(81971694)

Resting-state functional magnetic resonance imaging evaluation of the brain’s default mode network in patients with sleep bruxism

Jing Huimin1, Yu Wenjuan1, Wang Sijia2, Chen Cong2, Li Yifan2, Wang Yonglan3, Li Xin3, Zhang Juan1, Liang Meng2

1Department of Prosthodontics, 3Department of Periodontics, Hospital of Stomatology, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; 2School of Medical Imaging and Tianjin Key Laboratory of Functional Imaging, Tianjin Medical University, Tianjin 300203, China

Received:2020-03-11 Revised:2020-03-18 Accepted:2020-04-11 Online:2021-02-18 Published:2020-11-28
Contact: Zhang Juan, MD, Associate chief physician, Department of Prosthodontics, Hospital of Stomatology, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China Liang Meng, MD, Professor, School of Medical Imaging and Tianjin Key Laboratory of Functional Imaging, Tianjin Medical University, Tianjin 300203, China
About author:Jing Huimin, Master, Department of Prosthodontics, Hospital of Stomatology, Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China (General Project), No. 81971694

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
独立成分分析方法(ICA)：在源信号(S)和混合矩阵(A)未知的条件下仅通过测量的记录信号(X)对源信号作出估计的过程。核心思想：求取一个解混矩阵W使得X通过该矩阵后所得输出U是S的最优逼近(U各分量最大化独立)。独立成分分析方法可以将fMRI中混合信号分解成大脑所发出的真正的独立信号，因此是一种分析fMRI的常用方法。
默认网络(DMN)：人的大脑在安静状态下也在活动，展现一种不同于任务时的激活状态，大脑静息态的功能运动就是靠激活的脑区通过协调一致的活动来完成的，被激活的脑区就组成了一个网络，称为默认网络。目前，默认网络被广泛认为是大脑自主意识与自发行为的神经基础，也与很多神经疾病、心理障碍等息息相关。而夜磨牙多被认为与心理因素有关，因为以前没有对夜磨牙患者做静息态fMRI试验，没有先验的脑区作为参考，所以选择了默认网络进行初步分析。

背景：夜磨牙是常见的一种口腔副功能，但是其病因现在尚不明确。通过很多对夜磨牙患者进行心理调查问卷发现，夜磨牙与心理因素有关，但是二者之间的具体联系与机制并不清晰。
目的：分析夜磨牙患者大脑默认网络的改变，探讨夜磨牙患者静息态脑网络状态。
方法：自2018年11月至2019年5月对20名经多导睡眠监测确诊的夜磨牙患者(夜磨牙组)及20名年龄、性别、受教育年限相匹配的无症状志愿者(对照组)，在夜间20：00至23：00点采用3.0T核磁共振扫描仪行静息态脑功能磁共振成像检查，采用独立成分分析方法分离静息态脑网络，提取默认网络的成分进行统计学分析，首先使用单样本t 检验制作网络成分模板，然后使用双样本t 检验进行默认网络成分的比较。
结果与结论：夜磨牙组楔前叶默认网络内功能连接较对照组减弱，差异有显著性意义(t=-3.319，P < 0.05)，提示夜磨牙患者大脑静息态时默认网络存在异常。
https://orcid.org/0000-0003-0911-8913 (靖慧敏)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 功能性磁共振成像, 静息态, 默认网络, 楔前叶, 多导睡眠监测, 心理, 口腔, 夜磨牙

Abstract: BACKGROUND: Sleep bruxism is a common oral accessory function, but the etiology is not yet clear. A psychological questionnaire survey on patients with nocturnal molars reveals that sleep bruxism is related to psychological factors, but the specific relationship and mechanism between them are not clear.
OBJECTIVE: To analyze the changes of brain’s default mode network (DMN) in patients with sleep bruxism and to investigate the DMN status of patients with sleep bruxism.
METHODS: From November 2018 to May 2019, 20 patients with sleep bruxism (sleep bruxism group) diagnosed by polysomnography and 20 age-, gender-, and education-matched asymptomatic adults (control group) were recruited in the study. Brain resting-state functional MRI data were collected on a 3.0T scanner during 20:00 to 23:00. The MRI data were analyzed using independent component analysis method to extract the component of DMN. The one-sample t-test was used to make a network component template, and then the two-sample t-test used to compare the DMN components between the two groups.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with asymptomatic controls, patients with sleep bruxism showed a significantly weaker functional connectivity of the precuneus within the DMN (t=-3.319, P < 0.05), indicating that patients with sleep bruxism show abnormal functional connectivity within the DMN at brain-resting state.

Key words: functional MRI, resting state, default mode network, precuneus, polysomnography, psychology, oral cavity, sleep bruxism

中图分类号:

靖慧敏, 余雯娟, 王思佳, 陈聪, 李逸凡, 王永兰, 李欣, 张娟, 梁猛. 静息态脑功能成像评价夜磨牙者的大脑默认网络[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(5): 685-689.

Jing Huimin, Yu Wenjuan, Wang Sijia, Chen Cong, Li Yifan, Wang Yonglan, Li Xin, Zhang Juan, Liang Meng. Resting-state functional magnetic resonance imaging evaluation of the brain’s default mode network in patients with sleep bruxism[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(5): 685-689.

图/表（结果） 7

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引言

磨牙症是指一种升颌肌群强力收缩的重复性活动，以磨牙、紧咬牙和/或咀嚼肌绷紧为特点[1]，可分为睡眠磨牙症和清醒磨牙症。睡眠磨牙症又称为夜磨牙，以睡眠时下颌运动及牙齿磨耗为主要表现。一项研究对20-80岁夜磨牙患者应用多导睡眠监测检查发现，夜磨牙发病率约为8%[2]。长期夜磨牙不仅会导致牙齿的磨损，还会对颞下颌关节、咀嚼肌等口颌系统产生影响[3]。目前，夜磨牙的病因及发病机制尚不明确，牙合紊乱和口腔颌面部骨骼结构差异曾被认为是夜磨牙的主要病因。但多数研究表明咬合因素在夜磨牙中的作用仍缺乏充分的科学依据[4-5]，在一篇综述中提到临床确诊的夜磨牙与成年人咬合因素之间的关系仍没有临床证据证明[6]，但临床上很多医生仍把咬合作为夜磨牙病因的次要因素，这仍需要进一步的试验证明。近年来，越来越多的研究集中于夜磨牙患者的精神心理方面，大多认为与焦虑等心理因素有关。KUHN等[7]对10年间的夜磨牙危险因素相关文献总结，发现人体的情绪及压力是夜磨牙的危险因素之一。NUKAZAWA等[8]通过肌电图及脑电图对夜磨牙患者研究发现，在睡眠状态下发生磨牙时的交感神经活性平均值比正常人高约16倍，而副交感神经活性比平均值高约3倍，表明夜磨牙受脑干觉醒网络影响。FAN等[9]利用质子磁共振波谱技术研究发现夜磨牙患者脑干网络中的γ-氨基丁酸水平显著低于正常人，夜磨牙作为一种非自主性睡眠运动障碍，其脑活动会发生什么改变尚未见类似研究。
静息态功能磁共振成像(resting-state functional MRI，rs-fMRI)作为研究静息状态下人脑功能活动的重要手段，原理是通过检测神经细胞在活动时所引起的局部脑血流中血氧水平变化进行成像，以此观察局部的脑活动。这种神经影像学的检测方法为脑功能研究及一些神经系统疾病带来了更加无创、灵敏、客观的研究手段。因此，该试验采用静息态功能磁共振成像探讨夜磨牙患者静息脑功能状态，为以后研究夜磨牙的中枢神经机制奠定基础。
脑默认网络(default mode network，DMN)在研究人类大脑健康与疾病和脑网络联系中占有重要地位。研究发现人体执行任务活动时，大脑一系列区域发生激活降低，默认网络成为神经影像学研究的重点网络[10]。脑默认网络在2001年由RAICHLE等[11]提出，其所涉及的脑区包括后扣带回、楔前叶、内侧前额叶等，与情感的监测处理、自省、思想回忆和情景记忆的提取等功能密切相关。作者认为，与自发认知相比，自发活动可能使默认网络在脑网络中发挥了更加基本的作用。默认网络与注意力集中有关，同时昼夜节律紊乱与睡眠疲劳也会影响默认网络的激活[12]。默认网络功能连接紊乱也与癫痫、阿尔茨海默症、精神分裂症及抑郁症等多种疾病所造成的认知功能紊乱有关。目前，默认网络被广泛认为是大脑自主与自发意识行为的神经基础，同时与大多神经心理疾病相关[13]。基于此，该研究设想默认网络与夜磨牙之间存在某些特定的联系。
该研究采用静息态功能磁共振成像分析长期夜磨牙患者脑区与无症状志愿者是否存在差异。采用独立成分分析方法(Independent component analysis，ICA)提取默认网络，并进行两组间比较探索夜磨牙患者是否存在默认网络的异常，期望为夜磨牙的发病机制提供新的理论依据。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1.1 设计横断面研究。
1.2 时间及地点 2018年11月至2019年5月在天津医科大学脑功能实验室完成。
1.3 对象根据美国睡眠障碍学会(Americansleepdisor-dersassociation，ASDA)建议的磨牙症临床诊断标准[14]，进行招募信息筛选，通过多导睡眠监测及睡眠录音，招募夜磨牙组20例，另招募无症状志愿者20例为对照组。两组受试者年龄、性别、受教育年限相匹配。该研究经天津医科大学口腔医院伦理委员会批准(编号：TMUhMEC2018110)，所有受试者签署知情同意书。
夜磨牙组基本信息：男4例，女16例，年龄为(25.2±2.0)岁，受教育年限为(17.4±2.6)年。
对照组基本信息：男5例，女15例，年龄为(26.2±2.2)岁，受教育年限为(18.4±1.2)年。
夜磨牙组患者纳入标准：①自述或被同居人表述有夜磨牙症状，磨牙时间≥6个月，磨牙频率≥3 d/周；②多导睡眠监测以及夜间睡眠录音，符合夜磨牙诊断标准且未曾戴用牙合垫。
对照组受试者纳入标准：①自述及同居者表述无夜磨牙史；②未有与年龄不匹配的不正常磨耗。
所有受试者共同纳入标准：①右利手；②年龄20-35岁；③缺牙数< 2颗(第三磨牙除外)；④第一磨牙关系为Ⅰ类咬合。
所有受试者共同排除标准：①诊断患其他精神障碍；②目前或既往患有严重躯体疾病、神经系统疾病或脑外伤；③曾服用任何精神药物(包括安眠药等)；④有明显颞下颌关节紊乱病；⑤严重的错牙合畸形以及正接受正畸等口腔治疗，覆牙合覆盖异常；⑥使用40 μm咬合纸检测在牙尖交错位，前伸侧方牙合发现有咬合干扰；⑦有不良咀嚼习惯及不正常牙齿磨耗；⑧体内有金属植入物。
1.4 方法
1.4.1 夜磨牙的诊断检查对夜磨牙组受试者行多导睡眠监测及夜间睡眠录音。在天津医科大学总医院呼吸与睡眠监测中心使用美国飞利浦公司多导睡眠监测仪(Philips-Alice 6)进行监测，对每位受试者行一夜(23：00-07：00)睡眠监测，包括6种脑电图(C3，C4，F3，F4，O1，O2)、双侧心电图，手指脉搏血氧计连续监测血氧并且在咬肌及颞肌监测6个电位肌电图(双侧颞肌、双侧咬肌、双侧下颌肌)及夜间睡眠录音。使用采集分析软件Alice Sleepware 2.8记录所有数据。
夜磨牙诊断标准依据如下：美国睡眠医学学会对多导睡眠监测诊断夜磨牙的金标准为每晚至少有30次节律性咀嚼肌运动(rhythmic masticatory muscle activity，RMMA)，和/或每小时至少4次节律性咀嚼肌运动，每次节律性咀嚼肌运动至少6次肌电图(Electromyogram，EMG)发作，和/或肌电图发作至少25次/h，以及至少2次伴有研磨声的节律性咀嚼肌运动发作[14]。
1.4.2 心理测试评估对40名受试者进行状态-特质焦虑问卷(State-Trait Anxiety Inventory，STAI)及心理测试问卷包括症状自评量表(Symptom Checklist 90，SCL-90)问卷调查，STAI焦虑状态习性调查表包括状态焦虑分量表STAI-1及特质焦虑分量表STAI-2。症状自评量表包括躯体化、强迫症状、人际关系敏感、抑郁、焦虑、敌对、恐怖、偏执、精神病性和其他等10个分量表。
1.4.3 MRI检查在天津医科大学总医院采用德国西门子3.0 T磁共振成像系统(MAGNETOM Prisma)，64通道相位阵列头颈线圈，多层面同步采集技术。静息态功能磁共振成像扫描采用梯度回波-回波平面成像序列，重复时间/回波时间为800 ms/30 ms，矩阵104×104，视野208 mm×208 mm，翻转角56°，层厚2 mm。3D T1结构像扫描采用磁化准备快速梯度回波序列(MPRAGE)，重复时间/回波时间为2 000 ms/2.32 ms，矩阵256×256，视野230 mm×230 mm，翻转角8°，层厚 0.89 mm。扫描时用配套的泡沫垫固定受试者头部，所有受试者均佩戴耳塞减少噪声干扰，并嘱受试者扫描时保持身体静止不动，自然放松，牙齿不接触，尽量减少口腔运动如吞咽等，双眼睁开注视屏幕中央“＋”字，保持清醒，不思考特定的事情。
数据采集时间均为20：00-23：00，数据收集过程两组受试者一一配对进行采集。
1.4.4 数据预处理通过静息态功能磁共振成像数据处理助手DPARSFA(Data Processing Assistant For Resting-State fMRI Advanced Edition；http://rfmri.org/DPABI )软件包进行预处理。先将DICOM(医疗数位影像传输协定)格式数据源转换为NIFTI(神经影像技术方案)格式。
预处理步骤如下：①去除前10个时间点数据，在MRI扫描初始阶段，考虑磁化矢量不稳定及受试不适应等影响，去掉前10个时间点数据；②头动校正。不同图像对齐，所有受试者在X，Y，Z任一坐标轴方向头动平移小于2 mm且围绕任一坐标轴方向旋转小于2°；③空间标准化。借助T1像将功能数据标准化至MNI空间，以便进行组水平统计分析；④空间平滑。对数据采用8 mm×8 mm ×8 mm全宽半高的高斯平滑核进行空间平滑提高信噪比并减少配准误差。
1.4.5 独立成分分析采用盲源分析软件GIFT(group ICA of fMRI toolbox. http://icatb.sourceforge.net) 对预处理后的静息态功能磁共振成像数据进行独立成分分析。由GIFT自行估计成分数，应用infomax算法，重复100次运算，并将结果转换为Z值。通过Display GUI模块显示被试者的所有成分，提取默认网络成分进行后续分析。每一空间成分图各体素的取值代表了该成分网络内的功能连接值。
1.5 主要观察指标对默认网络成分内的功能连接值进行分析。
1.6 统计学分析对两组受试者心理测试量表评分使用SPSS 24.0进行双样本t检验比较组间差异。对提取的默认网络成分使用SPM12 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)进行统计学分析。由于在独立成分分析中，所得成分图中每个体素的值表示该体素的时间序列与该网络成分相应的时间成分的相似性，因此被认为代表了该体素的网络内功能连接。首先对夜磨牙组及对照组提取的默认网络成分分别进行单侧单样本t检验提取功能连接显著不为0的体素， P < 0.05为差异有显著性意义。然后将两组单样本t检验结果取并集制作模板(mask)。在mask内进行双样本t检验分析组间差异(AlphaSim校正，校正后P < 0.05，团块定义阈值P < 0.001)。

讨论

夜磨牙是在睡眠状态下发生的口腔副功能。目前，众多对夜磨牙与精神心理的研究推断夜磨牙与情绪心理因素有关。
夜磨牙多被认为与情绪焦虑等有关[15]，KARA等[16]对65名受试者行STAI量表评分以评估焦虑症状，夜磨牙患者较对照组得分更高(P < 0.05)。AZEVEDO等[17]对30名受试者行STAI-1与STAI-2问卷调查，结果显示STAI评分在夜磨牙组与对照组中有显著差异，其中夜磨牙组得分更高。该试验对两组受试者进行了STAI量表及SCL-90量表评估，夜磨牙组STAI平均分高于对照组，但差异无显著性意义(P > 0.05)，这可能与对照组大多为在校大学生，压力较大更易焦虑，且受试者数量较少有关。
大脑作为神经系统中情绪处理通路的最高级部分，该试验试图找到夜磨牙与大脑功能之间的联系。YILMAZ[18]要求受试者模拟磨牙运动行任务态功能磁共振成像检查，与对照组比较，夜磨牙组运动皮质和皮质下区域激活降低，猜测这可能与夜磨牙患者的本体感觉降低有关。此外，一项对非人类灵长类动物的研究表明，皮质球通路的兴奋性在睡眠时降低[19]，据此推测夜磨牙患者在发生磨牙活动时皮质激活会降低。KERVANCIOGLU等[20]通过脑磁图研究夜磨牙组与对照组紧咬牙与咀嚼运动时的差异，却发现夜磨牙组初级运动皮质的激活较对照组高，他们认为观察到的运动皮质增强可能与咀嚼肌及舌的运动有关。
以上研究均为任务态功能磁共振成像，为更好地了解口腔功能活动与脑区激活之间的关系奠定了基础。在试验过程中为避免受到咀嚼肌及舌运动的影响，该试验选择了目前广泛使用的静息态功能磁共振成像，并选择静息态脑网络中最重要和最典型的默认网络作为研究对象。
默认网络是目前静息态功能磁共振成像研究中最为深入且非常重要的一个脑网络。在情绪调节和睡眠剥夺中都有参与。默认网络与情绪、认知的处理和整合有关[21]。研究发现默认网络异常在抑郁症患者的情绪调节障碍方面发挥重要作用[22]。在关于脑卒中后抑郁和焦虑的研究中，发现精神疾病与默认网络和其他脑网络的功能连接障碍有关[23]。在睡眠剥夺的人群中，默认网络的功能连接降低，认知功能下降[24]。一项对青少年睡眠与默认网络的功能磁共振成像试验中发现，睡眠紊乱和睡眠剥夺与默认网络功能连接降低有着密不可分的关系，反映了脑网络内部信息传递效率的改变，猜测睡眠紊乱会通过大脑信息连接性的改变影响神经认知功能[25]。
该试验采用独立成分分析方法提取了默认网络对受试者静息态脑功能状态进行研究，发现夜磨牙组在默认网络内功能连接与对照组有显著差异，并在楔前叶区域功能连接下降。
楔前叶是大脑默认网络的一个关键区域，通过对心理及情景记忆的处理来唤起自身对记忆的回想。有文献认为默认网络与自我思考有关，对心理意识的产生和记忆发挥作用，楔前叶后部与有意识地进行短期的情景记忆检索有关[26]。在睡眠时，楔前叶的活动与其他大脑区域相比，活动性显著降低[27-29]。同时，睡眠不足会降低人的认知功能，研究发现睡眠剥夺人群楔前叶部分功能连接降低，说明睡眠不足会损害个体的潜意识思维处理过程[30]。该试验发现夜磨牙组与对照组相比在楔前叶部分有更低的功能连接，楔前叶与默认网络联系紧密度下降提示网络内信息传递效率的降低，这可能与磨牙活动有关。因此，默认网络内功能连接异常可能与夜磨牙患者认知与情绪处理功能缺陷有联系，反映了夜磨牙患者对情绪的敏感性，提示可能与夜磨牙潜在的中枢机制有关。
结论：该试验选取默认网络作为研究对象，发现楔前叶部分功能连接降低，信息传递效率降低，提示夜磨牙与默认网络楔前叶有关，然而该研究是横断面研究，不能明确夜磨牙与脑网络的因果关系。因此，未来需要进行长期的纵向研究明确夜磨牙的中枢神经机制。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

静息态脑功能成像评价夜磨牙者的大脑默认网络

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