研究背景

步态异常是PD常见的运动症状之一，它可以在疾病的早期甚至临床前期就出现，并随着疾病的进展逐渐加重。这种异常步态严重影响患者的独立生活能力，而且即使使用多巴胺替代药物治疗，也不能很好地缓解症状。因此，仍然需要从多个角度探索PD步态异常相关的脑内机制，以完善其治疗方法。

正常步态调控涉及的控制系统非常复杂。在进行步态调整时，为了有效应对真实世界中的复杂环境，运动的计划、发起、执行必须与外界的认知、情感和感觉信息进行整合。这一过程涉及大脑内多个功能网络之间的有效沟通。因此，异常功能网络连接模式很可能是导致步态异常发生的原因。

在本研究中，通过结合机器学习方法，在PD患者中识别步态相关功能连接组，以明确PD步态异常相关脑网络机制。考虑到神经递质是神经元间实现信息传递的关键分子，我们借助神经递质受体/转运体密度分布图谱，寻找密度分布与所构建连接组模式相关的神经递质，以此明确PD步态异常所涉及脑内功能改变相关的分子基础。

研究方法

本研究共纳入78位PD患者（48位未服药患者，30位服药中患者）。根据10米步行测试时间评估步态，同时采集Rs-fMRI数据用于构建功能连接矩阵。采用基于功能连接组预测模型构建法（CPM）和留一交叉验证法在首诊未服药患者中构建步态相关功能连接组，并在服药中患者中进行验证（图1）。用于构建连接组的功能连接根据其强度与功能连接的相关系数，分别归为负相关（r<0）和正相关（r>0）功能连接，并依照所属节点位置分别归为7个功能网络，进一步分析网络内、网络间功能连接模式与PD步态的关系。同时纳入33位对照，比较PD与对照组步态相关功能连接组连接模式，探索PD病理对正常步态调节机制的影响。

图1：在PD患者中构建步态相关功能连接组

连接组与神经递质受体/转运体密度分布图谱空间相关性通过计算节点重要性与其对应位置受体/转运体平均摄取值的相关系数来进行评估。连接组节点重要性通过计算该节点所发出功能连接在交叉折叠验证过程中被选中频率的总和得到，被选中频率越高说明节点重要性越高，每个节点的重要性在正、负相关连接组中均进行计算。平均摄取值通过计算神经递质受体/转运体密度分布图谱中该节点对应位置所包含体素摄取密度的平均值得到，密度越高说明受体/转运体分布越密集。

研究结果

由功能连接组所得到的预测步行时间与真实步行时间显著相关（r=0.309，ppermu=0.044，图2A）。该连接组在服药中患者中也得到验证（r=0.381，p=0.038，图2B），且相关性在控制病程、左旋多巴等效每日剂量后仍存在（r=0.449，p=0.016）。连接组由101条功能连接构成，包括54条正相关功能连接和47条负相关功能连接（图2C）。

图2: PD步态相关功能连接组构建与评估结果

“缺损”功能连接组结果提示（表1），在剔除运动网络、视觉网络和皮层下网络后，功能连接组不能够预测未服药或服药中患者步行时间。提示上述三个网络在PD步态调控中起到重要作用。

表1: 基于“缺损”功能连接组预测PD患者步行时间

由PD患者所构建的步态相关功能连接组未能成功预测正常对照步行时间（r=0.240，p=0.178）。通过相同方法我们进一步在正常对照组中构建功能连接组，并成功预测步行时间（r=0.501,ppermu=0.004）。该功能连接组与PD步态相关功能连接组间仅有2条负相关功能连接重合，证实PD病理引起步态相关脑内机制的大范围重构。

与正常对照相比，PD步态相关功能连接组负相关连接数目较对照组步态相关功能连接组减少（PD vs. 对照组=47 vs. 128，图3A）；而正相关功能连接数目增加（PD vs. 对照组=54 vs. 36，图3A）。图3B显示两个功能连接组网络内、网络间正、负相关功能连接的差值，与对照组步态相关功能连接组相比，PD步态相关功能连接组非运动网络间连接多以正相关连接为主；运动网络与非运动网络间仍以负相关连接为主，但与部分非运动网络间连接消失。

图3：步态相关功能连接组比较

节点重要性与神经递质受体/转运体密度分布图谱空间相关性如图4所示，结果显示节点在负相关连接组的重要性与多巴胺受体及乙酰胆碱转运体密度显著相关（D2：r=0.237，p<0.001；VAChT：r=0.217，p<0.001），相关性均通过空间置换检验（ppermu=0.0005）。未发现节点在正相关连接组的重要性与11种神经递质受体/转运体密度分布图谱相关。

图4: 空间相关性分析方法及结果

研究结论

通过构建PD步态相关功能连接组，我们证实了运动网络、视觉相关网络和皮层下网络功能紊乱在PD步态调控异常中起到重要作用，步态异常的发生与相关调控网络连接重构有关，相关脑内功能损伤涉及多巴胺能和胆碱能神经递质系统。