慢性頸肩痛患者腦動態功能網絡狀態轉換異常的特征與機制研究

《Scientific Reports》:Altered brain dynamics in chronic neck and shoulder pain revealed by hidden Markov model

【字體: 時間:2025年05月24日 來源:Scientific Reports 3.8

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  針對慢性頸肩痛(CNSP)中樞機制不清的問題,研究人員采用隱馬爾可夫模型(HMM)分析靜息態功能磁共振(rs-fMRI)數據,首次揭示CNSP患者存在5種特征性腦功能狀態,其狀態占據率(FO)、平均駐留時間(ALT)及轉換概率顯著異常,為個體化神經調控提供了新靶點。

  

慢性頸肩痛(CNSP)作為頸椎病最常見的臨床癥狀,全球年患病率高達37.2%,不僅嚴重影響患者生活質量,更造成每年1345億美元的醫療負擔,F有鎮痛治療存在胃腸不適、藥物依賴等副作用,而非侵入性神經調控技術雖展現潛力,卻因中樞機制不明而療效受限。傳統神經影像學研究多采用靜態功能連接分析,無法捕捉腦活動的快速波動——這恰是疼痛體驗非線性特征的關鍵。

為解決這一難題,川北醫學院附屬醫院放射科邱志強1,4、劉天慈1,4等團隊在《Scientific Reports》發表研究,首次運用隱馬爾可夫模型(HMM)解碼CNSP患者的腦動態特征。該技術突破傳統滑動窗口法的局限,通過自適應識別116個腦區的多變量時間序列,將腦活動建模為隱藏狀態的概率轉換過程。研究納入32例CNSP患者與32名健康對照(HCs),采集3.0T Siemens MAGNETOM Skyra的rs-fMRI數據,經CONN工具箱預處理后,通過HMM-MAR算法識別最優腦狀態數,最終確定5種特征狀態:狀態1(SN-FPN-皮層下網絡高連接,背外側前額葉皮層(DLPFC)高活動)、狀態2(感覺運動網絡(SMN)-SN高連接)、狀態3(全腦高連接低活動)、狀態4(視覺網絡(VN)優勢)和狀態5(全腦低連接)。

Fractional occupancy分析顯示,CNSP患者在狀態1(疼痛自我調控)和狀態2(疼痛感知)的FO顯著增高(P<0.05),而HCs在狀態3(放松狀態)的FO更高(P<0.001)。Averaged lifetime揭示患者狀態1/2的ALT延長(P<0.05),狀態3ALT縮短,提示患者更持久處于疼痛處理狀態。Switching rate表明患者狀態轉換更頻繁(P=0.045),反映疼痛體驗的動態波動。Transition probability圖譜顯示,患者傾向于從其他狀態轉向狀態1/2(最高概率:狀態2→狀態1=0.5),而HCs多轉向狀態3(狀態1→狀態3=0.55)。

相關性分析發現,狀態2的FO與疼痛強度(VAS)正相關(r=0.431),狀態3的FO/ALT與焦慮(SAS)、抑郁(SDS)負相關(r<-0.435),狀態1的FO/ALT與抑郁正相關(r>0.453),提示不同腦狀態與臨床癥狀存在特異性關聯。

討論部分指出,DLPFC的高活動可能反映患者通過認知控制抑制疼痛,而SN-SMN的功能耦合增強暗示疼痛感知-評估的神經整合。狀態3的減少則表明患者難以進入放松狀態,這與其情緒障礙相互印證。該研究首次建立CNSP的HMM狀態轉換模型,為精準神經調控提供新靶向——例如通過rTMS增強DLPFC活動或調控SN-SMN耦合。

局限性包括缺乏疼痛波動的實時驗證,以及樣本排除重度疼痛患者可能引入偏倚。未來需通過縱向研究驗證狀態特征的治療預測價值。這項開創性工作為理解慢性疼痛的神經振蕩機制提供了全新框架,標志著動態腦網絡研究向臨床轉化邁出關鍵一步。

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