[论文解读] White matter deficits underlie the loss of consciousness level and predict recovery outcome in disorders of consciousness

Xuehai Wu, Jiaying Zhang+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2016

Traumatic Brain Injury Research参考文献 32被引用 6

一句话总结

本研究利用弥散张量成像（DTI）识别意识障碍（DOC）患者白质（WM）异常，发现分数各向异性（FA）降低和扩散率增加与意识水平受损相关。结果表明，左侧上小脑脚的径向扩散率和右侧纵隔束的FA分别以87.5%和75%的准确率预测恢复情况。

ABSTRACT

This study aimed to identify white matter (WM) deficits underlying the loss of consciousness in disorder of consciousness (DOC) patients using Diffusion Tensor Imaging (DTI) and to demonstrate the potential value of DTI parameters in predicting recovery outcomes of DOC patients. With 30 DOC patients (8 comatose, 8 unresponsive wakefulness syndrome/vegetative state, and 14 minimal conscious state) and 25 patient controls, we performed group comparison of DTI parameters across 48 core WM regions of interest (ROIs) using Analysis of Covariance. Compared with controls, DOC patients had decreased Fractional anisotropy (FA) and increased diffusivities in widespread WM area.The corresponding DTI parameters of those WM deficits in DOC patients significantly correlated with the consciousness level evaluated by Coma Recovery Scale Revised (CRS-R) and Glasgow Coma Scale (GCS). As for predicting the recovery outcomes (i.e., regaining consciousness or not, grouped by their Glasgow Outcome Scale more than 2 or not) at 3 months post scan, radial diffusivity of left superior cerebellar peduncle and FA of right sagittal stratum reached an accuracy of 87.5% and 75% respectively. Our findings showed multiple WM deficits underlying the loss of consciousness level, and demonstrated the potential value of these WM areas in predicting the recovery outcomes of DOC patients who have lost awareness of the environment and themselves.

研究动机与目标

• 识别与意识障碍（DOC）患者意识受损相关的白质（WM）缺陷。
• 探讨DTI衍生的WM参数与意识水平临床评估指标之间的关系。
• 评估WM完整性对DOC患者3个月恢复结局的预测价值。
• 使用标准化神经影像学指标，比较DOC患者与健康患者对照组的WM异常情况。

提出的方法

• 对30名DOC患者和25名患者对照组的48个白质感兴趣区域（ROIs）进行DTI参数组间比较。
• 应用协方差分析（ANCOVA）评估分数各向异性（FA）、平均扩散率（MD）、轴向扩散率（AD）和径向扩散率（RD）的差异。
• 将DTI参数与临床量表（昏迷恢复量表-修订版（CRS-R）和格拉斯哥昏迷量表（GCS））进行相关性分析。
• 使用受试者工作特征（ROC）分析评估WM指标对3个月恢复结局的预测准确性。
• 根据格拉斯哥结局量表（GOS）评分对恢复结局进行分类（GOS > 2 与 ≤2）。
• 聚焦特定白质纤维束，包括左侧上小脑脚和右侧纵隔束，进行预测建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 与对照组相比，意识障碍（DOC）患者中哪些白质区域表现出显著的微结构异常？
• RQ2 DTI参数（FA、MD、AD、RD）与意识水平临床评估指标（CRS-R和GCS）之间存在何种相关性？
• RQ3 特定的白质完整性指标能否预测DOC患者在扫描后3个月内恢复意识？
• RQ4 哪些WM纤维束在DOC患者中对恢复结局表现出最高的预测准确度？

主要发现

• 与对照组相比，DOC患者在广泛白质区域表现出显著降低的分数各向异性（FA）和升高的扩散率（MD、AD、RD）。
• 受影响白质区域的DTI参数与CRS-R和GCS评分呈显著负相关，表明微结构破坏越严重，意识水平越低。
• 左侧上小脑脚的径向扩散率在3个月随访中以87.5%的准确率预测恢复结局。
• 右侧纵隔束的分数各向异性（FA）以75%的准确率预测恢复结局。
• 关键纤维束中WM完整性指标的组合，尤其是小脑脚和联合纤维，显示出对临床恢复的强大预测潜力。
• 这些发现表明，白质微结构破坏是DOC患者意识受损的核心生物学基础，可能作为预后生物标志物。