【醉翁之艺】心脏瓣膜置换术暂时性破坏海马记忆网络

1.背景

记忆力下降在瓣膜置换术后很常见，患者在心脏直视手术后可能会出现持续的认知问题。海马损伤被认为是一种可能的潜在机制。在小鼠中，手术创伤和应激触发全身炎症反应，导致外周炎性细胞沿着炎性细胞因子大量浸润到中枢神经系统，随后进一步诱导神经炎症。海马是参与记忆和学习的关键脑区之一，对内部环境变化表现出高度敏感性。过度炎症可能导致海马神经元兴奋性改变或损伤，直接影响海马功能，特别是记忆形成和储存功能。

来自临床研究的经验证据表明，在经历术后认知功能障碍的个体中，海马体积明显减小，该减小对应于观察到的认知能力下降。我们最近的工作揭示了重复经颅磁刺激（rTMS）应用于海马-关联网络在增强轻度遗忘性认知障碍受试者的情景记忆方面显示出潜力。海马神经元的早期扰动网络功能构成了患病个体认知障碍的基础神经认知基质。因此，必须建立一个准确客观的参考标准，用于在神经网络水平评价亚临床海马损伤，因为这将有助于更深入地理解瓣膜手术后记忆力下降的基础病理学，从而提高诊断的灵敏度和特异性。静息态功能性磁共振成像（rs-fMRI）是一种基于血氧水平依赖性（BOLD）对比的无创神经成像技术，是研究大脑网络和功能连接（FC）的一种有效工具。在初步研究中，在接受非心脏手术的老年人中，FC网络的围手术期变化与执行功能的损害显著相关。这些发现强调了FC网络的重要性。围手术期干扰在脑网络连接中的作用及其对非心脏手术人群术后认知功能下降的潜在影响在心脏手术的背景下，先前的研究表明，默认模式网络（DMN）特定区域的FC改变与心脏手术后6周的整体认知评估呈正相关。还有报告称，心肺转流（CPB）下心脏手术引起的全身炎症会引发背外侧前额皮质连接和执行功能受损。然而，目前尚不清楚瓣膜置换术后记忆力下降是否与全身炎症后海马功能网络受损相关。我们假设瓣膜置换术会引发炎症、海马记忆网络的破坏和记忆力下降。我们进一步假设，炎症增加与海马记忆网络中记忆功能恶化和FC降低显著相关。为了探索这些假设，本研究旨在研究心脏瓣膜置换术前和术后第7天和第30天炎症、海马功能网络和记忆之间的关系。

2.方法

2.1研究人群

共筛选了43名接受瓣膜置换术的患者（VR组）进行招募（补充图S1），还通过社区广告、口碑和医疗保健专业人员的转诊招募了30名健康志愿者（对照组），这些志愿者与患者人群的人口统计学特征相匹配。纳入了2021年5月至2022年12月期间在CPB下接受瓣膜置换术（包括二尖瓣置换术、主动脉瓣置换术以及二尖瓣和主动脉瓣联合置换术）且无生命功能障碍的18岁至75岁右利手患者。排除标准是患有药物、酒精或烟草成瘾、左撇子、中枢神经系统疾病或精神障碍、已知诱发脑病的慢性医学疾病、头部创伤或颅脑手术史、低于六年级教育、基线简易精神状态检查（MMSE）评分、或流行病学研究中心抑郁量表（CES-D）评分。其他排除标准包括严重的视觉或沟通障碍，或禁忌磁共振扫描。

2.2围手术期处理

根据常规实践，在全身麻醉和CPB下进行手术。麻醉诱导采用咪达唑仑（0.05mg/kg）、丙泊酚（1 -2 mg/kg）、罗库溴铵（1 mg/kg）舒芬太尼（0.5 - 1.5ug/kg））。麻醉维持包括七氟烷（1-2%）、丙泊酚输注（4 -6 mg/kg^h），瑞芬太尼输注15 -20 mg/kg^h。舒芬太尼的给药速率为0.3 ± 0.5 mg/kg^h、罗库溴铵0.5-1mg/kg^h，右美托咪定0.2 ± 0.5 mg/kg^h。中度低温（核心温度32s摄氏度）体外循环诱导。采用间断顺行冷血停搏液进行心肌保护。泵流量为2.2-2.4 L/min^h用于维持灌注，目标平均动脉压在6.7-10.7 kPa之间。红细胞压积保持在0.21或更高。使用肝素以获得>480 s的旁路目标活化凝血时间。.按照常规实践，以1：1的比例给予硫酸鱼精蛋白，以逆转肝素的作用。患者入住心血管护室（CCU）接受进一步治疗。

2.3神经功能评估

从术后第1-5天开始，经过培训的人员使用重症监护室（CAM-ICU）混乱评估方法工具每天两次（08：00-10：00和20：00-22：00）评估患者的谵妄。在进行CAM-ICU评估前，使用里士满激动镇静量表（RASS）评估镇静和激动水平。采用华山版听觉言语学习测验评估患者术前、术后第7天和第30天的记忆表现。在相同的时间点对对照组进行相同的神经心理学测试。听觉言语学习测验包括即刻回忆（AVLT-IR）、5分钟延迟回忆（AVLT-DR-5 min）和20分钟延迟回忆（AVLT-DR-20 min）。所有试验均由同一研究人员以盲态方式以标准化方式进行。

2.4血液生物标志物测定

在手术前和手术后第7天和第30天采集每个患者的血液样品。健康对照组的血样仅采集一次。测量血清中的白细胞介素-1b（IL 1b）和白细胞介素-6（IL-6），肿瘤坏死因子-α（TNF-α）,以及血清C反应蛋白（CRP）水平。

2.5 fMRI协议、数据采集和预处理

所有MRI数据均使用GE SIGNA Premier 3.0T扫描仪（美国伊利诺斯州芝加哥GE Healthcare）采集。MRI检查包括高分辨率3D T1加权成像和BOLD-MRI。获得T1加权图像作为额外功能性神经图像的模板，以促进配准。序列参数如下：重复时间（TR）=2498 ms，回波时间（TE）=3 ms，视野（FOV）=256 mm256 mm，翻转角（FA）=8，厚度=1 mm，间隙¼0.5 mm，采集矩阵=256^256，激励数（NEX）=1，带宽=31.25 Hz。所有的脑数据都是在轴向平面上采集的，产生了192个连续的切片，所采集的体素大小为111 mm³的厚度。使用梯度回波平面成像进行BOLD-MRI，参数如下：TR=2000 ms，TE=30 ms，切片数量=42，厚度¼=.5 mm，间隙=3.5 mm，基质=74^74，FA=90，视野=128 mm^128 mm，体素尺寸=1.7^1.7^3.5 mm ³的体积。详细的fMRI图像处理可参见补充材料。我们之前发表的研究中提供了相应的图像处理步骤，并在补充方法中进行了总结。各组之间的颅内总容积（TIV）和平均帧向位移（FD）没有发现差异（补充图S2和S3）的连接。

2.6 海马功能连接分析

对于每个个体，提取左侧海马内所有体素的平均时间过程作为参考时间过程。然后，在种子海马区域内的所有体素的平均时间过程与组特异性灰质（GM）掩模内的整个大脑的其余部分中的每个体素之间进行逐体素交叉相关分析。最后，为了提高相关系数的正态性，进行了Fisher z变换分析。

2.7 数据分析

2.7.1 患者特征和神经心理学数据

连续变量的数据分布采用ShapiroeWilk检验。如果呈正态分布，数据以平均值（标准差）表示，否则以中位数（四分位距）表示。分类变量以频率或百分比表示。如果连续变量呈正态分布，则采用单因素ANOVA进行分析，然后酌情采用NewmaneKeul事后检验或非配对t检验;否则，采用ManneWhitney检验。适当时，使用c2或Fisher精确检验比较分类变量。

2.7.2 海马功能网络连接的比较

首先，我们对对照组进行单样本t检验，以获得对照组的GM面具。其次，使用一般线性模型分析，我们评估了对照组、VR组在基线时以及在控制年龄、性别、教育程度、TIV和平均FD后的第7天和第30天随访时GM面罩内海马FC的差异。使用自由簇增强（TFCE）阈值结合错误发现率（FDR）校正（P<0.005）和 簇大小阈值>2700 mm³来确定统计学显著性。随后，基于海马FC上的两组差异的脑区域制作掩模。这些掩码用于两组之间的事后分析。根据AAL 3v 1图谱中的感兴趣区域，提供并定义了具有TFCE-家族误差（FWE）校正的重要体素数30（810 mm ³）的区域手术破坏记忆网络。

2.7.3海马FC改变、炎症、左心室射血分数和记忆能力之间的关系

通过AVLT评分评估的记忆性能和炎性细胞因子浓度标准化为Z评分以进行比较分析。这种标准化包括从每个分数中减去平均值，然后除以标准差。补充材料中详细介绍了SEM中使用的模型和方程。

3.结果

在43名接受筛查的患者中，4名自愿退出研究，4名因图像质量欠佳或头部过度运动（累积平移或旋转> 3.0 mm或3.0 mm）而被排除).由于头部过度运动，一名健康对照也被排除在外。最终分析并报告了来自35名参与者和29名健康对照的数据（表1）。34名参与者，25名参与者在术后30天参与随访。缺席的原因包括缺乏兴趣和头部过度运动（补充图S1）。两组之间的基线特征（年龄、性别、教育水平和BMI）、认知功能和炎症水平无显著差异（表1）。VR组的参与者LVEF低于对照组。此外，8名RASS评分为-3或以上（对言语刺激有反应）且CAM-ICU阳性的参与者被归类为谵妄，而所有人都在手术后5天内完全恢复。由于过度的头部运动，从一个谵妄参与者的fMRI数据被排除在进一步的分析。列出了28例非谵妄和7例谵妄受试者的基线和手术特征（补充表S1）。

图1.比较对照组、VR组基线时、VR组术后第7天、VR组术后第30天的记忆功能和炎性细胞因子（CRP、IL-1b、IL-6和TNF-α）。(a)在基线和术后，对照组和VR组之间的AVLT-IR评分无统计学差异。(b)AVLT-DR-5 min评分两组间差异无统计学意义。(c)术后第7天，VR组AVLT-DR-20 min评分较对照组明显下降。但在第30天随访时，该评分恢复至基线水平。(d)VR组术后第7天CRP浓度升高，随后在随访第30天下降。(e)在VR组中，血清IL-1b浓度在心脏手术后第7天显著升高，并在随访第30天恢复至基线水平。(f)在VR组中，IL-6的浓度在第7天显著升高，并在随访的第30天恢复。(g)与对照组比较，治疗组TNF-α水平恢复正常。AVLT-IR，听觉语言学习试验即刻回忆; AVLT-DR-5 min，听觉语言学习试验5分钟延迟回忆; AVLT-DR-20 min，听觉语言学习试验20分钟延迟回忆; CRP，C反应蛋白; IL，白细胞介素; TNF，肿瘤坏死因子; VR，瓣膜置换术。

图2对照组（a）、VR组基线时（B）、VR组心脏手术后第7天（c）和VR组第30天随访时（d）的海马FC模式。使用TFCE-FWE校正的P <0.001 and cluster extent k>100体素（2700 mm 3）显示单样本t检验的结果。VR，瓣膜置换术; FC，功能连通性; TFCE，无阈值簇增强; FWE，家族性错误。

对照组和VR组之间的神经心理学测量和炎性细胞因子浓度的比较

两组在各时间点的AVLT-IR和AVLT-DR-5 min评分差异均无统计学意义。术后第7天，与对照组相比，VR组AVLT-DR 20 min评分明显降低（P<0.01）。然而，在第30天随访时，该评分几乎恢复至基线水平（图1aec）。基线神经认知数据，包括除记忆外的各种认知领域的评估，纳入补充表S2。如图1deg所示，基线时VR组的血浆CRP、IL-1b、IL-6和TNF-α浓度与对照组相比无统计学差异。瓣膜置换术后第7天，VR组的这些指标与对照组相比显著增加（P<0.001）。然而，这些标记物在第30天随访时恢复至基线值。

海马功能网络连接性的比较

如图2所示，在基线和瓣膜置换手术后第7天和第30天，在对照组和VR组之间发现了不同的海马FC模式。对照组、手术组在基线、瓣膜置换术后7天、随访30天的海马FC均有显著性差异（补充图S4）。与对照组相比，术前患者海马与双侧楔前叶、右侧扣带回中部和扣带回旁的FC增加。（图3a;补充表S3），VR组在瓣膜置换术后第7天显示海马与双侧中央前回、右侧额上背外侧回、双侧中央后回和双侧中央旁小叶之间的FC降低，右侧颞中回的FC增加（图3b）。与基线相比，瓣膜置换术后第7天VR组海马功能网络明显破坏，主要表现为右侧辅助运动区、双侧中央前回、双侧扣带回、扣带回旁回、右侧额上背外侧回、双侧中央后回、左侧顶上回、左侧顶下回、双侧楔前叶、和双侧中央旁小叶（图3c）。特别重要的是，在30天随访时，VR组恢复了瓣膜置换术前增加的FC和瓣膜置换术后降低的FC，与对照组无显著差异（图3d）。所有结果均以P 30体素（810 mm³）为阈值，对照年龄、性别、教育、TIV和FD<0.05 using TFCE-FWE correction with cluster size >。补充材料提供了谵妄和非谵妄患者之间以及两组手术前后海马功能网络连接性的详细对比分析（补充表S4 -S6;补充图S5 -S 7）中所示的值。对谵妄患者与非谵妄患者进行比较的探索性分析未发现TFCE矫正的连接性变化。

图3.对照组（a）、基线时VR组（B）、心脏手术后第7天VR组（c）和第30天随访时VR组（d）之间海马FC的比较。所有结果均以P 30体素（810 mm ³）为阈值，对照年龄、性别、教育程度、TIV和FD<0.05 using TFCE-FWE correction with cluster size >。VR，瓣膜置换术; FC，功能连接; TIV，颅内总体积; FD，逐帧位移; TFCE，无阈值簇状增强; FWE，系列误差。

海马功能连接改变、记忆、LVEF和炎性细胞因子之间的关系

在瓣膜置换术后7天，在对照组和VR组中评估改变的海马FC、记忆和炎性细胞因子之间的关系。此外，在术后7天和30天随访时，在VR组中研究了这些相关性。对这些关系的详细了解见补充表S7至S10。

我们的分析显示，对照组和瓣膜置换术后第7天患者中，炎性细胞因子Z评分升高与海马FC值降低相关（图4a，r=-0.325，P=0.009），表明弱负相关。此外，较高的炎性细胞因子Z评分与较低的AVLT Z评分相关（图4 b，r=-0.377，P=0.002），反映了弱至中度的相关性。在VR组中，这种关系在第7天和第30天的随访中是一致的（图4c和4d，r =-0.444，P<0.001; r =-0.289，P =0.026），前者表示中度负相关，后者表示弱负相关。

如图5aef所示，炎性细胞因子Z评分与左中央旁小叶和左海马之间的FC值呈负相关（r=-0.407，P<0.001），表明中度负相关，与AVLT Z评分呈负相关（r=-0.291，P/4 e 0.021），表明术后7天对照和患者之间呈弱负相关。在VR组中，术后第7天和第30天，炎性细胞因子Z评分与左侧楔前叶和左侧海马之间的FC值呈负相关（r =-0.420，P<0.001），表明中度负相关，与AVLT Z评分呈负相关（r =-0.275，P =0.035），反映弱负相关。相反，左侧楔前叶和左侧海马之间的FC值与AVLT Z评分呈正相关（r =0.298，P =0.022），表明弱正相关。

由于LVEF与记忆、炎症和平均海马FC之间不存在显著相关性（补充图S8），因此将LVEF从SEM中排除。我们观察到海马FC部分介导炎症和记忆表现之间的关系（图5g和h）。术后7天，炎症对海马FC（PCL.L-HIP.L，-0.407）和记忆表现（直接效应-0.244）产生负面影响，而海马FC对记忆有积极影响（0.116）。炎症通过FC对记忆的间接影响显著（-0.291）。到第30天，炎症、海马FC和记忆表现已恢复正常，但残留的介导效应持续存在（PreCUN.L-HIP.L，-0.422，间接效应-0.275）。

图4.平均海马体功能、记忆力和炎性细胞因子之间的关系。（a和b）心脏手术后7天时对照组和VR组之间的关系。（c和d）心脏手术后第7天的VR组与第30天随访的VR组之间的关系。平均FC值代表所有改变的海马体FC的平均值。记忆Z评分计算为所有个体记忆Z评分的平均值，而炎性细胞因子Z评分计算为所有炎性细胞因子Z评分的平均值。AVLT，听觉语言学习测试; FC，功能连接; VR，瓣膜置换术。

图5.选择性改变的海马体功能、记忆和炎性细胞因子之间的关系。（a和c）在心脏手术后7天时对照组和VR组之间的关系。(def)心脏手术后7天VR组与30天随访VR组之间的关系。(geh)心脏手术后7天VR组和随访30天VR组海马功能、记忆力和炎性细胞因子改变的结构方程模型结果。所有观察到的变量均根据年龄、性别和教育程度进行了调整。矩形表示观察到的变量。中介结果表示为标准化回归系数。显示了标准化参数估计值。回归权重由箭头指示。*P<0.001。AVLT，听觉语言学习测试; FC，功能连接; PCL.L-HIP.L，左侧中央旁小叶与左侧海马之间的FC; PreCUN.L-HIP.L，左侧楔前叶与左侧海马之间的FC。

4.讨论

研究证据表明，在瓣膜置换术后的个体中，术后记忆障碍与较高的血浆炎症细胞因子浓度相关，并且FC降低与瓣膜置换术后更严重的炎症相关。免疫系统、延迟回忆和海马网络的损伤是短暂的，在术后第30天全部恢复到正常水平。此外，与对照组相比，术前患有瓣膜疾病的患者的双侧楔前叶、右侧扣带回中部和扣带回旁回与左侧海马的连接性增加，并且这些在手术后也恢复正常。尽管两组在记忆的基线评估上没有差异，但这种异常的FC可能反映了由功能障碍的心脏引起的大脑代偿机制。瓣膜置换术后心功能的恢复与脑功能网络连接的恢复是同步的。

原始文献