《Frontiers in Neuroscience》：Cortical network characteristics in post-stroke anxiety: an fNIRS-based study
引言
卒中仍是全球范围内导致死亡和功能障碍的主要原因之一。卒中幸存者常面临双重负担，包括躯体功能障碍和心理障碍。卒中后焦虑(PSA)是最常见的心理并发症，患病率在29.3%至36.7%之间，且在不同卒中后阶段有所差异。PSA不仅阻碍神经功能恢复，还显著增加后续卒中后抑郁(PSD)和认知缺陷的风险。然而，由于评估方法学差异以及卒中后失语和认知缺陷的混杂效应，PSA的诊断和客观评估仍具挑战。此外，PSA的神经生理机制尚未完全阐明。因此，识别可靠的PSA生物标志物对于改善卒中幸存者的康复和预后评估至关重要。
当前关于PSA神经生理机制的研究主要集中在脑网络功能异常、神经递质失衡、神经炎症过程和神经可塑性改变等方面。功能磁共振成像(fMRI)通过测量脑代谢活动能够检测PSA相关的脑网络改变。多项研究表明，卒中病灶位置与PSA发生风险密切相关。例如，fMRI研究显示右侧额叶梗死是PSA的独立危险因素。纵向研究进一步证实，卒中后3个月内大脑半球内神经纤维连接的广泛损伤显著增加PSA发生可能性。静息态fMRI研究还揭示了PSA患者独特的脑网络特征，包括小脑、脑干和右侧额中回功能连接异常增强，以及默认模式网络功能紊乱在PSA中的关键作用。然而，这些发现的异质性可能源于研究设计的差异。fMRI研究还表明，任务状态下的脑网络连接比静息态更广泛和稳定。尽管如此，fMRI在PSA生物标志物研究和个体差异探讨中的应用仍受限于方法学约束，如实验范式和刺激呈现技术，影响了结果的可靠性和临床适用性。
功能性近红外光谱(fNIRS)是一种非侵入性神经成像技术，具有使用方便、抗运动伪影等优势，能够监测大脑皮层血流动力学活动。与fMRI相比，fNIRS具有更高的时间分辨率，且不易受环境噪声和头部运动影响，特别适用于功能受损患者的各种任务场景。因此，fNIRS可作为fMRI的可行替代方案，为研究PSA相关脑机制提供可靠方法。
词语流畅性任务(VFT)是fNIRS研究中常用的范式，可评估认知任务期间皮层区域的血流动力学响应。证据表明VFT激活前额叶皮层(PFC)，特别是双侧背外侧前额叶皮层(DLPFC)。多项研究报道焦虑个体在VFT期间PFC激活显著降低，且左侧PFC激活强度与焦虑症状严重程度负相关。在共病人群研究中，fNIRS观察发现焦虑、抑郁及焦虑抑郁共病患者在VFT期间均表现出左侧DLPFC激活明显减弱，提示可能存在共同的神经病理机制。此外，任务态fNIRS研究已被用于探索症状重叠的情感障碍之间的神经生理学差异。研究发现抑郁和焦虑抑郁患者VFT期间PFC血红蛋白浓度显著波动，而静息态数据不足以区分这些组别。其他研究强调焦虑抑郁患者右侧PFC激活显著高于非焦虑抑郁个体，提示该区域可能作为区分焦虑抑郁的关键生物标志物。这些结果强调了任务态研究在阐明PFC情绪调节参与中的关键作用。
从临床角度看，阐明卒中后焦虑的神经机制对于改善其临床管理至关重要。更好地理解PSA相关的脑改变可能帮助临床医生识别易出现持续性焦虑症状的患者，促进早期心理监测，支持更个体化的康复计划。
当前fNIRS对PSA的研究主要关注PFC整体皮层变化，较少关注其亚区（如前额极区(FPC)和DLPFC）的特定皮层网络。值得注意的是，既往研究表明这些区域在认知控制、执行功能和情绪调节中起核心作用，且与焦虑及相关情感障碍密切关联，提示PSA背后的皮层网络特征仍未充分了解。FPC和DLPFC皮层网络的改变可能因此导致PSA相关情绪缺陷。为填补这一空白，本研究聚焦四个关键PFC亚区——左右FPC(L-FPC、R-FPC)和左右DLPFC(L-DLPFC、R-DLPFC)，利用fNIRS监测静息态PFC功能连接和VFT期间皮层激活，旨在为理解PSA潜在发病机制和改善其临床诊断提供新的客观证据。
材料与方法
参与者
本研究为探索性调查，未进行先验样本量计算，样本量由研究期间的临床可行性和招募可用性决定，与既往卒中人群fNIRS研究类似。
2024年12月至2025年3月，从中国江苏省常州市德安医院招募卒中患者。根据汉密尔顿焦虑评定量表(HAMA)评分将参与者分为两组：焦虑组(HAMA评分≥7分)和非焦虑组(HAMA评分<7分)。
纳入标准包括：(1)符合卒中诊断（中国脑血管疾病分类，2015年修订版），并经CT或fMRI证实为脑出血或脑梗死；(2)年龄18-80岁；(3)病程1-12个月；(4)未使用过精神科药物或参与物理康复；(5)能够完成所有测试并提供知情同意。
排除标准包括：(1)存在严重言语障碍；(2)显著认知障碍，影响理解或任务执行；(3)颅骨缺损或异体材料颅骨成形术史；(4)病变涉及皮层结构。
最初纳入50例PSA患者和50例非PSA患者。非PSA组中，3例自愿退出，2例无法完成实验。最终评估纳入50例PSA患者和45例非PSA患者。所有参与者在入组前均签署书面知情同意书。研究获常州市德安医院伦理委员会批准(CZDALL-2024-004)并在中国临床试验注册中心注册(ChiCTR2400092342)。
临床评估
所有参与者均为母语为汉语的右利手（通过爱丁堡利手问卷验证）。临床评估由对分组不知情的高级精神科医生进行。分别使用HAMA和17项汉密尔顿抑郁评定量表(HAMD-17)评估焦虑和抑郁症状。
由于卒中严重程度和功能独立状态可能影响情绪症状，我们额外使用美国国立卫生研究院卒中量表(NIHSS)和日常生活活动能力(ADL)量表评估参与者。收集这些指标以描述基线神经和功能状态，减少卒中严重程度和日常生活能力差异对情绪结果的潜在混杂影响。
fNIRS测量
使用fNIRS系统(NirSmirt-3000A，丹阳慧创，中国)采集神经成像数据。系统包含12个光源和4个探测器，形成18个测量通道。系统通过发射730纳米和850纳米波长的近红外光测量氧合血红蛋白(HbO)、脱氧血红蛋白(HbR)和总血红蛋白(HbT)的相对变化。源-探测器间距为3厘米，数据采样频率为11赫兹。光极放置遵循国际10-20脑电图系统。定义以下感兴趣区(ROI)：L-FPC（通道8、10、15、16、17、18）、R-FPC（通道1、9、11、12、13、14）、L-DLPFC（通道5、6、7）和R-DLPFC（通道2、3、4）。
实验设计
静息态数据采集：参与者舒适就坐，头部用颈托固定。佩戴fNIRS帽后，在自然状态下保持清醒睁眼，避免任何肢体或头部运动。连续记录静息态脑功能数据，总时长6分钟。
VFT任务数据采集：采用标准化区块设计范式，包括初始10秒基线，随后四个任务区块。每个区块包含30秒激活相，交替30秒休息相。参与者保持坐姿，任务期间尽量减少身体运动。要求参与者在指定时间内从预设语义类别（如蔬菜、四足动物、家用电器、水果）中口头产生尽可能多的词语。任务前进行简短临床筛查以确保参与者警觉且能遵循指令；无法完成练习试验者被排除。
fNIRS数据处理
使用Matlab 2013b软件的Homer2工具箱进行数据预处理。预处理期间将原始光强度数据转换为光密度测量。通过伪影减少算法识别头部运动引起的运动伪影，并通过样条插值校正。应用带通滤波器(0.01–0.1赫兹)消除生理噪声和低频漂移。滤波后数据基于修正的比尔-朗伯定律转换为HbO浓度。
静息态分析：使用任务开始后1-6分钟窗口进行功能连接(FC)分析。计算通道间HbO时间序列的皮尔逊相关系数(r值)，随后进行Fisher's r-to-z变换以标准化分布。所得z值代表ROI间FC强度用于统计分析。
任务态分析：对每个任务试次的HbO信号进行区块平均以减少基线变异。计算0-30秒激活期间平均ΔHbO作为每个通道的激活度量。然后将预定义脑区内通道级值平均，得出ROI级激活指标用于统计分析。
统计分析
使用SPSS 26.0版进行统计分析。Shapiro-Wilk检验评估数据正态性。正态分布连续变量以均值±标准差表示，非正态分布变量以中位数和四分位距[M (P25, P75)]表示。正态分布数据采用独立样本t检验进行组间比较，非正态分布数据采用Mann-Whitney U检验。分类变量通过卡方检验评估。鉴于左右半球病变可能影响脑血流，对fNIRS数据执行双向方差分析，以组别和病变侧为自变量，检验其对脑激活或功能连接强度变化的影响。P值小于0.05视为有统计学意义。
结果
人口学和临床特征
对人口学和临床特征的组间比较采用独立样本t检验或Mann-Whitney U检验（连续变量）和χ2检验（分类变量）。结果显示，PSA组与非PSA组在年龄、性别、受教育年限、病程、病变侧等方面无显著差异（所有P > 0.05），而卒中类型组间差异显著(P = 0.026)。
临床量表评分组间比较采用Mann-Whitney U检验。结果显示，PSA组HAMA和HAMD-17评分显著高于非PSA组（均P < 0.001），而ADL和NIHSS评分无显著组间差异（所有P > 0.05）。
PSA与非PSA患者VFT期间血流动力学响应
采用方差分析检验VFT相关前额叶激活的组间差异。结果显示，与非PSA组相比，PSA组VFT期间双侧FPC激活显著降低(P < 0.05)，而双侧DLPFC激活无显著组间差异(P > 0.05)。采用双向方差分析检验组别和病变侧对VFT相关前额叶激活的影响。未观察到病变侧主效应或组别×病变侧交互效应（所有P > 0.05）。
PSA与非PSA患者静息态前额叶功能连接
采用双向方差分析检验组别和病变侧对静息态前额叶功能连接的影响。未观察到组别主效应、病变侧主效应或组别×病变侧交互效应（所有P > 0.05）。
伴与不伴抑郁的PSA患者VFT期间血流动力学响应
采用双向方差分析检验伴与不伴抑郁的PSA患者VFT相关前额叶激活的组别和病变侧效应。结果显示，与不伴抑郁者相比，伴抑郁PSA患者双侧FPC和左侧DLPFC激活显著降低(P < 0.05)，而未观察到病变侧主效应或组别×病变侧交互效应（所有P > 0.05）。
伴与不伴抑郁的PSA患者静息态功能连接
采用双向方差分析检验伴与不伴抑郁的PSA患者静息态前额叶功能连接的组别和病变侧效应。未观察到组别主效应、病变侧主效应或组别×病变侧交互效应（所有P > 0.05）。
讨论
PSA与非PSA患者脑激活比较
我们发现PSA患者VFT期间双侧FPC激活显著低于非PSA组，但两组间双侧DLPFC激活无显著差异。双向方差分析进一步表明无显著交互效应，提示焦虑对PFC激活的影响不受卒中患者病变偏侧性调节。
FPC位于PFC最前部，是进化最先进的脑区之一，参与记忆提取、关系推理和执行决策。本研究采用VFT任务，要求患者基于语义类别产生最多不重复词语，该过程依赖于PFC调节的多维认知资源整合。PSA患者观察到的双侧FPC激活显著降低提示该区域可能是PSA的关键神经基质。该结果与既往将FPC和DLPFC血流动力学响应与焦虑联系起来的研究一致。
作为连接情绪和认知过程的中枢枢纽，FPC已被证明在情绪障碍个体中表现出结构和功能异常。我们的发现提示焦虑可能通过两种机制破坏FPC功能。首先，从认知控制角度看，增加任务需求可能加剧焦虑引起的FPC介导的执行控制和处理效率损害，导致FPC任务参与减少。其次，从资源分配角度看，焦虑可能将认知资源从任务表现转移至情绪调节，尤其在VFT等高需求任务期间。这种资源重新分配可能促成FPC观察到的血流动力学响应减弱。总之，这些机制为PSA中FPC激活降低提供了神经基础，并为开发靶向神经调控干预提供了理论支持。
尽管DLPFC对认知控制（特别是任务转换和认知灵活性）至关重要，但本研究未发现DLPFC激活的显著组间差异。该发现与既往单纯焦虑研究（报道焦虑严重程度与VFT期间右侧DLPFC激活负相关）形成对比。合理解释在于本研究考察的卒中后人群。卒中常诱发局部和远程神经重组，可重塑认知和情感处理网络。因此，PSA患者可能通过功能招募其他相关脑区补偿受损的DLPFC功能。这种神经可塑性重塑可能解释本研究中未观察到显著DLPFC激活差异的原因。
伴与不伴抑郁的PSA患者脑激活比较
焦虑常与抑郁共病，两者在临床和神经影像研究中常被共同探讨。卒中后抑郁患者常表现出重叠的焦虑症状，即焦虑性抑郁现象。鉴于这种重叠，考察抑郁共病是否改变PSA的神经激活模式至关重要。
亚组分析揭示了伴与不伴抑郁的PSA患者VFT期间脑激活的显著差异。具体而言，合并抑郁者表现出双侧FPC和左侧DLPFC激活显著降低。
DLPFC是情绪调节的关键区域，两半球均参与此过程，但其功能角色因刺激而异：左侧DLPFC对言语刺激更敏感，右侧DLPFC对非言语刺激更敏感。这种偏侧化响应影响了VFT期间fNIRS观察到的激活模式。既往研究表明FPC激活与抑郁严重程度负相关，确诊抑郁患者表现为双侧FPC失活，阈下病例表现为右侧失活，与我们的发现一致。此外，左侧DLPFC激活降低已被提示作为区分PSD与非PSD患者的潜在标志，进一步支持我们的结果。
然而，其他研究将VFT期间右侧DLPFC激活识别为焦虑相关抑郁的潜在神经生理标志。这种不一致可能源于方法学差异，特别是未考虑抗抑郁药使用。包括抗抑郁药在内的药理制剂可能影响fNIRS测量的可靠性和准确性。在本研究中，我们通过严格排除使用精神药物参与者解决了这一潜在混杂因素，从而增强了我们神经发现的可解释性。
静息态脑功能连接
静息态期间，PSA与非PSA患者之间，以及伴与不伴抑郁的PSA患者之间，均未发现脑功能连接的显著差异。这些发现与基于图论的fNIRS研究一致，提示情感障碍相关的神经改变在认知或情感任务参与期间更易检测。这一见解支持标准化诊断方案开发和治疗靶点识别。
然而，静息态缺乏组水平差异并不表明PSA无连接异常。与原发性焦虑或抑郁不同，卒中引起全脑结构和功能网络的广泛改变。恢复涉及重组、重塑和代谢补偿的复杂过程。这些动力学可能导致弥散而非局灶的网络重新配置模式，反映大脑对结构损伤和情感失调的适应性响应。因此，单一神经成像模态可能无法完全捕捉PSA相关机制的复杂性。未来研究可能受益于整合多模态方法（如fMRI或EEG），以增强空间和时间分辨率，为理解PSA背后改变脑网络提供更深入见解。
优势与局限性
本研究聚焦PSA患者前额叶亚区，利用fNIRS考察任务和静息态下皮层网络特征。进一步比较伴与不伴抑郁的PSA患者，为区分卒中后焦虑亚型提供了神经生物学证据。这些发现有助于更好理解PSA与抑郁的关系。
从临床角度看，识别PSA患者双侧FPC激活改变可能为未来干预策略发展提供神经生物学基础。值得注意的是，仅在合并抑郁的PSA患者中观察到左侧DLPFC的额外参与，提示不同前额叶亚区可能与单纯焦虑和伴抑郁症状焦虑差异相关。这些发现表明前额叶回路调控可作为未来神经调控方法的补充靶点进行探索。未来研究结合fNIRS与神经调控技术（如经颅磁刺激或经颅直流电刺激）有必要进一步研究其治疗潜力和临床可行性。
需注意若干局限性。首先，由于fNIRS技术限制，本研究限于皮层测量，无法评估全脑网络。具体而言，fNIRS固有局限在于无法捕捉可能也在卒中后情绪调节中起重要作用的皮层下结构。其次，未记录VFT词语输出数量，无法评估任务参与度，限制了观察到的神经差异是由焦虑相关机制还是任务表现差异驱动的解释；这是重要的方法学局限。
第三，探索性和观察性设计（与Koyanagi等人2021年研究类似）以及纳入不同卒中类型患者可能潜在影响结果。卒中类型是复杂的临床特征，与病灶位置、病灶范围和整体疾病严重程度密切相关。在本研究样本中，卒中类型组间分布不均，某些亚类数量相对较少，限制了在不引入模型不稳定或过度调整情况下统计控制该因素的可行性。尽管这反映了真实世界临床异质性，但卒中类型的潜在混杂效应无法完全排除，因此研究结果应谨慎解释。
此外，比较伴与不伴抑郁PSA患者的亚组分析涉及非常小的样本量（低至n=8），这显著限制了统计效力并降低了亚组发现的稳健性。而且，尽管最终样本量与类似fNIRS研究相当，但由于缺乏PSA特异性可靠效应量估计，无法进行先验效能计算，可能进一步限制发现的普适性。
未来研究应采用更严格纳入标准，纳入行为表现测量，扩大样本量，并进行分层或纵向分析，以更全面阐明PSA相关神经机制。
结论
双侧FPC显示出作为评估和干预PSA中心靶点的潜力，为未来治疗策略提供了新方向。此外，双侧FPC和左侧DLPFC的功能异常可能作为预测伴抑郁PSA的潜在生物标志物。
本研究表明双侧前额极区(FPC)激活改变可能是与卒中后焦虑相关的重要神经基质。此外，在合并抑郁的PSA患者中观察到涉及双侧FPC和左侧背外侧前额叶皮层(L-DLPFC)的功能改变，表明它们与该临床亚型背后神经相关性潜在关联。总之，这些发现提供了初步神经生物学证据，可能为未来PSA评估、分层以及靶向干预策略开发提供信息。
