一项关于成人轻度创伤性脑损伤（mTBI）后胼胝体两侧半球间信息传递时间的纵向研究：来自事件相关电位（ERP）和扩散张量成像（DTI）的证据

《Neuropsychologia》：A Longitudinal Study of Inter-hemispheric Transfer Time Across the Corpus Callosum in Adults following Mild Traumatic Brain Injury (mTBI): Evidence from Event-Related Potentials (ERP) and Diffusion Tensor Imaging (DTI)

　　迈克尔·J·拉尔森 | 亚历山德拉·M·缪尔 | 凯莉·A·卡宾 | 安·克劳森 | 托马斯·J·法勒 | 阿丽亚娜·赫奇斯-芒西 | 丹尼斯·拉丰-坦纳 | 埃琳·M·科尔宾 | 泰莎·贾吉 | 安娜·惠勒 | 内森·奥尔德 | 埃琳·D·比格勒
杨百翰大学心理学系

**摘要**
尽管轻度创伤性脑损伤（mTBI，通常称为脑震荡）的可见症状可能迅速改善，但微妙的神经生理变化可能会持续存在。其中一个指标是视觉信息通过胼胝体压部传递的速度，也称为半球间传递时间（IHTT）。我们在受伤后约3-4周对mTBI患者和人口统计学上相似的对照组进行了初步评估，并在大约10个月后进行了再次评估。分析样本包括94名年龄在18至45岁之间的参与者，其中48人为mTBI患者（24名女性），46人为人口统计学上相似的对照组（22名女性）。IHTT是通过头皮记录的脑事件相关电位（ERP）中的P1和N1成分直接量化的。在19名mTBI患者（7名女性）和19名对照组患者（7名女性）的子集中，我们还使用来自扩散张量磁共振成像（DTI）的分数各向异性（FA）值以及胼胝体的体积测量来量化白质的完整性。mTBI患者在初次和十个月后的随访时间点都表现出较慢的早期视觉传递（P1 IHTT），而后期处理（N1 IHTT）在两组之间没有差异。分数各向异性（FA）MRI值显示，mTBI患者的胼胝体各向异性普遍低于对照组，这与白质微结构的改变一致。两组之间或随时间变化均未观察到体积差异。当前的研究结果表明，在亚急性和随访评估中，早期半球间视觉处理和胼胝体微结构的神经生理差异是明显的，这与受伤后数月观察到的改变一致。

**引言**
在美国，每年有超过二百万人遭受创伤性脑损伤（TBI）（Taylor, 2017），其中约75%被归类为轻度TBI（mTBI，通常称为脑震荡）（Bazarian et al., 2006）。由于未寻求医疗治疗的个体报告不足，这些数字可能被低估了（Victoroff & Bigler, 2019）。尽管大多数mTBI患者在三到六个月内康复，但有些人会经历持续的躯体和/或认知问题（Carroll et al., 2020; Madhok et al., 2020; McInnes et al., 2017; Voormolen et al., 2020）。缺乏可靠的测试方法和神经心理学方法的灵敏度不足，阻碍了临床医生准确识别和治疗mTBI的能力（Andersson et al., 2007; Schiehser et al., 2011）。

胼胝体是大脑中最大的白质结构，负责促进半球间的通信，在mTBI后特别容易受伤（Asturias et al., 2023; Jang et al., 2019; Lindsey et al., 2023; Roland et al., 2017; Vieira et al., 2016），因为它位于坚硬的大脑镰状突下方，且旋转力对延伸到两个半球的纤维束的扩散特别具有破坏性（Bigler & Alder, 2021; Hernandez et al., 2019; Zhou et al., 2020）。虽然胼胝体的任何区域都可能受伤，并不总是局限于某个特定子区域（Asturias et al., 2023; Chung et al., 2024），但有证据表明胼胝体压部特别容易受到轴突损伤（Aoki et al., 2012; Dean et al., 2015; Finnie & Blumbergs, 2016）。mTBI后胼胝体压部特有的损伤可以通过视觉信息通过胼胝体的半球间传递时间（IHTT）来测量（例如，Christensen et al., 2023）。在IHTT范式中，视觉刺激被呈现给一个视野，随后在对侧半球进行处理。视觉信息再穿过胼胝体到达同侧半球。胼胝体连接性的降低与IHTT的增加（即变慢）相关，这表明IHTT可能与胼胝体的结构完整性有关（Meissner et al., 2017）。

关于头部损伤患者IHTT的神经表现的文献主要集中在中度至重度TBI（m-sTBI）上，并且主要在青少年或儿童样本中进行（例如，Dennis et al., 2015; Dennis et al., 2017; Ellis et al., 2016; Olsen et al., 2020）。例如，Ellis et al.（2016）发现m-sTBI青少年的IHTT较慢。有趣的是，他们观察到受伤青少年的IHTT时间呈双峰分布，有些人的IHTT显著减慢，认知结果也更差。最近对mTBI青少年的长期研究表明，在亚急性期和纵向随访后，mTBI青少年与人口统计学上相似的对照组之间的IHTT没有显著差异（Christensen et al., 2023）。

尽管IHTT有可能直接反映mTBI后的生理缺陷，但迄今为止大多数针对成人的研究都集中在IHTT的行为指标上，而不是生理指标。更具体地说，反应时间被用作IHTT的替代标志物，显示mTBI患者的IHTT较慢（Mathias et al., 2004）。然而，一些研究报道mTBI组和对照组之间的行为IHTT没有显著差异（Womack et al., 2017），并指出mTBI组内的变异性很大。尽管越来越多的研究开始直接将胼胝体微结构与半球间传递联系起来，包括证据表明胼胝体白质的变化可能介导mTBI后的通信减慢（Chung et al., 2024），但大多数先前的工作主要依赖于行为反应时间测量，而没有神经解剖学特征（见Christensen et al., 2023）。尽管行为测量方法有用，但它们间接测量了半球间传递，并且具有相当大的变异性，需要更直接的神经功能测量方法（Moes et al., 2007）。

可以使用从脑电图（EEG）数据中提取的P1和N1事件相关电位（ERPs）以毫秒级分辨率直接测量IHTT。P1是ERP波形中的一个正向偏移，出现在刺激呈现后100毫秒（Woldorff et al., 1997），反映了刺激在背侧枕叶皮层和外侧纹状体皮层的初始视觉处理。N1是一个负向偏移，出现在视觉刺激呈现后150毫秒（Luck & Hillyard, 1995），反映了枕顶叶和下顶叶区域的高阶视觉处理。P1和N1峰值的潜伏期可以估计IHTT，交叉路径（刺激的对侧半球）的潜伏期比未交叉路径（同侧半球）短。从交叉潜伏期中减去未交叉潜伏期可以得到视觉信息穿过胼胝体压部的直接测量值（例如，Christensen et al., 2023; Clarke & Zeidel, 1989; Meissner et al., 2017）。

从结构神经影像学的角度来看，m-sTBI后胼胝体前部和后部的萎缩已有充分记录（Bigler, 2018; Hasan et al., 2018; Wilde et al., 2015）。更具体地说，扩散张量成像（DTI）可以检测到微结构变化，如白质异常（McDonald et al., 2018; Shenton et al., 2012），这些变化预示着临床症状的持续（Asturias et al., 2023; Gard et al., 2024）。由于IHTT与后部胼胝体的结构完整性直接相关（Riedel et al., 2024; Westerhausen et al., 2006），结合IHTT和先进的神经影像技术来量化后部胼胝体的DTI完整性和体积，可以测试mTBI患者和正常人之间的功能和结构差异。

用于量化mTBI后胼胝体连贯性的最常见DTI指标是分数各向异性（FA；Asken et al., 2018）。FA值表示沿白质束的水分子扩散的速度和方向（Alba-Ferrara & de Erausquin, 2013），FA值为0表示水分子无限制地移动，FA值为1表示水分子完全在一个方向上移动（Asken et al., 2018）。多项研究表明，mTBI后不久就会看到胼胝体连贯性的降低，尽管研究结果存在相当大的变异性（Ljungqvist et al., 2017; Yin et al., 2019; Xue et al., 2022）。例如，Bartnick-Olson et al.（2021）报告称mTBI儿童在受伤后急性期FA值降低，随后在受伤后12个月FA值增加。Meier et al.（2016）显示mTBI急性期或受伤后一个月内，mTBI患者的FA值与对照组没有差异。一项最近的纵向研究表明，mTBI后72小时内FA值发生变化，而在受伤后一年内这些变化保持稳定（Stenberg et al., 2023）。一项元分析表明，mTBI后急性期（两周内）FA值增加的可能性最大，而长期来看FA值减少的可能性更大（Eierud et al., 2014）。然而，另一项更近期的元分析发现急性期和长期FA值都有增加的证据（Hellewell et al., 2020）。损伤的严重程度和机制的复杂性（复杂性与非复杂性mTBI）、以及受伤后的测量时间可能导致结果的差异。

除了ERPs和FA值外，对胼胝体的体积分析还可以提供mTBI后白质丢失的宏观图景。尽管mTBI后通过FA值量化白质存在差异，但多项研究并未显示mTBI后胼胝体后部区域的体积与对照组有显著差异，尽管m-sTBI的体积差异已有记录（Bigler et al., 2021; Chamard et al., 2016; Patel et al., 2020; Terry & Miller, 2018）。因此，mTBI可能导致白质微缺陷，但可能不会影响白质的总体体积。

**方法**
所有数据和代码都发布在Open Science Framework上，可以在https://osf.io/9kqfm找到。BDI-II和STAI问卷的详细结果见补充材料（见表S1，网址同上）。简而言之，mTBI患者在亚急性和随访时间点的BDI-II得分、STAI-状态得分和STAI-特质得分均高于对照组。在行为抑制子量表上，组间和会话之间存在显著交互作用（F(1,84.23) = 6.51, p = .01, f2 = 0.08）。行为抑制得分下降（即改善）。

**讨论**
我们测试了mTBI亚急性期和大约十个月后的胼胝体视觉IHTT，同时测量了胼胝体的白质结构连贯性和体积。我们的假设部分得到支持：mTBI患者在受伤后的亚急性期表现出延迟的视觉IHTT。mTBI患者的P1 IHTT潜伏期较长，尽管N1 IHTT没有显著差异。我们的下一个结论是：我们测试了轻度脑创伤（mTBI）对大脑半球间视觉信息传递（IHTT）的长期生理影响，特别关注了视觉信息通过胼胝体压部传递的速度。研究结果表明，尽管mTBI的症状可能会减轻，但其潜在的生理紊乱可能会持续存在，并表现为IHTT的延迟。具体来说，如P1 ERP成分所显示的，mTBI患者的早期视觉信息传递速度较对照组慢。

作者贡献声明：
Erin M. Corbin：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、项目协调、数据整理。
Denise Lafont-Tanner：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据整理。
Ariana Hedges-Muncy：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、数据分析。
Kaylie A. Carbine：撰写 – 审稿与编辑、软件使用、资源管理、资金筹集、数据分析。
Alexandra M. Muir：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化。

参考文献：
Arfanakis等人，2002年；Bartnick-Olson等人；Bigler，2021年；Carroll等人，2004年；Chamard等人，2013年；Chang等人，2009年；Clarke和Zaidel，1989年；Clayson等人，2019年；Denning和Shura，2019年；头部损伤中的弥漫性轴索损伤；Elgmark Andersson等人，2007年；Henry等人，2011年；Huisman等人，2004年；Inglese等人，2005年；Kamins等人，2017年；Keil等人，2014年；Kim等人，2019年；Lawrence等人，2019年；Tate等人，2017年；Ware等人，2020年。

伦理标准遵守：
所有涉及人类参与者的研究程序均符合机构伦理审查委员会的伦理标准。

利益冲突与披露：
作者们没有需要报告的利益冲突。

资金来源：
本研究得到了匿名资助方的支持。资助方未参与研究设计、数据收集与分析或手稿的准备工作。

致谢：
我们感谢Tanner Poulton、Brady Anderson和Isaac Hunt在本次数据收集工作中所提供的帮助。