摘要
目的
本研究的主要目的是阐明手术早期反应对乳腺癌患者脑结构和认知功能的影响。假设在术后早期反应中，丘脑的结构会因麻醉作用发生改变，并代表术后认知功能障碍（POCD）中间表型的一个方面。
方法
我们检查了32名绝经后乳腺癌女性和20名年龄匹配的对照组。我们评估了她们的认知功能（注意力、记忆力和执行功能），并在术前1.5±0.5天和术后5.6±1.2天进行了脑结构MRI扫描。
结果
我们发现，与对照组相比，患者组术后丘脑区域灰质体积（rGMV）与注意力域子测试之间存在显著交互作用（P < 0.05，家族误差校正（FWE），小体积校正（SVC））。此外，注意力的变化与七氟烷麻醉剂量显著相关（r² = 0.247，β = ‒0.471，P = 0.032），并且在患者组中与丘脑rGMV变化呈边缘显著相关（P = 0.07，FWE，SVC）。
结论
我们的研究结果表明，脑结构特别是丘脑的改变可能发生在术后不久，并可能与注意力功能障碍相关。这种对麻醉的早期术后反应可能代表了POCD的中间表型。推测患有其他POCD风险因素（如手术严重程度、并发症发生和既往认知障碍）的患者，可能会出现广泛的、多种类型的认知功能障碍，即临床POCD。
引言
由于筛查和治疗的改进，乳腺癌患者的长期生存率提高，其生活质量（QOL）受到了越来越多的关注。维持QOL现在至关重要，特别是在工业化国家，因为全球乳腺癌患者数量每年增加超过100万例[1,2]。癌症治疗导致的认知功能障碍影响乳腺癌患者的QOL[3,4]。尽管化疗对认知功能障碍的影响已得到充分描述[5]，但患者甚至在化疗开始前就经常经历认知功能障碍[6,7]。在当前研究中，我们聚焦于乳腺癌患者术后认知功能障碍（POCD），并评估其对QOL的潜在影响[8,9]。
POCD的临床特征，如并发症发生率和风险因素，已被阐明，但其神经病理仍不清楚，因为临床和临床前观察之间存在差距[10]。POCD的临床特征包括多种认知障碍[11]，以及若干风险因素，包括高龄、麻醉时间长、手术严重程度、并发症发生和既往认知障碍[12–14]。POCD被国际术后认知功能障碍研究（ISPOCD）定义为来自多个认知领域的两种或以上认知功能的恶化[12,15]。因此，在临床术语中，POCD包括各种认知领域的功能障碍，并且似乎与多种风险因素相关[10]。相比之下，临床前研究表明，术后认知下降的基本神经病理可以由单一风险因素引起，如麻醉或炎症[16–18]。因此，需要良好的对照临床研究来更好地描述单个风险因素在临床情境中的作用。
为了解决这个问题，本研究使用神经影像学方法评估了低侵入性手术后患者对全身麻醉的早期反应。为了评估全身麻醉作为POCD的单一风险因素，通过三个标准控制了其他风险因素：1）患者接受乳腺癌手术，选择该手术是因为其不太可能引起全身性炎症；2）研究中的临床评估在辅助治疗开始前进行；3）无患者有既往认知障碍，且术后无并发症。此外，神经影像学是评估常见脑结构变化的强大工具，即使认知变化不足以被归类为综合征，也可将其识别为中间表型[19]。然而，报道的POCD神经影像学研究很少。Chen等报道，术前海马区域灰质体积较小是术后第4天POCD的风险因素[20]。Kline等进行了一项纵向研究，显示术后5-9个月总灰质和海马区域体积减少[21]。由于POCD在术后不久发生率较高[13]，对术后早期认知下降和脑结构变化的评估可能有助于检测POCD的一个神经病理方面。
本研究的目的是阐明手术早期反应对乳腺癌患者脑结构和认知功能的影响。我们招募了32名绝经后早期乳腺癌患者（Pt）和20名年龄匹配的绝经后健康对照（HC）。我们评估了认知功能（注意力、记忆力和执行功能），并在术前1.5±0.5天（术前）和术后5.6±1.2天（术后）收集了Pt和HC组的脑结构磁共振（MR）图像。
临床前研究表明，全身麻醉在POCD症状的发展中起关键作用[10]。虽然全身麻醉作用于大脑的多个区域，但丘脑似乎是一个主要靶点。例如，挥发性麻醉药七氟烷[22]、静脉麻醉药丙泊酚[23]和芬太尼[24]减少脑血流量，七氟烷[25]减少丘脑区域葡萄糖代谢。丘脑在协调大脑信息流和整合广泛认知过程中起重要作用[26,27]，包括传入的感觉疼痛冲动[28]、调节觉醒和睡眠[29,30]，以及麻醉引起的意识丧失[31]。因此，我们假设术后不久丘脑rGMV减少以及与丘脑rGMV减少相关的认知功能障碍将被观察到。
材料与方法
参与者
乳腺癌患者计划接受手术治疗，于2012年2月至2013年4月从东北大学医院招募。纳入标准如下：1）女性以尽量减少基于性别的脑差异；2）绝经后女性，年龄≤80岁，以减少激素状态对认知的影响。排除标准如下：1）有任何癌症治疗史，包括化疗和激素治疗；2）有任何神经系统疾病、创伤性脑损伤或精神疾病史；3）有任何物质滥用和依赖史；4）糖尿病、未控制的高血压或任何器官衰竭；5）有任何MRI扫描禁忌症。筛选了173名新诊断为乳腺癌的女性。133名患者不符合研究的资格标准。最常见的不合格原因是绝经前状态和接受新辅助治疗。8名患者因不感兴趣、太忙或住得太远而拒绝参加。32名患者被招募并完成了MRI扫描。30名患者完成了认知检查，2名患者尽管术后无身体并发症，但未进行术后检查。分析了32个MRI数据和30个心理数据（图1）。所有临床信息均从医疗记录中收集。我们还于2013年1月通过当地免费报纸广告招募了20名与患者居住在同一地理区域的健康受试者。纳入和排除标准与癌症患者相同，但需要乳腺癌手术史除外。20名健康对照中有19名完成了研究方案，1名对照参与者因金属戒指在扫描时无法取下而无法进行MRI扫描。所有受试者在进入研究时通过自填问卷报告身高、体重、教育史和终生酒精摄入量。酒精摄入问卷包括饮酒持续时间、每周饮酒频率以及每天饮酒量和类型。所有受试者均签署了书面知情同意书。东北大学医学研究生院伦理委员会批准了本研究。本研究于2012年2月至2013年5月在日本宫城县仙台市进行。
（图1：患者组招募、参与、随访和分析流程图）
研究方案
评估在住院期间进行。术前评估在手术前1或2天（术前）进行，术后评估在术后1周内（术后）进行。健康组进行两次评估，间隔1周。由于本研究是观察性的，对使用的麻醉类型没有限制。该研究已在大学医院医疗信息网络（UMIN）临床试验注册中心注册（UMIN 000007287）。
心理测量
为了评估手术的影响，我们评估了五个类别（注意力、处理速度、记忆力、执行功能和工作记忆）的广泛认知功能。
注意力使用数字划消任务（D-CAT）评估[32]。测试表包括12行，每行50个数字，每行包含0-9的数字随机排列的五组。参与者被要求在1分钟内尽可能快速准确地用斜线标记目标数字。使用了三次试验：第一次有一个目标数字（6），第二次有两个目标数字（9和4），第三次有三个（8、3和7）。
处理速度使用数字符号编码评估，这是韦氏成人智力量表第三版（WAIS-III）的子测试[33]。该测试使用一个键，显示一系列与数字配对的符号；参与者被要求在2分钟内将每个符号画在对应的数字下方。
记忆力通过逻辑记忆I（即时）和II（30分钟延迟）测试测量，这是日本版韦氏记忆量表修订版（WMS-R）的子测试[34–36]。参与者记忆两个短的段落长度的故事（故事A和B）。根据WMS-R评分协议，故事按回忆的故事单元数评分。
执行功能和处理速度通过Stroop测试测量[37,38]，包括反应抑制和冲动性；我们使用了Stroop 2（反向Stroop任务）和Stroop 4（Stroop任务）。为了测量处理速度，我们使用了Stroop 1和3。
工作记忆使用数字广度-倒背测量，这是WAIS-III的子测试[33]。参与者被要求记忆数字，并以相反顺序重复。
我们还使用日本版世界卫生组织生活质量简表（WHOQOL-BREF；WHO/QOL-26）评估了生活质量[39]。
图像采集
所有MRI数据均使用3-T Philips Intera Achieva扫描仪（Best，荷兰）采集。使用磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列采集高分辨率T1加权结构图像（240×240矩阵；重复时间6.5ms；回波时间3ms；视野24cm；162层；层笔：1.0-mm）。
基于体素的形态测量学分析（VBM）
进行VBM以研究手术引起的结构变化。使用Matlab（Mathworks Inc., Natick, MA, USA）中实现的统计参数映射软件（SPM8；Wellcome Department of Cognitive Neurology, London, UK）对结构数据进行预处理。本研究采用指数李代数微分同胚解剖配准（DARTEL），这是一种改进的VBM配准方法，可以更准确地实现受试者间脑图像配准[40]。此方法对纵向数据有利，因为可以线性地探索不同时间点的刚性受试者间配准数据中的局部差异。
首先，使用SPM8中实现的新分割算法将每个人的T1加权结构图像分割成六个组织部分。除了使用国际脑图谱联盟（ICBM）的东亚洲人脑模板进行仿射配准外，此新分割过程使用了默认参数。随后，我们进行SPM8中实现的DARTEL配准过程。在此过程中，我们使用了由上述分割过程创建的灰质和白质两种组织概率图（TPM）的DARTEL导入图像。首先，使用研究中所有参与者术前扫描的T1WI数据创建DARTEL过程的模板。接着，我们使用此模板对所有受试者的术前和术后扫描T1WI进行DARTEL（使用默认参数）。然后将得到的图像空间归一化至蒙特利尔神经学研究所（MNI）空间，以获得1.5 × 1.5 × 1.5-mm³体素的图像。此外，我们通过用空间归一化导出的雅可比行列式调制每个体素来执行体积变化校正（调制），这使得能够确定脑组织绝对量的区域差异[41]。随后，所有图像通过卷积一个半高全宽（FWHM）为8-mm的各向同性高斯核进行平滑。
统计分析
使用两个样本t检验计算Pt组和HC组之间连续变量（如年龄）的人口学差异。为了检验术后不久认知功能和QOL的普遍恶化，我们使用协方差分析（ANCOVA）模型比较了Pt和HC。我们使用术后评分为因变量，组别（Pt，HC）为分类变量，术前评分和年龄为协变量。使用Bonferroni校正比较多个心理测量（P < 0.05/11），在P < 0.0045时评估统计学显著性。随后对组间差异显著的结果进行下述相关分析。
为了确定麻醉是否与Pt组术后相比HC组恶化的认知功能相关，我们在Pt组中进行了多元回归分析。由于此分析的样本量相对较小，我们使用认知评分的变化率（通过将术后-术前评分除以术前评分获得）作为因变量，以保持协变量数量适当并将术前认知表现纳入分析。我们以差异认知测量的变化率为因变量，七氟烷和芬太尼的剂量为自变量，年龄、身高和体重为协变量进行分析。虽然我们也使用了丙泊酚进行全身麻醉，但由于推注使用导致丙泊酚剂量个体间、体型依赖性差异很小，我们仅检查了与七氟烷和芬太尼的相关性。麻醉药剂量数据中，平均值±1.5个标准差之外的数据作为异常值排除。丙泊酚、七氟烷和芬太尼剂量分别有1例、2例和2例患者为异常值，均为不同个体。此外，如前所述，2名患者未进行术后检查。因此，我们分别对来自28名患者的心理和麻醉数据（包括七氟烷和芬太尼剂量）进行了相关分析。统计显著性的阈值设定为P < 0.05（单尾），并对麻醉药（七氟烷和芬太尼）的用量进行Bonferroni多重比较校正，因为我们有很强的先验假设，即认知功能会因使用麻醉药而恶化。所有统计分析均使用SPSS 20（SPSS, Chicago, IL）进行。
使用SPM8上的协方差分析（ANCOVA）模型评估rGMV的差异，作为组别（Pt/HC）与时间（术前/术后）的交互作用。分析以年龄为协变量进行。基于假设（丘脑），使用Wake Forest University PickAtlas 3.04（ aal atlas”的解剖模板，对一个感兴趣的脑区（ROI）应用小体积校正（SVC）[42,43]。ROI定义为双侧半球。显著性水平设定为P = 0.05，经多重比较校正（体素水平家族误率）。在分析中，我们仅纳入了显示GMV值 > 0.10的体素，以避免灰质和白质之间以及灰质和脑脊液边界周围可能的部分容积效应。接下来，在患者组的ROI（丘脑）内进行多元回归分析，以确定rGMV的减少是否与认知下降和麻醉相关。为了验证减少的rGMV与认知下降之间的关系，将Pt和HC组之间差异显著的差异认知测量的变化率作为因变量。术后-术前rGMV用作自变量，年龄作为干扰协变量。为了验证减少的rGMV与麻醉之间的关系，将术后-术前rGMV作为因变量，不同麻醉药的剂量作为自变量，年龄作为干扰协变量。再次，我们排除了所有GMV值 > 0.10的体素。显著性水平设定为P = 0.05，经多重比较校正（体素水平家族误率）。
结果
参与者人口学特征和临床数据
Pt组和HC组在人口学特征方面未发现显著差异（P < 0.05）（表1）。描述手术的临床数据见表2。所有手术均在全身麻醉下进行。尽管当前方案对麻醉类型没有限制，但除两名患者外（在上述麻醉药组合中添加了瑞芬太尼或一氧化二氮），均使用了相同的麻醉药组合（丙泊酚、七氟烷和芬太尼）。没有患者出现临床并发症，包括谵妄。
（表1：患者和对照组的人口学特征）
（表2：患者组的手术和术后数据）
心理评估
在DCAT1评分中观察到显著的组别（Pt/HC）与时间（术前/术后）交互作用，表明患者组术后注意力表现较差（表3）。尽管Pt组的注意力评分未显示显著下降，但显著的组别与时间交互作用提供了认知下降的充分证据，表现为缺乏学习效应[44,45]。
（表3：神经心理学评估摘要）
心理测试分数与麻醉剂量
在控制年龄、体重和身高后，多元回归分析显示七氟烷剂量与注意力评分（DCAT1）的变化率显著相关（r² = 0.247，β = −0.471，P = 0.032；图2）。相比之下，注意力评分（DCAT1）的变化率与芬太尼剂量之间没有显著关联（r² = 0.186，P = 0.111）。
（图2：患者组注意力（D-CAT1）与麻醉（七氟烷）之间的关联）
rGMV差异
在具有关于麻醉的先验假设的区域中，在右侧丘脑发现显著的组别（Pt/HC）与时间（术前/术后）交互作用（x = 12, y = −16, z = 15; P < 0.05, SVC；图3）。在Pt组中，峰值体素处的平均术前rGMV为0.178 ± 0.028，平均术后rGMV为0.156 ± 0.029。在HC组中，峰值体素处的平均术前rGMV为0.156 ± 0.033，平均术后rGMV为0.191 ± 0.035。
（图3：显示显著组别（Pt/HC）与时间（术前/术后）交互作用的区域（右侧丘脑；p < 0.05, SVC））
患者组的心理测试分数与rGMV
我们发现注意力域子测试（D-CAT1）的变化率与术后-术前丘脑rGMV之间存在边缘显著相关（x = 8, y = −12, z = 7; P = 0.07, SVC）。
患者组的麻醉与rGMV
麻醉（七氟烷）与丘脑rGMV减少之间没有显著关联。
讨论
这是第一项研究低侵入性手术早期反应阶段脑结构变化的研究。与我们的假设一致，我们发现乳腺癌手术后不久，丘脑（基于其与麻醉的关联的先验ROI）的rGMV减少。这些反应被认为是由全身麻醉引起的，因为其他POCD风险因素（如既往认知障碍、全身性炎症和并发症的发生）已得到控制。此外，与HC组相比，Pt组在注意力领域的一个子测试上表现出学习效应的显著下降。此外，在Pt组中，七氟烷剂量与注意力评分的变化显著相关。尽管丘脑rGMV变化与Pt注意力评分之间的关联未达到预期阈值，但相关性呈边缘显著。
我们的研究结果表明，注意力和脑结构（特别是丘脑）的变化可能在术后发生，并与注意力功能障碍相关。这一发现与既往纵向研究的结果一致[10,46]。注意力是一种基本的认知功能，与许多其他认知功能相关，包括记忆[47]、处理速度[48]和工作记忆[49]。在D-CAT测试的亚量表中，DCAT1仅需要持续性注意力，而DCAT2和DCAT3则需要额外的选择性注意力和工作记忆能力[50]。因此，推测使用此亚量表可以检测到最纯粹的注意力变化。此外，丘脑在认知功能中起着基本作用，例如协调大脑信息流、整合广泛的认知过程[26,27]，包括传入的感觉疼痛冲动[28]以及调节觉醒和睡眠[29,30]。在注意力领域，丘脑与前额叶和顶叶（通常为右偏侧化）皮层一起参与注意力的自上而下调节[51,52]。此外，一项对健康志愿者的正电子发射断层扫描（PET）研究显示，在注意力定向任务期间，包括丘脑在内的脑网络被激活[53]。关于特定的丘脑区域，我们观察到丘脑外侧背侧体积减少，而丘脑内侧背侧体积变化与注意力变化相关。丘脑外侧背侧与楔前叶存在连接[54]，楔前叶在默认模式网络（DMN）中起核心作用[55]。由于DMN的活动与对外部刺激的注意力相关活动相竞争[55]，因此外侧背侧部分可能通过楔前叶导致注意力功能障碍。另一方面，丘脑内侧背侧与前额叶皮层紧密连接[56]，前额叶皮层在注意力控制中起关键作用[57]，并且可能与注意力功能障碍有关。
我们的研究结果与以往研究一起表明，在患者中观察到的注意力功能障碍和丘脑体积减少可能代表了POCD的一种中间表型，其表现没有广泛的认知功能障碍。此外，我们相信具有此类变化的患者有发生POCD的风险。既往临床研究观察到术后不久POCD发生率很高，但随着时间推移症状迅速减弱[13]，而POCD风险因素的综述确定它们会导致多种类型的认知功能障碍[10]。相比之下，临床前研究表明，在良好控制的实验环境下，包括全身麻醉和全身性炎症在内的每个独立风险因素都可以导致特定领域的认知下降[16,17]。基于这些发现，可以推测所有接受全身麻醉手术的患者都受到麻醉的类似影响，并且在没有暴露于其他POCD风险因素的情况下，大多数患者将在术后完全恢复。但是，如果存在其他风险因素如高龄、麻醉时间长、手术严重程度高、术后并发症和既往认知障碍，那么一些患者将发展为具有多种和广泛类型认知功能障碍的临床POCD[12–14]。
大量关于全身麻醉和丘脑之间关系的知识支持了我们对麻醉对POCD短期影响的假设。许多研究证明了麻醉对大脑的影响。动物研究报告了麻醉药（包括七氟烷）的神经毒性，诱导神经元细胞死亡[18,58,59]。在人体研究中，已证明丘脑是麻醉药作用的关键靶点[60]。此外，麻醉药（包括七氟烷）减少了丘脑的区域脑血流量[22]和局部葡萄糖代谢[25]。此外，麻醉在POCD发展中的潜在参与是一个备受争议的话题。一些研究表明，使用全身麻醉时POCD的风险增加[61]，但一项检查麻醉类型（区域或全身）与POCD之间关系的荟萃分析得出结论，全身麻醉不会导致长期POCD[62]。我们的研究结果表明，全身麻醉是术后早期POCD的一个风险因素。然而，POCD的发展可能需要额外的风险因素。因此，与其他风险因素相比，全身麻醉的效果可能太微弱以至于无法导致长期POCD。
我们的研究有几个优点和局限性需要讨论。本研究的优点包括控制了POCD的许多风险因素、前瞻性队列设计、两个时间点MRI扫描的统一方案以及较低手术应激的同质性。基于这些优点，我们成功检测到了丘脑体积减少和注意力功能障碍作为POCD的中间表型。本研究的局限性包括样本量相对较小，这可能会阻止检测对认知功能更微妙的影响。本研究的另一个局限性是右侧丘脑显著的组别与时间交互作用不仅基于患者组丘脑体积的减少，也基于对照组丘脑体积的增加。我们得出结论，心理测试的短期干预是导致HCs中rGMV增加的原因。既往一项研究发现，在非常短期的干预（最多90分钟）后rGMV显著增加[63]。因此，与心理测量中观察到的学习效应相关的几项心理测试（约2小时）的短期干预可能导致了HCs大脑的结构性变化。因此，我们相信我们关于术后丘脑体积改变的发现是可靠的。此外，我们无法完全排除炎症的影响。我们没有测量炎症因子来估计炎症的影响。然而，既往一项动物研究发现，低侵入性手术不会损害海马依赖的认知功能[64]，而海马被认为对炎症高度易感[65]。因此，在低侵入性手术（如乳腺癌手术）后，炎症介导的变化不太可能导致患者认知功能障碍。最后，由于麻醉药用量与丘脑体积变化之间没有直接关系，基于当前发现无法断定麻醉是否导致了这种减少。然而，大量既往证据支持这种关系[22–25]。
尽管存在这些局限性，我们检测到了术后早期认知功能和脑结构的显著变化。一般来说，POCD的临床症状过于异质性，无法准确阐明其神经病理，但当前发现可以为未来旨在改善接受手术患者QOL的研究提供新的见解。
支持信息
S1文本. 研究方案。
S2文本. IRB方案。
S3文本. 批准证明。
S1表. TREND声明清单。
致谢
我们感谢研究参与者、心理测试考官以及发育、衰老与癌症研究所和东北大学医院的所有同事们的支持。
财务披露
本研究的财务支持来自国际灾害科学研究所特别项目研究基金，以及日本文部科学省青年科学家（B）资助金（KAKENHI 24790653）。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备中没有作用。
竞争利益
我们的研究是使用一项资助金（日本文部科学省科学家资助金（KAKENHI）等）进行的。首席研究员Ryuta Kawashima从任天堂公司获得版税收入。“任天堂3DS”、“ONI训练”、“俄罗斯方块”是任天堂公司的产品，这些产品原计划用于“乳腺癌患者认知功能障碍的神经学基础”整个方案中的一项干预研究。然而，当前研究没有使用这些游戏进行干预。这并不改变我们遵守所有PLOS ONE关于共享数据和材料政策的承诺。
作者贡献
构思和设计实验：CS AS MK YK RN H. Takeuchi H. Tada TI YT RK NO。进行实验：CS AS MK YK RN H. Takeuchi H. Tada。分析数据：CS AS RN H. Takeuchi。贡献试剂/材料/分析工具：CS AS RN H. Takeuchi。撰写论文：CS AS。
参考文献
（此处省去原文的完整参考文献列表，列表包含65条参考文献）
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