糖尿病視網膜病變視覺傳導通路多模態MRI研究進展

李玉敏， 周紅梅， 徐向陽

糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病患者最常見和最嚴重的微血管并發癥之一，是世界上成人獲得性眼盲最常見的原因之一。隨著糖尿病病程延長，DR發病率逐漸增高，確診為糖尿病10年后， DR的發病率為50%，25年后則增至90%[1]；其發病危險因素除與糖尿病病程有關外，還與長期高血糖[2]、高血壓[3]、血脂異常[4]和腎病[5]密切相關。DR的基本病理改變是視網膜毛細血管閉塞性循環障礙，病變進展引起視網膜水腫、出血和纖維化，是導致患者失明的主要原因[6]。然而引起DR患者視力受損的原因，不僅與視網膜微血管病變有關，還與視覺傳導通路不同部位的病理生理改變有關；但由于視覺傳導通路解剖結構特殊、復雜，除視乳頭病變外均難以通過眼科常規檢查發現，且其早期癥狀隱匿，加之傳統MRI檢查技術難以檢視全視路的病理生理改變，故往往會延誤治療。因此，探尋早期視覺傳導通路損傷的有效、無創性的檢測方法，對DR患者早預防、早診斷、早治療具有重要意義。近年來，隨著功能磁共振成像的快速發展，許多MRI新技術廣泛應用于DR的研究中。由于常規MRI應用的局限性，越來越多的研究者采用多模態MRI對DR進行進一步評價，為DR的診斷、視覺傳導通路結構和功能方面的改變及其引起視覺功能障礙的病理生理機制提供了更多的影像學依據。

視覺傳導通路與視覺功能障礙

視覺傳導通路是一個重要的神經傳導通路，指視網膜光感受器接收視覺信息開始，直到大腦枕葉皮質紋狀區的視覺中樞的全部視覺神經沖動傳遞通路，由雙側視網膜、視神經、視束、外側膝狀體、視輻射和視覺皮層組成。視覺傳導通路解剖位置特殊、走形較長、結構復雜，不同部位損傷會引起不同程度的視覺功能障礙(visual impairment，VI)，早期表現為視力下降，嚴重者會導致視野缺損甚至失明。根據威斯康辛州糖尿病視網膜病變流行病學(wisconsin epidemiological study of diabetic retinopathy，WESDR)對Ⅰ型糖尿病患者視覺功能障礙25年累計發病率的調查研究顯示，VI和嚴重VI的25年累計發病率分別為13%和3%[7]。

糖尿病視網膜病變進展可引起一系列微血管病變，如視網膜毛細血管通透性增加或毛細血管無灌注、新生毛細血管的形成和伴隨的纖維組織收縮引起的視網膜變形和牽拉性視網膜脫離、新生毛細血管出血，這些視網膜的血管變化同時伴有視網膜神經元的損傷[8]，是視力受損的最終共同途徑。然而引起DR患者視覺功能障礙的原因還與視覺傳導通路多部位病理生理改變有關。既往的臨床研究已有述及，在一些糖尿病患者中，體格檢查發現視網膜病理改變之前，視覺功能可能已經受損[9,10]。近年來多項研究表明，DR患者的視覺誘發電位、視網膜電流圖、對比敏感度、色覺等均有明顯改變；甚至在無視網膜病變的糖尿病患者中可發生視覺誘發電位和視網膜電流圖的異常[11]。Yamazaki等[12]通過對DR患者行視覺誘發電位檢查，發現相對對照組的對比度閾值顯著增高，認為患者存在視網膜功能及視覺有關神經傳導通路的異常。長期的高血糖狀態會引起實驗性大鼠視路三級神經元(視網膜節細胞、外側膝狀體、視覺皮層)產生不可逆性損傷[13]。近期的組織學研究已經證明，在動物實驗性糖尿病早期階段，眼發生實質性形態學改變之前，顱內視神經已經發生了微細結構改變[14,15]。這些研究表明DR會引起視路不同部位的病理生理改變，這為多模態MRI應用于DR的研究和早期防治視力受損奠定了基礎。

多模態MRI表現

神經影像學的發生和發展，特別是MRI新技術的應用可以無創性地研究活體大腦微細結構和腦功能狀態。在DR患者中，大腦尚未出現明顯形態學改變之前，常規MRI檢查對DR患者視覺傳導通路損害程度的診斷及評估價值有限，而多模態MRI新技術可以早期發現和定量評估DR患者腦視覺傳導通路微細結構和功能改變。目前常用于研究DR的多模態MRI技術，包括結構MRI(structural MRI，sMRI)和功能MRI(functional MRI， fMRI)?；隗w素的形態學測量( voxel-based morphometry，VBM)是目前應用較為廣泛的腦結構形態學測量方法。對于功能成像，廣義上講能夠反映腦組織功能的MR成像方法統稱為功能MRI，主要包括動態增強MRI(dynamic contrast enhancement MRI，DCE-MRI)、磁共振波譜成像(magnetic resonance spectrum，MRS)、擴散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、血氧水平依賴功能磁共振成像(BOLD-fMRI)等，它們可以從不同角度反映DR的腦微觀結構改變、血-視網膜屏障(blood-retina barrier，BRB)破壞程度、腦組織代謝情況、神經纖維完整性、腦組織整體或局部功能活動狀況等。

1.結構MRI

由于視網膜和大腦血管有相似的生理學特點、解剖學特性和胚胎學起源[16]，糖尿病導致的視網膜病變常作為糖尿病腦血管病變的標志[17]，因此，DR患者更容易出現腦萎縮，相對于全腦萎縮，局部腦萎縮更受研究者重視。腦萎縮可以通過測量皮質直徑或基于體素的形態學測量學進行評估，VBM是目前最常用的方法。Gupta等[18]通過尸檢發現青光眼患者視神經、外側膝狀體及視覺皮層存在神經元退行性變；Ptito等[19]對先天性失明患者的整個視覺傳導通路采用VBM進行研究，發現膝狀體-紋狀體系統存在明顯的萎縮性改變，主要包括視神經、視交叉、視輻射以及主要的視覺輔助區(Brodmann分區17、18和19)的萎縮；這為磁共振形態學測量方法研究腦視覺傳導通路相關病變提供了根據。Hugenschmidt等[20]對病變嚴重程度不同的DR患者研究發現，輕、中、重度DR患者與灰質容積減少存在負相關性。Wessels等[21]對Ⅰ型糖尿病合并視網膜病變患者采用VBM方法比較大腦皮質的灰質密度，發現DR患者右側額下回、左側額中回、右側頂葉、左側小腦半球皮質厚度明顯減小，提示DR患者相關腦區存在萎縮性改變及神經元的缺失。DR引起的腦灰質密度降低可能與糖尿病病程和長期血糖水平控制不佳引起的微血管病變有關。VBM方法可以直觀、敏感測量腦結構體積以及白質纖維的萎縮情況，有利于了解DR患者整個視覺傳導通路及相關腦區的具體形態學改變，但對DR患者早期視覺傳導通路的損傷評估仍有一定局限性，近年來fMRI逐漸應用于DR的診斷與鑒別診斷中。

2.功能性MRI

DCE-MRI:DR分期包括非增殖期DR和增殖期DR，增殖期DR主要表現為視網膜內微循環障礙，毛細血管通透性增加，血管壁內的液體成分滲入到組織內，最終導致視網膜血管內皮和色素上皮之間的屏障即BRB被破壞，病變進一步發展可導致糖尿病黃斑水腫和視網膜脫離，造成不可逆性視力受損[22]。因此早期發現BRB病理改變對延緩DR病變進展和防治視力進一步受損至關重要。相關研究表明，DCE-MRI可作為檢測活體視網膜BRB的有效檢查方法[23]。目前有關糖尿病視網膜DCE-MRI的研究多集中于臨床反饋和動物模型試驗中。Watanabe等[24]最先采用錳離子增強MRI示蹤大鼠視覺系統，向大鼠模型雙眼玻璃體內注射錳離子24h后進行MRI掃描，從視網膜神經節細胞開始，可清晰顯示視神經、視交叉、頂蓋前核、視束到外側膝狀體的走行，同時，DCE-MRI可用來評估糖尿病視網膜病變BRB的破壞情況。Berkowitz等[23]在不同月齡的糖尿病大鼠玻璃體內注射人血清白蛋白(HSA)、血管內皮生長因子/血管通透因子(VGEF/VPF)，通過動態增強MRI檢測糖尿病大鼠BRB的表面滲透產物(blood retinal barrier permeability surface area product ,BRB PS)，發現注射VGEF的8個月月齡大鼠的BRB PS顯著升高，且其玻璃體內的信號強度依賴于GD-DTPA的劑量。有研究表明DCE-MRI還可作為評估臨床藥物治療DR患者療效的有效檢測手段，Berkowitz等[25]采用DCE-MRI對糖尿病視網膜病變大鼠模型進行研究，結果顯示與對照組相比，未經α-硫辛酸處理的糖尿病大鼠其視網膜受體攝取離子水平均顯著低于正常情況，而α-硫辛酸可以糾正這種異常，抑制氧化應激反應，進而說明DCE-MRI可以為DR患者臨床藥物干預治療提供可靠、客觀的依據。以上動物實驗研究表明，DCE-MRI在追蹤腦視覺傳導通路、評估BRB破壞程度及藥物治療療效上有其獨特的優勢，在活體糖尿病視網膜病變的研究中有著廣泛的應用前景，對深入研究視網膜病變的生理機制、臨床治療指導和預后干預措施有重要意義。

MRS:糖尿病視網膜病變會引起腦視覺傳導通路不同部位的代謝異常，主要以視覺皮層代謝異常為主，其中以NAA含量下降最具代表性，提示神經元缺失和功能障礙。1994年，Berkowitz等[26]首次將MRS應用于眼科學。此后，Rucker等[27]利用MRS檢測人類玻璃體內乳酸值的變化；說明腦內視覺傳導通路的MRS對深入研究糖尿病眼部并發癥及其與視力受損的關系有重要價值。Ozsoy等[28]對正常對照組、糖尿病(diabetes mellitus,DM)、非增殖期視網膜病變(non-proliferative retinopathy,NPDR)和DR四組視覺皮層代謝物包括NAA/Cr、Cho/Cr和NAA/Cho比值進行研究，結果顯示隨著DR病變進展，NAA/Cr及NAA/Cho值下降，雖然差異無統計學意義，但以糖化血紅蛋白(HbA1c)8%作為分界，隨著HbA1c上升，枕葉視覺皮層NAA含量顯著下降，視皮層神經元減少。我國學者Zhang等[29]通過單體素1H-MRS研究表明，相對于正常對照組，DR患者枕葉視皮層和視輻射區的NAA/Cr含量下降，ml/Cr值、ml/Cr第二峰值顯著升高，提示神經細胞活性和功能障礙。Sahin等[30]研究發現DR患者視覺皮質存在代謝異常，這可能是由于DR患者的視覺中樞長期缺乏有效的視覺刺激，進而影響視覺傳導通路的微細結構及功能改變。Kitajima等[31]采用MRI進行研究，亦證明不同原因引起的視網膜病變患者視野缺損與視皮層神經元退行性變有關。

DTI:近年來，DTI越來越多地應用于視路及其相關疾病的診斷和臨床研究中[32]，不僅可以定量評估視路髓鞘及軸突病理改變，還可顯示病灶和視路的解剖位置及白質纖維的連通性和完整性。常用的測量參數包括部分各向異性(fractional anisotropy，FA)、平均彌散率(mean diffusivity，MD)、軸向擴散系數(axial diffusivity，AD)、徑向擴散系數(radial-diffusivity，RD)等。其中FA是最常用、最敏感的指標，能夠反映白質纖維的完整性。Sun等[33]和Song等[34]通過動物實驗研究發現，視網膜缺血數天后視神經FA值顯著下降。

國內外關于糖尿病視網膜病變的腦部DTI研究表明，DR患者存在視覺傳導通路不同部位的FA值改變，尤其以視神經、視束和視輻射的FA值減低最為明顯。2008年，Kodl等[35]對25例Ⅰ型糖尿病(type Ⅰ diabetes mellitus,T1DM)患者的DTI研究發現視放射和后輻射冠白質纖維的FA值下降；隨后，該研究組進一步發現變薄的皮層區域(枕葉楔葉、頂葉中部楔前葉、梭狀回和后頂葉皮層)與白質束損傷(視放射、后輻射冠和胼胝體壓部)之間的高度連通性[36]。Kancherla等[14]對活體糖尿病大鼠模型進行腦視覺傳導通路微細結構DTI分析，發現糖尿病視網膜病變大鼠的視神經FA值顯著下降， RD值顯著升高， AD和MD值無明顯變化，視束和前聯合的DTI各參數無明顯差異，并結合視網膜錳及鉻增強掃描，證實了在糖尿病大鼠中，視網膜發生形態學改變之前，腦視覺傳導通路白質纖維的完整性已經發生異常，表明在糖尿病的早期階段，腦視覺傳導通路已經發生病理改變。最新的動物實驗證實，大鼠單側視神經離斷后，與對照組相比，雙側視束FA值顯著下降，RD值顯著升高，認為FA和RD兩個參數可作為評估視束退行性變的指標[37]?？傊?，DTI能夠更敏感地揭示DR患者腦視覺傳導通路不同部位的病理改變，這可能部分解釋了體格檢查尚未發現視網膜形態學改變之前DR患者視覺功能障礙的生理機制。

靜息態fMRI(resting state fMRI,rs-fMRI)是指受檢者處在清醒、閉眼的休息狀態下進行的MRI掃描，可以反映靜息狀態下神經元的自發性活動，可以度量顱腦神經活動激活的程度和模式，近年來已經廣泛應用于糖尿病相關腦病的功能研究及其他中樞神經系統疾病中，特別是在局部一致性(regional homogeneity,ReHo)、低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)和功能連接(functional connectivity,FC)三個方面。ReHo可以反映大腦某個特定區域單個體素與其相鄰體素之間的神經元協同性活動，ALFF可以評價每個體素的神經元的自發性活動特點，FC則可反映不同腦區之間的信息交換。以往rs-fMRI多應用于糖尿病及相關腦病的研究中，隨著研究的深入和技術的進展，關于DR患者的rs-fMRI研究越來越受重視。我國學者Chen等[38]對60例不同原因引起的腦視覺傳導通路損傷的患者采用腦Bold MRI結合DTI的研究方法，發現視輻射與視覺皮層激活區相連接，即視覺皮層的功能與視覺通路的完整性緊密相關，這為采用rs-fMRI研究糖尿病視網膜病變奠定了基礎。

大量關于糖尿病相關腦病的rs-fMRI研究顯示，神經活動減低的區域多集中在默認模式網絡區(default mode network，DMN)和工作記憶區，而DR患者除上述腦區的改變外，視覺網絡區也發生了明顯改變，視覺網絡包括距狀回、舌回、楔前葉、楔葉、后扣帶回、小腦和頂下小葉。人類的視覺皮層包括初級視皮層(V1)和紋外皮層(如V2、V3、V4、V5等)，初級視皮層位于Brodmann17區，紋外皮層包括Brodmann18區和Brodmann19區，屬于高級視覺皮層。Cui等[39]研究發現，當常規MRI檢查無異常的Ⅱ型糖尿病(type Ⅱ diabetes mellitus,T2DM)伴視網膜病變時，與健康對照組相比，其雙側舌回、右側距狀回、左側枕中回的ALFF值和ReHo值平均水平顯著降低，并與復雜圖形延遲記憶測試、數字連線測試B等視覺記憶有關測試得分降低有關。Anurova等[40]的研究亦證實，失明患者存在距狀回、枕中回、舌回等皮質厚度和任務激活程度的改變。左側枕中回、右側舌回位于Brodmann18區，因此推測枕中回、舌回等相關視覺網絡區的異常活動可能與DR患者視覺功能障礙相關，但其具體機制有待進一步研究。van Duinkerken等[41]認為視覺傳導通路和視覺網絡區神經元活動的異常可能與視網膜病變發生相關，進而推測，在視網膜病變發生之前，視覺傳導通路已經發生病理生理改變。以上研究表明DR患者存在視覺網絡和腦視覺傳導通路的神經元功能異常，這對深入探究DR患者視覺傳導通路的早期損傷及其引起視覺功能障礙的神經生理機制有著重大意義，rs-fMRI在研究糖尿病視網膜病變中也具有廣闊的應用前景。

總結與展望

糖尿病視網膜病變患者引起視力受損的原因，不僅與視網膜本身病變有關，還與視覺傳導通路的病理生理改變有關。而在眼部檢查發現特征性視網膜微血管病變之前，已經存在視覺傳導通路的微細結構改變，且常規MRI檢查評估受限。多模態MRI新技術的綜合應用能夠早期無創性定量評估和探測DR患者腦微細結構和功能改變以及BRB破環程度，能對視覺傳導通路白質纖維完整性、代謝情況、整體或局部腦活動進行評價。聯合應用多模態MRI新技術對DR患者腦視覺傳導通路進行深入研究，有望揭示患者視力受損的病理生理機制，進而可為臨床提供更具有針對性的預防措施，延緩視網膜病變進展，防治糖尿病患者視力進一步受損。