基于海馬亞區(qū)的阿爾茨海默病磁共振結(jié)構(gòu)和功能連接研究

田仰華，余永強(qiáng)，汪 凱

阿爾茨海默病( Alzheimer’s disease,AD) 是常見的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性病，以進(jìn)行性認(rèn)知功能障礙和生活能力下降為主要臨床特征[1]。海馬結(jié)構(gòu)和功能的改變在AD的發(fā)病機(jī)制中起著重要的作用[2-3]。近來研究[4-6]顯示左側(cè)海馬由前向后可細(xì)分為情緒亞區(qū)、記憶認(rèn)知亞區(qū)以及感知覺亞區(qū)3個功能亞區(qū)，右側(cè)海馬尚缺乏統(tǒng)一的亞區(qū)分割標(biāo)準(zhǔn)[7]。該研究擬基于磁共振海馬精細(xì)分區(qū)的方法，探討AD患者左側(cè)海馬不同亞區(qū)結(jié)構(gòu)和功能改變，以揭示海馬不同亞區(qū)結(jié)構(gòu)、功能改變在AD發(fā)病中的作用，為將來基于功能連接的物理治療提供實(shí)驗基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1病例資料AD組共納入16例患者，選取2014年1月～ 2017年11月于安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科記憶障礙門診及住院患者，入組標(biāo)準(zhǔn)：① 所有患者均符合美國神經(jīng)病學(xué)、言語障礙和卒中老年性癡呆和相關(guān)疾病學(xué)會(NINCDS-ADRDA)診斷標(biāo)準(zhǔn)中的很可能診斷為AD者；② 文化程度≥5年；③ 能配合完成40 min磁共振檢查和簡單認(rèn)知功能測試。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 存在其他神經(jīng)精神系統(tǒng)疾?。虎?存在酗酒史或者藥物依賴史等；③ 有磁共振掃描禁忌證者；④ 頭顱MRI平掃顯示腦內(nèi)存在異常病灶；⑤ 存在其他嚴(yán)重軀體性疾病等。

對照組共納入17例健康老人，均為患者家屬或來自于社區(qū)招募。入組標(biāo)準(zhǔn)：① 文化程度≥5年；無記憶障礙、情緒障礙、睡眠障礙等主訴；② 簡明精神狀態(tài)測試(mini-mental state examination,MMSE)≥26；③ 無磁共振掃描禁忌證；④ 無神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病及其他嚴(yán)重軀體性疾病等。

被試均予以MMSE以評估認(rèn)知功能，所有被試者或監(jiān)護(hù)人簽寫知情同意書，本研究經(jīng)安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2方法

1.2.1磁共振數(shù)據(jù)采集 3D結(jié)構(gòu)及靜息態(tài)功能磁共振均在醫(yī)院采用GE Signa 3.0T MRI儀采集。掃描前要求被試保持清醒、閉眼、保持不動。正式掃描前采集T1加權(quán)成像及T2加權(quán)成像，排除明顯器質(zhì)性病變。

3D結(jié)構(gòu)磁共振采用三維快速自旋回波序列，具體參數(shù)如下：重復(fù)時間(repetition time)=7.0 ms，回波時間(echo time)=2.9 ms，反轉(zhuǎn)時間=900 ms，視野=240 mm×226 mm，矩陣256×256，層厚1.2 mm。

靜息態(tài)磁共振采用梯度回波結(jié)合單次激發(fā)回波平面成像序列，具體參數(shù)如下：重復(fù)時間(repetition time)=2 000 ms，回波時間(echo time)=30 ms，反轉(zhuǎn)角=90°，視野=240 mm×240 mm，矩陣64×64，層厚3 mm。

1.2.2灰質(zhì)體積計算 使用DPARSF軟件包(http://rfmri.org/DPARSF)將磁共振結(jié)構(gòu)像DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NIFIT格式，調(diào)用SPM軟件包對NIFIT文件進(jìn)行組織識別及分割，生成每位被試的灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液圖。將得到灰質(zhì)圖配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間，體素大小為2 mm×2 mm×2 mm，采用4 mm的半高全寬高斯平滑核將配準(zhǔn)的圖形進(jìn)行空間平滑。

1.2.3靜息態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)處理 使用DPARSF軟件包(http://rfmri.org/DPARSF)對靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括以下過程：① DICOM格式轉(zhuǎn)換為NIFIT格式；② 去除前10個時間點(diǎn)以達(dá)到磁場穩(wěn)定并且讓被試適應(yīng)掃描環(huán)境；③ 時間點(diǎn)校正；④ 頭動校正，本研究中，頭動大小范圍控制在平移<3 mm，旋轉(zhuǎn)<3°之內(nèi)；⑤ 去除協(xié)變量：包括線性趨勢、頭動、白質(zhì)信號、腦脊液信號變量；⑥ 空間標(biāo)準(zhǔn)化，利用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)像分割信息將個體功能像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間；⑦ 空間平滑：采用4 mm的半高全寬高斯平滑核進(jìn)行空間平滑。

1.2.4功能連接計算 基于Robinson et al[7]的研究，將左側(cè)海馬自前向后分為的情緒、認(rèn)知和感知覺三個亞區(qū)。鑒于Robinson et al[7]的研究中海馬的認(rèn)知亞區(qū)與情緒亞區(qū)、認(rèn)知亞區(qū)與感知覺亞區(qū)存在少許重合區(qū)域(圖1A)，將重合區(qū)域去除后的亞區(qū)作為感興趣區(qū)(圖1B)。將得到的感興趣區(qū)重采樣為3 mm×3 mm×3 mm分辨率，去除0.01～0.1 Hz以外的信號，并提取感興趣區(qū)內(nèi)的時間序列以進(jìn)一步與全腦每個體素時間序列進(jìn)行Pearson相關(guān)分析。采用Fisher’s-to-z轉(zhuǎn)換將相關(guān)系數(shù)r轉(zhuǎn)換為z值，每個體素對應(yīng)一個z值，z值即是感興趣區(qū)與該體素的功能連接強(qiáng)度。

1.3統(tǒng)計學(xué)處理采用SPSS 16.0軟件對一般人口學(xué)及臨床資料進(jìn)行分析。計數(shù)資料采用χ2檢驗，兩組間年齡、受教育年限、MMSE得分值采用獨(dú)立樣本t檢驗，檢驗標(biāo)準(zhǔn)為P<0.05。兩組間各海馬亞區(qū)灰質(zhì)體積比較采用獨(dú)立樣本t檢驗。采用dpabi軟件包[8]對得到的全腦的靜息態(tài)功能連接圖分別進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗，以年齡、受教育年限作為協(xié)變量，得到統(tǒng)計圖，采用GRF多重比較，體素水平P<0.001并且團(tuán)塊水平P<0.05(雙側(cè))的腦區(qū)為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。提取感興趣區(qū)與差異腦區(qū)間功能連接的強(qiáng)度(z值)與MMSE得分進(jìn)行相關(guān)分析，P<0.05(雙側(cè))為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1一般人口學(xué)及臨床資料AD組及對照組在年齡、性別、教育年限差異無統(tǒng)計學(xué)意義，AD組MMSE得分明顯低于對照組得分，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)，見表1。

2.2兩組海馬灰質(zhì)體積分析結(jié)果AD組左側(cè)海馬各亞區(qū)的灰質(zhì)體積均明顯低于HC組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.001)。見表2。

2.3兩組海馬亞區(qū)與全腦靜息態(tài)功能連接分析結(jié)果

圖1 左側(cè)海馬各亞區(qū)A：左側(cè)海馬分為情緒亞區(qū)(藍(lán)色)、認(rèn)知亞區(qū)(正紅色)及感知覺亞區(qū)(綠色)，其中情緒亞區(qū)與認(rèn)知亞區(qū)存在重疊區(qū)域(品紅色)，認(rèn)知亞區(qū)和感知覺亞區(qū)存在重疊區(qū)域(黃色)；B：去除重疊區(qū)域后的海馬情緒亞區(qū)(藍(lán)色)、認(rèn)知亞區(qū)(正紅色)及感知覺亞區(qū)(綠色)

表1 兩組間人口學(xué)及臨床資料

表2 兩組間各海馬亞區(qū)的灰質(zhì)體積

圖2 AD組左側(cè)海馬認(rèn)知亞區(qū)與右側(cè)背外側(cè)前額葉功能連接增加

以左側(cè)海馬3個亞區(qū)分別與全腦做靜息態(tài)功能連接分析，AD組的左側(cè)海馬的認(rèn)知亞區(qū)與右側(cè)背外側(cè)前額間的功能連接顯著高于對照組[團(tuán)塊大小=36體素，峰值點(diǎn)坐標(biāo)(x=54,y=42,z=-3)，峰值點(diǎn)t=5.33](圖2),左側(cè)海馬認(rèn)知亞區(qū)與右側(cè)背外側(cè)前額間的功能連接值與MMSE得分無相關(guān)性(P>0.05)；情緒亞區(qū)和感知覺亞區(qū)與全腦功能連接在兩組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

3 討論

海馬是情景記憶的重要神經(jīng)基礎(chǔ)，其與廣泛的皮層及皮層下結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，共同組成記憶系統(tǒng)。作為以情景記憶損害為主的慢性退行性中樞系統(tǒng)疾病，AD的發(fā)生發(fā)展與海馬的結(jié)構(gòu)、功能異常密切相關(guān)。研究[9]證實(shí)，AD 患者的海馬存在著不同程度的萎縮。此外，有研究[10]利用靜息態(tài)磁共振的分析方法同樣提示AD患者海馬功能存在異常。通常認(rèn)為，海馬作為一個復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其不同的亞區(qū)發(fā)揮不同的功能。大量動物實(shí)驗及人體研究[4-5]證實(shí)，海馬的前部(小鼠的腹側(cè))主要與情緒相關(guān)，而海馬的后部(小鼠的背側(cè))主要與記憶等認(rèn)知相關(guān)。以往關(guān)于AD的研究大多僅僅關(guān)注整體海馬的變化，較少研究從海馬認(rèn)知-情緒亞區(qū)的角度分析AD的不同海馬亞區(qū)變化。

本研究利用灰質(zhì)體積和功能連接的方法,評估AD患者左側(cè)不同海馬亞區(qū)的結(jié)構(gòu)和功能改變。海馬亞區(qū)灰質(zhì)體積結(jié)果顯示，AD患者在左側(cè)海馬各亞區(qū)體積均明顯下降。功能連接結(jié)果顯示，與對照組相比，AD組左側(cè)海馬認(rèn)知亞區(qū)與右側(cè)背外側(cè)前額葉間功能連接增強(qiáng)。左側(cè)海馬情感亞區(qū)、感知覺亞區(qū)的功能連接在兩組間無明顯差異。結(jié)果提示，相對于其他海馬亞區(qū)，海馬認(rèn)知亞區(qū)的功能改變與AD更為相關(guān)。與本研究結(jié)果相似，Hong et al[11]發(fā)現(xiàn)AD及輕度認(rèn)知功能障礙患者海馬中部結(jié)構(gòu)異常，而且Shim et al[12]研究提示左側(cè)海馬后部結(jié)構(gòu)完整性能預(yù)測AD及輕度認(rèn)知功能障礙的記憶功能。海馬記憶認(rèn)知亞區(qū)與海馬旁回、前扣帶回、前額葉、頂葉等結(jié)構(gòu)相連接，這些腦區(qū)在記憶的編碼、鞏固、提取過程均有顯著激活[7]。其中，背外側(cè)前額葉參與記憶的多個過程。很多研究[13]表明背外側(cè)前額葉功能活躍是多種記憶障礙患者的一種認(rèn)知補(bǔ)償機(jī)制。與此類似，本研究中AD患者海馬-背外側(cè)前額葉功能連接增加可能是一種認(rèn)知補(bǔ)償機(jī)制。與以往研究不同，本研究并未發(fā)現(xiàn)與海馬認(rèn)知亞區(qū)功能連接下降的腦區(qū)，造成這種差異可能有以下幾個原因：首先，不同年齡起病的癡呆患者海馬功能變化模式不同，研究證實(shí)與晚發(fā)性AD患者不同，未發(fā)現(xiàn)早發(fā)性AD患者海馬功能連接減弱[14]；此外，不同時期AD其海馬功能也有所區(qū)別，有研究[15]報道晚期AD患者海馬與多個腦區(qū)功能連接下降，而輕度認(rèn)知功能障礙及早期AD患者海馬功能基本保留；最后本研究中納入樣本較少，可能也是導(dǎo)致未發(fā)現(xiàn)與海馬亞區(qū)功能連接下降腦區(qū)的原因之一。

本研究存在一定的局限性。本研究樣本量較小可能是未發(fā)現(xiàn)影像學(xué)變化與臨床評分相關(guān)性的原因；由于右側(cè)海馬亞區(qū)分割國際尚缺乏一致意見，本研究僅針對于左側(cè)海馬的亞區(qū)進(jìn)行分析，結(jié)論有一定的局限性。

總之，本研究基于海馬精細(xì)亞區(qū)分割的角度分析AD患者的不同海馬亞區(qū)結(jié)構(gòu)和功能變化，結(jié)果顯示在結(jié)構(gòu)方面，海馬各亞區(qū)灰質(zhì)體積均明顯下降，在功能方面，僅發(fā)現(xiàn)海馬認(rèn)知亞區(qū)功能改變，為解析海馬在AD發(fā)病機(jī)制中起著一定的作用，同時為將來基于功能連接的經(jīng)顱磁刺激等物理治療的靶點(diǎn)選擇提供實(shí)驗依據(jù)。