基于體素形態學和表面形態計量學MRI觀察肌萎縮側索硬化患者大腦結構改變

王倩楠，張靜娜，張 曄，李鵬岳，桑林瓊，王 莉，吳春玲，胡 俊，邱明國*

(1.陸軍軍醫大學生物醫學工程與影像醫學系醫學圖像學教研室，重慶 400038；2.陸軍軍醫大學附屬第一醫院神經內科，重慶 400038)

肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一種致命的神經退行性疾病，臨床表現為肢體、軀干進行性神經源性肌無力[1]。目前臨床多參照世界神經病學聯盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標準[2]，結合臨床查體、肌電圖等結果診斷ALS，但早期診斷甚為困難。MRI為早期診斷ALS和監測療效提供了重要手段。基于體素形態學(voxel-based morphometry， VBM)方法是一種定量分析方法，能自動計算大腦灰質、白質和腦脊液的體積，并對活體腦結構進行精確的體素水平形態學研究[3]。基于表面形態計量學(surface-based morphometry， SBM)方法是較VBM更加精確的算法，可測量大腦復雜結構的灰質體積及皮層厚度[4]。本研究采用VBM和SBM技術，對T1WI腦結構像進行分析，以期為揭示ALS發病機制、臨床診斷和治療監測提供客觀的形態學依據。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2014年5月—2017年3月于陸軍軍醫大學附屬第一醫院臨床確診的27例ALS患者(ALS組)，符合世界神經病學聯盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標準[2]。以修訂版ALS功能評分量表(revised ALS functional rating scale, ALSFRS-R)評價ALS患者運動功能；以蒙特利爾認知評估(Montreal cognitive assessment, MoCA)量表評價患者認知功能。選取同期年齡、性別、受教育程度與ALS組相匹配的27名健康志愿者為對照組，男19名，女8名，年齡27～74歲，平均(46.3±9.0)歲，均為右利手。排除標準：藥物或酒精依賴病史；高血壓、心臟病、糖尿病、腦血管病及其他神經系統病變；激素及化療藥物應用史；精神疾病史；MR檢查禁忌證。本研究經陸軍軍醫大學醫學倫理委員會批準，所有受試者均知情同意。

1.2儀器與方法 采用Siemens Trio 3.0T MR掃描儀，8通道頭線圈。采用三維磁化準備快速梯度回波成像(three-dimensional magnetization prepared rapid gradient echo, 3D MPRAGE)序列采集T1W腦結構像，矢位狀掃描，TR 1 900 ms，TE 2. 52 ms，翻轉角9°，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層間距0，共掃描176層。

1.3圖像處理及分析

1.3.1VBM 于MatlabR2008a平臺，采用SPM 8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/)軟件VBM 8(http://dbm.neuro.uni-jena.de/vbm/download/)工具包對T1W結構像進行分析。首先進行頭動校正，然后在原始空間內將T1W腦結構像分割成腦灰質、白質和腦脊液圖像，通過非線性變換與標準模板實現最佳配準，再以8 mm半寬高對灰質、白質、腦脊液進行平滑處理。采用SPM 8軟件的雙樣本t檢驗比較ALS組與對照組間的腦灰質體積的差異，并應用VBM軟件包多元回歸分析方法對ALS組的腦灰質體積與ALSFRS-R、MoCA評分進行相關分析，對統計結果進行FDR多重比較校正，以校正后P<0.05、團塊相連體素>30個為有統計學差異的腦區。

1.3.2SBM 采用FreeSurfer(http://www.freesurfer.net/)軟件對T1W結構像進行分析。首先去除顱骨、頭皮軟組織等結構，然后對大腦結構進行分割，獲得腦灰質和腦白質結構，經過局部區域校正、平滑后重建腦皮層，應用Desikan-Killiany圖譜分割等方式最終生成腦部各區域三維重建圖，并生成各個區域皮層厚度參數文件。利用FreeSurfer的子軟件包Qdec軟件，對所測量區域進行準確定位統計，采用一般線性模型評估皮層表面的每個定點，并以受試者性別、年齡為協變量進行統計分析，最終獲得皮層厚度差異圖譜，以P<0.05(FDR校正)為差異有統計學意義。

1.4統計學分析 采用SPSS 22.0統計分析軟件，以獨立樣本t檢驗比較ALS組與對照組的年齡，性別比較采用χ2檢驗。以Pearson相關分析評價SBM有差異腦區的皮層厚度和灰質體積分別與ALSFRS-R、MoCA評分的相關性。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

ALS組與對照組年齡(t=0.043，P=0.965)和性別構成(χ2=1.271，P=0.260)差異均無統計學意義。ALS組患者ALSFRS-R評分為(34.19±6.63)分，MoCA評分為(25.30±2.66)分。

2.1VBM分析結果 與對照組比較，ALS患者雙側中央前回、左側背側丘腦、右側輔助運動區、左側中央溝蓋、雙側中央后回等運動相關腦區灰質體積顯著減小，雙側額葉、顳葉、枕葉及海馬旁回等運動區以外腦區灰質體積亦縮小(圖1A)。ALS組右側輔助運動區灰質體積與ALSFRS-R評分呈正相關(P<0.001，FDR校正，圖1B)；雙側軀體感覺運動區(中央后回)、雙側運動語言中樞(額下回)和雙側顳葉灰質體積與MoCA量表評分呈正相關(P<0.001，圖1C)。

2.2SBM分析結果 與對照組比較，ALS組右側中央前回灰質體積(圖2A)及皮層厚度(圖2B)局灶性減低(P<0.05，FDR校正)。為進一步明確右側中央前回運動功能區結構變化的具體區域，按Brodmann分區將右側中央前回分為BA4a、BA4p、BA6區后，結果顯示ALS組右側BA4a、BA4p區體積顯著減小、皮層厚度顯著降低(P均<0.05，FDR校正)；2組間BA6區灰質體積及皮層厚度差異無統計學意義(P均>0.05)；見表1。

2.3相關性分析 ALS組右側BA4a區灰質體積與ALSFRS-R評分呈正相關(r=0.418，P=0.038)，無與MoCA量表評分相關腦區(P均>0.05)。

3 討論

目前診斷ALS的依據多為臨床查體、肌電圖等結果，早期明確診斷很困難，有必要尋找一種能夠客觀、定量評價腦結構損傷的手段。

ALS患者中，初級運動皮層萎縮被認為是典型的疾病發展特征[5-6]。本研究VBM分析結果顯示，ALS患者雙側中央前回、左側背側丘腦、右側輔助運動區、左側中央溝蓋和雙側中央后回等運動相關區域灰質體積顯著減小，SBM分析結果表明ALS患者右側中央前回體積顯著降低，上述2種不同原理的分析方法計算得到的ALS患者異常腦區位置基本相同，均位于中央前回。中央前回是軀體運動中樞，控制身體對側的運動；背側丘腦作為大腦皮層與小腦、紋狀體、黑質之間相互聯系的樞紐，實現對軀體運動的調節；輔助運動區與肌張力、姿勢、雙手運動的協調及主動運動的調節有密切關系[7]。既往研究[8]亦發現ALS患者以上3個區域腦體積有所改變。本研究還發現ALS患者左側中央溝蓋和雙側中央后回體積減小。中央溝蓋也稱Rolandic蓋區，在音韻復述和言語輸出過程中起作用[9]；中央后回是軀體感覺中樞，接受身體對側的痛、溫、觸和本體感覺，并形成相應的感覺。這些區域體積萎縮與臨床ALS患者上運動神經元損傷的癥狀相吻合，提示ALS患者存在運動區灰質局部變性。本研究相關分析結果發現，ALS患者左側輔助運動區灰質體積與ALSFRS-R評分呈顯著正相關，即左側輔助運動區灰質體積越小，ALSFRS-R評分越低，患者的運動功能越差。

表1 ALS組與對照組右側中央前回運動功能區各分區灰質體積及皮層厚度比較(±s，n=27)

表1 ALS組與對照組右側中央前回運動功能區各分區灰質體積及皮層厚度比較(±s，n=27)

組別灰質體積(mm3)BA4aBA4pBA6皮層厚度(mm)BA4aBA4pBA6ALS組2 643.68±451.741 349.92±205.3410 552.48±1 364.722.46±0.202.13±0.152.73±0.20對照組3 007.31±490.241 559.65±228.3511 275.73±1 481.342.62±0.262.27±0.292.71±0.18t值2.7523.4441.8092.4862.151-0.419P值0.0080.0010.0770.0160.0360.677

圖1 VBM分析結果 A.與對照組比較，ALS組灰質體積減小的腦區； B.ALS組與ALSFRS-R評分呈正相關的腦區； C.ALS組與MoCA量表評分呈正相關的腦區

圖2 SBM分析結果 A.與對照組比較，ALS組右側中央前回灰質體積減小； B.與對照組比較，ALS組右側中央前回皮層厚度降低

高分辨率MRI結構圖像研究[5]結果顯示ALS患者大腦運動區體積變小，運動區域以外的其他腦區也出現萎縮。另一項對ALS患者的VBM研究[10]顯示，其初級感覺運動皮層和雙側額葉的灰質體積顯著降低。除運動障礙外，1/3ALS患者伴有額葉功能障礙[11]，同時ALS患者運動區域以外的皮層形態也發生了改變[12]。本研究中，與對照組比較，ALS患者雙側額葉及顳葉等與認知相關的腦區皮層體積同時縮小。聽覺識別記憶與左側額下回和左側顳極內的皮層厚度有關，而視覺對象識別記憶與右側顳極內的皮層厚度有關[13]。ALS患者的語言功能障礙程度不一，從亞臨床期到語言不流利、再到失語癥均可出現。本研究中，額葉皮層萎縮主要位于右側三角部額下回和左側背外側額上回。既往研究[14]發現，約30%ALS患者存在認知障礙，8%～14%符合行為變異型額顳葉癡呆標準，后者的認知特征包括社交認知、言語記憶、流暢性和執行功能方面的缺陷，與ALS的認知特征相似，故可支持ALS與行為變異型額顳葉癡呆的認知存在相關性的觀點。

大腦皮層為覆蓋于大腦表面呈分層排列的灰質部分，是中樞神經系統發育最為復雜和完善的部位，為高級神經活動的物質基礎，由類型復雜的神經元和神經纖維組合而成，并含有大量的膠質細胞和血管，且大腦皮層在整個生長發育期均不會發生明顯的體積或密度變化。因此，利用FreeSurfer軟件計算皮層厚度、進而獲得軟腦膜表面和白質表面之間的距離，可對大腦皮層部分的神經元、膠質細胞和神經纖維的發育情況進行評價。本研究結果顯示，與對照組比較，ALS患者右側BA4a、BA4p區皮層厚度顯著降低。BA4區位于中央前回、中央溝的內側面，為初級運動皮層，是支配對側軀體隨意運動的中樞，主要接受來自對側骨骼肌、肌腱和關節的本體感覺沖動，以感受身體的位置、姿勢和運動感覺，并發出纖維，即錐體束控制對側骨骼肌的隨意運動。ALS患者BA4區發生體積萎縮，與臨床ALS患者運動神經元的損傷癥狀相吻合。本研究發現右側BA4a區皮層厚度及體積與ALSFRS-R評分呈正相關，表明右側BA4a區皮層越薄，上運動神經元受累越明顯，疾病越嚴重。

本研究的局限性：①樣本量較小，下一步還需擴大樣本量；②未對ALS疾病進展進行縱向觀察，對ALS疾病的發展情況有待進一步認識；③還需改進算法，提高數據分析的準確性，以使實驗結果更具有普適性。

綜上所述，通過分析ALS患者全腦皮層體積，發現其與運動功能相關的腦區皮層體積萎縮，包括初級運動皮層的變薄和額顳葉區域體積縮小，提示ALS患者運動功能的損害有其解剖學改變基礎，BA4a區的皮層厚度及體積有望作為生物影像學標記物，用于監測ALS疾病進展。