基于中國人腦圖譜Chinese2020配準(zhǔn)的阿爾茨海默病患者靜息態(tài)fMRI

歐陽麗蓉，廖偉華*，周高峰，劉孟輝，張友明，卓 沛，沈 璐

(1.中南大學(xué)湘雅醫(yī)院放射科，2.神經(jīng)內(nèi)科，湖南 長沙 410008)

目前腦靜息態(tài)功能MRI(resting-state functional MRI, rs-fMRI)研究多基于西方人腦圖譜，但在rs-fMRI數(shù)據(jù)分析處理中，恰當(dāng)?shù)娜四X圖譜選擇在圖像空間標(biāo)準(zhǔn)化以及分割、配準(zhǔn)等至關(guān)重要。與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜[西方人腦圖譜，如腦成像國際聯(lián)盟(International Consortium for Brain Mapping, ICBM)公認(rèn)的ICBM152]相比，基于中國人腦圖譜的分割更準(zhǔn)確、配準(zhǔn)過程中的形變更小，結(jié)果更符合疾病病理生理學(xué)改變[1-2]，但其對阿爾茨海默病(Alzheimer disease, AD)的研究尚不充分。本研究利用rs-fMRI技術(shù)，分別采用中國人腦圖譜Chinese2020和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152進(jìn)行分割配準(zhǔn)，通過低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation, ALFF)和局部一致性(regional homogeneity, ReHo)算法探討基于中國人腦圖譜Chinese2020配準(zhǔn)的中國AD患者靜息狀態(tài)下腦神經(jīng)元自發(fā)活動改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2015年1月—12月我院神經(jīng)內(nèi)科12例AD患者(AD組)，男5例，女7例，年齡45～76歲，平均(58.9±10.7)歲，由高年資神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師根據(jù)病史、標(biāo)準(zhǔn)化神經(jīng)心理學(xué)測試[簡易精神狀態(tài)檢查(mini-mental state examination, MMSE)、蒙特利爾認(rèn)知評估量表(Montreal Cognitive Assessment, MoCA)]等，依據(jù)美國國立精神病、語言交流障礙和卒中研究所-老年性癡呆及相關(guān)疾病學(xué)會(NINCDS-ADRDA)標(biāo)準(zhǔn)和高年資放射科神經(jīng)影像醫(yī)師診斷后納入。另選取同期性別(P=0.298)、年齡(P=0.277)相匹配的17名無神經(jīng)及精神系統(tǒng)病史的健康志愿者為正常對照組，其中男4名，女13名，年齡45～65歲，平均(55.1±6.2)歲。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(倫理批件編號201412453)，受檢者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Signa HDX 3.0 T MR掃描儀，8通道頭部線圈。掃描前囑受檢者保持頭部靜止、閉眼平靜休息。采用T2W(TR 4 480 ms, TE 120 ms)、T2-FLAIR(TR 8 500 ms, TE 168 ms，TI 2 100 ms)和三維腦容積序列(three-dimension-brain volume, 3D-BRAVO)排除腦器質(zhì)性病變。其中結(jié)構(gòu)像3D-BRAVO采用3D梯度回波T1W序列采集冠狀位圖像，層厚1 mm，共196層，TR 8 ms，TE 3 ms，翻轉(zhuǎn)角7°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm。rs-fMRI采用EPI序列，TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚4 mm，層間距0.6 mm，矩陣64×64，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，采集180個時間點(diǎn)，每個時間點(diǎn)采集32幅圖像，掃描時間6 min 12 s，沿前后聯(lián)合平行的方向進(jìn)行軸位掃描。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析 采用DPABI V2.3[3]及SPM8軟件在Matlab R2013a上對rs-fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理：①剔除rs-fMRI數(shù)據(jù)的前10個時間點(diǎn)；②時間層校正和頭動校正；③分別采用中國人腦圖譜Chinese2020和傳統(tǒng)腦圖譜ICBM152對T1W結(jié)構(gòu)像進(jìn)行分割、配準(zhǔn)，并將fMRI圖像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間；④去線性漂移；⑤去除白質(zhì)、腦脊液和全腦信號協(xié)變量；⑥采用0.01～0.08 Hz的帶通濾波進(jìn)行濾波。本研究對T1結(jié)構(gòu)像分割結(jié)果，以0.2的閾值制作平均的腦灰質(zhì)蒙片；剔除頭動平移大于2.5 mm、旋轉(zhuǎn)移動大于2.5°以及配準(zhǔn)效果不佳者。

ALFF分析：針對未經(jīng)濾波的預(yù)處理圖像，計算每個體素在0.01～0.08 Hz頻段上的信號振蕩幅度值，獲得ALFF圖像，再進(jìn)行Fisherz變換和平滑(半寬高8 mm的高斯核)。

ReHo分析：采用經(jīng)濾波后的預(yù)處理圖像，計算每個體素和周圍體素的一致性，獲得ReHo圖像，再進(jìn)行Fisherz變換和平滑(半寬高4 mm的高斯核)。

灰質(zhì)占比：差異腦區(qū)灰質(zhì)容積占整個差異腦區(qū)容積的比重，范圍為0～1。通過xjView結(jié)果報告的數(shù)據(jù)計算獲得。

采用靜息態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件包DPABI v2.3(http://rfmri.org/dpabi)的統(tǒng)計模塊(Statistical Analysis)。以單樣本t檢驗(GRF校正，體素水平P<0.001，簇水平P<0.05)分析組內(nèi)ALFF和ReHo值相對于全腦均值水平的變化。采用雙樣本t檢驗分析2組間ALFF和ReHo的差異腦區(qū)的分布，同時將性別、年齡、灰質(zhì)容積作為協(xié)變量進(jìn)行回歸分析，經(jīng)多重比較校正(AlphaSim校正，體素水平P<0.001，簇水平P<0.05)，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件。對符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，不符合正態(tài)分布的資料以中位數(shù)±四分位間距表示；計數(shù)資料以率表示。2組間年齡比較采用獨(dú)立樣本t檢驗，性別構(gòu)成比的比較采用χ2檢驗。2種腦圖譜差異性腦區(qū)的一致性采用Kappa檢驗，Kappa>0.75為一致性較好；2種腦圖譜差異性腦區(qū)灰質(zhì)占比的比較采用獨(dú)立樣本t檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

采用2種腦圖譜分析結(jié)果顯示，與正常對照組比較，AD組ALFF升高的腦區(qū)包括左側(cè)小腦、左側(cè)顳極、顳上回和顳中回，ALFF減低的腦區(qū)包括右側(cè)顳上回、右側(cè)楔前葉和右側(cè)角回(AlphaSim校正，P均<0.05)；基于2種腦圖譜計算的差異腦區(qū)一致性較好(Kappa=0.85)，見表1和圖1；基于中國人腦圖譜Chinese2020分析獲得的顯著差異腦區(qū)的平均灰質(zhì)占比為(38.85±17.88)%，基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152差異腦區(qū)的平均灰質(zhì)占比為(33.75±14.70)%，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.44，P=0.68)。

與正常對照組比較，AD組ReHo值減低腦區(qū)包括左側(cè)顳中回、右側(cè)顳下回、左側(cè)三角部額下回和左側(cè)楔葉，ReHo值升高腦區(qū)為左側(cè)小腦(AlphaSim校正，P均<0.05)。基于2種腦圖譜的差異腦區(qū)一致性較好(Kappa=0.83)。基于中國人腦圖譜Chinese2020的分析還發(fā)現(xiàn)左側(cè)楔前葉ReHo值顯著升高，而基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152發(fā)現(xiàn)左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回ReHo值升高；基于中國人腦圖譜Chinese2020分析獲得的相同差異腦區(qū)平均灰質(zhì)占比[(54.69±13.28)%]高于基于傳統(tǒng)腦圖譜ICBM152分析[(45.66±12.35)%]，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=1.35，P=0.21)。見表2和圖2。

表1 基于2種腦圖譜的AD組與正常對照組ALFF值有差異的腦區(qū)

圖1 正常對照組與AD組ALFF值差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū) 基于中國人腦圖譜Chinese2020(A)與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152(B)分析，紅色代表ALFF值升高的腦區(qū)，藍(lán)色代表ALFF值降低的腦區(qū)

腦區(qū)中國人腦圖譜Chinese2020MNI峰值坐標(biāo)(mm;x,y,z)Chinese2020峰值坐標(biāo)(mm;x,y,z)差異腦區(qū)體素個數(shù)灰質(zhì)占比(%)t值傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152MNI峰值坐標(biāo)(mm;x,y,z)差異腦區(qū)體素個數(shù)灰質(zhì)占比(%)t值左側(cè)小腦-15,-63,-24-15,-59,-16148—3.95-21,-75,-24236—4.32左側(cè)顳中回-54,-33,-12-52,-31,-84431.82-3.87-66,-36,-95438.89-5.38左側(cè)三角部額下回-48,24,24-46,23,192365.22-3.27-57,12,05834.48-3.96左側(cè)楔葉-9,-72,33-9,-63,353056.67-3.55-9,-78,424445.45-3.86右側(cè)顳下回57,48, -1855,-44, -114250.00-3.6060,-54, -1516032.50-5.20左側(cè)楔前葉-3,-63,39-3,-55,-313154.803.11————左側(cè)顳上回-66,-33,6-64,-30,72369.60-3.80————左側(cè)內(nèi)側(cè)額上回—————-6,27,483063.303.73左側(cè)中央前回—————-51,0,395442.60-3.7左側(cè)補(bǔ)充運(yùn)動區(qū)—————0,0,543154.80-3.62右側(cè)角回—————36,-48,4214441.67-3.89右側(cè)楔前葉—————6,-51,395667.90-4.84右側(cè)額中回—————27,24,454035.00-3.49

圖2 正常對照組與AD組ReHo值比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū) 基于中國人腦圖譜Chinese2020(A)與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152腦圖譜(B)分析，紅色代表ReHo值升高的腦區(qū)，藍(lán)色代表ReHo值降低的腦區(qū)

3 討論

rs-fMRI技術(shù)是神經(jīng)影像學(xué)的重要研究手段，其中ALFF和ReHo算法評估大腦活動情況的穩(wěn)定性均較高[4]。ALFF算法是計算一個頻段內(nèi)所有頻率點(diǎn)上幅度值的平均值，體現(xiàn)一個體素自發(fā)活動的強(qiáng)弱，反映大腦各區(qū)域在靜息狀態(tài)下神經(jīng)元自發(fā)活動水平，ALFF升高或降低均表明腦區(qū)神經(jīng)元自發(fā)神經(jīng)活動異常。ReHo算法[5]通過計算各體素與周圍相鄰體素的肯德爾系數(shù)衡量各體素與周圍相鄰體素時間序列的同步性，反映局部神經(jīng)元在時域上自發(fā)活動的一致性，ReHo異常升高提示局部神經(jīng)元自發(fā)活動一致性升高，反之則提示一致性下降。既往研究[6-7]證實(shí)，AD患者ALFF、ReHo變化可為探索AD的疾病生物機(jī)制和臨床標(biāo)志物提供參考。

本研究基于中國人腦圖譜Chinese2020和傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與正常對照組相比，AD組ALFF值在右側(cè)顳上回、右側(cè)楔前葉和右側(cè)角回減低，而在左側(cè)小腦、左側(cè)顳極、顳上回和顳中回升高；AD組ReHo值在左側(cè)顳中回、右側(cè)顳下回、左側(cè)三角部額下回和左側(cè)楔葉減低，而在左側(cè)小腦升高；與基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜ICBM152分析比較，基于中國人腦圖譜Chinese2020分析獲得的相同的差異腦區(qū)平均灰質(zhì)占比的平均值差異無統(tǒng)計學(xué)意義，但數(shù)值有所增大，推測基于中國人腦圖譜Chinese2020數(shù)據(jù)分析可能更符合國人大腦的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，配準(zhǔn)和分割準(zhǔn)確性更高。

本研究中基于2種標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜分析的顯著差異腦區(qū)一致性較好，主要集中于小腦、楔前葉、顳葉和角回等腦區(qū)，且ALFF和ReHo值在小腦均顯著升高。劉怡秋等[8]發(fā)現(xiàn)中度與輕度AD患者小腦內(nèi)功能連接異常存在差異，認(rèn)為小腦功能連接異常在AD進(jìn)程中有較為重要的作用；Cha等[9]認(rèn)為AD患者雙側(cè)小腦ALFF降低，左側(cè)小腦ReHo降低，與本研究結(jié)果相反。有學(xué)者[10]提出AD患者為保持認(rèn)知功能完整，會出現(xiàn)神經(jīng)補(bǔ)償機(jī)制，但隨著病程加重，該補(bǔ)償機(jī)制可能逐漸減少。本研究發(fā)現(xiàn)小腦活動性及一致性均升高，推測是AD患者自身神經(jīng)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果。本研究還發(fā)現(xiàn)AD患者楔前葉、顳葉、角回等腦區(qū)ALFF和ReHo均有改變，與既往研究[9,11]結(jié)果相同。楔前葉負(fù)責(zé)探測觸覺、視覺信息，也參與長期記憶工作，顳葉負(fù)責(zé)聽覺信息，角回負(fù)責(zé)語義處理，以上區(qū)域均屬于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能活動與情景記憶的提取、認(rèn)知和情感過程等有關(guān)，而AD患者的主要臨床表現(xiàn)恰為記憶障礙，伴人格改變及思維、語言障礙等精神癥狀。本研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的功能活動異常是AD的病理生理發(fā)病機(jī)制之一。另外，本研究基于2種腦圖譜分析均發(fā)現(xiàn)AD患者顳極ALFF升高。顳極屬邊緣系統(tǒng)，Hamalainen等[12]采用任務(wù)態(tài)方法研究輕度認(rèn)知障礙患者腦功能改變，同樣發(fā)現(xiàn)邊緣系統(tǒng)在記憶任務(wù)過程中呈高激活狀態(tài)。本研究2種標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜分析的顯著差異腦區(qū)大體一致，提示基于中國人腦圖譜的分析同樣可表征AD患者腦神經(jīng)元自發(fā)活動異常。

中國人腦圖譜Chinese2020在發(fā)現(xiàn)AD患者異常腦活動中的優(yōu)勢如下。①ReHo分析中，基于中國人腦圖譜Chinese2020分析結(jié)果顯示AD患者左側(cè)楔前葉ReHo值顯著升高，而基于ICBM152的分析無此發(fā)現(xiàn)。楔前葉為默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要區(qū)域，可能反映默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)其他腦區(qū)功能降低的一種代償；AD相關(guān)rs-fMRI研究[13]表明默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是AD主要受累的腦區(qū)。Wang等[14]發(fā)現(xiàn)輕度認(rèn)知障礙患者楔前葉的ReHo值顯著升高，認(rèn)為楔前葉可預(yù)測輕度認(rèn)知障礙轉(zhuǎn)變?yōu)锳D的風(fēng)險程度。②針對基于2種標(biāo)準(zhǔn)腦圖譜所能發(fā)現(xiàn)的顯著差異性腦區(qū)，本研究計算了每個顯著差異腦區(qū)的灰質(zhì)占比，發(fā)現(xiàn)基于中國人腦圖譜Chinese2020分析的差異腦區(qū)灰質(zhì)占比較高。由于BOLD信號主要反映腦灰質(zhì)的血流動力學(xué)信息，理論上，ALFF和ReHo的變化區(qū)域應(yīng)局限于大腦皮層，故差異腦區(qū)的灰質(zhì)占比越大提示結(jié)果更可靠，也更能準(zhǔn)確反映疾病的潛在病理生理學(xué)機(jī)制。Ha等[15]研究表明，在腦功能分析中使用不恰當(dāng)腦圖譜可能會得到錯誤的功能定位，進(jìn)而影響個性化精準(zhǔn)治療。李均等[16]將19～30歲中國成年志愿者分為50個年齡段，對大腦高分辨MRI構(gòu)建的腦圖譜(CN-50)與蒙特利爾神經(jīng)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)構(gòu)建的MNI-152腦圖譜進(jìn)行對比，結(jié)果提示中國腦圖譜CN-50更適用于研究中國人群的大腦。曾東等[17]以10名健康志愿者的高分辨三維結(jié)構(gòu)像建立的中國人平均腦圖譜(Chinese_100)與西方人腦圖譜比較，發(fā)現(xiàn)中國人腦圖譜更短、更寬，體積也較小，提示東西方人腦結(jié)構(gòu)存在差異。Liang等[1]通過取2 020個樣本，創(chuàng)建18～76歲的中國成年人腦形態(tài)結(jié)構(gòu)的中國人腦圖譜Chinese2020，證實(shí)中國人腦圖譜與西方白種人的寬度相近，而在長和高方面更小，表明在中國人群的大腦研究中使用中國人腦圖譜更準(zhǔn)確。

總之，本研究分別使用中國人腦圖譜Chinese2020和傳統(tǒng)腦圖譜ICBM152分析中國AD患者的rs-fMRI的差異，證實(shí)AD患者腦功能自發(fā)活動存在異常，也證實(shí)中國人腦圖譜Chinese2020用于中國AD患者的fMRI研究可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。但本研究樣本量小，還需加大樣本量進(jìn)行深入探討。