腦型肝豆狀核變性腦皮層及皮層下核團體積的磁共振研究

康泰山，楊天和*，林建忠，蔡聰波，張家興

肝豆狀核變性是一種常染色體隱性遺傳的銅代謝障礙疾病，體內蓄積的銅離子沉積在肝、腦、腎、角膜等處而引起器官功能損害，其中以中樞神經系統損害為主的稱為腦型肝豆狀核變性[1]，目前尚欠缺對該疾病腦灰質病變的系統性定量研究。因此本研究選擇基于體素的形態學測量方法對30例腦型肝豆狀核變性患者與30名健康志愿者進行比較研究，以期了解腦型肝豆狀核變性患者的腦皮層及深部灰質核團的損害特點。

1 材料與方法

1.1 研究對象

搜集2009年10月至2014年3月30例首次確診且未經臨床治療的腦型肝豆狀核變性患者，所有病例均經我院神經內科檢查確診和收治。其中，男24例，女6例，年齡18～28歲，平均(23.6±2.9)歲，均為右利手。臨床診斷標準為：(1)進行性震顫、肌僵直、構語障礙等錐體外系癥狀、體征；(2)角膜K-F環陽性；(3)血清銅藍蛋白＜200 mg/L；(4)尿銅＞100 μg/24 h。所有入組患者除了神經系統癥狀外，均伴有以上臨床表現，其中5例患者有輕度肝功能異常。肝豆狀核變性的診斷以2001年萊比錫城第8屆國際威爾森氏病會議制定的評分系統為依據[2]。另招募30名年齡[(23.3±2.7)歲]、性別(男24名、女6名)及教育背景程度匹配的健康志愿者組成對照組。所有患者和對照組志愿者均無家族性精神疾病，無腦外傷史，無高血壓、心肺疾病及內分泌系統疾病。本研究經廈門大學附屬中山醫院醫學倫理委員會批準并經所有研究對象簽署知情同意書。

1.2 MRI掃描參數及圖像分析

MRI檢查采用Siemens 3.0 T Verio超導掃描儀和8通道頭顱線圈。主要掃描參數：常規橫斷面T2WI TSE(TR 5800 ms，TE 96 ms)，FOV 220 mm×220 mm，矩陣320×320，層厚5 mm，層間隔0.5 mm，共28層；3D T1WI矢狀位掃描參數為：TR 1900 ms，TE 2.7 ms，TI 900 ms，FA為9°，FOV 250 mm×250 mm，矩陣256×256，層厚1 mm (總共176層)。在掃描期間，固定受試者頭部，要求保持安靜狀態，平臥于掃描儀內。

采用腦功能處理軟件(functional MRI software library，FSL；Version 5.06)對3D T1WI圖像進行處理。

腦皮層基于體素的形態學測量(voxel_based morphometry，VBM)分析：(1)使用FSL-FIRST工具，線性配準MNI模板，并進行場校正，去除腦外結構；(2)分割腦灰、白質，非線性配準、創建模板并融合成4D圖像；(3)設計矩陣：雙樣本t檢驗，檢驗次數60!/(30!×30!)次；(4)采用基于體素隨機置換檢驗并基于自由閾值的cluster水平進行校正；(5)獲取顯著差異像數(經TFCE校正，P＜0.05)，以MNI模板的各個腦葉為模板，分別獲取左、右半球各個腦葉顯著差異體積及該模板各個腦葉總體積(圖1，2)。

腦深部灰質核團的分析：使用FSL-FIRST對核團容積表面網格參數化，形成一個點分布參照模型，可變形曲面自動參數化使其與數據頂點的對應。處理過程包括：場校正，線性配準MNI模板上，分割腦干、丘腦、伏隔核、尾狀核、殼核、蒼白球及杏仁核，形成表面網格化三維圖進行頂點分析(圖3)，步驟：(1)融合各個結構網格化三維圖形成4D網格化圖；(2)設計矩陣(雙樣本t檢驗)；(3)進行基于表面的頂點分析并輸出結果(到達參照模型頂點以紅色表示，未到達頂點以藍色表示，藍色深淺反映其萎縮程度)，進行FDR校正，以P＜0.05，獲得結果；獲取各個核團的體積。

1.3 統計分析

采用SPSS (版本17.0)進行統計分析，數據結果以x±s表示，以P＜0.05為差異有統計學意義。雙側各腦葉皮質萎縮率計算公式為：患者皮質萎縮率=(對照組腦葉皮質體積均值-患者相應腦葉皮質體積)/對照組腦葉皮質體積均值×100%，獲取左、右半球腦葉皮質顯著萎縮體積計算萎縮率、對比左、右半球皮質損害差異。獲取對照組腦干及各核團體積均值，然后以對照組體積均值為分母，分別計算雙側基底節各核團及腦干萎縮率，計算公式為：患者各核團及腦干萎縮率=(對照組結構體積均值－患者相應結構體積)/對照組結構體積均值×100%。所得數據進行方差分析，兩兩比較萎縮率差異。

2 結果

2.1 腦干及腦深部核團信號改變

磁共振常規平掃直接觀察發現，有25例患者蒼白球、21例患者殼核、18例患者尾狀核、18例患者丘腦、10例患者伏隔核、15例患者腦干均呈T1WI低信號和T2WI高信號，且無明顯軟化灶。3例患者豆狀核(殼核、蒼白球)呈T1WI高信號和T2WI低信號。2例患者豆狀核呈T1WI等信號和T2WI低信號。

2.2 VBM結果

VBM顯示雙側額、頂、枕、顳和島葉皮質均擴散性萎縮(圖2)。分別獲取左、右半球各腦葉體積并計算大腦各個腦葉皮質和小腦皮質的萎縮率，結果如表1。各個腦葉出現不同程度的皮質萎縮，其中以島葉損害最為明顯；兩側對應腦葉皮質萎縮具有顯著性差異。

2.3 FSL-FIRST分析結果

圖1 A：腦皮層灰質體積VBM分析示意圖。灰色為本組模板，藍色為MNI額葉模板，紅色為FSL-VBM統計分析后顯著差異像素，依次獲取各個腦葉顯著差異像素和該腦葉模板像素。B：基底節核團分割示意圖。淡藍色：尾狀核；淺紅色：殼核；藍色：蒼白球；綠色：丘腦；黃色：海馬尾部 圖2 腦灰質體積的VBM分析。A、B：軸狀面顯示；C：冠狀面顯示；D：矢狀面顯示。大腦、小腦和腦干灰質體積廣泛性減小(黃色代表顯著減少區域) 圖3 腦干和腦深部核團的頂點分析。A：冠狀位顯示；B：矢狀位顯示。紅色表示到達頂點，灰質體積無顯著性變化；藍色表示未到達頂點，灰質體積顯著減小。1：殼核；2：尾狀核；3：伏隔核；4：丘腦；5：腦干；6：蒼白球；7：杏仁核Fig. 1 A: The schematic diagram of cortical gray matter volume analysis using VBM. Gray indicates the template of the group, blue indicates the MNI frontal leaf template, and red indicates the signi ficant difference pixel after the statistical analysis of FSLVBM. The signi ficant difference pixels of each brain leaf and the brain leaf template pixels were sequentially obtained. B: The schematic diagrams of basal ganglion nuclei. light blue: caudate nucleus; light red: putamen; blue: globus pallidus; green: thalamus; yellow:tail of hippocampus. Fig. 2 VBM analysis of gray matter of brains. A, B: Axial plane. C: Coronal plane. D: Sagittal plane. The volumes of cerebral cortices, cerebellum, and brain stem were signi ficantly decreased (yellow indicates the decreased regions). Fig. 3 Vertex analyses of brain stem and deep gray matters. A: Coronal plane. B: Sagittal plane. Red indicates reaching the apex and a normal volume. Blue means no reaching the apex and indicates a decreased volume. 1: Shell nucleus. 2: Caudate nucleus. 3: Nucleus accumbens. 4: Thalamus. 5: Brain stem. 6: Globus pallidus. 7: Amygdala.

表1 肝豆狀核患者各大腦葉及小腦的平均皮質體積、萎縮率及雙側皮質萎縮率對比差異(x±s)Tab. 1 Voxels and atrophy of cortical gray matter and cerebellum in the patients with hepatolenticular nucleus (x±s)

表2 腦干和左、右大腦深部核團體積、萎縮率比較及雙側核團萎縮率對比差異(x±s)Tab. 2 Comparisons of atrophy rate in the brainstem and bilateral hemispheres (x±s)

FSL-FIRST頂點分析顯示(圖3)，除杏仁核外，殼核、蒼白球、尾狀核、伏隔核及腦干均有顯著萎縮；各個結構體積均值統計結果：除杏仁核外，基底節核團體積均值減少均有顯著差異，P＜0.05(左側伏隔核及右側蒼白球，方差不齊，采用非參數檢驗，其余采用獨立樣本t檢驗)；各個結構萎縮率方差齊性檢驗P=0.25，P＞0.05，方差齊同，進行方差分析兩兩比較結果見表2，基底節核團(除杏仁核外)雙側對應結構萎縮率差異無統計學意義(P＞0.05)；雙側伏隔核萎縮最明顯，其次為殼核及蒼白球，再來就是丘腦、尾狀核反腦干。

3 討論

3.1 腦神經細胞損傷

銅藍蛋白合成障礙是腦型肝豆狀核變性最基本的遺傳缺陷。銅離子進入血液，選擇性沉積在腦、腎、角膜等肝外組織，一旦神經系統和神經膠質代償能力耗盡，就出現臨床癥狀。其細胞毒性機制可能與過多結合蛋白質和核酸、生物膜的脂質氧化及產生過多的氧自由基有關。大部分文獻對肝豆狀核變性引起腦結構改變僅強調過量銅沉積[3]，往往忽略該病還有以下特點：(1)銅藍蛋白合成障礙所致銅藍蛋白不足，而銅藍蛋白作為銅的供體參與細胞色素C及其他銅蛋白合成，具有亞鐵氧化酶作用，可將亞鐵氧化為高鐵狀態，同時參與細胞鐵代謝；另外，在血漿銅藍蛋白作用下，神經細胞內Mn2+可氧化成Mn3+，再經鐵傳遞蛋白轉運至腦毛細血管脈絡叢；銅藍蛋白不足時，可造成神經細胞內鐵、錳沉積，最終導致神經元凋亡和神經退行性變[4-6]。(2)過量的銅在肝沉積造成肝損害，導致血氨升高，進而干擾了腦的三羧酸循環導致大腦能量供應不足、血腦屏障通透性增加引發腦水腫、腦內神經遞質的改變。血氨還可以刺激腦細胞對L-精氨酸的攝取，使一氧化氮產生增加，從而改變大腦的灌注。(3)過量的銅在腎沉積造成腎臟處理氨及其他有毒代謝產物的能力下降，必將又進一步加重腦損傷[7-11]。

3.2 腦型肝豆狀核變性患者大腦皮層的變化

本研究發現：(1)與對照組比較，腦型肝豆狀核變性患者深部核團以伏隔核損害最為明顯，其次為殼核(殼核、蒼白球)，再者是丘腦、尾狀核；這些核團雙側萎縮率對比無顯著差異。我們的結果與既往研究不同[12]，可能由于既往的研究主要肉眼觀察，伏隔核易誤認為尾狀核頭部。伏隔核的95%神經元是中型多棘γ-氨基丁酸(GABA)能投射神經元，肝功能障礙時，肝臟對GABA的清除能力下降，血氨升高亦導致腦內GABA含量顯著增加，過量GABA導致該結構損傷[13]；(2)雙側杏仁核無明顯萎縮，這可能與基因缺陷的器官選擇性及親和性損害有關；(3)腦干顯著萎縮，但這是否與銅、鐵及錳沉積或肝功能損害引起代謝性腦損害有關尚不明確。可以肯定的是經腦干上、下走行的神經纖維髓鞘存在損害。既往大多數研究認為大腦深部核團損害主要是銅沉積引起的神經元顯著減少或軸突變性，但最近一些研究證實其損害是源于不同比例銅、鐵、錳的沉積[10，14]，特別是鐵及錳順磁性物質沉積所致。此對解釋基底節核團復雜的MRI信號改變提供有力的基礎。

本研究發現腦型肝豆狀核變性患者大腦皮層的變化為：(1)雙側額、頂、枕、顳、島葉都存在不同程度皮質萎縮，此與Piga等[15]運用PET研究發現的彌漫性或局限性皮質低血流灌注及Lee等[16]利用磁敏感加權成像發現的彌漫皮層礦化改變結果相似，說明該病大腦皮質損害特點具有彌漫性。(2)小腦的萎縮。近年來有學者做相關報道，主要是銅對皮層神經細胞的毒性作用及重金屬在小腦核團的沉積促使小腦萎縮[17]。張春蕓等[18]研究小腦、丘腦、中央前后回及額中回的灰質萎縮，提出肝豆狀核變性患者錐體外系癥狀與小腦- 丘腦- 皮層回路參與的運動功能改變有關。(3)各腦葉中以島葉損害最明顯。Sureka等[19]發現血氨升高最易損害島葉，因此島葉皮層萎縮最明顯原因可能血氨升高及金屬(銅、鐵及錳)沉積共同作用的結果。(4)額葉及島葉以左側損害明顯，顳、枕及頂葉以右側損害明顯，左右兩側腦葉損害具有顯著差異。支持我們結果的證據有肝豆狀核變性患者腦的皮層誘發電位也表現為左右差異[20]。人腦的多種功能表現為一側優勢。最近的研究表明，與結扎右側大腦中動脈比較，結扎左側大腦中動脈后大鼠的感覺運動能力損害的更嚴重[21]。動物實驗顯示鈷的濃度在肝豆狀核變性模型大鼠小腦、紋狀體和下丘腦中含量較其它腦區顯著增加[22]，而鈷的聚集會損害神經細胞，這可能與本研究觀察到的小腦萎縮有關。

3.3 本研究存在一定的局限性

未能將患者的臨床癥狀數據和本研究數據做相關性分析，本研究僅分析腦灰質的改變，對于腦白質的改變需增加掃描序列有待進一步的分析。在今后的研究中將增加收集樣本量，完善相關臨床信息采集，加強隨訪力度，讓研究更加全面、深入。

3.4 結論

對于具有復雜臨床表現的各型肝豆狀核變性，其受累腦葉的萎縮程度及定量檢測方面尚存在不足，故有必要在此基礎上加深研究。腦型肝豆狀核變性引起大腦皮質呈非對稱性彌漫損害和大部分基底節核團對稱性損害。MRI結合臨床神經系統癥狀、實驗室檢查和SPECT有助于該病的分型。另外，MRI還可在隨訪、療效觀察和早期檢測銅的持續毒性影響方面起診斷作用。新的MRI掃描技術或許可以在腦的多種金屬代謝障礙方面扮演更重要角色，值得進一步研究。臨床上，腦型和非腦型在影像方面的表現差異有待進一步揭示。

利益沖突：無。