認知意識受損對遺忘型輕度認知功能障礙患者的自我參照網絡及病理標志物的影響

陳姍姍，陳玖，許雯雯，宋鈺，林興建

(南京醫科大學附屬腦科醫院 1.神經內科；2.腦功能影像研究所，江蘇 南京 210029)

遺忘型輕度認知功能障礙(amnestic mild cognitive impairment, aMCI)是一種以情景記憶減退為主要特征的疾病[1]。病感缺失，即認知意識受損，在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)中表現為患者對自身認知功能缺陷的存在或嚴重性缺乏認識[2-3]。既往研究表明，認知意識受損是AD常見的臨床表現。而在aMCI患者中，患者對自身認知水平的認識差異很大，往往從對認知缺陷的清晰認識到嚴重的病感缺失[4]。既往研究表明，認知意識改變可能與負責自我參照加工的皮質中線結構的功能連接異常有關[5-6]。目前認知意識受損的神經網絡機制尚不明確。因此，本研究利用獨立成分分析(independent component analysis，ICA)方法從臨床表現、病理生理學及神經影像學三個方面對認知意識受損的aMCI患者進行研究。

1 病例與方法

1.1 一般資料

本研究采用的數據來自AD神經影像學倡議(Alzheimer′s Disease Neuroimaging Initiative, ADNI)數據庫(http:∥adni.loni.usc.edu)。 ADNI的主要目標是結合MRI，PET，生物標志以及臨床和神經心理學評估來衡量輕度認知功能障礙(MCI)和早期AD的進展。本研究選擇ADNI二期研究中具備基本人口統計學資料、每日認知評估量表(ECog)和功能磁共振成像(fMRI)影像資料的基線期受試者。最終經嚴格篩選，共納入51例aMCI患者。

aMCI患者診斷標準：患者或家屬的主訴抱怨記憶下降；調整教育水平后的記憶功能受損；簡易精神狀態檢查量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)評分為24～30分；臨床癡呆評定量表(Clinical Dementia Rating，CDR)等于0.5分，且記憶功能子項目得分最低0.5分；總體認知功能及日常生活能力保留。詳細的納入和排除標準可以在ADNI數據庫官網獲得。

ADNI研究獲得參與機構的審查委員會批準，所有受試者均簽署書面知情同意。

1.2 分組依據

ECog是一個專門用于評估老年人主觀認知功能下降和日常功能評估的項目，共39項，通過讓受試者和每天至少相伴10 h的家屬或陪護比較受試者10年前和現在的認知水平來衡量總體和特定領域的認知功能。患者自評分數與研究伙伴評價分數相減得到的差值來評價認知意識損害程度，即認知意識指數。通過計算來自ADNI隊列中的健康對照組(n=289)和AD患者(n=204)認知意識指數的受試者特征曲線(ROC)選取最優化敏感度和特異性的閾值，將aMCI患者分為認知意識受損組和認知意識保留組。

1.3 腦脊液樣本獲取

通過INNO-BIAALZBio3免疫測定試劑測定腦脊液中的β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)，總tau蛋白(total tau，t-tau)和磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau，p-tau)水平。具體的細節可以在ADNI官網獲取(http:∥adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads)。腰椎穿刺是一種有創性操作，受試者自愿決定是否接受此操作，因此只有48例aMCI患者具有腦脊液樣本信息，其中認知意識受損組20例，認知意識保留組28例。

1.4 MRI數據處理

所有的MRI數據由3.0T Philips機器掃描，使用3DT1加權磁化(各向同性體素分辨率為1 mm，重復時間= 2 300 ms)制備的快速梯度回波序列記錄結構MRI。采用3D回聲平面成像序列，以3.4 mm各向同性體素分辨率(重復時間/回聲時間/翻轉角度=3 000 ms/30 ms/90°)記錄fMRI。關于結構圖像和rs-fMRI圖像的詳細信息可以從ADNI官網獲取(http:∥adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads)。應用統計參數圖和fMRI的數據處理助手(http:∥www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm；http:∥restfmri.net/forum/DPARSF)對原始圖像進行預處理及統計分析。主要經過以下預處理步驟：去除每個受試者前5個時間點，fMRI圖像被空間歸一化到蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)回波平面成像模板，并重新采樣得到3 mm大小的各向同性體素，采用全寬半高8 mm的高斯核來降低高空間頻率噪聲，最后經過0.01～0.08 Hz濾波過濾。

1.5 獨立成分分析

將上述預處理的圖像經過ICA方法提取目標網絡。為獲得aMCI患者的通用數據驅動成分，本研究將所有受試者統一在fMRI工具箱軟件(http:∥icatb.sourceforge)中經Informix算法進行ICA計算。采用最小描述長度標準，GIFT軟件將每個受試者獲得的數據分解為22個空間上分離的成分。利用主成分分析對每個數據集進行降維，并根據原始數據重建受試者的時間歷程和空間圖，對每個受試者進行單獨的ICA。最終根據與特定自我參照網絡(self-referential network, SRN)模板[7]的最大空間相關性為每個受試者選擇最合適的成分。

1.6 統計學分析

采用SPSS 22.0版本對兩組受試者年齡、教育程度、老年人抑郁量表評分(GDS)、MMSE評分進行獨立樣本t檢驗，兩組性別進行χ2檢驗。為了得到每組的SRN模式，對兩組分別行單樣本t檢驗進行隨機效應分析，矯正方法選擇FDR校正，閾值設置為P<0.05。兩組間以年齡、性別、教育程度和GDS作為協變量進行雙樣本t檢驗得到認知意識受損組和認知意識保留組的SRN功能連接的差異腦區(AlphaSim 校正，P<0.001，體素數>17)。提取兩組間功能連接差異腦區的序列信號與認知意識指數、MMSE評分實施基于體素的Pearson相關分析，為避免年齡、性別的影響，統計模型中引入年齡、性別作為協變變量。此外還將認知意識指數與腦脊液Aβ，t-tau和 p-tau進行Pearson相關分析(Bonferroni 矯正，P<0.05)。

2 結果

2.1 一般資料比較

通過計算健康老年人(n=289)和AD患者(n=204)的ROC曲線，最終取認知意識指數的最優化敏感度和特異性的閾值-0.074，用于將aMCI患者分為認知意識受損組和認知意識保留組(圖1，敏感性=82.84%，特異性=85.12%)。兩組年齡、性別、教育年限、GDS和MMSE評分無統計學意義(P>0.05)；認知意識受損組較認知意識保留組腦脊液Aβ水平明顯降低(P<0.01)，t-tau水平和p-tau水平均顯著升高(P<0.001)。見表1。

圖1 區分AD患者與正常老年人優化靈敏度和特異性的認知意識指數的ROC曲線

表1 aMCI患者人口統計學信息及主要臨床特征

2.2 功能連接值分析

對兩組行單樣本t檢驗隨機效應分析后得出與先前一致的SRN模式(FDR校正，P<0.05)，主要位于內側腹部前額葉皮層、內側眶額葉皮層、直回和膝前扣帶回。見圖2。

L：左側半球；R：右側半球

2.3 兩組認知意識指數與SRN功能連接差異腦區及腦脊液病理標志物的相關分析

去除年齡、性別、教育年限和GDS評分協變量后，雙樣本t檢驗結果顯示認知意識受損aMCI組較認知意識保留aMCI組雙側內側眶額葉皮層、左側前扣帶回和右側直回功能連接增高(AlphaSim校正，P<0.001，體素數>17)。見表2，圖3。

表2 認知意識受損aMCI組較認知意識保留aMCI組自我參照網絡的功能連接增強腦區

X，Y，Z坐標是蒙特利爾神經研究所空間中的主要峰值位置。兩樣本t檢驗采用AlphaSim校正，P<0.001，體素數>17

L：左側半球；R：右側半球

在控制年齡和性別協變量后，結果發現兩組間功能連接差異腦區提取的信號值與認知意識指數之間存在負相關(r=-0.457，P<0.001)，而與MMSE評分之間無明顯相關(r=0.061，P=0.688)；兩組患者的認知意識指數與腦脊液Aβ水平呈正相關(r=0.331，P=0.025)，與腦脊液t-tau、p-tau水平呈中等程度負相關(r=-0.534，-0.508，P均<0.001)。見圖4。

圖4 認知意識受損和認知意識保留aMCI組間功能連接差異腦區、腦脊液標志物水平與認知意識指數相關性分析

3 討論

近來越來越多的研究表明，認知意識受損不僅僅是AD的重要表現[8]，還與疾病總體嚴重程度密切相關[9]。先前研究發現，在aMCI患者SRN內部連通性較正常老年人升高[10]。本研究發現，在控制年齡、性別、教育程度、GDS評分后，相比于認知意識保留aMCI患者，認知意識受損aMCI患者出現SRN內部高功能連通，且相關分析證實SRN高連通性與認知意識指數相關。相對于認知意識保留aMCI患者，認知意識受損aMCI患者存在腦脊液Aβ水平顯著降低(P<0.01)，p-tau和t-tau水平顯著增高(P<0.001)，提示認知意識受損aMCI患者較認知意識保留患者可能存在更加嚴重腦神經元受損、神經纖維纏結等病理表現，與先前提出的認知意識受損是AD疾病進展的預測因子假說[9]相符。

本研究采用ICA方法成功分離出與既往研究一致的SRN模型[11]，相對于認知意識保留aMCI患者，認知意識受損aMCI患者的雙側眶內側前額葉皮層、左側前扣帶回、右側直回選擇性功能連接增高。SRN在意識受損aMCI患者中表現為連通性升高而不是降低，可能是SRN在早期階段試圖招募更多的神經元恢復患者受損的認知意識的補償機制[12]。眶內側前額葉皮層具有非常廣泛而復雜的功能和解剖連接，是人腦非常重要的神經組織區域。既往任務態fMRI研究[7]已經證實眶內側前額葉皮層在自我參照處理中發揮重要作用。內側前額葉皮層接收來自幾乎所有感官模式中的自我相關信息，進行加工處理后形成認知的自我意識[13]。不僅如此，眶內側前額葉皮層還與負責記憶儲存與提取的內側顳葉結構聯系緊密，最終通過與內側顳葉結構和功能的緊密聯系將接收的外部信息整合到自我為背景的自傳體記憶中，這可能也是意識受損的aMCI患者更容易進展為AD的機制之一[14]。前扣帶回皮層神經元通過整合各種信息并將其與策略聯系起來，對決策和行動施加高級和抽象的控制，因此在認知監測和行為控制方面發揮重要作用[15]。事實上，眶內側前額葉皮層和前扣帶回皮層共同構成前扣帶回額葉-皮層下區域神經環路，使得兩者不僅僅在解剖結構緊密相連，在功能連接水平也發揮協同作用[16]，這也解釋了本研究中眶內側前額葉皮層和前扣帶回皮層共同激活的結果。直回作為前扣帶在額葉上的延伸[16]，表現出與前扣帶皮質相似的功能連接異常，與前扣帶皮質共同在認知自我意識處理中發揮協同作用。此外，在控制年齡、性別協變量后，本研究發現兩組間差異腦區的功能連接異常信號值與認知意識指數呈負相關(r=-0.457，P<0.001)，且與MMSE評分無相關(r=0.061，P=0.688)，由此進一步證實SRN在認知自我認知意識中的重要作用，且獨立于認知水平改變。

目前的疾病模型認為，在AD疾病譜系中作為神經炎性斑塊形式的Aβ啟動了病理性級聯反應，導致tau蛋白錯誤折疊和組裝，并擴散到整個皮層，最終導致患者的神經系統衰竭、神經變性和認知衰退[17]。研究表明，腦脊液p-tau水平增高反映皮層神經纖維纏結病變的程度，而t-tau反映神經元壞死程度，腦脊液Aβ水平降低與Aβ神經炎性斑塊形成有關，且其加重表明AD的臨床進展[18]。本研究發現，意識受損組較意識保留組腦脊液Aβ水平明顯降低，p-tau和t-tau水平明顯升高，進一步相關分析表明認知意識指數與Aβ，t-tau和 p-tau相關(控制年齡、性別)，尤其是反映神經元細胞變性、纖維纏結病理表現的t-tau、p-tau水平呈現明顯相關(P均<0.001)。由此表明，認知意識受損aMCI患者較認知意識保留患者可能存在更加嚴重的神經元細胞變性、纖維纏結等病理改變。研究發現，在認知正常的老年人中，自我記憶表現評估與腦內tau蛋白沉積相關，而與Aβ水平無明顯相關，表明tau蛋白相較于Aβ水平是認知意識改變的更敏感指標[19]。本研究中t-tau和p-tau蛋白與認知意識指數的相關值較Aβ高，結果與其相符。此外，r值為弱相關，可能原因是雖然本研究已納入部分認知風險因素(年齡、性別)，但是仍存在其他混雜因素(如ApoE基因等)，這需要未來進一步更大樣本量的回歸分析。既往一項PET影像研究發現，腦內高Aβ沉積的MCI患者認知意識受損更重，且認知意識受損的MCI患者轉化為AD的風險增加[20]，本研究與此相符。

此外，本研究中尚存在一些局限。首先，樣本量較少，可能具有有限的統計功效。其次，ADNI 數據庫是一項橫斷面和回顧性研究，本研究對認知意識指數和SRN功能連接和病理標志物的相關研究僅僅表明兩者具有相關關系，闡述的是一種現象，而各項指標的因果尚需要未來更大樣本量的縱向研究及回歸分析。

綜上所述，本研究表明，在認知意識受損的aMCI患者中存在獨立于認知水平的SRN內部功能的高連通性(主要為眶內側前額葉皮層，前扣帶回和直回)，這可能為網絡內部神經元的激活增加試圖彌補認知意識衰退的結果；同時研究結果發現在大腦神經網絡激活的補償機制的背后可能存在著更嚴重的AD病理標志物的沉積，尤其是反映神經元變性的敏感指標tau蛋白的增高。總之，SRN在認知意識中的關鍵作用以及認知意識缺損可能作為AD疾病進展的預測因子。