遺忘型輕度認知功能障礙患者齒狀核靜息態功能連接改變及其與認知功能的相關性

湯凡宇， 林興建， 祝東林， 馬文穎， 石靜萍

(南京醫科大學附屬腦科醫院神經內科， 江蘇 南京 210029)

遺忘型輕度認知功能障礙(amnesic mild cognitive impairment ,aMCI)是阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)的臨床前期階段，患者表現為認知功能輕度下降，但日常生活并不受影響[1-3]。目前我國60歲及以上人群中大約有1 507萬人患有癡呆，其中AD約為983萬[4]。美國老年及衰老協會指南推薦，宜對AD患者進行早期診斷和早期干預，aMCI階段是延緩病情發展和治療的關鍵時期[2]。小腦對大腦認知功能網絡有一定的影響，而齒狀核作為最大的小腦核團在小腦與大腦網絡連接中起著中繼站的重要作用[5]。目前，關于aMCI的影像學研究主要針對海馬、內側顳葉、雙側扣帶后皮質、楔前葉和顳頂外側葉等大腦皮層區域，而小腦齒狀核和大腦之間的功能連接差異特征尚不清楚。因此，本研究運用靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)技術探究aMCI患者雙側齒狀核功能連接改變特征及其與認知功能的相關性。

1 病例與方法

1.1 研究對象

選擇2018年1月至2020年12月就診于南京腦科醫院神經內科34例aMCI患者作為觀察組，所有患者符合美國國家衰老研究所及阿爾茨海默病協會(National Institute on Aging-Alzheimer′s Association，NIA-AA)聯合推出的MCI臨床診斷標準[2]。納入標準：患者主訴為記憶力下降并由家屬或知情者證實；認知功能減退呈單域或多域；正常的日常生活不受影響；臨床癡呆評定表(CDR)分值0.5。另選擇同期與觀察組年齡、性別、學歷匹配的34例健康者作為對照組。納入標準：無其他嚴重神經系統或精神疾病；體格檢查未見神經系統異常體征；無記憶力下降主訴；CDR分值0。排除標準：排除其他原因所致癡呆，如路易體癡呆、額顳葉癡呆、血管性癡呆、嚴重精神類疾病、腦血管病、腫瘤、中毒和代謝感染疾病等；MRI檢查禁忌證(幽閉恐懼癥、心臟起搏器植入等)。所有受試者均給予研究解釋并簽署知情同意書。

1.2 神經心理學量表評估

所有受試者均接受專業的認知評估，包括簡易智能精神狀態量表(MMSE)，蒙特利爾認知評估量表(MOCA)評估總體認知情況，聽覺詞語學習測驗(AVLT)評估記憶功能，畫鐘試驗評估視空間能力，數字符號轉換測試(SDMT)、數字廣度測試(DST)用來評估注意力，波士頓命名測試(BNT)檢測詞語命名能力，言語流暢性測試(VFT)評估言語流暢性，連線測試用來檢測執行力及注意力。

1.3 腦脊液生物標志物檢測

腦脊液中的β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ1-42、Aβ1-40)、總tau蛋白(total tau, t-tau)和磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau, p-tau)采用INNO-BIA AlzBio3免疫分析試劑盒(比利時根特公司)測定。研究中，34例aMCI受試者采集腦脊液樣本，由于腰椎穿刺術是一種侵入性操作，對照組未采集腦脊液樣本。

1.4 磁共振數據采集

采用西門子3.0 T singer掃描儀(德國西門子公司)與8通道射頻線圈采集掃描相關數據。受試者取仰臥位，頭部用專用海綿襯墊固定以減少頭部活動，戴上耳塞以減小噪音干擾。受試者盡可能地保持靜止，閉上雙眼，保持清醒，盡量不要思考。三維T1加權圖像在矢狀方向采用3D-SPGR序列獲得，參數如下：重復時間=3 ms；回聲時間=2 530 ms；翻轉角=7°；128個時間點；1.3 mm層厚；視野=256 mm×256 mm。rs-fMRI采集應用單次回波激發成像。掃描參數：240個時間點；重復時間=30 ms；回聲時間=2 000 ms；視野=240 mm×240 mm；矩陣=64×64；翻轉角=90°；36個軸向片；3.0 mm厚度；切片間隙=0 mm。每個受試者的成像時間約為14 min。

1.5 數據圖像預處理

rs-fMRI的數據預處理使用軟件DPARSF(http://www.est.restfmri.net)[6]。首先，去除每個數據前10個時間點，將剩余圖像進行時間層及運動校正(所有受試者頭動最大位移<3 mm，每個軸的旋轉角度<3°)，接著進行配準，圖像分割，使用蒙特利爾神經研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)回波平面成像模板將圖像進行空間標準化，重采樣成3 mm×3 mm×3 mm空間分辨率，并用4 mm半高全寬平滑核進行空間平滑處理。然后對fMRI數據進行時間帶通濾波(0.01～0.08 Hz)，以去除低頻漂移和生理高頻噪聲。為進一步減少混雜因素的影響，采用線性回歸方法從數據中剔除線性漂移、6個運動參數和全腦內所有白質和腦脊液信號的平均時間序列。

1.6 全腦數據功能連接分析

由WFU Pick Atlas (http://www.ansir.wfubmc.edu)提取雙側齒狀核作為感興趣區，并重新配準到MNI空間。提取感興趣區內的血氧水平依賴性時間序列，生成每個感興趣區的參考時間序列，利用體素-體素的方式通過計算每個感興趣區時間序列與全腦其他腦區體素的時間序列之間的相關系數，之后利用Fisherz轉換得到相關系數，來提高其正態性。所有受試者得到2個z值圖，即2個齒狀核的靜息態功能連接圖。如圖1。

藍色為右側齒狀核，紅色為左側齒狀核圖1 WFU Pick Atlas軟件提取感興趣區

1.7 統計學方法

2 結果

2.1 人口學資料和臨床量表評估

兩組間神經心理學量表及年齡、性別、受教育程度等比較，差異均無統計學意義(P> 0.05 )。觀察組量表得分均明顯低于對照組(P均< 0.05)。見表1。

表1 兩組受試者人口學特征和神經心理學量表評分比較

2.2 兩組齒狀核與全腦功能連接差異

與對照組相比，觀察組左側齒狀核與左側顳下回、右側丘腦功能連接增強，右側齒狀核與左額葉、左顳上回均有功能連接顯著增強，此外，在右側齒狀核和同側小腦后葉之間有一個功能連接增強區域。見表2。圖2顯示左側和右側齒狀核顯著變化的功能連接區域。

A：左側齒狀核功能連接差異圖；B：右側齒狀核功能連接差異圖；紅色表示觀察組齒狀核-腦功能連接性較對照組增強區域，藍色表示觀察組齒狀-腦功能連接性較對照組減弱區域，經AlphaSim校正，P<0.05圖2 觀察組和對照組相比齒狀核功能連接差異圖

表2 觀察組雙側齒狀核功能連接顯著差異的區域

2.3 神經心理學量表評分及腦脊液生物標志物與功能連接差異區域的相關性

如圖3所示，MMSE評分與觀察組左側齒狀核和右側丘腦之間的功能連接值呈正相關(r=0.399，P=0.026)，AVLT-再認評分與右側齒狀核和左側顳上回之間的功能連接值呈負相關(r=-0.552，P=0.001)。VFT評分與觀察組左側齒狀核和右側丘腦的功能連接值呈正相關(r=0.383，P=0.025)。p-tau值與觀察組右側齒狀核和左側顳上回之間的功能連接值呈正相關(r=0.357，P=0.045)，而Aβ1-42、Aβ1-40、t-tau值與功能連接差異腦區未發現顯著相關性(P均>0.05)。

圖3 aMCI患者齒狀核功能連接差異腦區與認知功能評分及生物標志物水平之間的相關性

3 討論

AD是一種常見的神經退行性疾病，以情景記憶障礙為最突出的臨床表現，先前的研究主要在最易受到損傷內側顳葉系統[7]。最近幾項關于AD小腦改變的神經病理學和MRI研究發現，小腦廣泛參與調節高級認知功能[8-11]。齒狀核是最大的小腦核團，是位于小腦半球深層白質中的一組興奮性神經元，也是小腦與大腦進行信息輸出的主要通道之一[12]。本研究結果發現，相比于對照組，aMCI患者齒狀核功能連接存在異常增高，包括顳葉、丘腦和小腦后葉，且相關分析證實功能連接增強與認知功能評分相關。

既往對于AD患者的齒狀核進行功能連接特征的研究發現，齒狀核與對側顳葉及枕葉區域存在選擇性功能連接增高特征[13]，本研究結果與其一致；不同的是，本研究發現齒狀核與丘腦之間的功能連接也有增強現象。小腦與大腦之間的連接主要通過兩個環路，分別是小腦-丘腦-大腦環路以及小腦-腦橋-大腦環路[14]，而齒狀核是兩條環路的重要位置，由此猜測，齒狀核與丘腦之間的功能連接增強可能是一種代償機制。由于大腦神經元損傷導致的連接減弱，小腦為代償激活了大腦-小腦環路以在AD患者臨床前期盡量維持其認知水平。隨著疾病的發展，AD階段齒狀核與大腦功能連接增強區域較aMCI區域增多，這可能與疾病進展有一定的關系。AD患者中最早受影響也是最嚴重的區域為內側顳葉系統，隨著病情加重，皮層受累范圍更廣，aMCI階段萎縮不明顯，但海馬/內嗅區與涉及記憶處理和大腦的特定新皮質/皮質下區域出現高連通性[15-16]。

小腦萎縮是散發性AD的另一個特征，最初影響與默認模式網絡相連的部分小腦區域；默認模式網絡是一組與認知有關的高度相互作用的腦區(包括角回、顳中回、楔前和額背內側前額葉皮質)，并受到神經變性的廣泛影響[17-18]，但在aMCI階段萎縮速度較AD緩慢[19]。人類小腦存在認知控制的功能處理層次結構，自身包含一個平行但獨立的層級組織，特別是其后葉與背外側前額葉皮層共同支持復雜的認知過程[20]。而AD小腦萎縮相對大腦稍晚，也具有與腦灰質相一致的萎縮模式[10,21-22]。小腦后葉相對較早受累[8]，這也與AD由認知相關區域向非認知相關區域萎縮模式相一致。本研究結果發現，aMCI患者齒狀核與同側小腦后葉的功能連接較對照組增強，可能代表一種針對認知障礙發展的代償機制。

此外，本研究結果顯示，兩組間齒狀核和丘腦功能連接增強區域與MMSE評分及VFT評分呈弱相關，可能原因首先是顳上回相較于丘腦，與高級認知功能的關系更密切，其次可能因為研究對象數量較少，存在部分混雜因素，有待于進一步收集數據進行分析。本研究結果證實，齒狀核和丘腦的功能連接顯著差異區域與言語流暢性測試呈一定相關性。既往研究對健康者進行言語任務態測試顯示，小腦后葉對言語有提取和序列的預測能力[23]。特別是小腦小葉Ⅵ/CRUⅠ，是言語工作記憶的關鍵調節部位[24]。不僅如此，小腦還在言語短期記憶、詞匯生成中起到不同的作用[25]。結合研究結果，本研究發現齒狀核功能連接顯著增強區域與患者記憶評分AVLT之間呈一定相關性，進一步證明功能性過度連接是齒狀核和顳葉大腦區域之間功能相互作用改變的病理表現，并且與認知能力密切相關。

AD病理生理學沉積的兩種主要蛋白質為淀粉樣蛋白(Aβ42，Aβ40)和tau蛋白，tau蛋白在內側顳葉中的聚集是AD的第一階段，可以在Aβ存在下轉化和擴散，與大腦萎縮、代謝不足和認知損傷有關[26]。前期研究表明，AD臨床前階段的功能障礙主要發生在AD易感區域(如海馬、小腦Ⅵ/CRUⅠ、視皮層、額葉)，后扣帶回皮質與小腦之間的耦聯增強是功能代償的內在機制，并且BA39-BA19的中心性與p-tau/Aβ42比值呈負相關，與整個AD連續病程的記憶功能損害有關[7, 27]。本研究結果發現，齒狀核功能連接區域增強與p-tau呈正相關，進一步證實AD臨床前期病理生理中功能補償的神經機制，但為弱相關，后續將繼續擴大樣本量以進一步驗證。

本研究有一定的局限性，首先只單獨分析了齒狀核功能連接的差異，未全面探究齒狀核在AD中的神經影像學特征，后續將通過多模態神經組學研究方法進一步探究。其次，本研究采用橫斷面設計，后期需要進行縱向跟蹤以觀察aMCI進展為AD過程中的腦網絡變化特征。

綜上所述，本研究應用rs-fMRI 技術探究aMCI患者小腦齒狀核功能連接特征，主要表現在顳葉、丘腦及小腦后葉的連接增強，并且功能連接改變與記憶及言語功能具有一定相關性，證實小腦參與aMCI患者的認知調節過程，并具有一定的代償能力。此外，差異腦區功能連接強度與腦脊液生物標志物中p-tau值具有一定相關性也表明小腦參與AD病程進展。