腦白質高信號患者認知障礙與海馬亞區萎縮的相關性研究

朱立文，黃麗麗，徐運，

腦白質高信號（white matter hyperintensity，WMH）是高齡相關性腦結構改變的重要表現和腦小血管病常見的影像標志物，也是血管性認知功能障礙的重要原因，在60歲以上人群中發病率高達72%～96%[1]。額葉-皮層下環路的破壞可能是WMH相關認知障礙的病理機制，同時，額葉-皮層下環路損傷也影響灰質的完整性，可導致內側顳葉及海馬的萎縮[2-4]。海馬萎縮顯著影響記憶功能，是持續性認知功能損害和癡呆進展可靠的影像學標志物[5]。即使沒有阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）神經病理學證據的情況下，部分小血管病患者也已經出現大量的海馬神經元的丟失，表明海馬在血管性癡呆患者中同樣可能發揮重要作用[3]。病理學研究發現海馬是由多個亞區構成的C字形結構，這些亞區組成完整的內部環路共同調節海馬的功能[6-7]。本研究擬探討WMH疾病進程中海馬亞區的受累情況，并進一步探究是否存在影響WMH患者認知域功能障礙的海馬萎縮亞區，以尋找早期診斷WMH認知功能障礙相關的影像標志物。

1 對象與方法

1.1 研究對象 前瞻性納入南京大學醫學院附屬鼓樓醫院神經內科2017年1月-2019年12月連續收治的WMH患者。納入標準：①年齡＞45歲；②頭顱MRI的FLAIR序列上WMH分級達Fazekas≥2級；③無MRI禁忌證，可配合完成成套的神經認知功能評估。排除標準：①陳舊性腦梗死病灶＞1.5 cm或有心源性栓塞病史；②既往有腦出血、蛛網膜下腔出血病史；③顱內外大動脈狹窄>50%；④其他疾病導致的脫髓鞘病變如免疫介導的炎癥性脫髓鞘病變，代謝性腦白質營養不良等；⑤其他神經退行性疾病，如AD、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）等；⑥其他系統性疾病，如腫瘤、休克等。同期從門診納入認知功能正常且頭顱MRI上無明顯WMH的健康志愿者作為對照組。本研究經南京大學醫學院附屬鼓樓醫院道德倫理委員會審核批準，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2.1 認知功能評定指標及標準 認知功能的評定包括對患者總體認知功能和不同認知域（信息處理速度、執行功能、記憶功能和語言功能）進行量表評價，由一位神經心理醫師專人評定。

總體認知功能的評定采用MMSE和MoCA量表。MMSE≤19分（文盲）、≤22分（受教育年限1～6年）、≤26分（受教育年限＞6年）被認為存在認知功能障礙。若MMSE評分在正常范圍，則以MoCA≤13分（文盲）、≤19分（受教育年限1～6年）、≤24分（受教育年限7～12年）、≤25分（受教育年限＞12年）為存在認知功能障礙[8]。根據上述標準將WMH患者分為無認知障礙（MMH without cognitive impairment，WMH-NCI）組和認知障礙（MMH with cognitive impairment，WMHCI）組。

采用韋氏記憶量表中的視覺再現-長延遲回憶部分（visual reproduction–longdelayed recall portion of the Wechsler memory scale，WMS-VR-DR）和聽覺言語學習測驗-延遲回憶（auditory verbal learning test-delayed recall，AVLT-DR）來評估情景記憶功能；Stroop色詞測試（Stroop color and word tests，SCWT）及連線測試（trail making test，TMT）來評估處理速度和執行能力，其中SCWT分A、B、C三部分，TMT分A、B兩部分；采用分類語言流暢度（category verbal fluency，CVF）和波士頓命名測試（Boston naming test，BNT）對語言功能進行評估。

將每個測試的原始分數轉換為z分數，其計算公式如下：

其中χ是原始分數，是原始分數的平均值，s是標準差。

各認知域的評估采用相應神經心理測試z分數的均值。此外，TMT和SCWT的結果為時間，因此對其值進行了反向轉換以保持趨勢的一致性。

1.2.2 影像學指標采集和評價 頭顱MRI影像學評定包括CSVD相關影像標志物和海馬體積測量。

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使用飛利浦3.0T MRI掃描儀采集3D-T1WI、T2WI、3D-FLAIR、SWI序列。3D-T1WI和T2WI序列參數：重復時間9.8 ms，回波時間4.6 ms，翻轉角8°，層數192層，視野250 mm×250 mm，采集矩陣256×256，層厚1.0 mm；3D-FLAIR序列參數：重復時間4500 ms，回波時間333 ms，反轉時間1600 ms，層數200層，體素大小為0.95 mm×0.95 mm×0.95 mm，采集矩陣為270×260；SWI序列參數：重復時間31 ms，回波時間7.2 ms，翻轉角17°，矩陣480×480，視野230 mm×230 mm，層數162層。

由一位影像學醫師專人盲法對患者頭顱MRI結果進行評定。CSVD影像學標志物包括WMH、腔隙性腦梗死（lacunar infarction，LI）和腦微出血（cerebral microbleeds，CMBs），其中WMH分別測定室周、深部和總WMH體積。

LI為圓形或卵圓形直徑為3～15 mm的空腔，在T2-FLAIR序列上中心呈腦脊液樣低信號，周邊圍繞高信號環。CMB定義為SWI序列上的直徑2～10 mm的圓形或卵圓形、邊界清晰均質性低信號灶[9]。WMH為T2WI或T2-FLAIR序列高信號，T1WI序列等信號或低信號，其內無空腔的病灶，其中呈“帽狀”位于額葉或枕葉腳，邊緣沿側腦室橫切面如薄圈的為室周WMH，而皮層下白質的點狀病灶則是深部WMH。利用Wisconsin白質高信號分割工具包（版本1.3，Wisconsin老年癡呆癥研究中心，https://sourceforge.net/projects/w2mhs）基于3D-FLAIR序列進行半自動化WMH體積的定量，可獲得室周、深部和總WMH體積[1]。除測定WMH病變體積外，還對WMH進行Fazekas分級[10]。

采用FreeSurfer圖像分析軟件包（版本6.0.0，https://www.freesurfer.net/）對3D-T1WI序列進行處理，獲得左右側海馬總體積、各海馬亞區的體積定量及估計的顱內總體積（estimated total intracranial volume，eTIV）。FreeSurfer的核心命令recon-all可完成以下處理步驟：頭動校正、去除非腦組織、Talairach標準空間配準、白質分割、信號標準化、拓撲校正/概率圖譜結構分割等[11]。根據內置的圖譜，海馬一共被劃分成12個亞區：海馬尾、下托、CA1、海馬裂、前下托、旁下托、分子層、齒狀回、CA3、CA4、海馬傘及海馬杏仁核過渡區[12]。顱內總體積=灰質體積+白質體積+腦脊液體積。

1.3 統計學方法 采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，計數資料以例數和率表示，組間比較采用χ2檢驗（當有>20%單元格的理論頻數<5時，采用Fisher’s確切概率法）。計量資料行Kolmogorov-Smirnov正態性檢驗，滿足正態分布的變量以表示，組間比較采用單因素方差分析或協方差分析，對于三組間有統計學差異的變量再進行兩兩事后分析，采用Bonferroni多重比較校正；不符合正態分布的變量以M（P25～P75）表示，組間比較采用Kruskal-Wallis檢驗，三組間有差異的變量再進行兩兩比較，采用Bonferroni多重比較校正。

采用偏相關分析在WMH-CI組中分析海馬亞區體積與各個認知域功能障礙的相關性。基于既往研究提示年齡、性別、教育年限、eTIV對海馬萎縮及認知障礙有影響，此外LI、WMH、CMB在組間有統計學差異，為了避免上述變量的影響，在偏相關分析中將上述因素作為協變量進行校正。同樣采用偏相關分析在全部WMH患者中分析三組間有差異的海馬亞區體積與WMH體積的相關性（校正年齡、性別、教育年限、eTIV、LI、CMB等因素）。為避免多次相關分析增加一類錯誤，所有相關分析同樣采用Bonferroni多重比較校正。

2 結果

2.1 人口統計學、臨床資料及認知功能評估比較結果 本研究共納入253例研究對象，年齡47～87歲，平均65.49±7.66歲，男性133例（52.6%）。對照組85例，WMH組168例，WMH組中WMH-NCI組79例，WMH-CI組89例。對照組、WMH-NCI組及WMH-CI組在年齡、性別、教育年限及血管危險因素上差異無統計學意義。三組LI、CMBs、WMH等腦小血管病影像學標志物的差異有統計學意義，進一步兩兩分析顯示，WMH-NCI組及WMHCI組的LI及CMBs發生率均高于對照組（均P＜0.001），WMH-NCI組和WMH-CI組間LI（P=0.279）和CMBs（P=0.123）差異無統計學意義。WMH-NCI組及WMH-CI組室周、深部和總WMH體積均高于對照組（均P＜0.001），此外，WMH-CI組的室周（P=0.016）、深部（P=0.013）和總（P=0.010）WMH體積高于WMH-NCI組（表1）。

表1 人口統計學及臨床資料評估

三組間認知功能比較顯示，總體認知功能及各認知域評分差異均有統計學意義。兩兩比較顯示，WMH-CI組與其他兩組相比表現為廣泛的認知域功能障礙，包括總體認知功能、信息處理速度、執行功能、記憶功能及語言功能，差異均有統計學意義（除在WMS-VR-DR指標上與WMH-NCI組相比，P=0.001外，其余指標比較的P值均＜0.001），而WMH-NCI組患者則僅在連線測試B評分上低于對照組（P=0.040）（表2）。

表2 認知功能評估結果

2.2 海馬總體積及海馬亞區體積的比較結果 比較三組間海馬總體積的差異，僅發現右側海馬總體體積差異有統計學意義（P=0.024）（表3）;進一步進行海馬亞區體積比較發現雙側海馬傘（左側P=0.012，右側P=0.003）、右側下托（P=0.033）、右側分子層（P=0.012）、右側齒狀回（P=0.002）、右側CA3（P=0.019）及右側CA4（P=0.011）亞區體積在三組間差異均有統計學意義。進一步兩兩分析發現，與對照組相比，WMHNCI組出現右側齒狀回（P=0.006）、右側CA3（P=0.006）和右側CA4（P=0.020）海馬亞區的萎縮，而WMH-CI組與對照組相比，則出現左側海馬傘（P=0.004）、右側下托（P=0.022）、右側分子層（P=0.003）、右側齒狀回（P=0.001）、右側CA3（P=0.039）、右側CA4（P=0.003）和右側海馬傘（P=0.020）亞區體積降低；與WMH-NCI組相比，WMH-CI組右側下托（P=0.026）和右側海馬傘（P=0.001）體積下降。經Bonferroni多重比較校正后，WMH-CI組與對照組在右側分子層、右側齒狀回及右側CA4亞區體積的差異仍然有統計學意義（P<0.05/12）；WMH-CI組與WMH-NCI組間在右側海馬傘亞區的體積差異也仍然有統計學意義（P<0.05/12）。

表3 海馬及各亞區體積比較結果

2.3 海馬亞區體積與WMH體積的相關性分析 在WMH人群中，總WMH體積與右側齒狀回（r=-0.134，P=0.035）和右側CA3區（r=-0.149，P=0.020）的海馬亞區體積呈負相關；進一步將WMH分成室周和深部分析時發現，右側齒狀回（r=-0.128，P=0.045）及右側CA3區（r=-0.139，P=0.029）的海馬亞區體積隨著室周WMH體積的增加而減小，但與深部WMH體積的變化無相關性。

2.4 海馬亞區體積與認知域功能的相關性分析 經Bonferroni多重比較校正后，WMHCI組中患者的總體認知功能（r=0.315，P=0.004）及語言功能（r=0.318，P=0.006）與右側下托體積呈正相關；執行功能與右側分子層（r=0.300，P=0.006）、右側齒狀回（r=0.333，P=0.002）和右側CA4（r=0.323，P=0.003）的體積呈正相關（圖1）。

圖1 有認知障礙的腦白質高信號患者認知域功能與海馬亞區體積的偏相關分析

3 討論

海馬是學習和記憶的關鍵腦區，易受到血管性因素的影響[4，13]。WMH是腦小血管病的重要影像標志物，可引起以信息處理速度及執行功能障礙為主的認知損害，而其認知障礙的發生發展過程中，海馬的結構異常同樣發揮重要作用。既往研究已發現WMH對海馬萎縮有一定的影響[13-15]，而較少關注WMH與海馬亞區萎縮的關系。海馬呈C字形結構，橫跨了內側顳葉中心部位，由CA1～CA4區、齒狀回等多個亞區構成，各個海馬亞區是分離又功能連接的整體[6]。本研究團隊推測不同海馬亞區在WMH發展中受累的情況可能存在不同，故利用FreeSurfer 6.0的海馬亞區分割定量算法探究了WMH人群中海馬亞區體積的萎縮模式及其與WMH體積定量及認知功能障礙間的關系。本研究結果發現：①WMH患者表現為非對稱性海馬萎縮，以右側半球分子層、齒狀回、CA4、海馬傘的亞區萎縮為主；②海馬亞區的萎縮隨WMH，特別是室周WMH負荷的增加而加重；③WMH患者執行功能與右側分子層、齒狀回及CA4區海馬亞區體積相關，而總體認知功能和語言功能則明顯受右側下托萎縮的影響。

本研究比較了海馬總體積的差異，發現WMH-CI組患者與對照組相比，僅右側海馬總體積存在顯著的萎縮；進一步比較海馬亞區體積時可以發現，左側半球僅左側海馬傘在WMH-CI患者出現顯著的萎縮，但經過多重比較校正后這種差異不再顯著；而右側半球中右側下托、分子層、齒狀回、CA3、CA4、海馬傘均表現為顯著的亞區萎縮，且經多重比較校正后，右側分子層、齒狀回、CA4的差異仍然顯著。既往研究者基于體素的分析同樣提出了WMH患者右側海馬萎縮的非對稱萎縮現象[13]，本研究則進一步證實在海馬亞區萎縮中這種模式同樣存在。這些發現提示小血管病的發病機制可能與海馬亞區的萎縮相關，這可能涉及了穿支動脈閉塞和神經炎癥反應等[16-17]。有研究提示上述海馬亞區的萎縮與血管病變有關，提示在癡呆列隊中CA區、下托、齒狀回、分子層亞區的萎縮情況可用于鑒別血管性癡呆和AD相關癡呆[18]。在動物模型中，上述區域也被發現更易發生缺血，可能是由于其構成成分特點（如下托的糖皮質激素密度較高）或天然的神經元丟失易感性（如CA4、齒狀回等）[17]。

本研究發現海馬亞區的萎縮隨WMH，特別是室周WMH負荷的增加而加重，WMH和灰質包括海馬的萎縮常常是一種共存的模式，共同促進認知功能障礙發展。本研究發現右側齒狀回和CA3亞區的體積隨著WMH特別是室周WMH的增加而減小。WMH是腦小血管病的影像標志物，其與海馬萎縮的關系提示了血管病理及缺血缺氧對腦萎縮的加劇效應[19]。其可能的機制是WMH通過皮層-皮層下失連接間接引起海馬的萎縮，特別是與海馬相連的纖維束區域的WMH可能通過Wallerian變性引起軸突的丟失及隨后的海馬萎縮[14]。

此外，本研究還發現多個海馬亞區體積萎縮與WMH認知功能障礙之間具有相關性。WMH最易受累的認知域是執行功能，本研究中患者的執行功能受到右側分子層、齒狀回及CA4區亞區萎縮的影響，且這種影響獨立于WMH體積、LI等腦小血管病常見的影像標志物。此外，WMH總體認知和語言功能受右側下托萎縮影響。動物研究發現，CA區、下托、齒狀回等海馬亞區對缺血、炎癥和反應性膠質增生的血管變化敏感[17，20]。海馬內部神經環路的信息輸入起源于內嗅皮層神經元，穿過下托至齒狀回，再延伸至CA3區，CA3區的部分纖維可投射至海馬傘；輸出通路則主要包括CA1-4區或下托，最終可投射至后扣帶皮質、杏仁核、前額葉等[21]。CA4位于齒狀回內部，可接收大腦皮質興奮，故這兩個區域神經突觸的丟失影響海馬的信息輸入，推測齒狀回和CA4亞區可能是WMH執行障礙發病機制的重要位點[21]。下托則被發現與廣泛的認知任務相關，這可能與它在功能環路中的解剖位置相關，既是海馬投射至外部的輸出要塞，又是亞區間聯絡的樞紐[5]。

雖然海馬是AD患者記憶功能的神經解剖學基礎，但在血管性認知障礙患者相關的橫斷面和縱向研究中均發現，嚴重WMH患者的大腦皮質和皮質下萎縮與執行能力的相關性更強，但在記憶能力方面沒有發現相互作用[22-23]。這可能也是本研究未發現對記憶有顯著影響的海馬亞區的原因。

本研究尚存在以下局限性：首先，本研究是一個橫斷面研究，在因果關系的推斷上存在一定的局限性，還需要大型的縱向研究來驗證本研究的結論；其次，本研究是一個單中心研究，可能存在樣本偏倚，且納入樣本量仍不足，導致結果存在誤差，如本研究一些相關關系僅表現為弱相關，尚需多中心的大樣本研究來進一步證實。本研究發現多個影響WMH患者認知域功能障礙的海馬亞區，尚需長程研究來驗證海馬亞區萎縮在WMH患者認知功能障礙中的早期診斷和預測價值。

【點睛】本研究基于頭顱MRI對WMH患者認知功能障礙與海馬及其各亞區萎縮情況進行了分析，結果顯示WMH患者右側海馬萎縮更明顯，海馬右側分子層、齒狀回及CA4區亞區影響WMH患者執行功能而右側下托的萎縮與患者的總體認知和語言功能下降有關。