急性和緩解期多發性硬化全腦的相干局部一致性研究

朱艷艷，王瑤，何婷，王磊，黃木華，周福慶

作者單位：南昌大學第一附屬醫院放射科，南昌330006

多發性硬化(multiple sclerosis，MS)是一種慢性自身免疫性疾病，以中樞神經系統彌漫性炎性脫髓鞘病變為特征，患者可存在視覺、認知及運動等功能損害，復發緩解型MS (relapsing remitting MS,RRMS)是最常見類型。常規MRI掃描在MS的診斷和評估中發揮了重要作用，但其不能很好地解釋MS 病灶與軀體殘疾狀態間的關系。近年來，靜息態功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)已經成為測量人類大腦生理/病理狀態下內在活動改變的常用研究工具，從神經影像學角度揭示了多發性硬化患者臨床功能損害的潛在神經生物學機制[1-2]，然而這些研究大多集中于MS 的緩解期。局部一致性(regional homogeneity，ReHo)是rs-fMRI 一種常用分析方法，可間接反映大腦某特定區域自發神經功能活動的時間同步性[3]。相對于肯德爾和諧系數的局部一致性(Kendall′s coefficient of concordance regional homogeneity，KCCReHo)，基于相干算法的局部一致性(coherence-based regional homogeneity，Cohe-ReHo)更不易受MRI 時間序列相位延遲所致隨機噪聲的影響，準確性會更高[3-4]。因此，本研究擬采用Cohe-ReHo方法探討急性期、緩解期RRMS 以及健康對照局部腦活動一致性改變，以期加深對不同疾病狀態下RRMS 患者的神經病理機制的理解。

1 資料與方法

1.1 研究對象

RRMS 組：前 瞻 性 納 入 自2012 年9 月 至2019 年6 月期間就診于南昌大學第一附屬醫院神經內科的RRMS患者55例(男20例，女35例)，其中急性期20例，緩解期35 例，具體臨床資料見表1。納入標準如下：(1)符合2017年McDonald臨床診斷標準[5]并參照國內專家共識[6]，具有典型的復發-緩解病程。(2)急性期RRMS 組：急性發作或急性功能損害，至少持續24 h。(3)緩解期RRMS組：MRI測量前3個月無急性發作，未接受皮質類固醇或免疫抑制劑等治療史；緩解期RRMS患者的擴展殘疾狀態量表(Expanded Disability Status Scale，EDSS)評分＜2.5，反映殘疾程度相對最低[7]。(4)右利手。(5)無其他精神神經疾病、無腦外傷病史或昏迷史等；無糖尿病、肝功能衰竭或心血管疾病等系統性疾病。(6)無MRI掃描禁忌證：如體內有金屬植入物、幽閉恐懼癥或不能耐受磁共振掃描患者。所有RRMS患者在掃描前進行EDSS評分及進步式聽覺累加測試(Paced Auditory Serial Addition Test 3s，PASAT-3s)。

健康對照(healthy control，HC)組：同期招募性別、年齡與患者組相匹配的20 名健康志愿者作為對照組，其中男11 名，女9 名，均無神經精神系統疾病史且神經系統體檢正常，無MRI 掃描禁忌證，所有受試者為右利手。

本研究獲得本院生物醫學科研倫理委員會批準(批準文號：4-074號)，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 數據采集

使用3.0 T超導磁共振掃描儀(Trio Tim，Siemens，德國)及標準8 通道頭顱線圈采集數據。掃描過程中，要求受試者佩戴降噪耳機并平臥于檢查床上，保持安靜、閉眼，頭腦放空盡量不做思維活動。同時，使用配套泡沫墊固定受試者的頭部防止或減少頭動。rs-fMRI 掃描序列采用梯度回波平面成像序列，掃描參數：TR 2000 ms，TE 30 ms，翻轉角90°，掃描視野210 mm×210 mm，層數30 層，層厚4 mm，層距1.2 mm，矩陣64×64，體素大小3.3 mm×3.3 mm×4.0 mm，掃描時間486 s。三維磁化強度預備梯度回波T1 序列矢狀位掃描：TR 1900 ms，TE 2.26 ms，掃描視野215 mm×230 mm，矩陣240×256，層數176，層厚1 mm，體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。另外獲取常規序列如T1WI、T2WI 及液體衰減反轉恢復序列等用于診斷和除外腦部其他病變。

1.3 數據分析

1.3.1 數據預處理

基于MATLAB 2014b 平臺，采用rs-fMRI 數據處理助手(Data Processing & Analysis for Brain Imaging，DPABI) V4.2 (http://rfmri.org/dpabi)對fMRI數據進行預處理。主要步驟包括：去除前10個時間點的數據、時間層校正、頭動校正(剔除頭部運動＞1.5 mm或旋轉運動＞1.5°的被試)、基于T1 結構像配準并利用DARTEL 算法進行結構圖像的分割、將功能磁共振數據歸一化至蒙特利爾標準空間、數據重采樣處理(采樣體素大小為3 mm×3 mm×3 mm)、去除協變量(去除由于頭動參數、腦白質和腦脊液信號等造成的非神經元噪聲，需注意的是沒有進行全局信號回歸)以及濾波(0.01～0.08 Hz)去低頻漂移和高頻噪聲等處理等。

1.3.2 Cohe-ReHo分析

在MATLAB 2014b 平臺上應用靜息態功能磁共振數據處理工具包plus V1.2 (REST plus V1.2，http://restfmri.net/forum/RESTplusV1.2) 進行Cohe-ReHo的計算，既往研究[6]介紹了計算Cohe-ReHo 的詳細過程，簡單來說，主要包括三個步驟：(1)計算給定體素團塊內任意兩個時間序列之間的功率譜和交叉頻譜；(2)利用功率譜和交叉頻譜估計低頻波段(0.01～0.08 Hz)內任意兩個時間序列的相干性；(3)計算給定體素團塊內Cohe-ReHo，將團塊內給定體素的平均相干系數應用于團塊的中心體素以代表該體素的Cohe-ReHo。

基于體素水平獲取每一受試者的Cohe-ReHo圖，并對其進行全腦平均達到標準化效果。最后對每個受試者的Cohe-ReHo 圖進行全寬半高(FWHM，6 mm)高斯平滑處理，所得圖像進入統計學分析。

1.4 統計學分析

利用DPABI_V4.2 對3 組Cohe-ReHo 統計圖進行方差分析來比較急性期RRMS、緩解期RRMS 和HC三組之間Cohe-ReHo 差異，結果采用高斯隨機場理論校正(體素水平P＜0.01，簇水平P＜0.05；雙側檢驗)。將方差分析結果中差異有統計學意義的腦區分別制作成mask，作為ROI，然后提取每個受試者ROI 對應的Cohe-ReHo 值，在SPSS 13.0 軟件中進行Post-Hoc 分析，比較亞組之間(急性期RRMS vs.HC、緩解期RRMS vs.HC、急性期RRMS vs.緩解期RRMS)的Cohe-ReHo 差異。最后，采用偏相關分析(年齡、性別為協變量)評估有統計學意義的差異腦 區Cohe-ReHo 值 與EDSS 評 分、PASAT-3s 評 分 以及病程之間的相關性，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 一般資料

本研究3 組間的年齡和性別差異均無統計學意義(P＞0.05)；急性期RRMS 與緩解期RRMS 在病程上差異無統計學意義(P=0.800)；急性期RRMS 與緩解期RRMS 的EDSS 和PASAT-3s 評分差異有統計學意義(P＜0.001)。具體結果詳見表1。

表1 受試者臨床資料統計表Tab.1 Clinical characteristics'statistical table of subjects

2.2 Cohe-ReHo空間分布和組間比較

急性期RRMS 組、緩解期RRMS 組和HC 組的全腦Cohe-ReHo空間分布相似(圖1)。

圖1 急性期RRMS、緩解期RRMS及HC組的全腦Cohe-ReHo空間分布。Fig.1 The spatial distribution of Cohe-ReHo in the acute RRMS,remitting RRMS and HC.

方差分析顯示3 組間Cohe-ReHo 差異具有統計學意義的腦區主要分布在雙側前扣帶回、右側楔葉/枕中回及左側額上回(體素水平P＜0.01，簇水平P＜0.05，高斯隨機場理論校正；表2，圖2)。組間Post-Hoc 檢驗顯示，急性期RRMS 組與HC 組相比，雙側前扣帶回及左側額上回Cohe-ReHo 值降低(圖3A、3B)，右側楔葉/枕中回Cohe-ReHo 值升高(圖3C)。緩解期RRMS 組與HC 組相比，雙側前扣帶回與左側額上回Cohe-ReHo值降低(圖3A、3B)。急性期RRMS組與緩解期RRMS 組相比，右側楔葉/枕中回Cohe-ReHo 值升高(圖3C)。

圖2 三組間Cohe-ReHo 值比較差異有統計學意義的腦區分布(體素水平P＜0.01，簇水平P＜0.05，高斯隨機場理論校正)。 圖3 急性期RRMS、緩解期RRMS及HC組雙側前扣帶回、左側額上回、右側楔葉/枕中回的Cohe-ReHo值組間比較(Post-Hoc檢驗，P＜0.05)。Fig. 2 Brain regions with significant differences in Cohe-ReHo among patients with acute RRMS, remitting RRMS, and healthy controls (voxel-level P＜0.01,GRF correction, cluster-level P＜0.05). Fig. 3 Comparison of Cohe-ReHo values in bilateral anterior cingulate, left superior frontal gyrus, right cuneus/middle occipital gyrus among the acute RRMS,remitting RRMS,and healthy controls(Post-Hoc test,P＜0.05).

表2 三組間Cohe-ReHo值比較差異有統計學意義的腦區(體素水平P＜0.01，簇水平P＜0.05，高斯隨機場理論校正)Tab.2 Brain regions with significant differences in Cohe-ReHo among the acute RRMS,remitting RRMS and healthy controls groups(voxel-level P＜0.01,GRF correction,cluster-level P＜0.05)

2.3 組間差異腦區的Cohe-ReHo 值與患者臨床參數的相關性分析

偏相關分析結果顯示，急性期RRMS 的EDSS 評分與左側額上回的Cohe-ReHo 值呈負相關(r=-0.493，P=0.037)，緩解期RRMS 組的PASAT-3s 評分與左側額上回的Cohe-ReHo 值呈負相關(r=-0.382，P=0.028)，如圖4所示。

圖4 緩解期RRMS 左側額上回的Cohe-ReHo 值與PASAT-3s 評分呈負相關及急性期RRMS 左側額上回Cohe-ReHo 值與EDSS 評分呈負相關。PASAT-3s：進步式聽覺累加測試-3；EDSS：擴展殘疾狀況評分量表。Fig. 4 The Cohe-ReHo value of the left superior frontal gyrus was negatively correlated with PASAT-3s in remitting RRMS and negatively correlated with EDSS in acute RRMS. PASAT-3s: Paced Auditory Serial Addition Test 3s; EDSS: Expanded Disability Status Scale.

3 討論

本研究采用Cohe-ReHo分析方法，觀察了靜息狀態下RRMS患者在急性期和緩解期的全腦局部神經活動改變特點。急性期和緩解期RRMS在雙側前扣帶回和左側額上回檢測到相似的Cohe-ReHo減低改變，且緩解期RRMS 左側額上回Cohe-ReHo 的異常改變與緩解期RRMS患者的認知功能受損有關。然而，僅在急性期RRMS患者中檢測到右側楔葉/枕中回的Cohe-ReHo增高，提示相對于緩解期RRMS 患者，RRMS 在急性狀態下需招募更多視覺信息加工處理相關神經元，這為進一步揭示RRMS患者在不同疾病階段行為障礙相關的神經影像學機制提供新思路。

3.1 急性期和緩解期RRMS患者均存在認知功能相關腦區的Cohe-ReHo改變

與HC 組相比，急性期和緩解期RRMS 患者存在相似的Cohe-ReHo 減低改變，Cohe-ReHo 減低的腦區均分布在雙側前扣帶回及左側額上回。額上回屬于前額葉組成腦區，前額葉皮層在人類高級認知活動中，被認為是情緒調節的關鍵腦區[8]。扣帶回位于額葉內側面胼胝體的前端，是邊緣系統的重要組成部分。扣帶回與大腦其他眾多的腦區比如島葉、內側丘腦、紋狀體等之間有著廣泛的纖維連接，被認為在認知以及情感方面起著重要的作用[9-10]。早期病理研究即發現前扣帶回及額上回比其他腦區更容易出現脫髓鞘病灶[11]，這種額葉的損傷在RRMS 腦血流灌注相關研究中也得以體現，研究表明RRMS額上回腦血流量及腦血容量降低[12]。隨后的多模態MRI 研究也提示了RRMS 患者額上回及前扣帶回的功能和結構損害，如RRMS 患者存在邊緣系統和背外側前額葉皮質的灰質橫向弛豫率減低及額頂神經網絡完整性下降等[13-14]。為此本研究結果進一步驗證了RRMS 患者的認知功能相關腦區局部神經元活動受損，并且不論是在急性期還是緩解期，RRMS 患者均出現了雙側前扣帶回和左側額上回的Cohe-ReHo 降低，我們推測這種Cohe-ReHo 的降低可能由局部皮質病灶潛在的不可逆軸突損傷所致。

既往利用KCC-ReHo 方法的RRMS 研究提示尾狀核的KCC-ReHo 下降與RRMS 患者疲勞對認知控制功能的影響有關及RRMS患者運動功能障礙可能與患者運動相關腦區KCC-ReHo 減低有關[15]，本研究雖未揭示相似功能腦區的異常改變及其與臨床的相關性，但所檢測到的左側額上回Cohe-ReHo 降低與先前其他fMRI 研究結果大致相符，先前多項研究已經表明了認知功能相關腦區活動受損在MS中的重要作用并發現額上回病變與MS 患者認知功能改變有密切聯系[14]。大約40%～70% MS 患者會出現認知功能障礙，MS 的認知障礙與病程沒有很好的相關性，也不像其身體殘疾那樣遵循相同的發展規律[16]。目前較為一致的觀點認為結構網絡的連接中斷與MS 患者注意力、語言學習、記憶等認知功能的降低有關，而功能網絡的連接增加與降低都被認為是MS患者認知障礙的潛在基礎，具體機制目前尚存在爭議[17-19]。而對于本研究的相關分析結果而言，緩解期RRMS 左側額上回Cohe-ReHo 值與PASAT-3s 評分呈負相關這一結果更支持前者“功能連接的增加是MS 認知障礙的潛在基礎”觀點，也就是說這種局部腦區功能活動的同步性提升可能不一定對MS 有益，可能是為了應對結構損傷進行適應性重塑的失敗嘗試[18-19]。而急性期RRMS 左側額上回Cohe-ReHo 值與EDSS 評分呈負相關，EDSS 評分是一種廣泛應用于評價中樞神經系統功能障礙的評估量表，以往研究表明，MS患者的EDSS評分通常與感覺運動網絡有關[20]，與本研究結果不符，這種差異在先前研究中也出現過，如認知功能相關的大腦區域左側蒼白球和左側前扣帶回之間的功能連接增強與MS 患者的運動功能障礙有關[21]，導致這種差異的確切原因尚不清楚，可能是腦功能活動紊亂所致的微弱相關。

3.2 僅在急性期RRMS患者中檢測到視覺信息處理相關腦區的Cohe-ReHo升高

復發緩解型是多發性硬化最常見的臨床類型，反復發作和緩解最終將導致神經功能不可逆損傷。臨床急性發作或復發反映了中樞神經系統的急性炎癥，通常，每次發作都涉及中樞神經系統不同的解剖區域，導致不同的臨床表現。先前的病理研究發現，MS 患者在不同疾病階段的病理改變不同，在急性期或者復發期往往會出現新的白質病灶，其中典型的活動性病灶在急性癥狀中占主導地位[22]，隨著病程延長，炎癥減少，但靶組織對神經退行性病變的易感性增加，這也是患者在緩解期仍然會出現部分軀體功能障礙的基礎。脫髓鞘是MS 的特征性表現，急性局灶性脫髓鞘導致明顯的軸突損傷和喪失，大多數軸突在最初的損傷中存活并可發生有限的再髓鞘化，逐漸形成所謂的慢性病變[23-24]。綜上也不難理解本研究中所顯示的RRMS患者在急性期和緩解期存在著不同Cohe-ReHo改變這一現象。

具體而言，急性期相對于緩解期RRMS患者楔葉/枕中回的Cohe-ReHo 異常增高。楔葉和枕中回均屬于視覺加工腦區，主要負責視覺信息的獲取和輸入，參與視空間信息的處理[25-26]。先前研究表明MS 患者存在視覺網絡連接模式的改變[27-28]，本研究發現急性期RRMS 患者在楔葉/枕中回Cohe-ReHo 增高，進一步驗證了MS 患者視覺網絡功能的異常改變，并主要發生在RRMS 患者的急性期階段，而在緩解期RRMS 尚未檢測到相似改變，可能是緩解狀態下MS 中樞神經系統局灶性脫髓鞘病變再髓鞘化恢復所產生的一種重要神經保護策略[23-24]。此外，以往研究提示MS即使在沒有視神經炎或者視覺癥狀的情況下，視覺通路仍存在進行性的功能損害[29-30]。為此，我們推測本研究中急性期RRMS 楔葉/枕中回的異常激活可能是應對患者后視覺通路亞臨床損傷或者視神經亞臨床脫髓鞘病變所產生的自適應性代償。同時，上述腦區的異常激活僅在急性期RRMS 患者中檢測到，提示相對于緩解期RRMS，急性期患者需要動員更多的視覺信息加工處理相關神經元，以保持功能的一致性用于處理相關信息。

本研究尚存在不足，本研究的群體僅限于EDSS評分較低RRMS 患者(為保證掃描安全性)；本研究僅進行了橫向研究，未來應該增加縱向數據，以獲得更多關于MS 整個疾病周期的Cohe-ReHo 變化趨勢，這將利于揭示疾病病理生理進展相關的神經影像學機制。

綜上所述，RRMS 患者在急性和緩解狀態下均存在認知功能相關腦腦區的局部腦功能活動改變，并且緩解期RRMS 左側額上回Cohe-ReHo 的異常改變與其認知功能受損有關；不同的是相對于緩解期RRMS患者，急性期RRMS為了維持功能穩定，動員了更多與視覺信息加工處理相關的腦區。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。