孤獨(dú)癥譜系障礙兒童尾狀核頭的彌散峰度成像研究

孫永兵，趙鑫，陸林，邢慶娜，何雄鵬，張小安*

作者單位：1.鄭州大學(xué)第三附屬醫(yī)院放射科，鄭州 450052；2.鄭州大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所，鄭州 450052

孤獨(dú)癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)是一種神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病，其特征是持續(xù)的社會(huì)交往、溝通障礙、刻板印象或重復(fù)行為和興趣。據(jù)美國最新流行病學(xué)報(bào)道，8歲以下兒童ASD患病率為1/54[1]，我國6～12歲兒童為0.29%[2]，且患病率逐年升高，全球患病率約1%[3]。迄今為止，ASD病因不明確。語言障礙是ASD兒童監(jiān)護(hù)人最易察覺異常的癥狀，語言障礙雖不是ASD最常見癥狀，卻是最常見的住院原因[4]。一項(xiàng)關(guān)于ASD預(yù)后的縱向研究表明，兒童時(shí)期語言延遲可能會(huì)導(dǎo)致語言效果不佳，如語言智商下降，成年后詞匯生成能力較差[5]。皮質(zhì)下灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，特別是紋狀體，在語言加工中發(fā)揮重要作用[6]。神經(jīng)成像研究表明，左側(cè)尾狀核頭與語言控制過程關(guān)系密切[7-8]。彌散峰度成像(diffusional kurtosis imaging，DKI)作為一種描述復(fù)雜組織的非高斯水分子彌散技術(shù)，可敏感地檢測大腦灰質(zhì)核團(tuán)的微結(jié)構(gòu)改變[9]。ASD伴語言障礙兒童尾狀核頭改變?nèi)圆磺宄狙芯繎?yīng)用DKI分析2～5歲ASD兒童尾狀核頭改變，探索尾狀核頭與臨床言語測評分?jǐn)?shù)的關(guān)系。

1 對象和方法

1.1 研究對象

回顧性分析2019年10月至2021年8月鄭州大學(xué)第三附屬醫(yī)院兒童保健科首次確診為ASD伴語言障礙兒童34 例及同期體檢的健康兒童30 例。ASD伴語言障礙兒童排除標(biāo)準(zhǔn)：精神發(fā)育遲緩、發(fā)育性語言障礙等精神疾病史、已行藥物或行為學(xué)干預(yù)、有明顯出生缺陷、存在MRI檢查禁忌證、MRI檢查腦部存在明顯器質(zhì)性病變等兒童。健康兒童排除標(biāo)準(zhǔn)：頭部外傷史，語言發(fā)育遲緩等神經(jīng)系統(tǒng)疾病。所有樣本均為右利手，家庭用語為漢語。本研究符合赫爾辛基宣言，所有參與者家長均被告知MRI檢查目的及可能影響。本研究通過鄭州大學(xué)第三附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：2021-138-01)，免除受試者知情同意。

1.2 方法

1.2.1 評估工具

病例組采用以下工具進(jìn)行評估。(1)自制調(diào)查問卷：記錄檢查者及其家庭一般情況，包括受檢者基本信息、出生孕周、出生體質(zhì)量、檢查體質(zhì)量、喂養(yǎng)方式(A母乳、B配方奶、C混合)、父母受教育程度(①小學(xué)及以下，②初中-高中，③本科及以上)、母孕史等；(2)診斷依據(jù)美國精神障礙診斷統(tǒng)計(jì)手冊第5 版[10]，兒童孤獨(dú)癥評定量表得分≥30 分；(3)自閉癥兒童心理教育評核第三版[Psychoeducational Profile (Third Edition)，PEP-3][11]由發(fā)展和行為10個(gè)副測試以及兒童照顧者報(bào)告兩部分組成，最終得到溝通合成分?jǐn)?shù)、體能合成分?jǐn)?shù)和行為合成分?jǐn)?shù)，其中溝通得分是由副測試的認(rèn)知得分、語言表達(dá)和語言理解得分合成，主要是評估兒童說話、聆聽、閱讀和讀寫能力，分?jǐn)?shù)越高，表示其溝通能力越強(qiáng)。

對照組應(yīng)用自制調(diào)查問卷和PEP-3 量表進(jìn)行評估，以上量表均由臨床經(jīng)驗(yàn)豐富的發(fā)育行為學(xué)專業(yè)醫(yī)生進(jìn)行雙盲評定。問卷信息不完善時(shí)，調(diào)查員通過現(xiàn)場提醒或電話回訪以補(bǔ)充數(shù)據(jù)。

1.2.2 MRI數(shù)據(jù)采集

MRI 檢查：所有兒童檢查前30 min注射5 mg/kg苯巴比妥，檢查時(shí)耳朵內(nèi)塞入棉球以減少設(shè)備噪音對聽力的影響，海綿固定在被試者頭部兩側(cè)以減少運(yùn)動(dòng)偽影。應(yīng)用美國GE 公司3.0 T 掃描儀(SIGNA.Pioneer) 16 通道頭線圈待兒童熟睡后行顱腦MRI 檢查，包括常規(guī)T1 (TR/TE=1750 ms/24 ms)、T2 (TR/TE=5552 ms/128 ms)序列，以排除大腦器質(zhì)性病變。科研序列包括DKI：軸位，TR/TE=8200 ms/2.3 ms，視野200 mm×200 mm，矩陣256×256，激勵(lì)次數(shù)1，層厚4 mm，層間距0 mm，b 值為0、1000 和2000 s/mm2，層數(shù)27，掃描時(shí)間7 min 23 s。集成磁共振序列(Synthetic MR，SyMRI)：軸位，TR/TE=4266 ms/19.4 ms，視野200 mm×200 mm，矩陣22，激勵(lì)次數(shù)1，層厚4 mm，層間距1.0 mm，層數(shù)27，掃描時(shí)間4 min 30 s。

1.2.3 圖像處理與數(shù)據(jù)測量

將掃描后的DKI圖像導(dǎo)入工作站iQuant進(jìn)行處理，獲得各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)a)、平均彌散系數(shù)(mean diffusivity，Md)、軸向彌散系數(shù)(axial diffusivity，Da)、徑向彌散系數(shù)(radial diffusivity，Dr)、平均彌散峰度(mean kurtosis，Mk)，軸向彌散峰度(axial kurtosis，Ka)和徑向彌散峰度(radial kurtosis，Kr)偽彩圖。將SyMRI序列導(dǎo)入供應(yīng)商提供的程序SyMRI 8.0 (Synthetic MR，Link?ping，瑞典)，自動(dòng)分割顱腦，得到白質(zhì)體積、灰質(zhì)體積、腦脊液體積、非白質(zhì)/灰質(zhì)/腦脊液體積和髓鞘化體積并記錄。

將處理后的7 個(gè)DKI 偽彩圖依次導(dǎo)入ITK-SNAP 3.8.0軟件，由一位經(jīng)過培訓(xùn)的神經(jīng)影像學(xué)研究生進(jìn)行手動(dòng)勾畫感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，并由一位十年以上經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)影像醫(yī)生進(jìn)行核準(zhǔn)。在Fa圖上清晰顯示尾狀核頭、殼核時(shí)應(yīng)用正方形測量工具，以6個(gè)體素(87～88 mm2)大小為單位進(jìn)行勾畫，如圖1所示。每次測量均置于ROI正中部位，以減少周圍組織污染，取測量三次的平均值。最終得到左右雙側(cè)尾狀核頭DKI參數(shù)值，并計(jì)算出右-左尾狀核頭比率R0(R0=右尾狀核頭/左尾狀核頭)。

圖1 感興趣區(qū)勾畫LV：側(cè)腦室；ALIC：內(nèi)囊前肢；PLIC：內(nèi)囊后肢；LN:殼核；黃色：右側(cè)尾狀核頭；紅色：左側(cè)尾狀核頭。Fig. 1 Zone of interest delineation.LV: lateral ventricles;ALIC: anterior limb of internal capsule; PLIC: posterior limb of internal capsule; LN: putamen;Yellow:caput nuclei caudate of the right;Red:caput nuclei caudate of the left.

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布的資料組間比較采用t檢驗(yàn)，用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，非正態(tài)分布資料采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)，以中位數(shù)(上四分位數(shù)，下四分位數(shù))表示。計(jì)數(shù)資料比較采用卡方檢驗(yàn)，有序等級(jí)變量比較用Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)。兩組尾狀核頭DKI特征值比較用協(xié)方差分析，Spearman相關(guān)性分析尾狀核頭顯示差異的DKI參數(shù)值與語言評分之間的關(guān)系。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

共收集35例ASD伴語言障礙兒童，其中1名兒童因腦部點(diǎn)片狀腦軟化灶被剔除，最終納入34 例，男26 例，女8 例，年齡24～56 (34.97±9.72)個(gè)月。共收集32 例健康對照組兒童，排除1 名圖像有運(yùn)動(dòng)偽影及1名蛛網(wǎng)膜囊腫兒童，最終納入30例。男23例，女7例，年齡26～52 (34.80±8.90)個(gè)月。

2.1 兩組人口學(xué)資料比較

兩組兒童性別、年齡、檢查時(shí)體質(zhì)量、出生體質(zhì)量、喂養(yǎng)方式、父母雙親學(xué)歷、腦脊液體積、非白質(zhì)/灰質(zhì)/腦脊液體積和髓鞘體積差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)，見表1。與對照組比較，病例組白質(zhì)體積(P=0.003)和灰質(zhì)體積增大(P=0.010)，溝通分?jǐn)?shù)、語言理解和語言表達(dá)分?jǐn)?shù)均降低(P均＜0.001)。

表1 兩組兒童基線資料比較Tab.1 Comparison of baseline data between the two groups

2.2 兩組尾狀核頭DKI參數(shù)值比較

控制協(xié)變量(白質(zhì)體積和灰質(zhì)體積)后，比較兩組兒童尾狀核頭DKI參數(shù)的差異，結(jié)果顯示與對照組相比，ASD組R0-Da值增大(P=0.049)，左側(cè)尾狀核頭Kr值增大(P=0.049)，左側(cè)尾狀核頭Mk 值增大(P=0.046)，右/左尾狀核頭MK值減小(P=0.014)。如表2所示。

表2 兩組兒童尾狀核頭DKI參數(shù)的比較Tab.2 Comparison of DKI parameters of caudate nucleus head between the two groups

2.3 兩組語言得分與尾狀核頭DKI 參數(shù)值相關(guān)性分析

研究發(fā)現(xiàn)對照組左側(cè)尾狀核頭Kr與語言理解分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)(r=-0.514,P=0.004)，左側(cè)尾狀核頭Mk與語言理解和語言表達(dá)分?jǐn)?shù)均呈負(fù)相關(guān)(r=-0.701,P＜0.001)、(r=-0.614,P＜0.001)，R0-Mk值與語言理解和語言表達(dá)分?jǐn)?shù)均呈正相關(guān)(r=0.481,P=0.007)、(r=0.410,P=0.025)。ASD組雙側(cè)尾狀核頭及R0-DKI特征值與語言評分均未發(fā)現(xiàn)相關(guān)性(P＞0.05)。如圖2、3。

圖2 ASD 組尾狀核頭R0?Da、左尾狀核頭Kr、左尾狀核頭Mk、尾狀核頭R0?Mk分別與溝通分?jǐn)?shù)、語言理解分?jǐn)?shù)、語言表達(dá)分?jǐn)?shù)相關(guān)性分析。Da：軸向彌散系數(shù)，Mk：平均彌散峰度，Kr：徑向彌散峰度。Fig. 2 Correlation analysis of R0?Da, Kr, Mk, and R0?Mk with communication score, language comprehension score, and language expression score in the ASD group.Da:axial diffusivity;Mk:mean kurtosis;Kr:radial kurtosis.

3 討論

本研究應(yīng)用DKI 對ASD 伴語言障礙兒童尾狀核頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探索尾狀核頭DKI參數(shù)值與語言評分的相關(guān)性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)ASD兒童尾狀核頭微結(jié)構(gòu)異常并可能破壞語言形成過程。此研究為探索ASD 的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制提供了新的線索。

3.1 ASD兒童大腦體積異常

大量研究表明，ASD幼兒患者顱內(nèi)體積增大[12]，且未發(fā)現(xiàn)此差異是由ASD特定亞類驅(qū)動(dòng)。本研究中ASD組兒童白質(zhì)和灰質(zhì)體積大于對照組，與先前的研究一致[13]。目前結(jié)果顯示，過度生長可能在ASD 中持續(xù)存在，且灰質(zhì)和白質(zhì)發(fā)育失衡[14-15]。我們認(rèn)為，ASD 兒童大腦可能存在大量纖維束的無效鏈接導(dǎo)致大腦連通性異常[16]，信息傳遞的異常導(dǎo)致纖維束病理性增生，從而導(dǎo)致腦白質(zhì)體積增大。研究表明ASD患者在額葉、頂葉和顳葉廣泛分布的白質(zhì)連接性降低，并與社會(huì)意識(shí)和同理心困難有關(guān)[17]。ASD兒童灰白質(zhì)體積增大也可能與其腦突觸棘突密度下降不足有關(guān)，由于其突觸修復(fù)功能不足，導(dǎo)致神經(jīng)元體積的增大[18]。

3.2 ASD組兒童尾狀核頭

圖3 對照組尾狀核頭R0?Da、左尾狀核頭Kr、左尾狀核頭Mk、尾狀核頭R0?Mk分別與溝通分?jǐn)?shù)、語言理解分?jǐn)?shù)、語言表達(dá)分?jǐn)?shù)相關(guān)性分析。Da：軸向彌散系數(shù)，Mk：平均彌散峰度，Kr：徑向彌散峰度。Fig. 3 The correlation analysis of R0?Da, Kr, Mk, and R0?Mk with communication score, language comprehension score, and language expression score in the control group was conducted.Da:axial diffusivity;Mk:mean kurtosis;Kr:radial kurtosis.

Wegiel等[19]報(bào)道ASD患者尾狀核體積增加,推測可能與神經(jīng)元密度有關(guān)。本研究顯示與對照組相比，病例組兒童左側(cè)尾狀核頭Kr值和Mk值增大，R0-Da值升高，R0-Mk值降低。DKI表示非高斯分布的水分子彌散特性，可反映組織微觀結(jié)構(gòu)特征[20]，參數(shù)值越大表明彌散受限越嚴(yán)重，組織微結(jié)構(gòu)越復(fù)雜[21]。一項(xiàng)針對小鼠腦結(jié)構(gòu)的DKI研究表明，DKI參數(shù)與尾狀核中神經(jīng)密度之間具有很強(qiáng)的正相關(guān)性[22]。Mk是DKI最常用的參數(shù)之一，代表組織沿空間各方向彌散峰度的平均值。左側(cè)尾狀核頭Mk值增大，表明左側(cè)尾狀核頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)紊亂，而右側(cè)尾狀核頭結(jié)構(gòu)變化不明顯，隨之R0-Mk值降低。Da值反映水分子沿軸突傳導(dǎo)方向結(jié)構(gòu)變化，R0-Da值增大，可能因?yàn)樽髠?cè)尾狀核頭樹突和神經(jīng)元消除過程受阻，樹突的過度生長和分枝導(dǎo)致水分子沿軸突彌散時(shí)阻力增大。Kr值表示水分子垂直于軸突纖維方向彌散的峰度值，本研究中左側(cè)尾狀核頭Kr值增大，提示其髓鞘結(jié)構(gòu)異常。一項(xiàng)基于波譜研究證明，ASD患者尾狀核頭存在代謝異常及結(jié)構(gòu)紊亂，且左側(cè)尾狀核頭的代謝比右側(cè)低[23]，結(jié)合我們的結(jié)果，表明ASD兒童尾狀核頭可能存在偏側(cè)化結(jié)構(gòu)改變。

3.3 語言能力與尾狀核頭相關(guān)性

人們普遍認(rèn)為語言功能由一系列皮質(zhì)區(qū)域控制，Brodmann47區(qū)(參與語義特征工作記憶的皮質(zhì)區(qū)域)的皮質(zhì)-紋狀體神經(jīng)元投射到尾狀核，特別是尾狀核頭[24]。一項(xiàng)關(guān)于尾狀核頭偏側(cè)化與語言發(fā)育研究表明，兒童語言發(fā)育受到尾狀核頭微結(jié)構(gòu)變化的影響[25]，且尾狀核-語言功能受認(rèn)知功能的調(diào)節(jié)。我們的研究顯示，對照組尾狀核頭與語言評分之間存在相關(guān)性，而ASD組未見相關(guān)性。對照組左側(cè)尾狀核頭Kr值與語言理解得分，Mk值與語言表達(dá)和語言理解得分均呈負(fù)相關(guān)，R0-Mk 與語言理解和語言表達(dá)得分呈正相關(guān)，而R0-Da未檢測到與語言分?jǐn)?shù)顯著的相關(guān)性關(guān)系，表明尾狀核頭Mk值能更敏感地量化語言能力。本研究未發(fā)現(xiàn)對照組兒童尾狀核頭DKI參數(shù)與溝通分?jǐn)?shù)之間的相關(guān)性，溝通分?jǐn)?shù)除語言理解和語言表達(dá)得分外，還包括認(rèn)知得分，因?yàn)檎Z言學(xué)習(xí)與認(rèn)知功能密切相關(guān)，認(rèn)知功能受環(huán)境因素影響較大，所以尾狀核頭DKI值可能無法量化這種關(guān)系。本研究還發(fā)現(xiàn)ASD組尾狀核頭微結(jié)構(gòu)改變可能損害了語言加工傳遞過程，雖然ASD兒童尾狀核頭仍存在偏側(cè)化，但是尾狀核頭破壞后的腦網(wǎng)絡(luò)連接可能已失效。我們的結(jié)論與Sui 等的研究結(jié)果[26]相似。總之，ASD兒童尾狀核頭存在異常改變，其偏側(cè)化改變可能影響了語言正常功能。目前，DKI 已被用于研究ASD患者的腦白質(zhì)和灰質(zhì)改變[27-28]。

本研究也存在局限性，“語言發(fā)展”的復(fù)雜過程由不同大腦區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)支持，這些區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)從早期就開始發(fā)育，受到遺傳、環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響，因此，未來的研究應(yīng)采取更全面的方法，將這些因素納入到ASD 的研究模型中。特別是縱向考察這些因素的大規(guī)模研究可能會(huì)更好地理解語言不同發(fā)展階段的復(fù)雜關(guān)系。此外，本研究未將ASD組進(jìn)行嚴(yán)重程度分類，不同程度的ASD 可能語言能力差異較大，未來研究將會(huì)對ASD 組進(jìn)行更精確分類，期望能進(jìn)一步揭示ASD兒童語言受損的病理生理過程。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。