磁共振NODDI技術對阿爾茲海默病和遺忘型輕度認知障礙海馬體微觀結構的研究

韋志豪，王紅，琚超，劉瑩

作者單位：新疆醫科大學第二附屬醫院影像中心，烏魯木齊 830063

阿爾茲海默病[1](Alzheimer's disease，AD)作為神經系統最常見的不可逆退行性疾病之一，是引起癡呆癥最常見的病因，主要臨床表現為認知功能障礙、記憶力減退、行為異常等。輕度認知障礙(mild cognitive impairment，MCI)是指患者具有一定認知障礙但嚴重程度不足以構成癡呆癥的一個階段，是介于正常衰老和極早期AD 之間的過渡狀態，其發展為AD的年轉化率約為12%[2]，5年轉化率為72%[3]，明顯高于正常人，故臨床上將MCI 視為AD 的危險因素。根據其臨床表現不同可分為不同亞型，其中遺忘型輕 度 認 知 障 礙 (amnestic mild cognitive impairment，aMCI)風險最高[4]。目前對AD 尚無有效治療手段，但有研究表明[5]，如果在MCI階段采取合理干預措施，將能有效控制甚至是逆轉認知損傷，強化執行功能。所以，探究新方法以提高對MCI和極早期AD 的診斷率極為重要。神經突方向離散度和密度成像(neurite direction dispersion and density imaging，NODDI)技術[6]在總結了擴散張量成像和擴散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)的技術缺點后，在受阻與受限復合擴散模型的基礎上加入腦脊液隔室，建立了以三室擴散模型為基礎的新型擴散成像技術，從而獲取更高敏感性和特異性的腦組織微觀結構量化參數。目前，有很多學者也在致力于AD 和MCI 的腦組織結構的研究，并取得了不錯成果，但多數都聚焦于腦組織的宏觀結構改變，并沒有進一步分析其微觀結構的變化[7-8]。本研究利用NODDI 技術對腦組織微觀結構的高敏感性和高特異性進一步探究aMCI 和AD 的海馬微觀結構變化，探討NODDI技術對aMCI和AD的臨床價值。

1 材料和方法

1.1 研究對象

經我院倫理委員會批準( 批準文號：20200531-11)，前 瞻 性 納 入2020 年10 月 至2021 年6 月來我院就診的aMCI 患者和AD 患者，根據預先設定的納入和排除標準，納入15 例aMCI 患者進入aMCI組，20例AD患者進入AD組，同時招募20例年齡、性別和受教育程度與aMCI 組和AD 組相匹配的健康志愿者作為正常對照組(normal-control，NC)。所有受試者檢查前均已簽署對本研究的知情同意書。AD 組入組標準：(1)滿足2011 版美國國立老化研究所與阿爾茲海默病協會關于AD 的診斷標準；(2)根據中華醫學會老年醫學分會老年神經病學組關于老年人認知障礙診治流程的建議，簡易智能狀態評分量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)評分：文盲組≤17 分、小學組≤20 分、中學及以上組≤24 分；(3)根據2018 年中國癡呆與認知障礙診治指南(五)規定，蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)評分≤24 分。排除標準：(1)嚴重腦血管疾病；(2)海馬體鈣化和占位病變；(3)精神病史；(4)影響認知的用藥史；(5)左利手。aMCI 組入組標準：(1)滿足2003 版Petersen 診斷標準[2]；(2) MMSE評分：文盲組＞17 分、小學組＞20 分、中學及以上組＞24 分；(3) MoCA 評分：文盲組13 分、小學組≤19 分、中學及以上組≤24 分。排除標準與AD 組一致。NC 組入組標準：(1)無認知損傷的證據；(2) MMSE評分≥27 分；(3) MoCA 評分≥26 分。排除標準與AD組一致。

1.2 掃描技術

應用荷蘭PHILIPS Achieva TX 3.0 T 磁共振掃描儀和自帶的32通道高分辨率頭顱線圈。采用高分辨SE-EPI-DWI序列，沿32個各向同性擴散梯度方向掃描。每個方向上都獲取3 個b 值(0 s/m2，1000 s/m2，2000 s/m2) 擴散加權圖像。具體參數：層厚2.43 mm，層間距3 mm，TR 3000 ms，TE 90 ms，矩陣128×128，FOV 200 mm×231 mm×119 mm，總 掃 描 時 間 約6 min，掃描后自動生成DKI 序列。掃描范圍覆蓋雙側海馬體。

1.3 數據處理

利用英國諾丁漢大學開發的MRIcro V4.0 版中自帶dcm2niigui 插件，將DICOM 格式原始數據轉化成NIFTI 格式，然后用美國MathWorks 公司的Matlab-R 2013a 版軟件對數據進行分析，獲取神經突密度指數(neurite density index，NDI)圖、神經突方向離散度指數(orientation dispersion index，ODI)圖、各向同性水分子體積分數(volume fraction of isotropic water molecule，Viso)圖，然后再用MRIcro-V4.0版測量各參數圖中雙側海馬區參數值。

1.4 感興趣區

雙側海馬范圍由兩名從事MR診斷的高年資主治醫師共同商議，并且達成一致意見后選取，他們對患者的疾病狀態完全不知情。在同一層面的NDI 圖(圖1A、2A、3A)、ODI 圖(圖1B、2B、3B)、Viso 圖(圖1C、2C、3C)中的雙側對稱區域勾畫出海馬體，并在此區域測量獲取相應數據。

1.5 統計學分析

采用美國IBM 公司的統計軟件SPSS 23.0 對臨床資料和影像參數進行統計分析，符合正態分布的計量資料用均數±標準差表示，三組比較采用單因素方差分析，同時采用LSD 檢驗進行組間兩兩比較；不符合正態分布的計量資料用中位數和四分位間距(P25-P75)表示，三組間比較采用K-W檢驗；性別用構成比來描述，三組間比較采用卡方檢驗。所有統計結果以P＜0.05 表示差異具有統計學意義。差異有統計學意義的影像參數，分別分析其與MMSE 評分和MoCA 評分的相關性，滿足正態分布的差異參數用Pearson 相關，不滿足正態分布的采用Spearman 相關，得到相關系數r。

2 結果

2.1 基本資料統計結果

研究對象臨床資料分析結果見表1，aMCI 組、AD組和NC 組性別構成(P=0.636)、年齡(P=0.756)和受教育程度(P=0.819)差異無統計學意義。三組間MMSE評分(P＜0.001)和MoCA 評分(P＜0.001)差異具有統計學意義。

表1 受試者人口基本資料和認知測評結果Tab.1 Basic demographic information and cognitive evaluation results of subjects

2.2 NODDI參數分析結果

三組雙側海馬區NDI值、ODI值、Viso值見表2，差異性比較發現：aMCI(圖2)組和AD組(圖3)雙側ODI值、NDI 值低于NC 組(圖1)，差異具有統計學意義(P＜0.001)，但aMCI組和AD組的ODI值和NDI值差異無統計學意義(P＞0.05)。同時，aMCI 組和AD 組的Viso 值高于NC 組，差異具有統計學意義(P＜0.001)，并且AD組也高于aMCI組，差異也具有統計學意義(P＜0.001)。

表2 AD組、aMCI組和NC組NODDI參數及差異性分析Tab.2 NODDI parameters and differences analysis of AD group,aMCI group and NC group

圖1 正常志愿者，男，62 歲，常規體檢，MMSE 評 分29 分，MoCA 評 分29 分。 圖2 aMCI 患者，男，60 歲，記憶力進行性減退2年余，MMSE評分25 分，MoCA 評分24 分。 圖3 AD患者，男，65 歲，記憶力持續減退并行為 異 常4 年 余，MMSE 評 分18 分，MoCA 評分15 分。A：雙側海馬NDI圖，AD組(3A)和aMCI組(2A)較NC組(1A)明顯減低，但AD 組和aMCI 組差異無統計學意義；B：雙側海馬ODI圖，AD組(3B)和aMCI組(2B)較NC組(1B)明顯減低，但AD 組和aMCI 組差異無統計學意義；C：雙側海馬Viso 圖，AD組(3C)和aMCI 組(2C)較NC 組(1C)明顯增大，AD組也明顯高于aMCI組，且各組差異均有統計學意義。Fig. 1 Normal volunteer, male,62 years old, routine physical examination, MMSE score 29 points,MoCA score 29 points. Fig. 2 aMCI patient, male, 60 years old, progressive memory loss for more than 2 years,MMSE score 25 points, MoCA score 24 points. Fig. 3 AD patient, male,65 years old, with persistent memory loss and abnormal behavior for more than 4 years, MMSE score 18 points,MoCA score 15 points. A: NDI of bilateral hippocampus, the AD group(3A) and aMCI group (2A) were significantly lower than the NC group(1A), but there was no statistical difference between the AD group and aMCI group; B: Bilateral hippocampal ODI map, AD group (3B) and aMCI group (2B) were significantly lower than NC group (1B), but there was no statistical difference between AD groupstatistical difference between AD group and aMCI group; C: In the bilateral hippocampal Viso chart, the AD group (3C) and aMCI group (2C) were significantly larger than the NC group(1C),and the AD group was also significantly higher than the aMCI group,and the differences in each group were statistically significant.

2.3 相關性分析

病例組(AD 組＋aMCI 組)雙側海馬差異參數分別于MMSE 評分和MoCA 評分進行Spearman 相關性分析(表3)，左側NDI 值(r=0.656，P＜0.001)與MMSE 評分正相關性最強，左側Viso 值(r=-0.690，P＜0.001)與MMSE 評分負相關性最強；左側NDI 值(r=0.632，P＜0.001)與MoCA 評分正相關性最強，左側Viso 值(r=-0.629，P＜0.001)與MoCA評分負相關性最強。

表3 病例組(AD組＋aMCI組)NODDI參數與認知評分相關性分析Tab.3 Analysis of the correlation between NODDI parameters and cognitive scores in the case group(AD group+aMCI group)

3 討論

本研究采用NODDI技術對aMCI和AD患者微觀結構分析，比較雙側海馬區NDI 值、ODI 值、Viso 值及其與認知評分的相關性，結果發現NODDI技術可以精確識別aMCI 和AD 腦組織微觀結構差異，相比于傳統的宏觀結構分析，所得參數可以為探究AD 的發病機制提供更詳盡的依據。同時，雙側海馬Viso 值甚至有可能成為評估認知損害的有價值指標。

3.1 雙側海馬不同認知階段萎縮程度差異

海馬作為邊緣系統重要組成，在記憶功能中起著核心作用，并且還是神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFT)最早累及的部位[9-10]，而記憶障礙又是aMCI 和AD 早期癥狀的標志[11]，可見海馬對研究AD和aMCI 的重要性。但目前臨床應用的內側顳葉萎縮(medial temporal lobe atrophy，MTA)評分對評價認知損害存在明顯缺陷。Martensson等[12]研究發現，MTA 評分需要8 年以上的時間才能提高1分，這表明MTA評分敏感性太低，不利于早期發現和短時間內評估認知損害情況。同時，正常衰老也會出現不同程度的海馬萎縮，所以MTA評分的特異性并不高。而且，MTA 評分主要靠醫生用視覺對海馬宏觀體積評級量化，具有很強的主觀性，這不利于保證結果的客觀公正。另外，van de Mortel 等[8]的研究發現，相較于正常檢查者，MCI 患者雙側海馬灰質體積并沒有明顯減少，而MCI 進展到AD 后雙側海馬灰質體積才明顯減少。但根據Vogt 等[13]利用NODDI 技術對MCI 和AD 皮層微結構的檢測，發現在腦組織宏觀結構發生變化和明顯臨床癡呆之前，其皮層微觀結構就已經發生明顯退化。而本研究也是從神經微觀結構出發，發現在aMCI階段雙側海馬區NDI值已經較NC組明顯降低，提示神經突體積減小，此結果與Parker等[14]和Vogt 等[13]的試驗結果一致。同時，aMCI 組和AD 組進行組間比較，發現兩組NDI 值并無明顯差異，此結果與van de Mortel等的結論也有所不同，分析其原因有二：(1)根據Zhou 等[15]的研究結果顯示，MCI階段神經纖維的退化主要發生在白質區，還未累及到灰質區，所以MCI 階段海馬灰質體積并未明顯減小，但考慮到NODDI 技術對灰白質都有較高敏感性，NDI 減小提示灰白質神經纖維體積均有下降，所以此原因可能性較小；(2)結合目前接受度較高的AD 發病機制相關學說，神經纖維在發生退化的過程中，β 淀粉樣蛋白大量沉積在細胞外、小膠質細胞過度增殖[1]，這些都使得神經纖維周圍間隙內其他物質增多，彌補了神經纖突起體積縮小造成的海馬宏觀體積的萎縮，從而使得測量的海馬灰質宏觀體積沒有明顯減少，此結論可以通過病理切片明確證實。

3.2 雙側海馬不同認知階段神經突離散程度差異

本研究發現，AD 組和aMCI 組雙側海馬的ODI 值均低于NC 組，ODI 值降低說明神經突起離散度降低，而神經突起的方向分布與大腦發育相關，其方向離散度增加表明發育增長，減少則提示大腦退化，所以ODI值降低符合AD的疾病特征。根據Xu等[16]在AD小鼠模型上的發現，海馬CA1 區神經元樹突長度變短，交叉點變少，該發現與本研究結果高度一致。但根據目前主流的AD 發病機制學說[17]，各種因素引起神經纖維發生變性后，組織微觀結構應該變得更加混雜，而本研究所測的ODI 值減低，其原因可能是因為神經纖維發生變性具有選擇性[18]，其主要影響交叉纖維中次要方向的纖維，對主要方向的纖維影響較小，從而使得神經纖維排列反而因為退變而變得更加整齊，復雜程度降低，交叉點減少。

之前有相關研究發現[10,19]，癡呆的嚴重程度與NFT的數量成正比，隨著NFT的數量進行性增加，認知損害也逐漸加重，而神經組織微觀結構的破壞也應該隨著NFT 的沉積而加重，但本研究中aMCI 組和AD組的NDI 值、ODI 值并無顯著差異，這一點與NFT 的沉積不完全一致，但結合蓋新亭等[20]的研究結果，在AD疾病進程中，tau 蛋白病變的出現可能早于體積的變化,而海馬作為AD 疾病進程中是最易受損也是最早發生病變的區域，可能在認知損害極早期就有大量tau 蛋白沉積，使得海馬神經元變性在MCI 階段就已達到頂峰，而后期tau 蛋白和β 淀粉樣蛋白繼續沉積可能對神經突已無進一步損害，所以aMCI 階段和AD階段NDI 值和ODI 值并無明顯差異，這一點我們還需進一步探究。

3.3 NODDI技術對于探究aMCI和AD的臨床價值

通過分析三組間NDI 值和ODI 值得變化，為研究AD 的發病機制提供了更多的數據來印證各種假說。同時，三組間Viso 值差異也具有統計學意義，且AD組也明顯高于aMCI 組，由此可見Viso 值對于鑒別aMCI和AD具有重要臨床意義。現有研究把雙側海馬宏觀體積的萎縮可作為aMCI 進展到AD 的神經解剖學標志物[21-22]，但這種方法評價認知損害缺乏特異性和敏感性[23]，因為海馬體積的減小可以是微結構多方面的改變所導致的，NDI 值、ODI 值、Viso 值的改變都可以對海馬體積產生影響，而且本實驗證實aMCI 和AD的NDI值和ODI值并無差異，只有Viso值呈持續增大的趨勢，而且各組間Viso 值的差異都具有統計學意義，所以，將雙側海馬Viso值作為評估認知損害的解剖學標志物可能更具有說服力、更具有臨床意義。

3.4 NODDI參數與認知評分的相關性

雙側海馬NDI值、ODI值與MMSE評分和MoCA評分呈正相關，Viso 值與MMSE 評分和MoCA 評分呈負相關，而且左側海馬體NDI 值、左側Viso 值及右側ODI值與MMSE 評分相關性最強，同時左側NDI 值和左側Viso 值與MoCA 評分相關性最強，由此表明雙側海馬的NODDI 參數對反映患者的認知狀態具有重要臨床價值。根據Balestrieri 等[24]的研究結果顯示，認知損害的加重與海馬宏觀體積的減小具有很強的相關性，這和本實驗結果高度一致，因此，采用NODDI技術來探究認知損害的病理機制以及病程隨訪是可行的。

本研究仍存在以下不足之處需要改進：(1)由于aMCI癥狀較輕，患者不太容易察覺，而AD部分患者對檢查的配合度較差，所以短時間內搜集的aMCI 組和AD 組樣本量較小，后期將進一步采集樣本以提高該研究結果的可靠性；(2) aMCI 組和AD 組是同時期分別采集的獨立樣本，雖然aMCI 與AD 具有很強的相關性，但并不是所有的aMCI患者都會進展為AD，所以這兩個獨立樣本比較結果會有一定的誤差，后期可以通過繼續隨訪aMCI 患者，當其進展成AD 后重新獲取AD組數據進行分析。

綜上所述，aMCI和AD雙側海馬神經突數量、體積和排列復雜程度存在顯著下降，為探究AD 的發病機制提供了更多的參考數據。而Viso 值進行性加大，并且aMCI 組和AD 組有顯著差異，所以，雙側海馬Viso 值有可能成為評估aMCI 進展到AD 的重要參數，這對aMCI 的鑒別、隨訪和預后評估具有重要臨床價值。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。