基于眼部影像的神經退行性疾病分析研究進展

邱奧望，徐秋卓，顧晨烽，張澤天，王鑰萱，柯曉燕，陳 強，張薇瑋

0引言

神經退行性疾病是由大腦或脊髓神經元或其髓鞘的喪失所致，隨著時間的推移而惡化，最終出現功能障礙。典型的神經退行性疾病包括阿爾茲海默癥(Alzheimer disease，AD)、帕金森病(Parkinson disease，PD)、亨廷頓病(Huntington disease，HD)、肌萎縮側索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)和多發性硬化癥(multiple sclerosis，MS)等。神經退行性疾病發病所伴隨的病理變化是不可逆的，治療只能減緩疾病的發展，不能從根本上逆轉神經網絡的損傷。因此，對于神經退行性疾病應盡量做到早診斷、早治療，防止疾病進一步發展。

在胚胎發育時期，視網膜和視神經自中腦延伸，因此兩者都是中樞神經系統的一部分。光線進入眼睛，被視網膜最外層的光感受器細胞捕捉，從而觸發神經信號級聯，信號最終到達視網膜神經節細胞，其軸突形成視神經纖維，匯聚于視神經。視神經由三層腦膜(硬腦膜、蛛網膜、軟腦膜)延續而來的鞘膜包裹，傳導視覺沖動至丘腦的外側膝狀體核和中腦的上丘，并進一步傳遞信息到更高層次的視覺處理中心，使人類能夠通過視覺感知世界[1]。因此，作為中樞神經系統的延伸，視網膜可呈現與大腦和脊髓相關的結構性、功能性病理反應。

目前，光學相干斷層成像(optical coherence tomography，OCT)技術發展迅速，其低成本、易操作的特性為研究眼部影像指標提供了便利。OCT成像是一種利用光的干涉現象觀察生物組織的斷層成像技術，該技術利用弱相干光干涉的基本原理，檢測生物組織不同深度層面對入射弱相干光的后向反射或后向散射能力，由此產生明暗灰階變化的OCT圖像[2]。然而，傳統結構OCT無法直接提供血流信息，為此，光學相干斷層血流成像(optical coherence tomography angiography，OCTA)通過測量連續橫斷面掃描中反射OCT信號幅度的變化而生成血流信息[3]。結構OCT和OCTA數據可被同時獲取，并疊加可視化顯示，有助于醫生觀察視網膜異常和病變縱深方向的詳細信息。

已有研究結果表明：神經退行疾病患者的視網膜OCT和OCTA圖像存在變化，而且這些變化通常先于腦部癥狀出現，因此眼科檢查或可成為神經退行性疾病早期診斷的重要工具[4]。本文主要介紹近十年探尋神經退行性疾病視網膜生物標記取得的研究進展，主要包括結構性指標和功能性指標，同時指出現有研究存在的局限性，并對腦眼聯合分析未來發展方向給出建議。

1眼底結構性指標與神經退行性疾病的相關性研究

視網膜內的神經細胞軸突沒有髓鞘，因此視網膜結構組織不受髓鞘干擾，使得視網膜成為觀測神經退行、保護甚至自我修復的理想結構[5]。OCT技術近年來快速發展，其中頻域OCT(spectral-domain OCT，SD-OCT)作為一種可三維成像、非侵入式、速度快、高分辨率的成像模式，已被廣泛應用于輔助診斷眼底病的臨床工作中。該模態能夠提供豐富的視網膜橫斷面層結構信息，有助于臨床醫生觀察視網膜、脈絡膜的結構變化。目前，視網膜的結構指標以層厚度為主，層結構因包含神經元而成為重要研究對象。除此之外，中心凹形態等指標也可用于衡量結構特征。接下來，我們分別從視網膜、脈絡膜層厚度和中心凹形態指標分析神經退行性疾病。

1.1視網膜和脈絡膜層厚度與神經退行性疾病的相關性研究

1.1.1MS MS是一種因炎癥導致中樞神經系統不同區域髓鞘脫失的慢性神經退行性疾病。高達50%的MS患者存在視力喪失的癥狀，且大多數情況下，視力損傷是伴隨病程發展的：隨著時間的推移，視神經軸突由于脫髓鞘作用發生退行性變性，在OCT視網膜圖像上反映為視乳頭旁神經纖維層、神經節細胞-內叢狀層(ganglion cell and inner plexiform, GCIP)變薄[6-7]。此外，在相當大比例的MS患者中，內核層較正常人有增厚現象(P=0.003)，這一現象或許表明炎癥過程先于神經變性[8]。Saidha等[5]為探究MS(分為進展型MS和復發緩解型MS)視網膜層結構與腦結構萎縮的對應關系進行了長達4a的縱向研究。研究結果表明：和正常人比，MS患者的GCIP萎縮與全腦尤其是灰質的階段性變化趨勢一致，在進展型MS患者中尤其顯著(P<0.001)。OCT不僅可用于臨床跟蹤患者視網膜變化，還可作為研究神經保護與修復療法的觀察工具。

1.1.2AD AD是一種可引發認知障礙的神經退行性疾病，是老年癡呆癥的主要原因。在眼部亦可觀察到β淀粉樣蛋白(Aβ)異常沉積這一AD典型表現[9]。在AD發病前，患者通常經歷輕度認知障礙(mild cognitive impairment，MCI)，在此期間認知功能下降，但患者仍有生活自理能力。事實上，MCI患者存在視神經和視網膜神經纖維層的退化現象[10]。AD患者內層視網膜變薄，在長病程患者中更加顯著(P<0.05)。由于視網膜神經節細胞凋亡和軸突退化，視神經纖維層(retinal nerve fiber layer, RNFL)和神經節細胞層厚度與AD病程及嚴重程度呈負相關關系(r=-0.435,P=0.022;r=-0.389,P=0.043)[11]，或可作為AD嚴重程度的度量指標。

1.4.1 植保無人機霧滴沉積分布調查 P20 2018款植保無人機具有4個旋翼，在旋轉過程中會推動空氣流動導致在植物冠層形成獨特的旋翼下壓風場。本試驗為驗證P20 2018款植保無人機的噴霧效果，按照倒置“W”9點取樣法在試驗小區內設置樣點，每個樣點選取2株植物，分別用回形針將水敏紙(26 mm×76 mm)固定在葉片的正面和背面，飛行完成后取回水敏紙，拍照并利用Image J軟件統計水敏紙上霧滴的分布情況。

1.1.3前部缺血性視神經病變前部缺血性視神經病變(anterior ischaemic optic neuropathy, AION)可分為動脈炎性(arteritic AION, A-AION)和非動脈炎性(non-arteritic AION, NA-AION)。A-AION是由動脈管腔內的炎癥引起的；NA-AION與炎癥無關，通常發生在高血壓、糖尿病、高膽固醇血癥等心血管疾病患者之間。Akbari等[12]對單側NA-AION患者進行前瞻性比較研究，在患病后1mo檢測到GCIP變薄(平均內外GCIP層厚度分別為62.8±14.6和53.9±7.2μm)，并持續3mo，且GCIP先于RNFL變薄。

1.1.4PD PD是一種影響中樞神經系統基底神經節的疾病，其中多巴胺作為神經遞質起核心作用。在視網膜中，多巴胺也是調節各種視覺過程的關鍵物質，因此許多研究嘗試探究RNFL厚度變化與PD嚴重程度之間的關系。綜合評估不同數據集的合理性后得出PD患者RNFL厚度較正常人變薄(P=0.0005)的結論[13]。此外，針對內層視網膜各層厚度以及脈絡膜厚度的研究結論有爭議性或尚需驗證[14-17]。進行性核上性麻痹(progressive supranuclear palsy, PSP)和多系統萎縮(multiple system atrophy, MSA)是PD的變種。PSP研究[15]揭示了黃斑區體積整體減小、旁中心凹區RNFL厚度變薄(減少4.1%)等現象。Schneider等[16]發現PSP患者的外叢狀層(outer plexiform layer, OPL)和外核層(outer nuclear layer, ONL)同時變薄，且OPL/ONL體積比在區分PSP和MSA方面高度敏感(敏感性88%，特異性91%)。MSA的綜合分析[18]指出RNFL在上下側以及鼻側較正常人顯著變薄(P<0.0001)，該發現可作為區分PD和MSA的依據。

1.1.5ALS ALS是一種影響上下運動神經元的罕見神經退行性疾病。Rojas等[19]對早期ALS患者進行前瞻性研究，評估了患者在初始時間節點和6mo后隨訪時的OCT視網膜圖像表現。結果表明，ALS患者黃斑區內層視網膜顳側和下側厚度增加，6mo后隨訪的RNFL厚度變薄，并且與病變嚴重程度呈弱相關關系。

1.1.6HD HD是由于人類4號染色體上的Huntington基因發生變異而導致的遺傳性神經退行性疾病，其癥狀主要表現為人格變化、癡呆癥和舞蹈癥。研究結果表明HD患者顳側和上側RNFL變薄、黃斑區厚度減小[20-22]。

1.2中心凹形態與PD的相關性研究中心凹形態一般由凹坑的寬度和深度描述。Spund等[23]通過重建中心凹三維拓撲結構，測量分析了PD患者的視網膜中心凹形態，結果表明：PD患者中心凹厚度變薄，通過觀察總體平均中心凹三維拓撲結構，可見中心凹坑部變寬，該發現也許可作為PD的生物標志。Miri等[24]以內層視網膜旁中心凹與中心凹厚度比量化凹坑深度，比值越接近1表示凹坑越淺，PD患者的中心凹深度顯著淺于正常對照組，且內層視網膜旁中心凹與中心凹厚度比與帕金森評級和病程強相關(r=-0.564,P=0.0001)。

綜上所述，基于眼底結構性指標的神經退行性疾病分析主要利用視網膜層厚度和中心凹形態進行相關性分析，脈絡膜層的厚度分析還較少，且結論尚需進一步驗證；后續可以考慮利用更多更全面的眼底結構性指標進行神經退行性疾病分析，包括增加對視網膜視盤區的結構性指標的分析，如杯盤比等。

2眼底功能性指標與神經退行性疾病的相關性研究

大腦和視網膜血管在解剖學上是相互關聯的，因此具有相關的功能特征[25-26]。分頻幅去相關血流成像可對血流信息進行量化，通常OCTA的en face圖像有助于醫生識別血管形態和血管網異常。En face血流成像圖是通過投射剖面在特定深度范圍內的血流信息產生的，通常采用最大或者平均去相關值。這個投射過程就是將三維的血流成像轉變為更易直觀理解的二維圖像。血流密度在最大去相關血流圖上確定，在選定區域以血管和微血管系統所占據面積的百分比計算。另外，中心凹無血管區(foveal avascular zone，FAZ)面積、血管分形維數(fractal dimension，FD)等指標也被用于量化血流指標。接下來，我們分別從血流密度、FAZ面積和FD指標分析神經退行性疾病。

2.1血流密度與神經退行性疾病的相關性研究

2.1.2AD AD患者大腦和眼部能觀察到相似的Aβ異常沉積現象[9]，同時兩個部位具有相似的血管網結構，因此有研究提出假設：視網膜血管網的變化可作為AD病情的指標[11]。Aβ斑塊沉積對視網膜層和血管施壓，導致血流減少、缺氧、葡萄糖等營養物質缺乏。缺氧狀態下視網膜通過產生血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factors，VEGF)，試圖促進血管生成并重新建立其血液供應通道。然而VEGF受到斑塊形成的屏障阻礙，無法到達鄰近的健康視網膜，缺血狀態并不能得到改善。因此，脈絡膜層血管叢的血流密度較之正常對照組顯著降低(P<0.001)[31]。Aβ斑塊在各處聚集對視網膜血管網產生了壓力約束，使得中心凹無血管區較正常人顯著擴大(P=0.001)[31]。血流減少最終導致視網膜細胞凋亡，層結構變薄。研究發現，神經疾病與視網膜血管的改變相關[32]。有研究提出假設：由于淺層大血管較多，對沉積的Aβ斑塊的敏感程度小于深層血管網[33]。

2.1.3遺忘性輕度認知障礙遺忘性輕度認知障礙(amnestic mild cognitive impairment,aMCI)患者中，單域aMCI組較之正常對照組無顯著差異，多域組較之對照組血流密度較低(P<0.001)；MD組與SD組淺層血管叢血流密度較低(P<0.001)[34]。

2.1.4AION AION的兩個子類A-AION和NA-AION的OCTA無差別地表現為視盤區域血流密度下降(P<0.01)[35]。在NA-AION患者中，血流減少的程度與外周視野缺失和視力下降程度緊密相關(P<0.05)[36]。

2.1.5視盤水腫顱高壓導致的視盤水腫不僅會損害患者的視力，更會威脅患者的生命。然而通過檢眼鏡檢查法區分真假性視盤水腫有相當大的挑戰性，Fard等[37]論證了較之假性視盤水腫(pseudo-papilloedema)，真性水腫具有較大的OCTA整體成像密度以及鼻側環視乳頭密度，在視盤水腫等級為一、二的階段尤其明顯。在等級三、四階段時，該特征不再具有區分度。該觀察說明眼部血流參數在區分早期真假性視盤水腫這一診斷難題上具有重要價值。

2.1.6PD PD目前在視網膜血流密度方面的研究較少，在Kwapong等[38]進行的小型前瞻性研究中，視網膜大部分區域血流密度降低，且淺層血管叢的血流密度降低與IPL、神經節細胞層變薄具有強相關性(r=0.062，P=0.032)。目前尚未有關于PD變種PSP和MSA的視網膜血流密度研究。

2.1.7糖尿病視網膜病變糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy, DR)曾經只被視作糖尿病的微血管并發癥，但是最近的研究給出了一種假設：DR是一種更加復雜的病癥，神經退行性變化在其中(尤其是在DR初期)有著關鍵作用[39-46]。視網膜血管網不受自主神經系統支配，因此它高度依賴于神經血管單元的內部穩態機制控制視網膜中的血流[47-48]。在DR初期，神經血管單元的維穩作用被損害：血視網膜屏障(blood retinal barrier, BRB)分解、血管收縮和微血管血流動力學反應改變(神經血管耦合受損)是早期微血管異常的主要特征[39-46]。神經元的喪失和神經膠質功能障礙參與了BRB的破壞，血管收縮和神經血管耦合受損；谷氨酸的積累和神經保護因子的缺失會觸發VEGF的激活，這在BRB的破壞中起到關鍵作用[3,43,49]。另外，有一項值得關注的DR研究[50-51]表明，2型糖尿病和阿爾茲海默癥的視網膜神經退行病理機制具有相似性，但該假說仍需要更大規模的實驗驗證。

2.1.8伴皮質下梗死和白質腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病伴皮質下梗死和白質腦病的常染色體顯性遺傳性腦動脈病(cerebral autosomal dominant arteriopathy with subcortical infarcts and leukoencephalopathy, CADASIL)是一種單基因遺傳性腦小血管病，是由位于人類19號染色體短臂上的Notch-3基因突變所致。由于視網膜和腦血管網的形態相似性，研究主要集中于CADASIL患者視網膜與腦血流變化方面的關聯。CADASIL患者黃斑區深層血管叢的血流量減少，但視覺神經頭、脈絡膜毛細血管叢以及淺層血管叢未受影響[52]。

2.1.9沃爾弗拉姆綜合征沃爾弗拉姆綜合征(Wolfram Syndrome)是一種臨床表現為尿崩癥、糖尿病、聽力損失等的罕見神經退行性疾病[53]。病例報告稱視乳頭周圍的毛細血管叢和淺層毛細血管叢血流密度降低，并與對應的RNFL變薄具有相關性[53-54]。

綜上所述，基于視網膜功能性指標的神經退行性疾病分析主要利用視網膜黃斑區和視神經頭區域的血流密度和FAZ面積等進行相關性分析，但未區分動靜脈的血流密度，也沒有考慮FAZ的體積等參數。后續研究可以對視網膜血流密度進行更細致更全面的分析。

2.2FAZ面積和FD與神經退行性疾病的相關性研究FAZ由黃斑中央相互連接的毛細血管環繞而成，對缺血高度敏感，因此其面積可作為一些病理過程的指示物[55]。例如，AD患者的FAZ較正常人明顯擴張(P=0.002)[31,56]，與血流密度顯著降低有對照關系。此外，aMCI患者FAZ也有擴張變化[34]。

血管的分形維度(fractal dimensions,FD)衡量了血管網分支結構的復雜程度。具體計算方式為：將骨架化之后的二值血管圖分為若干小盒，若小盒中包含血管骨架，則計入含血管小盒。此后以不同的小盒尺寸重復該過程，最后，繪制含血管小盒總數關于小盒尺寸的線性回歸直線，其斜率即為FD。Miri等[24]利用圖像處理工具ImageJ的標準盒計數法測量了帕金森患者的黃斑區血管FD，統計結果表明FD與正常對照組無差異。Ma等[57]利用深度學習對AD患者的OCTA數據進行血管叢分割，并在二值分割結果上計算FD。實驗結果表明，AD組的淺層、深層和黃斑整體血管叢FD較之正常對照組顯著降低(P<0.05)。

3總結與展望

視網膜以神經元和軸突的形式與大腦在生理結構與功能上的具有聯系。通過研究神經系統疾病在視網膜眼睛中的表現，可以了解神經退行性疾病發生的機制和過程，并協助診斷中樞神經系統疾病。腦眼聯合研究尚在起步階段，對于臨床數據的獲取、處理和分析存在一定的局限性。(1)在數據獲取層面，“質”和“量”都有待改善。“質”是指數據的成像質量。考慮到神經系統疾病患者的認知能力退化，在成像時患者難以配合醫師，因此成像質量較低，不利于后續處理。“量”是指數據體量。目前腦眼聯合研究的數據量偏少，得出的結論常常出現爭議。Bulut等[31]在分析其研究局限性時指出，OCTA成像較SD-OCT成像花費時間較長，從而產生較多偽影，限制了成像數據的后續使用，這也是研究數據量較少的原因之一。(2)在數據處理層面，定量參數的多樣性有待擴充。目前臨床研究的參數指標來源大多為成像設備內置處理軟件，參數的廣度和深度受到軟件限制：廣度上，內置軟件目前大多提供的結構參數為層厚度，功能參數為血流密度，這也是目前相關文獻中占主導地位的兩類參數。目前有些研究嘗試運用圖像處理技術探索更多樣的定量參數，例如中心凹寬度，視網膜血管分形維度等。通過學科交叉，未來還可以挖掘和利用更寬廣可拓展的參數指標。深度上，參數指標本身的抽象性和綜合性有待加強。已有文獻通常將層厚度或血流密度與病程或疾病嚴重程度等指標做線性回歸，分析其相關性。參數指標之間往往存在一定程度的關聯，同時神經退化過程往往是復雜且多因素的，利用這種關聯可以生成“合成式”指標，該指標更為抽象、綜合，或可作為敏感程度更高的參數指標。(3)在數據分析層面，統計結論需要更大規模的前瞻性比較研究支持與驗證。目前研究多為回顧性橫斷研究，結論受群體差異影響較大；少有大規模數據的縱向研究，對于疾病的進程變化研究較少。大規模前瞻性研究需要對大量患者定期隨訪，該過程耗時耗力，且需要多方配合，具有巨大的挑戰性。

腦眼聯合研究方興未艾。考慮到神經退行性疾病的病理生理復雜性，通過腦眼多模態聯合分析能夠獲得更加有效的影像指標，從而促進神經退行性疾病的早期篩查。通過多器官多模態聯合、多領域多學科交叉，眼科影像指標可與中樞神經系統臨床檢查標準相結合，成為更綜合有效的臨床診療手段，從而造福人類健康。