氫質(zhì)子磁共振波譜在輕度認(rèn)知障礙中的研究進(jìn)展

張儀，呂靜，韓英妹，李一杰，張衡，喬英博，林楠，徐慧勇，王豐

1.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)研究生院，黑龍江哈爾濱 150040；2.黑龍江中醫(yī)藥大學(xué)附屬第一醫(yī)院CT 磁共振科，黑龍江哈爾濱 150040

輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）是指記憶力或其他認(rèn)知功能進(jìn)行性減退，但不影響日常生活能力，且未達(dá)到癡呆的診斷標(biāo)準(zhǔn)。在其發(fā)展過程中潛在生化成像標(biāo)志物也隨之變化，氫質(zhì)子磁共振波譜（hydrogen proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS）可提供一個窗口，詳盡展示患者神經(jīng)元完整性喪失與大腦相應(yīng)區(qū)域病理、生化改變之間的聯(lián)系，這些變化通常表現(xiàn)在MCI 進(jìn)展期。1H-MRS 可用于測量患者局部代謝物，包括肌醇（myo-inositol，MI）、膽堿（choline, Cho）、N-乙酰天冬氨酸（N-acetyl aspartate，NAA）、肌酸（creatine，Cr）、谷氨酸（glutamate，Glu）和谷氨酰胺（glutamine，Gln）等水平。作為一種科研工具，在MCI 的早期甄別中提供有價值信息，通過測定不同MCI 亞型的代謝物特征，為臨床影像提供更加完善的診療數(shù)據(jù)[1]。

1 MCI

1.1 MCI 流行病學(xué)

據(jù)統(tǒng)計60 歲以上人口約占全世界人口數(shù)量的13%，且呈逐年上升趨勢，其醫(yī)療費用的占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于年輕人[2]。虛弱是機(jī)體受外界刺激后，體內(nèi)平衡調(diào)節(jié)不良的一種狀態(tài)，被認(rèn)為是衰老在遺傳、環(huán)境等影響下，復(fù)雜的生理機(jī)制造成分子和細(xì)胞損傷，不斷消耗重要器官的生理儲備所導(dǎo)致的[3]。其特點是耐受急性應(yīng)激能力下降，這種下降直到對相對較小的壓力源事件引發(fā)不成比例的變化，如跌倒、住院或譫妄等，常與認(rèn)知能力下降并發(fā)，極大程度上影響了老年人日常生活的獨立性[4]。衰老伴隨認(rèn)知能力下降時，則會有注意力分散，學(xué)習(xí)新信息、語言流利度和反應(yīng)時間下降等表現(xiàn)。在過去的幾十年里，對神經(jīng)元實施再生、替代等保護(hù)措施，實驗失敗率高達(dá)99.6%[5]。一個主要原因是患者在確診阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）前幾年，其腦部病理學(xué)結(jié)構(gòu)早已發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的變化，包括神經(jīng)元缺失、神經(jīng)纖維纏結(jié)、β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）沉積及tau 蛋白過度磷酸化等[6]。

1.2 MCI 臨床診斷

美國國家老齡化研究所和AD 協(xié)會提出了一種新的診斷標(biāo)準(zhǔn)，該診斷提到MCI 及AD 核心臨床標(biāo)準(zhǔn)和生物標(biāo)志物標(biāo)準(zhǔn)：核心臨床標(biāo)準(zhǔn)指患者認(rèn)知功能一個或多個領(lǐng)域主觀或客觀發(fā)生障礙，這些領(lǐng)域還未曾干擾其社會職能，且無其他認(rèn)知障礙原因（神經(jīng)系統(tǒng)、精神、全身性疾病、代謝功能障礙或服用藥物導(dǎo)致）[7]；生物標(biāo)志物則包含以下幾種類型[8]：淀粉樣蛋白正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tomography，PET）成像、腦脊液tau 總量增加和磷酸化、頂葉和顳葉18F-脫氧葡萄糖PET 顯示代謝減少，顳葉（內(nèi)側(cè)、外側(cè)和基底）和頂葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)葉萎縮性改變。然而腦脊液Aβ 積累和tau 總量增加及磷酸化等異常表現(xiàn)經(jīng)常落后于認(rèn)知障礙，患者基本生物標(biāo)志物發(fā)生變化時病理進(jìn)程已到達(dá)晚期或不可逆轉(zhuǎn)的階段，需要通過尸檢和組織病理學(xué)進(jìn)行監(jiān)測和驗證，對改善患者健康狀況意義不大[9]。唯有尋找和確定敏感、特異的生物標(biāo)志物進(jìn)行監(jiān)測，才能盡早對高危人群進(jìn)行干預(yù)，遏制或延緩病情，改善老年人的生活質(zhì)量。

2 MRS

MRS 作為一種非侵入性技術(shù)，可估計人腦中各種化合物（代謝物）的濃度。為了可通過體內(nèi)MRS進(jìn)行檢測，化合物必須是在低毫摩爾濃度范圍內(nèi)存在的分子，如來自許多不同原子核的信號，包括磷（31P）、碳（13C）和氟（19F）等。

2.1 1H-MRS

自20 世紀(jì)90 年代初以來，1H-MRS 已成為最常用的波譜，因它具有更高的信號敏感度、更好的空間分辨率[10]。在1.5T 或3T 下可檢測到人腦中各種代謝物正常信號，結(jié)果顯示為沿X 軸分布的共振（峰值）波譜，以百萬分之一（parts per million，ppm）為標(biāo)記，包括總NAA、總Cr 的突出峰值，及來自MI、Glu、Gln 的信號。每種代謝物都具有正常的濃度，除非存在潛在的病理，否則會產(chǎn)生因人而異的峰值模式，見表1。

表1 MRS 生物標(biāo)志物主要峰值及其代表意義

由于1H-MRS 具有無創(chuàng)、無輻射、敏感度高等優(yōu)點，是其他檢查無法達(dá)到的，故近年來研究重點已轉(zhuǎn)移到應(yīng)用1H-MRS 來監(jiān)測MCI 和AD 患者大腦中神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)代謝變化。現(xiàn)已知某些特定的1H-MRS 代謝物及其比例作為AD 患者大腦功能受損的潛在生物標(biāo)志物，其水平變化敏感度明顯優(yōu)于腦脊液tau 水平[11]。1H-MRS 結(jié)果結(jié)合液體生物標(biāo)志物變化綜合分析，可提高早期診斷AD 和其他類型的癡呆的準(zhǔn)確性、敏感度和特異性。多種生物標(biāo)志物也可能有助于改善預(yù)測可能從認(rèn)知正常狀態(tài)轉(zhuǎn)換為MCI 或從MCI 進(jìn)展到AD 的患者。在近幾十年中，1H-MRS 已被廣泛運用于評估MCI 和AD 患者特定腦組織中神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的變化。研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)包括NAA、Cho、Cr、MI、Glu 和Gln 在內(nèi)，在AD 的病理進(jìn)程中存在異常變化。

研究人員對289 名認(rèn)知正常的受試者進(jìn)行長期調(diào)查，在7 年時間內(nèi)，200 人（69.2%）保持了認(rèn)知正常；53 人（18.3%）進(jìn)展為MCI；21 人（7.3%）診斷為AD；8 人（2.8%）診斷為帕金森病（Parkinson disease，PD）；7 人（2.4%）發(fā)展為路易體癡呆[12]。分析后扣帶回皮質(zhì)（posterior cingulate cortex，PCC）與海馬體1H-MRS 與磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）變化發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)展為MCI、AD 和路易體癡呆受試者中，1H-MRS 變化先于認(rèn)知能力下降和海馬體萎縮。

1H-MRS 作為一種分子成像手段，在MCI 鑒別診斷和預(yù)后評估中具有一定價值，同時作為一種科研手段，需要大量實驗來驗證1H-MRS 作為生物成像標(biāo)志物與AD 病理進(jìn)程之間的聯(lián)系。

2.2 基于1H-MRS 的MCI 生物標(biāo)志物變化

2.2.1 Cr 肌酸包括磷酸肌酸，其主要共振為3.0 ppm，是神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞的中心能量標(biāo)志物。其代謝變化與所研究大腦區(qū)域相應(yīng)濃度變化趨勢一致，作為一種大腦能量代謝物相當(dāng)穩(wěn)定，通常作為內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。需要注意的是，Cr 的濃度在AD 晚期及缺血性血管癡呆中相對降低[15]，這可能是由于Cr 同時存在于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中，并受到腦組織密度的影響，因此大腦中代謝物水平分析通常是以比率的形式。Cr 作為分母，假設(shè)它在正常及某些病理狀態(tài)下保持穩(wěn)定，如此可對設(shè)備和定位方法的差異、增益不穩(wěn)定性、區(qū)域敏感度變化和部分體積效應(yīng)等進(jìn)行矯正，減少單一濃度帶來的不確定性，從而更好地服務(wù)于臨床。

2.2.2 NAA NAA 的峰值最為明顯，主要共振為2.02 ppm，是神經(jīng)元和軸突完整性標(biāo)志。由天冬氨酸和乙酰輔酶A 在神經(jīng)元線粒體中合成，主要見于中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的神經(jīng)元、軸突和樹突；其發(fā)揮重要的作用，包括維持大腦中液體平衡、為少突膠質(zhì)細(xì)胞中髓鞘的合成提供乙酸鹽，以及為神經(jīng)元線粒體中氨基酸的谷氨酸化提供能量。研究發(fā)現(xiàn)人體內(nèi)NAA 水平差異與健康志愿者或精神分裂癥患者突觸末端水平無關(guān)，而與神經(jīng)代謝可能存在一定的聯(lián)系；其水平下降是神經(jīng)元喪失或損傷的征兆，且與許多類型的大腦損傷同時發(fā)生[16]。海馬體作為大腦的一部分，承擔(dān)著大部分學(xué)習(xí)和記憶功能，在解剖學(xué)和生理學(xué)上對AD 病理的研究至關(guān)重要。有研究表明NAA/Cr水平降低和海馬體積呈正相關(guān)，其水平下降后海馬隨之出現(xiàn)萎縮[17]。因此將NAA 視為監(jiān)測MCI 患者進(jìn)展為AD 的生物標(biāo)志物具有可靠依據(jù)。

2.2.3 MI MI 在3.6ppm 下產(chǎn)生共振。MI 的出現(xiàn)代表神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的增殖，是神經(jīng)膠質(zhì)標(biāo)志物；其主要在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中表達(dá)，是生物膜脂質(zhì)主要成分，并在磷脂酰肌醇第二信使系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[18]。而星形膠質(zhì)細(xì)胞或小膠質(zhì)細(xì)胞在一定程度上可減少Aβ 沉積，在膠質(zhì)細(xì)胞增殖的同時導(dǎo)致MI 水平的上升；該變化多見于神經(jīng)炎癥過程中，如AD、腦膠質(zhì)瘤病、糖尿病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性硬化癥等疾病[19]。MI 水平被證明可預(yù)測AD 的進(jìn)展，此外，MI 濃度的增加先于AD 中NAA 的降低。

2.2.4 Cho Cho 是腦髓鞘和流體細(xì)胞膜中以3.2ppm 共振的幾種可溶性成分的總稱，代表含膽堿化合物的總和，如甘油磷酸膽堿、磷脂酰膽堿和磷膽堿[20-21]。因此，Cho 代表細(xì)胞膜的成分，是膜更新的標(biāo)志物，Cho 信號與細(xì)胞膜磷脂代謝有關(guān)；其變化反應(yīng)病理狀態(tài)下膜的非穩(wěn)態(tài)變化，如AD、腫瘤、炎癥等。細(xì)胞膜有一定程度損傷時，Cho 水平就會上升；此外，Cho 與學(xué)習(xí)、回憶及其他認(rèn)知領(lǐng)域關(guān)系密切，劉朝艷等[22]發(fā)現(xiàn)Cho 峰值與細(xì)胞增殖功能有關(guān)，在濃度下降時可能伴隨神經(jīng)損傷。

有研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)MCI-AD 患者Cho 水平有一定程度的增加[23]。Cho 作為AD 早期血漿中的潛在標(biāo)志物，又是乙酰Cho 合成中的前體代謝物，具有腦功能相關(guān)脂質(zhì)的關(guān)鍵成分，如磷酯酰Cho。在AD早期，Cho 能系統(tǒng)中乙酰膽堿傳遞減少，代償機(jī)制的產(chǎn)生使Cho 水平不斷增加；此外，AD 病理學(xué)進(jìn)展涉及細(xì)胞膜完整性變化，導(dǎo)致各類化合物溢出細(xì)胞，如Cho。分析其在體內(nèi)的代謝機(jī)制可知，乙酰膽堿轉(zhuǎn)移酶利用Cho 底物（磷酸Cho 和甘油磷酸Cho）來影響乙酰Cho 合成，間接影響Cho 水平。考慮到乙酰Cho 轉(zhuǎn)移酶在患者體內(nèi)的穩(wěn)定性，所以Cho 信號在AD 早期即MCI 時期變化不明顯。其水平變化反映AD 的嚴(yán)重程度，這有助與更加準(zhǔn)確定位MCI 階段患者，為進(jìn)一步采取措施奠定基礎(chǔ)。

2.2.5 Glu 和Gln Glu 和Gln 密切參與興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)傳遞，共振位于2.1～2.4ppm。在大腦中，Glu 和Gln 處于動態(tài)平衡狀態(tài)，它們可通過相互轉(zhuǎn)化來維持和調(diào)節(jié)突觸信息傳遞[24]。此外，Glu在線粒體代謝、錐體細(xì)胞的神經(jīng)傳遞、大腦皮質(zhì)功能和 γ-氨基丁酸（gamma- aminobutyricacid，GABA）循環(huán)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，是三羧酸循環(huán)和線粒體氧化還原活動的產(chǎn)物。其水平變化為中風(fēng)、淋巴瘤、缺氧等許多腦部代謝性疾病的篩查提供了重要信息。在動物實驗中發(fā)現(xiàn)AD 模型小鼠的Glu/Cr 降低，Aβ 可誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞的幾種變化，包括神經(jīng)元活力和突觸活動的喪失，導(dǎo)致谷氨酸水平降低[25]。同時，Glu 含量的降低可影響A-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異唑丙酸受體（A-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors，AMPARs），其在突觸功能和認(rèn)知中發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，AMPARs 的這種減少可能是AD 突觸喪失和認(rèn)知功能下降的原因[26]。因此，Glu 和Gln 可能被視為AD認(rèn)知能力惡化的跡象。

Glx 受 GABA 的影響，在進(jìn)行波譜分析時1H-MRS 采集過程中會有個別區(qū)域信號缺失，導(dǎo)致大腦區(qū)域之間GABA 水平參差不齊[27]；而且，在信號處理時不同研究中實際GABA 所占比例不盡相同[28]。總之，獲取體內(nèi)準(zhǔn)確的GABA 水平并規(guī)范化使用是一重大挑戰(zhàn)。

3 小結(jié)

3.1 海馬體標(biāo)志物分析

在對AD 患者結(jié)構(gòu)磁共振成像（structural magnetic resonance imaging，sMRI）掃描時發(fā)現(xiàn)，AD 患者腦部萎縮主要累及內(nèi)側(cè)顳葉，邊緣葉和顳頂皮質(zhì)，在該區(qū)域相關(guān)神經(jīng)均已發(fā)生變性[29]；王天舒等[30]對比分析血管性癡呆和AD 磁共振成像影像結(jié)果發(fā)現(xiàn)AD患者M(jìn)RI 圖像以海馬萎縮為主，并且二者皆存在一定程度上的腦白質(zhì)損傷；受試者生前接受sMRI 檢查，并使用立體定位技術(shù)監(jiān)測去世后尸檢標(biāo)本中的海馬區(qū)域，結(jié)果顯示AD 組海馬萎縮最嚴(yán)重，AD 病理階段越晚，海馬體積越小[31]。

有研究對海馬體的5 項生物標(biāo)志物代謝比率進(jìn)行統(tǒng)計，在10 項研究中提取了243 例MCI 患者和282名健康對照受試者數(shù)據(jù)，4 種代謝物比值（NAA/Cr、Cho/Cr、MI/Cr 和NAA/MI）在MCI 和健康對照受試者中差異顯著，但Glx/Cr 無顯著差異，這可能與Glx水平不規(guī)范有關(guān)[32]；NAA/Cr、NAA/MI 和Cho/Cr 在MCI 患者的海馬體中顯著降低，而MI/Cr 顯著增加，其中NAA 水平下降是神經(jīng)元喪失或損傷的征兆，MI的增加也符合AD 的病程進(jìn)展（MI 在一定程度上可減少Aβ 的沉積）。與此同時還對AD 患者和MCI 患者進(jìn)行Meta 分析，兩組受試者的NAA/Cr 和Cho/Cr的比率均降低，AD 患者下降更為明顯。

3.2 PCC 標(biāo)志物分析

PCC 位于頂葉下部的內(nèi)側(cè)部分，位于后內(nèi)側(cè)皮質(zhì)內(nèi)。主要接收來自頂葉皮質(zhì)區(qū)域的神經(jīng)傳導(dǎo)，而這些神經(jīng)傳導(dǎo)來自背側(cè)視覺和軀體感覺區(qū)域，參與空間處理、空間動作和某些類型的記憶[33]。PCC 是靈長類動物與海馬旁回和內(nèi)嗅皮質(zhì)有強(qiáng)烈聯(lián)系的區(qū)域，通過與海馬記憶系統(tǒng)的背側(cè)路線，從海馬系統(tǒng)到后扣帶和頂葉區(qū)域的反向投射可能與記憶回憶有關(guān)。因此對照MCI 患者PCC 代謝物比率變化，有助于及早發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行干預(yù)，延緩AD 的進(jìn)展。

有研究顯示AD 患者PCC 中MI/Cr 水平升高與小膠質(zhì)細(xì)胞無關(guān)，但與Aβ 沉積呈正相關(guān)，NAA/Cr水平降低與Aβ 沉積呈負(fù)相關(guān)，表明MI 是Aβ 的標(biāo)志物而非神經(jīng)炎癥[34]。調(diào)查21 項研究發(fā)現(xiàn)，1695名受試者（681 例MCI 患者，1014 名健康人）PCC代謝物比率有顯著差異，其中MCI 患者PCC 區(qū)NAA/Cr、NAA/MI 明顯降低，MI/Cr 有上升趨勢。這與海馬體中代謝物變化一致，說明在使用1H-MRS監(jiān)測MCI 患者PCC 與海馬體以評估病情時，無明顯差異[32]。此外還發(fā)現(xiàn)AD 患者的PCC 中Cho 濃度升高，并且在MCI 受試者中未見差異，這或許與AD早期患者體內(nèi)Cho 代償機(jī)制有關(guān)。

3.3 問題與展望

MCI 發(fā)病是多方面的，在病情進(jìn)展過程中，涉及線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激、神經(jīng)炎癥、Aβ 和tau負(fù)荷等因素。然而神經(jīng)變性和炎癥之間的聯(lián)系、小膠質(zhì)細(xì)胞激活的利弊及隨著疾病進(jìn)展是否存在兩者的轉(zhuǎn)化尚有爭議。近年來，越來越多的證據(jù)表明炎癥在MCI 發(fā)病機(jī)制中起重要作用[35]。將1H-MRS數(shù)據(jù)與離體測量（神經(jīng)膠質(zhì)激活、淀粉樣蛋白濃度和疾病的每個階段神經(jīng)元代謝水平）相關(guān)聯(lián)，在生物標(biāo)志物水平上對1H-MRS 結(jié)果與MCI 之間的相關(guān)性進(jìn)行驗證，規(guī)范其診斷標(biāo)準(zhǔn)，有助于MCI 的盡早篩查。

臨床上1H-MRS 在空間分辨率方面所能到達(dá)的程度有限，主要是由于顱腦中組織復(fù)雜，其磁場不均勻，呼吸偽影和脂肪組織嚴(yán)重影響光譜信號，從而影響檢查結(jié)果。目前看來，1H-MRS 更適合小兒疾病的篩除，這一局限性有望在未來得到改善[36]。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。