靜息態全腦體素水平功能連接分析對腦小血管病相關輕度認知障礙患者認知水平的預測作用

梁秀琴，劉擘，吳江*，李璇

作者單位 1.山西省心血管病醫院磁共振室，太原 030024；2.山西醫科大學醫學影像學院，太原 030001

0 引言

血管性輕度認知障礙是血管性癡呆的早期階段，而后者被認為是繼阿爾茨海默病之后引起癡呆的第二大常見原因[1]。在血管性認知障礙涉及的多種機制中，腦小血管病（cerebral small vessel disease,CSVD）可能是最常見的一種[2-3]。CSVD 指各種病因引起腦小動脈、微動脈、毛細血管、小靜脈及微靜脈損傷，進而導致一系列病理、影像及臨床綜合征[4]。CSVD 相關輕度認知障礙（mild cognitive impairment associated with CSVD, CSVD-MCI）約占血管性認知障礙的50%～70%，導致了25%的卒中、36%～67%的癡呆，嚴重影響患者的生活質量[5-6]。隨著疾病進展，CSVD 對認知的損傷加重，然而，目前尚無特異性治療方法，因此CSVD-MCI 的早期診斷和預防至關重要。本研究主要探討CSVD-MCI 的神經影像學機制，為臨床早期診斷提供精準的影像學依據。

目前，越來越多的影像學技術應用于CSVD-MCI的研究。一項基于ALE 的Meta 分析[7]顯示，島葉/顳上回/屏狀核灰質體積減小、尾狀核頭和前扣帶回神經元功能活動下降，與CSVD-MCI 有關。一項三維動脈自旋標記評估腦血流量（cerebral blood flow,CBF）改變的研究表明[8]，額顳葉、海馬、丘腦和島葉腦灌注缺損與CSVD-MCI相關。

CSVD 典型的影像學特征包括白質高信號（white matter hyperintensity, WMH）、腔隙、腦微出血（cerebral microbleed, CMB）、擴大的血管周圍間隙（enlarged perivascular space, EPVS）、新發小的皮質下梗死和腦萎縮。這些影像學標志有疊加效應，量化CSVD 總負荷比單一影像學標志能更敏感、高效地評估CSVD 患者認知改變，提高診斷特異性[9]。相比于常規MRI 序列，靜息態功能MRI（resting state functional MRI, rs-fMRI）不僅可以反映局部腦區的自發神經活動，而且可以對相聚較遠的腦功能區進行功能連接（functional connection, FC）分析，因此，在CSVD-MCI 患者研究領域中的應用越來越廣。度中心度（degree centrality, DC）是一種基于圖論的方法，能夠在體素水平上計算某個體素與全腦其他體素之間腦FC 數量，反映某個節點在全腦網絡節點中的重要性[10-11]。FC 是在空間上相互分離腦區之間的時間序列相關性，反映不同感興趣區間結構和功能上的聯系和相互協調作用[12-13]。

目前已經有很多CSVD 和血管性認知障礙相關的研究，探討腦小血管結構損傷和FC 如何相互作用影響認知，但是CSVD-MCI的神經病理學機制至今尚未明確。本文旨在分析大腦不同區域間的腦網絡聯系，探討DC和FC聯合應用對CSVD-MCI患者認知水平的預測作用。本研究采用常規MRI 序列聯合蒙特利爾認知評估量表（Montreal Cognitive Assessment,MoCA）評分篩選CSVD-MCI患者，探究其CSVD 評分及DC、FC值與臨床神經心理學評分的相關性。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究招募了2021 年8 月至2022 年8 月就診于山西省心血管病醫院的CSVD-MCI 患者21 例（男9例，女12例）和年齡、性別及受教育年限相匹配的健康對照20例（男9例，女11例）。本研究遵循《腦小血管病相關認知功能障礙中國診療指南（2019）》和《中國腦小血管病診治專家共識2021》。所有被試都接受了標準的神經心理學評估，包括MoCA、日常生活能力（Activity Of Daily Living, ADL）、臨床癡呆量表（Clinical Dementia Rating, CDR）評分，評分由2 名受過認知培訓且有3 年以上工作經驗的神經內科主治醫師完成。2 名有5 年以上工作經驗的MRI 主治醫師根據MRI 檢查結果進行篩選。該研究遵守《赫爾辛基宣言》，經山西省心血管病醫院倫理委員會批準（批準文號：2021613）。所有受試者都簽署了知情同意書。

CSVD-MCI組納入標準：（1）入組年齡≥50歲，且為右利手；（2）至少存在一個認知域的認知功能減退，且ADL 評分≤16 分，認知障礙尚未影響日常生活能力，CDR 評分=0.5；（3）有CSVD 的標志性MRI 影像表現，包括血管源性腦白質高信號、腔隙、微出血灶、擴大的血管周圍間隙、新發小的皮質下梗死和腦萎縮，且確定CSVD 為引起認知功能障礙的主要因素；（4）MoCA量表（北京版）得分＜26分。

健康對照組納入標準：（1）神經系統查體無認知功能障礙，MoCA評分≥26分，ADL評分≤16分；（2）無精神障礙史；（3）常規MRI 檢查無腦血管疾病相關證據。

所有受試者排除標準：（1）影響認知的神經或精神疾病病史；（2）嚴重聽力、視力及身體運動障礙，不能很好地配合認知測試；（3）植入心臟起搏器及幽閉恐懼癥等MRI檢查禁忌證。

1.2 MRI掃描參數

所有MRI 數據通過德國SIEMENS Skyra 3.0 T超導型磁共振儀獲取，掃描采用8通道頭顱線圈。為減少頭動，用海綿墊固定被試頭部，囑患者掃描過程中保持不動、閉眼、保持清醒，且避免做主動思維活動。各掃描序列參數見表1。

1.3 數據處理與分析

本研究CSVD 病灶包括WMH、CMB、EPVS3 個MRI 標志物。WMH 嚴重程度根據Fazekas 評分，范圍從0～3，皮層下深部WMH 評分為2 或3，或腦室周圍WMH 評分為3 分，計1 分；腔隙≥1 個計1 分；基底節區EPVS＞10 個計1 分。CSVD 總負荷評分共3 分，分值越高，病變越嚴重。CSVD 評分由2 名有5 年以上工作經驗的MRI主治醫師完成。

使用基于MATLAB 2013b 平臺的SPM12 及RESTplus1.2工具包對rs-fMRI和高分辨T1加權結構像的原始數據進行預處理。流程如下：（1）將DICOM 數據格式轉換為NIFTI 格式；（2）剔除前10 個時間點；（3）時間層校正；（4）頭動校正（排除頭動平移＞2 mm，旋轉＞2°的受試者）；（5）空間標準化（重采樣體素大小為3 mm×3 mm×3 mm）；（6）平滑（平滑核的半高寬為6 mm，DC 分析前不進行平滑）；（7）去線性漂移；（8）去除協變量（頭動、腦脊液及腦白質信號）；（9）使用0.01～0.08 Hz的頻段進行濾波從而減少低頻和高頻噪聲對圖像的干擾。

濾波之后，計算全腦DC 值，然后進行平滑處理。本研究DC 值計算采用二值化的度中心度方法，在體素水平上計算體素與mask內所有其他體素之間的時間相關性，將Pearson 相關系數矩陣設置為閾值r＞0.25。

FC 分析以兩組DC 值有顯著差異團塊的峰值MNI 坐標作為種子點，本研究僅以左側前扣帶回所在團塊的峰值MNI 坐標為種子點，與全腦其他體素進行FC 分析，獲得的FC 值在兩組之間差異有統計學意義。以左側前扣帶回所在團塊的峰值MNI坐標（-27，18，42）為球心，半徑6 mm，以此為感興趣區，將該區域體素與全腦其他體素逐個進行分析，獲得全腦FC值，即Pearson相關系數r，然后經過Fisher'sZ轉化，將r值轉換為z值，最后進行統計分析。

1.4 統計學分析

采用SPSS 22.0 軟件對兩組被試的一般資料及相關臨床量表進行統計學分析。定量資料采用正態性檢驗（Shapiro-Wilktest 檢驗），符合正態分布的定量資料采用（±s）表示，組間差異比較采用兩獨立樣本t檢驗，相關性分析采用Pearson 相關。計數資料用例數或百分比表示，組間比較采用卡方檢驗。兩組被試的性別、吸煙史、飲酒史、高血壓、糖尿病采用卡方檢驗，年齡、受教育年限、MoCA評分采用兩獨立樣本t檢驗。吸煙史定義為每日吸煙≥10 支，持續5年以上；飲酒史定義為每日攝入酒精≥20克，飲酒時間超過5 年。不符合正態分布的相關性分析采用Spearman 相關分析。采用組內相關系數（intraclass correlation coefficient, ICC）來衡量2名醫師評分一致性，大于0.75表示信度良好。

采用SPM 12 工具包對兩組DC 值差異顯著團塊與全腦FC 值進行兩獨立樣本t檢驗，以年齡、性別及受教育年限作為協變量，得到兩組間的DC 值及FC值差異腦區。為了控制Ⅰ類錯誤，同時盡可能地保留更多的陽性結果，提高試驗的發現率，執行團簇水平的錯誤發現率（false discovery rate, FDR）校正進行多重比較校正，團簇水平閾限設定為P＜0.05，此時滿足體素水平P＜0.005 且團塊大小＞100 個體素。通過Xjview 軟件參照自動解剖圖譜分區來記錄相關差異腦區及對應的MNI 坐標、體素大小及t值，使用BrainNet Viewer 軟件呈現MNI 坐標上差異有統計學意義的腦區，并將差異腦區DC 值及FC 值分別與MoCA評分進行Pearson相關分析。采用Spearman相關分析分析各項CSVD 評分與MoCA 評分、CSVD 總負荷評分與MoCA各認知域評分的相關性，差異顯著的用熱圖呈現。P＜0.05認為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 評分結果一致性分析

分別由2 名神經內科主治醫師和2 名MRI 主治醫師評估的MoCA、ADL 和CSVD 總負荷評分ICC值分別為0.805、0.853、0.837，說明結果一致性良好。

2.2 人口學和神經心理學結果

所有被試的人口統計學特征和神經心理測試分數詳見表2。兩組在年齡、性別及受教育年限方面沒有顯著差異；兩組飲酒史、高血壓、糖尿病差異有統計學意義（P＜0.05），CSVD-MCI組MoCA評分顯著低于HC組（P＜0.001），其他資料差異無統計學意義。

表2 CSVD-MCI組與HC組臨床資料比較Tab.2 Comparison of clinical data between CSVD-MCI group and HC group

2.3 DC值結果

與HC 組相比，CSVD-MCI 組左側內側額上回/左側前扣帶回、左側角回/左側緣上回、右側內側額上回/右側額中回、左側小腦及右側小腦DC 值減低（表3，圖1A）。

圖1 CSVD-MCI 組與HC 組DC 及FC 值差異顯著腦區。1A：與HC 組相比，CSVD-MCI組左側內側額上回/左側前扣帶回、左側角回/左側緣上回、右側內側額上回/右側額中回、左側小腦及右側小腦DC 值減低；1B：與HC 組相比，CSVD-MCI 組左側前扣帶回與左側顳中下回、雙側楔前葉、雙側中扣帶回FC 值減低。CSVD-MCI：腦小血管病相關輕度認知障礙；HC：健康對照；DC：度中心度；FC：功能連接。Fig.1 Significant differences of brain regions in degree centrality (DC)and functional connection (FC) values between the mild cognitive impairment associated with cerebral small vessel disease (CSVD-MCI)group and healthy control (HC) group.1A: Compared with the HC group,the DC value of the left medial superior frontal gyrus/left anterior cingulate gyrus, left angular gyrus/left supramarginal gyrus, right medial superior frontal gyrus/right middle frontal gyrus, left cerebellum and right cerebellum DC values in the CSVD-MCI group decreas.1B: Compared with HC group, FC values of left anterior cingulate gyrus, left middle inferior temporal gyrus, bilateral precuneus and bilateral middle cingulate gyrus in CSVD-MCI group decreas.

表3 CSVD-MCI組與HC組相比DC值有顯著減低的腦區Tab.3 Brain areas with significantly lower DC values in the CSVD-MCI group compared with HC group

2.4 FC值結果

與HC 組相比，CSVD-MCI 組僅左側前扣帶回與左側顳中下回、雙側楔前葉、雙側中扣帶回FC 值減低（表4，圖1B）。

表4 CSVD-MCI組與HC組相比FC值有顯著減低的腦區Tab.4 Brain areas with significantly reduced functional connectivity values in the CSVD-MCI group compared with HC group

2.5 相關性分析

提取兩組差異顯著腦區所在團塊的DC 及FC值。結果顯示，CSVD-MCI 患者左側前扣帶回-右側楔前葉FC 值與MoCA 評分呈顯著正相關（r=0.565，P=0.018）（圖2A）。

圖2 CSVD-MCI組，左側前扣帶回與右側楔前葉FC 值、CSVD 總負荷評分及白質高信號評分與MoCA 評分的相關性散點圖。2A：左側前扣帶回與右側楔前葉FC 值與MoCA 評分呈顯著正相關；2B、2C：CSVD 總負荷評分、白質高信號評分與MoCA 評分呈顯著負相關；2D：CSVD 總負荷評分與視空間和執行功能認知域評分呈負相關。CSVD-MCI：腦小血管病相關輕度認知障礙；FC：功能連接；CSVD：腦小血管?。籑oCA：蒙特利爾認知評估量表。Fig.2 Scatter diagram of correlation between left anterior cingulate gyrus and right precuneus functional connection (FC) values, cerebral small vessel disease(CSVD) total load score and white matter high signal score, and Montreal Cognitive Assessment (MoCA) score of mild cognitive impairment associated with CSVD(CSVD-MCI) group.FC values of left anterior cingulate cortex and right precuneus are significantly positively correlated with MoCA scores (2A); 2B and 2C show a significant negative correlation between the total load score of CSVD, white matter high signal score, and MoCA score; and there is a negative correlation between the total load score of CSVD and the cognitive domain scores of visual space and executive function (2D).

CSVD 總負荷評分、腦白質高信號評分與MoCA評分呈顯著負相關（rs=-0.458，P=0.037；rs=-0.461，P=0.036）；腔隙、擴大的血管周圍間隙及腦萎縮與MoCA 評分無顯著相關性（rs=0.087；rs=0.211；rs=-0.046；P＞0.05）（表5，圖2B、2C，圖3）。

表5 不同類型CSVD評分與MoCA評分的關系Tab.5 Relationship between different types of CSVD scores and MoCA scores

CSVD 總負荷評分與視空間和執行功能認知域評分呈負相關（rs=-0.473，P=0.030），與其他認知域評分無顯著相關性（表6，圖2D，圖3）。

表6 MoCA各認知域評分與CSVD總負荷評分的相關性分析Tab.6 Correlation analysis between MoCA cognitive domain scores and CSVD total load scores

3 討論

本研究結果顯示，飲酒、高血壓、糖尿病這些危險因素在兩組中存在明顯差異，與之前的研究結果相符[14-16]。原因可能是這些心血管危險因素損傷微小血管，引起動脈硬化和微血管功能障礙，導致腦灌注降低，慢性腦缺血進展為CSVD 的腦損傷[17-19]，目前CSVD-MCI的管理主要是預防和控制這些危險因素[20]。

3.1 兩組DC 及FC 值差異顯著腦區與相應認知功能的分析

本研究通過靜息態DC 及基于種子點的FC 指標，從全腦體素水平分析CSVD-MCI 患者腦功能活動與MoCA 評分的相關性，并進一步評估CSVD 影像學指標與MoCA 評分的相關性，從而探索CSVD-MCI 患者腦損傷的神經病理學機制。與HC組相比，CSVD-MCI 組左側內側額上回/左側前扣帶回、左側角回/左側緣上回、右側內側額上回/右側額中回、左側小腦及右側小腦DC 值減低；左側前扣帶回與左側顳中下回、雙側楔前葉、雙側中扣帶回FC值減低，且左側前扣帶回-右側楔前葉的FC 值與MoCA 評分呈正相關。本研究主要涉及的腦功能指標減低的腦區為前扣帶回、楔前葉、顳中回、內側前額葉、角回、緣上回、小腦，這些腦區與認知儲備相關。前扣帶回參與認知控制，負責注意力與情感信息的整合，在執行功能中起調控作用，實時監控并發現目標行為執行過程中的錯誤，抑制無關信息[21]。內側前額葉與決策、辨別、計算和推理相關。本研究CSVD-MCI 患者執行功能受損，可能與前扣帶回相關功能網絡連接模式異常有關。楔前葉是DMN 的中心節點，與更高層次認知功能相關，在視覺空間、情景記憶提取和自我信息處理中發揮重要作用[10,22]。顳葉與記憶、情感及語言理解相關，參與認知功能調節。有研究[23]報告了CSVD 患者雙側中扣帶回神經元活動減少，我們的研究結果證實了這一點。緣上回和角回是頂下小葉的重要組成部分，通常與注意轉移、視覺空間注意等領域有關，角回主要與語義信息處理有關[24]。傳統觀點認為小腦主要與人體運動協調功能相關，然而，越來越多的證據表明，小腦在認知加工中也發揮著關鍵作用，小腦后葉與記憶和執行功能有關[25]。CSVD-MCI患者左側前扣帶回-右側楔前葉FC 值降低與MoCA 評分減低有關，提示靜息狀態下腦功能網絡連接受損引發認知損傷。蔡麗娜等[26]研究認為CSVD 早期存在FC 值代償性增高腦區，但本研究只得出FC 值減低的結果，可能是因為患者數量有限，導致結果的重復性低，或者不可避免的個體差異影響試驗結果。

3.2 CSVD評分與MoCA評分的相關性分析

LI 等[27]在調整了年齡、性別和受教育程度后，多因素線性回歸分析顯示，CSVD總負荷嚴重程度與整體認知和單一認知域（如記憶、執行功能、速度和運動控制）的認知水平下降有關。研究發現[28-30]，在CSVD 標志物中，WMH 對認知損害的預測作用最強，嚴重的WMH負擔可能是額葉腦血流量減少的原因，導致額葉功能障礙和認知損傷。本研究得出，CSVD總負荷評分、白質高信號評分與MoCA評分呈顯著負相關，CSVD總負荷評分與視空間和執行功能認知域評分呈負相關，證實了以上觀點。本研究中，CSVD總負荷評分與延遲回憶功能相關性不顯著，提示CSVD-MCI 患者早期主要影響執行功能，而對記憶損傷相對較小，與部分研究[2,8,20]的觀點一致。

3.3 CSVD通過損傷腦功能網絡進而影響認知功能

DU等[31]采用結構方程模型對有認知障礙和無認知障礙的CSVD 患者進行中介分析顯示，腦血管病變通過干擾CSVD 患者功能網絡完整性而產生認知功能障礙，說明CSVD 對認知的影響完全由腦功能網絡中斷介導。WMH 會破壞介導皮質-皮質或皮質-皮質下白質束或U 型纖維的連接[32]，這為我們的研究結果提供了解剖學支撐。FREY 等[33]運用DTI技術研究發現，CSVD 損害白質完整性，導致腦網絡之間整合減少、分離增加。皮質下缺血性腦血管病后非癡呆型血管性輕度認知障礙前額葉-皮質下環路結構和功能異常導致執行功能損傷[34]。研究表明，結構網絡破壞程度與CSVD 嚴重程度有關，并且介導了其與認知能力下降的關聯[33,35]。本研究發現CSVD-MCI 患者左側前扣帶回DC 值及左側前扣帶回與右側楔前葉FC值減低，由此推測，CSVD通過影響皮質下環路，損害不相鄰腦區間功能連通性，進一步導致網絡功能障礙和認知障礙，這可能是CSVD-MCI的神經病理學機制。

3.4 局限性

本研究仍存在一些不足。首先，樣本量較小；其次，應該采用單個認知域專用量表進行各個認知水平評估；此外，部分患者沒有掃描磁敏感加權成像序列，因此沒有研究微出血灶與臨床認知評分的相關性；而且，本研究是橫斷面研究，后續需要研究CSVD-MCI進展對認知的影響。

4 結論

CSVD 評分結合靜息態體素水平全腦DC 及FC指標可以篩查出有CSVD-MCI 風險的患者，為臨床提供功能影像學依據，從而早期指導患者進行針對性預防，阻止疾病進展。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻聲明：吳江設計了本研究的方案，提出論文思路，對論文重要內容進行了修改；梁秀琴、劉擘起草和撰寫論文，獲取、分析或解釋本研究數據；李璇獲取、分析和解釋本研究的數據，對論文重要內容進行修改；全體作者同意最后的修改稿發表，同意對研究工作各方面的誠信問題負責。