慢性高原病患者腦灰質(zhì)變化的VBM-MRI研究

劉彩霞，鮑海華*，李偉霞，趙希鵬，吳有森，張紅遷，王麗紅

慢性高原病(chronic mountain sickness，CMS)是人體長(zhǎng)期生活在高原因習(xí)服失敗(failure of acclimatization；指移居人群)或喪失適應(yīng)(loss of adaptation；指世居人群)的臨床綜合征[1]，是威脅高原人民健康的常見(jiàn)病及多發(fā)病。缺氧是引起慢性高原病的重要的原因，在高原生活的人群，機(jī)體處于長(zhǎng)期慢性缺氧刺激，致使CMS患者出現(xiàn)紅細(xì)胞過(guò)分代償、血紅蛋白增高，從而導(dǎo)致血液淤滯及缺氧改變。神經(jīng)系統(tǒng)抗氧能力差，皮質(zhì)區(qū)對(duì)缺氧最敏感。在一些急性高原病患者中發(fā)現(xiàn)微形態(tài)學(xué)的損傷，例如腦腫脹、皮質(zhì)萎縮、皮質(zhì)及皮層下的損傷[2-3]。研究發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)一次或者多次暴露在極高海拔地區(qū)的登山者腦內(nèi)出現(xiàn)左側(cè)錐體束、左側(cè)角回的體素減少，皮質(zhì)脊髓束、胼胝體及上縱束等FA值的減低[4-5]。也有研究發(fā)現(xiàn)，適應(yīng)生活在海拔2300～4000 m地區(qū)的正常成人不同腦區(qū)的灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[6]。

基于體素的MRI形態(tài)學(xué)(voxel-based morphometry, VBM)技術(shù)是一種無(wú)偏的全自動(dòng)分析技術(shù)，能定量計(jì)算大腦某些灰質(zhì)、白質(zhì)區(qū)域密度和體積的變化，是客觀評(píng)價(jià)大腦局部組織差異的一種重要方法，具有較高的客觀性和準(zhǔn)確性。此技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用于研究多種疾病導(dǎo)致的腦形態(tài)學(xué)改變[7]，并顯示了良好的應(yīng)用前景。筆者應(yīng)用優(yōu)化的VBM技術(shù)，對(duì)CMS患者進(jìn)行全腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的形態(tài)學(xué)測(cè)量，分析其腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，從影像學(xué)角度探索長(zhǎng)期慢性缺氧對(duì)大腦結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

1.1.1 病例組

搜集2012年12月至2013年12月于青海大學(xué)附屬醫(yī)院住院、門診部及體檢中心確診的CMS患者，CMS組入選標(biāo)準(zhǔn)：(1)慢性高原病國(guó)際診斷標(biāo)準(zhǔn)(青海標(biāo)準(zhǔn))[8]；(2)常規(guī)頭顱MRI無(wú)其他腦實(shí)質(zhì)異常；(3)病人無(wú)MRI檢查的各項(xiàng)禁忌證。CMS組患者共計(jì)14例，年齡平均(41.64±8.30)歲；受教育年限平均(10.50±5.93)年，居住海拔高度平均(3950±300.64) m。并采用青海CMS計(jì)分法[8]對(duì)CMS的嚴(yán)重程度進(jìn)行計(jì)分，CMS組平均計(jì)分(12.71±3.07)分。1.1.2 正常對(duì)照組

通過(guò)招募，納入年齡、受教育程度和居住海拔高度與CMS組相匹配的12例正常志愿者作為對(duì)照，由于1例頭動(dòng)偽影較大而被剔除，正常對(duì)照組共計(jì)11例。既往無(wú)腦器質(zhì)性疾患，體檢無(wú)陽(yáng)性體征，血常規(guī)檢測(cè)及血壓正常；年齡平均(40.27±9.61)歲，受教育程度平均(13.55±4.66)年；居住海拔平均(3609±533.77) m；青海CMS計(jì)分平均(3.82±1.17)分。CMS組及對(duì)照組人口統(tǒng)計(jì)及臨床資料見(jiàn)表1。

CMS組與對(duì)照組在年齡、受教育年限、居住海拔高度的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。所有入選者均為右利手，均無(wú)腦外傷、腦血管意外及精神疾病史。由于CMS發(fā)病率男性高于女性，為消除性別之間的差異，兩組均選取男性研究。所有受檢者在參與實(shí)驗(yàn)前均被告知相關(guān)事宜、取得受檢者同意，并簽訂知情同意協(xié)議書。本研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)的審核批準(zhǔn)。

表1 CMS組和對(duì)照組的人口統(tǒng)計(jì)及臨床資料Tab.1 Demographic and physiological characteristic of CMS group and control group.

1.2 MR檢查方法

采用Philips Achieva 3.0 T TX多源發(fā)射MR掃描系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)頭顱8通道線圈完成掃描序列。所有對(duì)象雙耳塞上適當(dāng)大小棉球以減少噪音的影響并用海綿墊固定兩側(cè)。以聽(tīng)眥線為基線精確定位，所有研究對(duì)象首先進(jìn)行常規(guī)頭部MR成像獲得T1和T2圖像，由1名經(jīng)驗(yàn)豐富的影像科醫(yī)師對(duì)其進(jìn)行診斷，無(wú)明顯腦實(shí)質(zhì)異常者進(jìn)入后續(xù)的序列掃描。采用超快速場(chǎng)回波(TFE)序列獲取3D-T1結(jié)構(gòu)像，掃描參數(shù)：TR 7.5 ms，TE 3.7 ms，激發(fā)角度7o，層厚2 mm，層間隔－1 mm，矩陣256×256，連續(xù)獲取176層矢狀面圖像覆蓋全腦。所有掃描均由同一名影像科醫(yī)師操作完成。

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

在Matlab 2010b (the Math Workes，USA)平臺(tái)上，采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖(statistical parametric mapping，SPM8)(www.fil.ion.ucl.ac.uk./spm8/)中的嵌套軟件VBM8toolbox進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的基本步驟：(1)檢查每個(gè)被試的掃描偽跡及整體的解剖異常；(2)調(diào)整圖像的原點(diǎn)為前聯(lián)合AC (anterior commissure，AC)；(3)將采集到的3D結(jié)構(gòu)圖像分割得到灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液后，運(yùn)用DARTEL工具箱來(lái)實(shí)現(xiàn)高維度的配準(zhǔn)與標(biāo)準(zhǔn)化，體素大小1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；(4)將雅可比算法應(yīng)用于數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，以保證灰質(zhì)總體積在空間標(biāo)準(zhǔn)化的前后不變；(5)應(yīng)用半高全寬為8 mm的三維高斯平滑核進(jìn)行圖像的空間平滑處理，以減少個(gè)體帶來(lái)的差異；(6)最后利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)對(duì)平滑后的腦灰質(zhì)圖像進(jìn)行組間分析，定量測(cè)出腦灰質(zhì)不同區(qū)域體積，從而量化分析腦形態(tài)上的差異。其統(tǒng)計(jì)分析采用兩樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)參數(shù)t>3.485，P＜0.01(未校正)，選取相鄰體素(voxels)大于100個(gè)以上的組塊(cluster)視為有差異的腦區(qū)，并將發(fā)生差異的腦區(qū)疊加于結(jié)構(gòu)圖模板，并利用XjView軟件包對(duì)有差異的具體解剖位置進(jìn)行分析。

表2 CMS組與對(duì)照組相比灰質(zhì)增加腦區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.2 The statistic results of increased gray matter voxels in CMS group compared with control group

2 結(jié)果

圖1 CMS組與對(duì)照組相比灰質(zhì)體積有差異腦區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖。紅色顯示CMS患者相對(duì)于正常對(duì)照組灰質(zhì)體積增加的腦區(qū)，包括：右側(cè)舌回、后扣帶回、雙側(cè)海馬和左側(cè)顳下回；藍(lán)色顯示CMS患者相對(duì)于正常對(duì)照組灰質(zhì)體積減少的腦區(qū)：左側(cè)前扣帶回(統(tǒng)計(jì)閾值設(shè)為P<0.001，cluster size>100，未校正)Fig.1 The statistical parametric map of gray matter volume difference in CMS group compared with control group.Compared with the normal control group, red display the GM volume increased regions of CMS group, include right lingual gyrus, right Posterior Cingulate, bilateral Parahippocampa Gyrus,left ilferior temporal gyrus and blue display the reduced regions in left anterior cingulated.The statistical threshold is set to P<0.001, cluster size>100,uncorrected.

表3 CMS組與對(duì)照組相比灰質(zhì)減少腦區(qū)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.3 The statistic results of reduced gray matter voxels in CMS group compared with control group.

本研究中CMS組14例，對(duì)照組12例，對(duì)照組中由于1例頭動(dòng)偽影較大而剔除。所有實(shí)驗(yàn)對(duì)象的常規(guī)T1、T2像無(wú)明顯腦實(shí)質(zhì)異常，兩組全腦總體積、白質(zhì)體積及灰質(zhì)體積之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。相對(duì)于對(duì)照組，CMS組右側(cè)舌回、后扣帶回、雙側(cè)海馬旁回及左側(cè)顳下回灰質(zhì)體積增加(表2，圖1)；左側(cè)前扣帶回灰質(zhì)體積減少(表3，圖1)。

3 討論

國(guó)內(nèi)外有關(guān)慢性高原病的研究很多集中于流行病學(xué)、病理生理學(xué)、神經(jīng)化學(xué)、病因?qū)W和針對(duì)該病的診斷和治療上[1，8-11]，而在神經(jīng)影像方面的研究卻很少。

人腦皮層解剖結(jié)構(gòu)具有可塑性[12]，可在結(jié)構(gòu)和功能上修改自身以適應(yīng)客觀事實(shí)改變。長(zhǎng)期高海拔低氧刺激下，血紅蛋白濃度以及動(dòng)脈血氧飽和度的變化改變了大腦血流的氧輸送情況，最終導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)的累積性改變[13-14]。大腦是身體的控制中心，在高海拔低氧環(huán)境下，心血管和呼吸系統(tǒng)的適應(yīng)及非適應(yīng)性改變通過(guò)傳入神經(jīng)反饋?zhàn)饔糜诖竽X的控制中心，也可能引起相應(yīng)腦區(qū)域的結(jié)構(gòu)改變[15]。

灰質(zhì)的顯微結(jié)構(gòu)為神經(jīng)細(xì)胞、纖維、神經(jīng)膠質(zhì)和血管錯(cuò)綜復(fù)雜的混合，從解剖角度來(lái)看，灰質(zhì)體積的增加可能與神經(jīng)細(xì)胞增生、突觸增多或者血管改變相關(guān)。大腦皮質(zhì)分為新皮質(zhì)和古老的異生皮質(zhì)，人類的新皮質(zhì)約占全部皮質(zhì)的96%。新皮質(zhì)具有神經(jīng)再生的能力，缺氧能夠誘導(dǎo)這種神經(jīng)的再生[16]。腦缺血是指腦血流量減少以致不足以維持腦的正常代謝、功能及維持腦組織結(jié)構(gòu)，在灌注成像上可見(jiàn)明顯的低灌注改變[17]。對(duì)CMS患者腦CT灌注研究發(fā)現(xiàn)，CMS患者腦灰質(zhì)CBF下降，MTT和TTP延長(zhǎng)，說(shuō)明腦組織處于缺血、缺氧狀態(tài)[18]，腦缺血能夠刺激小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞增殖[19]。本研究結(jié)果顯示CMS患者較對(duì)照組右側(cè)舌回、后扣帶回、雙側(cè)海馬旁回及左側(cè)顳下回灰質(zhì)體積增加，說(shuō)明CMS患者該部分腦區(qū)對(duì)缺氧較對(duì)照組敏感。海馬旁回是學(xué)習(xí)和記憶加工的重要腦區(qū)，并可抑制間腦促進(jìn)呼吸的區(qū)域[6]，而低氧使海馬旁回神經(jīng)細(xì)胞增加，降低低氧通氣的功能，加重缺氧，因此筆者推測(cè)這可能是CMS發(fā)病機(jī)制之一[9]。對(duì)高海拔移民者適應(yīng)生活兩年的人腦結(jié)構(gòu)研究也發(fā)現(xiàn)了右側(cè)海馬旁回灰質(zhì)體積較低海拔人群增加[6]。后扣帶回是默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)之一，在默認(rèn)模式的網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著核心作用，與海馬旁回同是處理情節(jié)和工作記憶的重要構(gòu)成部分，海馬旁回和后扣帶回灰質(zhì)體積的變化，可能與CMS患者記憶力下降有一定的聯(lián)系[20-21]。右側(cè)舌回是本研究中灰質(zhì)增加最明顯的區(qū)域，舌回是視區(qū)所在位置，負(fù)責(zé)視覺(jué)沖動(dòng)的傳導(dǎo)。另外，顳下回為視覺(jué)中樞V4區(qū)的一部分，這個(gè)區(qū)域與復(fù)雜的形覺(jué)和色覺(jué)功能相關(guān)[22]，舌回和顳下回灰質(zhì)密度的改變，這有助于理解CMS患者視力下降現(xiàn)象。

前扣帶回是突顯網(wǎng)絡(luò)(salience network，SN)的重要節(jié)點(diǎn)。SN能夠從來(lái)自體內(nèi)、外大量的認(rèn)知或情感信息中正確鑒別當(dāng)前最顯著的信息，并指導(dǎo)相應(yīng)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)[23]，主要參與注意、工作記憶、高級(jí)控制任務(wù)的啟動(dòng)。本研究結(jié)果顯示CMS患者前扣帶回的灰質(zhì)體積明顯萎縮，這有助于解釋流行病學(xué)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)CMS患者不同程度的認(rèn)知功能損傷、記憶力下降現(xiàn)象[8，20-21]。

高原缺氧對(duì)腦結(jié)構(gòu)的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受到多種因素的影響。筆者利用DARTELVBM方法初步探討了CMS患者全腦灰質(zhì)體積的變化，結(jié)果CMS組患者較對(duì)照組右側(cè)舌回、扣帶回、雙側(cè)海馬旁回及左側(cè)顳下回灰質(zhì)體積增加，左側(cè)前扣帶回灰質(zhì)體積減少，說(shuō)明不同腦區(qū)對(duì)缺氧的耐受不同。本研究腦白質(zhì)未見(jiàn)明顯異常，這也驗(yàn)證了CMS患者腦灰質(zhì)對(duì)缺氧的敏感性高于腦白質(zhì)[12]。

筆者初步探討了慢性缺氧對(duì)腦結(jié)構(gòu)的影響，這僅是一個(gè)橫向的研究，樣本量較小，難以做出CMS患者嚴(yán)重程度及在高原居住時(shí)間長(zhǎng)短的分層分析。沒(méi)有設(shè)計(jì)神經(jīng)心理學(xué)的測(cè)驗(yàn)，對(duì)研究中發(fā)現(xiàn)的陽(yáng)性結(jié)果的解釋主要依賴于其他學(xué)者的研究結(jié)果。后面將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，增加神經(jīng)心理學(xué)的測(cè)試、DTI腦白質(zhì)完整性研究、BOLD腦功能成像研究等，提供對(duì)CMS患者腦結(jié)構(gòu)和功能改變的更多證據(jù)，增進(jìn)我們理解缺氧對(duì)大腦結(jié)構(gòu)和功能的影響。

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