肌萎縮側(cè)索硬化患者基于體素的形態(tài)學(xué)MRI研究

張 愉 張碧云 耿道穎

肌萎縮側(cè)索硬化 (amyotrophic lateral sclerosis，ALS) 是一類選擇性累及上運(yùn)動神經(jīng)元和下運(yùn)動神經(jīng)元的進(jìn)行性神經(jīng)元變性類疾病。ALS的診斷主要依靠于臨床和肌電圖表現(xiàn)，根據(jù)El Escorial 標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行診斷。傳統(tǒng)的神經(jīng)影像學(xué)檢查在ALS的診斷過程中僅起輔助作用。因此許多神經(jīng)影像學(xué)研究致力于尋找發(fā)現(xiàn)上運(yùn)動神經(jīng)元損傷的最佳辦法[1]。

基于體素的形態(tài)學(xué)測量 (voxel-based morphometry，VBM) 技術(shù)是目前常用MRI進(jìn)行腦形態(tài)學(xué)研究的一種自動的定量方法，不需要任何先驗(yàn)知識。

本研究使用VBM方法對ALS患者M(jìn)RI高分別率T1WI圖像進(jìn)行全腦體積分析，以探討其腦形態(tài)結(jié)構(gòu)改變的特點(diǎn)，致力于尋找評估ALS患者上運(yùn)動神經(jīng)元損傷可能的客觀標(biāo)記物。

圖1 與正常對照組比較，ALS患者雙側(cè)中央前回、中央后回、運(yùn)動前回及輔助運(yùn)動區(qū)皮質(zhì)灰質(zhì)體積縮小(P＜0.001，uncorrected，k≥701)。圖2 ALS患者雙側(cè)額葉、顳葉、枕葉皮質(zhì)灰質(zhì)體積也顯著縮?。≒＜0.001，uncorrected， k≥701)。

方 法

1.臨床資料

1.1 ALS患者組：為2011年5月至2012年12月在華山醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科“運(yùn)動神經(jīng)元疾病”專病門診就診或住院的33例臨床確診或擬診的肌萎縮側(cè)索硬化患者，符合El Escorial修訂版標(biāo)準(zhǔn)[2]。其中男性15例，女性18例，年齡范圍30～75歲，平均56±11歲，病程3～107個(gè)月，平均24.9±19.1個(gè)月。確診病例19例，擬診病例14 例。發(fā)病部位，6例延髓首發(fā)，27例肢體首發(fā)。所有ALS患者均由修訂版ALS功能分級量表 (revised ALS functional rating scale，ALSFRS-R) 進(jìn)行評價(jià)。均為右利手。

1.2 健康對照組：選取健康志愿者33例，與ALS組患者按年齡匹配，其中男11例，女22例，年齡30～68歲，平均52.1±10.2歲，教育程度為初中畢業(yè)及以上。均為右利手。

1.3 排除標(biāo)準(zhǔn)：過度飲酒史，高血壓、冠心病、糖尿病、腦血管病及其他神經(jīng)系統(tǒng)病變，頭顱外傷史，激素及化療藥物應(yīng)用史，精神疾病史。MRI T1WI及FLAIR序列圖上異常信號。

所有受試者體內(nèi)均無金屬植入物或沒有MR檢查禁忌證，自愿參加并簽署知情同意書。本研究已獲得華山醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)。

2.磁共振成像

圖像采集：被試頭部用套墊固定，保持整個(gè)掃描期間不動。

2.1 檢查設(shè)備：Siemens Verio 3.0T超導(dǎo)磁共振，8通道線圈。

2.2 結(jié)構(gòu)像：使用矢狀面3D T1WI 高分辨磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列行全腦掃描。TR=2300ms，TE=2.98ms，f lip angle=9°，層厚=1.0mm，F(xiàn)OV=256mm×256mm，矩陣=256×256，體素=1mm×1mm×1mm。

3. 3D結(jié)構(gòu)像后處理與統(tǒng)計(jì)分析

3.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換：使用MRIcron中的dcm2niigui軟件將DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合SPM8軟件可以應(yīng)用的NIFIT格式。轉(zhuǎn)換過程中去除受試者個(gè)人信息，使文件名匿名化。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理：使用SPM8 (SPM，Wellcome Department of Cognitive Neurology，London，UK) 及VBM8（university of Jena，Department of Psychiatry）軟件進(jìn)行分析，在MatLab (Mathworks，Inc.，Sherborn，Mass) 上執(zhí)行操作。

(1)圖像分割（s e g m e n t a t i o n）與標(biāo)準(zhǔn)化（Normalization）：使用VBM8對所有被試3D結(jié)構(gòu)像進(jìn)行圖像切割，分為：灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液，并將所有圖像標(biāo)化到SPM自帶模板上。

( 2 )圖像調(diào)制（modulation）：通過非線性成分對體素進(jìn)行相乘以調(diào)制圖像。

( 3 )圖像平滑（smoothing）：對所有標(biāo)準(zhǔn)化后灰質(zhì)圖像進(jìn)行平滑，F(xiàn)WHM=8mm。

( 4 )建模（Masking）：對所有平滑后的灰質(zhì)圖像進(jìn)行平均，作為本研究的灰質(zhì)模板。

3.3 統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)建立統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。使用XJview 8插件，將所得激活區(qū)重疊于軟件自帶的T1均圖上，將兩組間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異區(qū)域MNI坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為解剖位置，并自動標(biāo)記團(tuán)塊中心的解剖位置。

(1)組間圖像分析：對正常對照組及ALS患者組采用非配對兩組間t檢驗(yàn)分析，voxel-level：P＜0.001，uncorrected；cluster-level：P＜0.05認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。將被試頭動參數(shù)、年齡、性別作為協(xié)變量。計(jì)算每個(gè)SPM {Z}統(tǒng)計(jì)，同時(shí)計(jì)算P值。結(jié)果呈現(xiàn)在透明腦圖上，即采用最大強(qiáng)度投影時(shí)SPM{Z}分布在橫斷位、矢狀位及冠狀位三個(gè)方向。

(2)腦灰質(zhì)體積與臨床行為數(shù)據(jù)相關(guān)分析：將ALS患者組平滑后的腦灰質(zhì)圖與ALSFRS-R評分作相關(guān)分析，閾值校正：voxel-level，P＜0.001，uncorrected；cluster-wise，P＜0.05。

結(jié) 果

1.行為學(xué)分析

ALS患者及正常對照組的年齡、性別、教育程度相匹配（表1，P＞0.05）。

2.腦灰質(zhì)體積分析

與正常對照組比較，ALS患者雙側(cè)初級運(yùn)動區(qū)、運(yùn)動前回、輔助運(yùn)動區(qū)及軀體感覺區(qū)等運(yùn)動相關(guān)區(qū)域灰質(zhì)體積縮小。此外，兩側(cè)額葉、顳葉及枕葉等非運(yùn)動區(qū)皮質(zhì)也發(fā)生萎縮 (P＜0.001，uncorrected，k≥701)（表，圖1～4）。

3.相關(guān)分析

ALS患者右側(cè)運(yùn)動前回灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評分呈正相關(guān)(P＜0.001，uncorrected，k≥76)（表1，圖4）。

表1 ALS患者組腦皮質(zhì)萎縮區(qū)分布

圖3 ALS患者灰質(zhì)萎縮腦區(qū)分布圖覆蓋于Xjview軟件自帶的3D立體腦（雙側(cè)中央前回、中央后回、運(yùn)動前回及左側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)、雙側(cè)額葉、顳葉、枕葉皮層灰質(zhì)體積縮小(P＜0.001， uncorrected，k≥701)。圖4 ALS患者右側(cè)運(yùn)動前回皮質(zhì)體積與ALSFRS-R評分呈顯著相關(guān)關(guān)系(P＜0.001，uncorrected，k≥76)。

討 論

ALS是一類主要累及上運(yùn)動神經(jīng)元和下運(yùn)動神經(jīng)元的進(jìn)行性神經(jīng)元變性類疾病。本研究發(fā)現(xiàn)ALS患者中央前回、運(yùn)動前回及輔助運(yùn)動區(qū)皮層體積顯著縮小。同時(shí)軀體感覺區(qū)等運(yùn)動相關(guān)區(qū)域灰質(zhì)體積也顯著縮小。此外，兩側(cè)額葉、顳葉及枕葉等非運(yùn)動區(qū)皮質(zhì)也發(fā)生萎縮。

與既往病理學(xué)和形態(tài)學(xué)研究一致[3]，本研究VBM分析發(fā)現(xiàn)ALS患者皮質(zhì)的萎縮也發(fā)生于中央后回。中央后回通常被認(rèn)為是初級軀體感覺皮質(zhì)區(qū)，然而，在老鼠和靈長類動物中它的神經(jīng)元直接投射到脊髓或球部運(yùn)動神經(jīng)元[4]。因此，這些研究能夠解釋ALS患者軀體感覺區(qū)的神經(jīng)元萎縮。與本研究結(jié)果一致，既往ALS的VBM研究也發(fā)現(xiàn)了中央后回的灰質(zhì)體積的萎縮[5]。盡管ALS主要的病理特征是初級運(yùn)動區(qū)V層的、脊髓前角巨大Betz細(xì)胞的丟失和皮質(zhì)脊髓束的變性，然而其他皮質(zhì)區(qū)域不同程度受到了神經(jīng)變性的累及[6]。

在本研究中與正常對照組相比，ALS患者雙側(cè)顳葉及額葉灰質(zhì)體積也發(fā)生明顯減低。大多數(shù)神經(jīng)心理學(xué)研究支持ALS患者額葉功能的障礙[7]。本研究中額葉的萎縮部分位于下額葉皮質(zhì)。下額葉與語言的產(chǎn)生和單詞的檢索有關(guān)，被認(rèn)為是語言缺陷的基礎(chǔ)[8]。ALS患者的語言功能障礙表現(xiàn)范圍比較廣，從亞臨床期到語言不流利，再到失語癥。然而本研究中這些部分的功能不良，主要影響的是執(zhí)行功能，而非語言功能[9]。雙側(cè)的下額葉皮質(zhì)是廣泛分布的動作-注意力系統(tǒng)的一部分，這個(gè)系統(tǒng)主要維持注意力集中和抑制性控制不想要的沖動[10]。本研究中患者的神經(jīng)心理學(xué)表現(xiàn)似乎證實(shí)了這個(gè)假設(shè)，這些患者有輕微的執(zhí)行技巧障礙。顳葉區(qū)域的皮質(zhì)萎縮被認(rèn)為加速了疾病病程的進(jìn)展。流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)[11]，額顳葉癡呆和執(zhí)行功能受損的同時(shí)發(fā)生是一個(gè)對疾病預(yù)后不利的因素，這一發(fā)現(xiàn)支持我們的結(jié)果。本研究中所有ALS患者沒有明顯的認(rèn)知障礙，但是缺乏正式的神經(jīng)心理學(xué)測試，顳葉皮質(zhì)的萎縮是否伴隨亞臨床的認(rèn)知障礙尚不明確。此外，這個(gè)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性具有不同的臨床癥狀，能夠提示對神經(jīng)元變性更敏感的ALS的內(nèi)在表型。顳葉區(qū)域皮質(zhì)的萎縮也許可以考慮作為臨床實(shí)驗(yàn)中隨機(jī)化選擇患者的分層物。本研究ALS患者的顳葉萎縮主要在顳下回，這和其他體積研究及組織病理學(xué)研究結(jié)果一致。但后者顯示顳葉不對稱損傷或偏右側(cè)化。額顳葉癡呆患者的顳葉受損通常呈現(xiàn)不對稱性的顳中回的變性，一項(xiàng)VBM研究也報(bào)道了顳葉萎縮的偏右側(cè)化[12]。此外，本研究中發(fā)現(xiàn)兩側(cè)枕葉皮質(zhì)也發(fā)生體積縮小，這在既往研究中未見報(bào)道。枕葉為視覺皮質(zhì)中樞，枕葉病損時(shí)不僅發(fā)生視覺障礙，并且出現(xiàn)記憶缺陷和運(yùn)動知覺障礙等癥狀。本組ALS患者雖未發(fā)生明顯的視覺障礙，但對手的運(yùn)動速度的感覺不靈敏。這個(gè)現(xiàn)象也許能解釋枕葉皮質(zhì)的萎縮。

缺乏認(rèn)知測試是本研究的缺點(diǎn)，另外，我們并未將類似癥狀的其他疾病患者納入，這些患者也許能用來與ALS患者進(jìn)行鑒別診斷。然而，大多數(shù)ALS類似病變，如脊髓脊神經(jīng)根病、多灶性運(yùn)動神經(jīng)元萎縮，也許不會表現(xiàn)出初級運(yùn)動區(qū)的皮質(zhì)顯著萎縮。

本研究通過全腦皮質(zhì)形態(tài)分析總結(jié)出初級運(yùn)動皮質(zhì)的萎縮也許是ALS患者中樞運(yùn)動神經(jīng)元變性的有效標(biāo)記物。此外，運(yùn)動前區(qū)的萎縮與疾病ALSFRS-R評分顯著相關(guān)，可以用作疾病病程進(jìn)展的監(jiān)測。本研究在無明顯認(rèn)知障礙的ALS患者中出現(xiàn)額葉、顳葉、頂葉及枕葉的異常，支持ALS是多系統(tǒng)疾病的假設(shè)。