正常腦老化過程中海馬頭、體、尾部代謝物改變應用研究

常瑞亭 耿左軍 朱青峰 宋振虎 王亞韓 學芳 呂煥娣 劉海靜

·論著·

正常腦老化過程中海馬頭、體、尾部代謝物改變應用研究

常瑞亭 耿左軍 朱青峰 宋振虎 王亞韓 學芳 呂煥娣 劉海靜

目的應用1H-MRS技術，研究正常腦老化過程中雙側海馬不同部位物質代謝的變化規(guī)律。方法對121名健康右利手志愿者，根據(jù)年齡分為青年組(20～44歲，47例)、中年組(45～59歲，40例)和老年組(60～79歲，40例)行顱腦MRI、MRS檢查，自動測量并計算出海馬區(qū)不同部位代謝物濃度比值NAA/Cr、Cho/Cr。分析不同性別、不同側別、年齡組間各統(tǒng)計指標間的差異。結果雙側海馬頭部NAA/Cr比值在老年組與青年組、老年組與中年組間比較差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05);雙側海馬體1區(qū)、左側海馬體2區(qū)、左側海馬尾部NAA/Cr比值僅在青年組與老年組間差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05);海馬頭、體(體1區(qū)、體2區(qū))、尾部年齡組間Cho/Cr比值差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。雙側海馬各部位NAA/Cr、Cho/Cr比值差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。海馬頭、體(體1區(qū)、體2區(qū))、尾部NAA/Cr、Cho/Cr比值差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。結論雙側海馬不同部位NAA/Cr比值存在年齡組間差異，Cho/Cr比值未見差異;雙側海馬各部位NAA/Cr、Cho/Cr比值均不存在性別及側別差異。

氫質子波譜成像;海馬;腦老化;物質代謝

正常腦老化是一個復雜的過程，是一種正常的生物老化現(xiàn)象，它普遍伴發(fā)多種認知功能下降，在其臨床表現(xiàn)中，注意力和記憶力隨老化受到的影響最為明顯，執(zhí)行功能、決斷力等也出現(xiàn)改變，而高級語言技巧則相對保留。海馬是邊緣系統(tǒng)的重要組成部分，它與認知功能密切相關，在人類學習、記憶和情感等方面起著重要作用。目前人們對海馬的研究已成為生命科學和認知神經(jīng)科學領域研究的熱點之一，且多集中于體積、磁共振波譜(MRS)等的研究［1，2］。本研究應用1H-MRS通過對我國正常成人海馬各部位(海馬頭、體、尾部)組織代謝物的研究，觀測年齡、性別、側別對海馬各部位組織代謝物濃度比值的影響，并為海馬相關疾病如Alzheimer病(AD)［3］、MCI［4］、癲癇［5］等的鑒別及早期診斷提供臨床依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料選取2013年10至12月招募右利手健康志愿者121名，其中男62名，女59名;年齡20～89歲，中位年齡48歲。行顱腦常規(guī)MRI、MRS檢查，根據(jù)世界衛(wèi)生組織對人類年齡段的最新劃分，按年齡將志愿者分為3組:青年(20～44歲)、中年(45～59歲)、老年組(60～89歲)，具體分組情況見表1。納入標準:(1)右利手;(2)簡易精神狀態(tài)量表檢查(the mini-mental state examination，MMSE)評分＞27分;(3)無任何神經(jīng)系統(tǒng)疾病或精神疾病，如頭痛、頭暈、嗜睡、瞻望、情感障礙等神經(jīng)或精神癥狀;(4)無顱腦手術或外傷史，無高血壓(60歲以上老年人血壓140/ 90 mm Hg以上者)、糖尿病、心臟病等基礎病或慢性病史;(5)無酗酒、吸煙成癮、長期服用藥物、毒品依賴等病史;(6)無MRI檢查禁忌證，如體內存在心臟起搏器、神經(jīng)刺激器、金屬動脈夾、不可摘除的假牙等金屬植入物等;(7)無抽搐、癲癇、痙攣史，無腦炎或腦膜炎史;(8)無腦乏氧史，如一氧化碳及其他毒物中毒史等;(9)顱腦MRI常規(guī)掃描陰性，海馬區(qū)未見空泡及異常信號者;(10)按照上述標準，對掃描獲得的圖像評估質量，并進行后處理，去除偽影嚴重及后處理不理想者。所有志愿者均知情并同意接受檢查。見表1。

表1 3組一般情況比較

1.2 儀器與方法采用飛利浦公司Achieva 3.0T超導磁共振設備，標準8通道頭顱線圈。腦常規(guī)檢查包括軸位T1WI:TSE序列:TR 3 056 ms，TE 7.6 ms，TI 860 ms;軸位T2WI:TSE序列:TR 2 000 ms，TE 80 ms;軸位T2FLAIR:T2FLAIR序列:TR 10 002 ms，TE 130.4 ms，TI 2 400 ms。以上序列層厚均為6.0 mm，層間隔為1.0 mm，矩陣:512×256，F(xiàn)OV:240 mm× 240 mm×120 mm(AP×RL×FH)，平均激勵次數(shù)(NSA)1次;矢狀T2WI:TSE序列:TR 2 000ms，TE 80 ms，層厚6.0 mm，層間隔1.0 mm。矩陣:260× 234，F(xiàn)OV:240 mm×240 mm×143 mm(AP×RL× FH)，平均激勵次數(shù)(NSA)1次。1H-MRS成像:在矢狀位T2WI上沿海馬長軸進行海馬長軸位掃描:T2WI: TSE序列:TR 2 000 ms，TE 80 ms，層間隔0 mm，層厚3 mm;采用多體素2D-PRESS-144序列選擇海馬軸位層面海馬頭、體、尾顯示最好層面定位，其中海馬頭、體、尾分區(qū)參照Malykhin等［6］及過去垂直于海馬長軸斜冠狀掃描的分段方法加以改進后進行分段，分別對雙側海馬不同區(qū)域進行MRS波譜掃描(圖1)，盡量避開干擾組織，如顱骨、血管、脂肪、硬膜、腦脊液等。掃描參數(shù):TR 2 000 ms，TE 144 ms，體素大小:10 mm× 10 mm，層厚:10 mm，矩陣:2×4，F(xiàn)OV:20 mm× 40 mm，接收/發(fā)射增益調節(jié)、掃描過程中體素內勻場、水抑制及無水抑制掃描均由自動預掃描程序完成，勻場效果達到半高全寬(FWHM)小于15 Hz，水抑制達99%水平，左右海馬MRS總掃描時間:15 min。

圖1 雙側海馬區(qū)MRS定位圖1=海馬頭，2=海馬體1區(qū)，3=海馬體2區(qū)，4=海馬尾

1.3 圖像處理將MRS原始圖像傳輸至飛利浦EWS后處理工作站，用EWS工作站中MRS特定處理軟件進行圖像后處理，將得出原始波譜進行高斯、指數(shù)倍增(gauss multiply、exponential multiply)，零填充(zero fill)，傅立葉變換(fourier transformation)，頻率位移較正(frequency correction)，相位校正(phase correction)，基線校正(baseline correction)，得出相應MRS波譜。對各峰進行單峰分析，記錄各代謝物的峰下面積、從而計算出其濃度比值，包括NAA/Cr、Cho/Cr比值。

1.4 統(tǒng)計學分析應用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件，數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布或近似正態(tài)分布者，計量資料以±s表示，數(shù)據(jù)符合偏態(tài)分布者，用(中位數(shù)，四分位間距)表示。不同年齡組之間海馬各部位各參數(shù)的分析采用完全隨機設計資料的方差分析(analysis of variance，ANOVA)，兩兩比較采用最小顯著差異(least significant difference，LSD)t檢驗;采用成組t檢驗分析海馬同一部位各參數(shù)是否存在性別差異性;采用配對t檢驗分析海馬同一部位各參數(shù)的側別差異，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 海馬同一區(qū)域不同年齡組間差異雙側海馬頭部老年組與青年組、中年組間NAA/Cr差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05);雙側海馬體1區(qū)、左側海馬體2區(qū)、左側海馬尾部NAA/Cr與青年組比較，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，青年組與中年組、中年組與老年組比較差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。見表2。

2.2 海馬各部位性別間差異雙側海馬不同部位代謝物濃度比NAA/Cr、Cho/Cr，不存在性別差異(P＞0.05)。見表3。

2.3 海馬不同部位側別間差異性海馬頭部、體部(體1區(qū)、體2區(qū))、尾部代謝物濃度比NAA/Cr、Cho/ Cr差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。見表4。

表2 3組海馬同一區(qū)域NAA/Cr水平比較±s

表2 3組海馬同一區(qū)域NAA/Cr水平比較±s

注:與青年組比較，*P＜0.05;與中年組比較，#P＜0.05

組別海馬頭海馬體1海馬體2海馬尾NAA/CrCho/Cr青年組(n=41) NAA/CrCho/Cr NAA/CrCho/Cr NAA/CrCho/Cr 1.54±0.491.14±0.481.58±0.581.29±0.431.45±0.371.04±0.281.28±0.311.08±0.34右1.35±0.401.10±0.421.51±0.371.22±0.231.42±0.411.04±0.321.28±0.401.00±0.35中年組(n=40)左1.43±0.491.36±0.511.41±0.641.32±0.611.37±0.441.06±0.42.12±0.261.10±0.33右1.30±0.421.15±0.441.43±0.411.13±0.281.45±0.421.04±0.331.17±0.280.99±0.36老年組(n=40)左1.10±0.40*#1.30±0.541.30±0.55*1.19±0.361.21±0.32*1.12±0.401.11±0.40*1.01±0.33右1.04±0.42*#1.21±0.331.29±0.27*1.17±0.341.29±0.271.17±0.341.21±0.321.1左4±0.28

表3 海馬不同部位性別間差異性結果±s

表3 海馬不同部位性別間差異性結果±s

項目海馬體1海馬頭男海馬體2女P值男女P值男女P值海馬尾男女P值NAA/Cr右1.33±0.501.28±0.420.5551.36±0.331.45±0.390.1791.33±0.401.45±0.380.1371.18±0.311.25±0.390.327左1.17±0.461.29±0.390.1401.45±0.651.46±0.590.9591.32±0.371.36±0.390.1661.18±0.351.17±0.370.514 Cho/Cr右1.27±0.501.26±0.530.5301.18±0.281.16±0.280.9741.03±0.361.14±0.390.5561.05±0.351.03±0.320.157左1.13±0.421.14±0.400.805(1.16，0.58)1.20，0.530.6691.06±0.351.07±0.350.8261.08±0.341.03±0.370.102

表4 海馬不同部位側別間差異性結果±s

表4 海馬不同部位側別間差異性結果±s

項目左右t值P值海馬頭NAA/Cr1.24±0.431.31±0.461.3580.177 Cho/Cr1.26±0.511.15±0.40-1.9560.053海馬體1區(qū)NAA/Cr1.45±0.621.41±0.36-0.7720.442 Cho/Cr1.24±0.501.17±0.29-1.3440.182海馬體2區(qū)NAA/Cr1.34±0.391.41±0.440.9150.167 Cho/Cr1.08±0.371.10±0.400.2840.637海馬尾NAA/Cr1.18±0.371.28±0.501.9640.052 Cho/Cr1.08±0.391.08±0.410.0020.999

3 討論

MRS是目前惟一可無創(chuàng)傷地探測活體組織內代謝物質濃度及其比值變化的化學特性方法［7］。由于在許多疾病中，代謝改變先于病理形態(tài)，只要存在神經(jīng)元缺失和功能異常都可導致MRS的相應波峰及峰值下面積發(fā)生改變，MRS對代謝物質變化改變的敏感度明顯高于MRI［8］，因此可以早期檢測到病變，并監(jiān)測疾病的發(fā)展變化［9］。

MRS是利用磁共振化學位移現(xiàn)象來測定組成物質中分子成分的一種檢測方法。目前，應用在醫(yī)學領域波譜研究的原子核有很多，例如31P、1H、23Na、13C、7Li等，如今在臨床和科研中尤以氫質子(1H)波譜技術最為常用［10］。由于1H在不同化合物中的磁共振頻率不同，以致它們在MRS的譜線中共振峰的位置不同，從而可以分辨出不同化合物，與此同時共振峰的面積反映了化合物的濃度，因此可以對不同化合物進行定量分析。

NAA主要存在于神經(jīng)元內，其濃度與神經(jīng)元的成熟和數(shù)量有關，老化過程中大腦存在神經(jīng)細胞的凋亡，而其根本原因是由于神經(jīng)元的破壞，神經(jīng)元數(shù)量的減少，因此海馬的老化表現(xiàn)在MRS上即為NAA值的降低。過去研究表明:當步入老年以后細胞膜崩解、破壞加重，NAA濃度與比值NAA/Cr降低，此變化基本發(fā)生在≥50歲階段［11］。然本次研究結果顯示:雙側海馬頭部NAA/Cr值在老年組發(fā)生明顯減低，青年組與中年組相比未見明顯變化;雙側海馬體1區(qū)、左側海馬體2區(qū)、左側海馬尾NAA/Cr值僅在老年組與青年組間差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05);3組右側海馬體2區(qū)、右側海馬尾NAA/Cr值差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05);雙側海馬頭、體(體1區(qū)、體2區(qū))、尾部Cho/Cr在青、中、老年組差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。以上結論與以往國內關于整體海馬MRS的研究報道［11，12］僅部分相符。筆者猜想導致這些差異性結果的原因可能是由于入選標準(大小、年齡、病史)，感興趣區(qū)域的選取，數(shù)據(jù)采集(磁場強度、單體素和多體素的研究中，譜序列，重復時間、回波時間)和數(shù)據(jù)處理(相對定量、絕對定量、半定量校正因子)等的不同所致。本實驗結果也提示我們:雙側海馬不同部位代謝物變化在正常腦老化過程中存在差異性，這也讓我們在今后研究中可以更精準的提早發(fā)現(xiàn)并診斷病變。由于在老化過程中對海馬不同部位進行MRS研究本次實屬國內首次報道，對于以上猜測尚待進一步研究。

過去蔣莉君等［13］通過應用單體素研究雙側海馬MRS僅發(fā)現(xiàn)左側NAA/Cr較右側高，同時Watanabe等［14］研究結果發(fā)現(xiàn)海馬區(qū)NAA/Cr未見側別差異性，以上研究結果均與我們得出的結論不相符合。分析這種差異性的原因可能是:(1)人群受教育程度的不同; (2)人群從事工作性質可能不同;(3)人群各年齡組中人數(shù)的分配的差異;(4)掃描參數(shù)(TE、TR、FOV、體素等)、掃描方式(單體素、多體素)、掃描機型的不同等。

目前普遍認為，性別對人腦功能和代謝影響有關的潛在因素是性激素對于腦的發(fā)育所起的作用，最近在基礎研究和臨床調查中發(fā)現(xiàn)，隨著年齡變化的雄激素下降可能是導致學習記憶障礙的危險因素，Rosario等［15］通過雄激素替代治療后，發(fā)現(xiàn)認知功能得到不同程度的改善，從側面也證實雄激素對認知功能有很重要作用。Hatanaka等［16］通過實驗發(fā)現(xiàn)，在人工腦脊液培養(yǎng)的成年雄性大鼠海馬薄片中給予雙氫睪酮或者睪酮，將熒光黃注入海馬神經(jīng)元后用激光共聚焦顯微鏡觀察，在2 h時發(fā)現(xiàn)雙氫睪酮或者睪酮快速促進了大鼠海馬CA3區(qū)樹突棘增加，這也證明雄激素對海馬神經(jīng)元有促進作用，綜上所述，因此人們很自然認為男性海馬區(qū)代謝物NAA濃度應高于女性，導致NAA/Cr比值高于女性，但筆者認為Rosario等［15，16］片面性的忽視了其他激素的作用，如雌激素的神經(jīng)保護作用，過去國外科學家們通過對更年期女性采用雌激素療法的方法，發(fā)現(xiàn)了雌激素對神經(jīng)的保護作用。本次研究結果顯示雙側海馬代謝物比值間均不存在性別差異性，與過去關于海馬的MRS研究結果［17-19］一致。所以本作者猜測海馬區(qū)各部位代謝物濃度比值受性別影響不大。

總之，本次研究通過對海馬不同區(qū)域分別進行MRS研究，得到了海馬不同部位代謝物質的基礎數(shù)據(jù)及變化規(guī)律，并為海馬相關疾病的診斷及研究提供了重要臨床依據(jù)。但受各種條件的限制，尚有許多不足之處。(1)在試驗設計方面，選擇了橫向研究方法，這種設計對研究個體和群體間的差異比較敏感，相信通過縱向研究會獲得更多有價值的信息。(2)教育程度的差異，年輕志愿者以相對高學歷者居多，平均受教育程度明顯高于中老年人，本次研究未將受教育程度因素考慮在內，可能對實驗結果存在一定影響。(3)在研究正常老化過程中的實驗對象是招募的健康志愿者及體檢者，其健康情況一般是通過調查問卷形式獲得，無法排除存在影響腦萎縮的無明顯癥狀的疾病，如隱匿的血管疾病、未被發(fā)現(xiàn)的高血壓、糖尿病等。(4) MRS易受脂肪及腦脊液的干擾會對影像數(shù)據(jù)可靠性產生影響，雖然已盡量避開腦脊液及脂肪，但仍會有極少部分腦脊液處于感興趣內。

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Study on the metabolic changes in hippocampal head，body and tail during normal brain aging by means of 1H-MRS

technique

CHANG Ruiting，GENG Zuojun，ZHU Qingfeng，et al．Department of Radiology，The Second Hospital of Hebei

Medical University，Shijiazhuang 050000，China

ObjectiveTo investigate the regulation of material metabolism changes in different regions of bilateral hippocampus during normal brain aging through proton magnetic resonance spectroscopy(1H-MRS)technique.Methods One hundred and twenty-one right handedness healthy volunteers were enrolled in the study，according to their age who were divided into youth group(age range:20～44yr，n=47)，middle-aged group(age range:45～59yr，n=40)，older age group (age range:60～79yr，n=40)，all the volunteers were examined by MRI and MRS，the concentration ratio of metabolite in different regions of bilateral hippocampus(NAA/Cr and Cho/Cr)was automatically measured.The differences of the parameters in different sex，different side and different age groups were statistically analyzed.ResultsThere was a significant difference in the concentration ratio of NAA/Cr in bilateral hippocampal head between older age group and youth group and between older age group and middle age group(P＜0.05).There was a significant difference in the concentration ratio of NAA/Cr in bilateral hippocampal body-region 1，left hippocampal body-region 2 and left hippocampal body tail between older age group and youth group(P＜0.05)，however，there was no significant difference in the ratio of Cho/Cr in hippocampal head，body(region 1 and region 2)and tail among the three groups(P＞0.05).There was no significant difference in the ratio of NAA/Cr，Cho/Cr in different regions of bilateral hippocampus(P＞0.05).There was no significant difference in the ratio of NAA/Cr，Cho/Cr in hippocampal head，body(region 1 and region 2)and tail among the three groups(P＞0.05). ConclusionThere is significant difference in the ratio of NAA/Cr in different regions of bilateral hippocampus among different age groups，howevere，there is no significant difference in the ratio of NAA/Cr.Moreover there is no significant difference in ratio of NAA/Cr，Cho/Cr in different regions of bilateral hippocampus between males and females and between left side and right side.

proton magnetic resonance spectroscopy;hippocampus;brain aging;material metabolism

R 329.485.2

A

1002-7386(2015)02-0170-04

2014-08-27)

10．3969/j．issn．1002－7386．2015．02．002

050000石家莊市，河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院醫(yī)學影像科

耿左軍，050000河北醫(yī)科大學第二醫(yī)院醫(yī)學影像科; E-mail:1980756261@qq.com