個(gè)體大腦枕葉GABA+分布差異性及原因探究

溫林飛 廖聰裕 陳 蒙 朱大榮 陳松* 鐘健暉

1(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院 腦影像科學(xué)技術(shù)中心，杭州 310027)2(杭州市第一人民醫(yī)院，杭州 310006)

個(gè)體大腦枕葉GABA+分布差異性及原因探究

溫林飛1廖聰裕1陳 蒙1朱大榮2陳松1*鐘健暉1

1(浙江大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院 腦影像科學(xué)技術(shù)中心，杭州 310027)2(杭州市第一人民醫(yī)院，杭州 310006)

抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸(GABA)是腦神經(jīng)領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的代謝物，但其在大腦中含量很低，與其他代謝物在化學(xué)位移上重疊而不易檢測(cè)。磁共振波譜序列(MEGA-PRESS)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大腦中單體素感興趣區(qū)域(VOI)GABA的檢測(cè)，促進(jìn)了對(duì)GABA的相關(guān)研究。對(duì)一組被試進(jìn)行多次掃描，同一區(qū)域相同大小的VOI內(nèi)(約20～30 mm3)所包含的灰質(zhì)(GM)比例很難保持完全一致。而GM是皮層主要成分，有解剖、切片染色等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大腦皮層中GABA含量更高，然而多數(shù)基于單體素VOI的研究并未進(jìn)一步考慮VOI中GM占比對(duì)結(jié)果分析的影響。通過(guò)掃描14名健康被試(7男7女)，在高分辨率T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像上重現(xiàn)VOI對(duì)應(yīng)區(qū)域，并計(jì)算其內(nèi)GM等占比。個(gè)體重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，枕葉VOI內(nèi)GABA+均值與GM占比均值呈正相關(guān)(r=0.74，P<0.01)，且二者的波動(dòng)具有一致性。該結(jié)果表明，在進(jìn)行GABA相關(guān)的病理或功能研究時(shí)，需要考慮單體素內(nèi)GM占比的影響，以進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析準(zhǔn)確度。

γ-氨基丁酸；枕葉；灰質(zhì)；正相關(guān)性

2(HangzhouFirstPeople′sHospital,Hangzhou310006,China)

引言

磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy, MRS)作為一種無(wú)創(chuàng)的檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了醫(yī)學(xué)影像從傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)檢查向在體的生化代謝研究的飛躍[1]，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多種臨床疾病的輔助診斷中。部分大腦生理代謝物往往由于濃度過(guò)低，導(dǎo)致信號(hào)被其他物質(zhì)淹沒(méi)而難以檢測(cè)[2]，如大腦中樞神經(jīng)系統(tǒng)中極為重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)。GABA在大腦中的濃度分布為0.5～1.4 mM[3]，是其他代謝物濃度的數(shù)十分之一。

GABA能神經(jīng)元約占人體神經(jīng)元總量的25%～30%[4]，在控制興奮電位傳導(dǎo)中擔(dān)當(dāng)極重要的角色。無(wú)論是生理機(jī)能正常表達(dá)，還是部分神經(jīng)或精神類功能異常都與之密切相關(guān)[5]，因而GABA一直是神經(jīng)類或精神類疾病領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的代謝物。GABA能神經(jīng)元在大腦中的分布情況亦被廣為關(guān)注，早在1987年就有人發(fā)現(xiàn)大腦皮層中GABA含量豐富[6]，其他尸檢實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)大腦皮層和海馬中富含GABA能神經(jīng)元[7-8]。

單體素波譜序列[9](MEscher-GArwood point RESolved spectroscopy, MEGA-PRESS)使得活體無(wú)創(chuàng)檢測(cè)GABA變得簡(jiǎn)單易行，有效促進(jìn)了眾多課題組對(duì)活體大腦GABA相關(guān)研究的開(kāi)展[10-12]。由于大腦中GABA含量非常低，需要使用大容積的單體素感興趣區(qū)域(voxel of interest, VOI)(約27 mm3)以提高波譜信號(hào)的信噪比。然而，大容積的VOI中包含灰質(zhì)(grey matter, GM)、白質(zhì)(white matter, WM)和腦脊液(cerebro-spinal fluid, CSF)等多種成分。GM是大腦皮層的主要成分，在解剖、切片染色等實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大腦皮層中GABA含量更高[7]；因而實(shí)驗(yàn)中，若GM在VOI中的占比不同，則極有可能影響實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。多數(shù)研究中對(duì)于20～30 mm3的單體素，結(jié)果分析均直接使用其GABA測(cè)量值，并未進(jìn)一步考慮GM占比的影響[10,12-14]。本研究以健康人為例，通過(guò)重現(xiàn)掃描VOI并計(jì)算出其內(nèi)GM等占比的方法，探索枕葉GM占比對(duì)GABA檢測(cè)的影響。

圖1 波譜掃描曲線及VOI的三正交方位。(a) 自上往下依次為選擇編輯、無(wú)選擇編輯及差譜曲線；(b) 自上往下分別為單體素VOI在矢狀位、冠狀位及橫斷位的投影Fig.1 Location of MRS scan and the spectra of the VOI. (a) From up to bottom: edit on, edit off and difference spectra; (b) From up to bottom: projection of the VOI in sagittal, coronal and transverse plane

1 對(duì)象和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

實(shí)驗(yàn)招募15名健康被試，其中1名男性志愿者因頭動(dòng)嚴(yán)重，無(wú)法配合掃描而被剔除數(shù)據(jù)，剩余14名志愿者數(shù)據(jù)。被試在掃描實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前均簽署安全知情授權(quán)協(xié)議，并進(jìn)行安全事項(xiàng)及掃描過(guò)程注意事項(xiàng)培訓(xùn)。志愿者年齡、性別均無(wú)顯著差異(7名男性，平均年齡(26±5)歲；7名女性，平均年齡(25±4)歲。所有被試均無(wú)家族精神類或神經(jīng)類病史，實(shí)驗(yàn)前12 h內(nèi)禁止服用刺激神經(jīng)類物品。被試每隔1～2周進(jìn)行一次掃描，重復(fù)掃描至少2次以上。數(shù)據(jù)分析時(shí)，統(tǒng)一使用2次采集結(jié)果；多于2次掃描者，選取水信號(hào)半峰高寬較小的數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)包括MRI定位結(jié)構(gòu)像和單體素MRS信號(hào)。掃描實(shí)驗(yàn)在杭州市第一人民醫(yī)院3TVerio(Siemens AG, Erlangen, 德國(guó))上完成，掃描使用32通道頭部線圈。

MRI定位結(jié)構(gòu)像采用T1加權(quán)磁化矢量準(zhǔn)備梯度序列(MPRAGE)，掃描參數(shù)為：反轉(zhuǎn)時(shí)間(time inversion, TI)為900 ms，重復(fù)間隔(time repetition, TR)為1 700 ms，回波時(shí)間(echo time, TE)為2.99 ms，采集視野(field of view, FOV)為192 mm×220 mm，翻轉(zhuǎn)角(flip angle, FA)為9°，體素分辨率為1.1 mm×0.9 mm×0.9 mm，掃描取向?yàn)闄M斷面胼胝體前后聯(lián)合。

獲取MRS信號(hào)時(shí)，MEGA-PRESS序列選擇性脈沖中心交替對(duì)應(yīng)于1.9×10-6(edit on)和7.5×10-6(edit off)。本研究中，波譜掃描參數(shù)為：重復(fù)間隔為1.5 s，回波時(shí)間為68 ms，選擇性脈沖帶寬為46 Hz，重復(fù)掃描256次，并使用頻帶寬度為50 Hz的選擇性飽和脈沖(chemical shift selective suppression, CHESS)抑制水信號(hào)干擾。掃描定位于枕葉區(qū)域(occipital lobe, OCC)，單體素VOI及相應(yīng)的edit on、edit off和差譜曲線如圖1所示，VOI大小為30 mm×30 mm×30 mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理

波譜掃描的單體素較大，其內(nèi)包含GM、WM和CSF等多種成分。該單體素測(cè)量的GABA只有一個(gè)值，因而不考慮各種成分可能造成的影響。為了得到更準(zhǔn)確的分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)通過(guò)后處理運(yùn)算在定位結(jié)構(gòu)像上恢復(fù)出該VOI，并計(jì)算出其內(nèi)各種成分的容積。實(shí)驗(yàn)分析時(shí)，使用不同成分的容積在VOI中所占的比例作為分析參數(shù)。志愿者定位結(jié)構(gòu)像的分割采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)分割的VBM8工具包[14]，并在Recreation軟件包[16]核心算法基礎(chǔ)上做改進(jìn)，重現(xiàn)Siemens機(jī)器DICOM數(shù)據(jù)的VOI區(qū)域并計(jì)算出其內(nèi)不同成分容積的占比。

波譜信號(hào)相位校正等處理使用Gannet軟件[17]。由于實(shí)驗(yàn)并未抑制3.0×10-6處大分子代謝物(macromolecular metabolites, MM)的信號(hào)，因此GABA信號(hào)實(shí)際是二者的混合信號(hào)，記為GABA+，其信號(hào)如圖1左圖中差譜曲線3.0×10-6處所示。

2 結(jié)果

2.1 VOI重現(xiàn)及GM占比計(jì)算結(jié)果

在T1加權(quán)定位結(jié)構(gòu)像上重現(xiàn)波譜掃描VOI，結(jié)合VBM8分割該定位結(jié)構(gòu)像生成的GM、WM分布圖等，計(jì)算出VOI內(nèi)GM、WM等占比。圖2以定位結(jié)構(gòu)像的中心層為例，分別從矢狀面、冠狀面、橫斷面等3個(gè)方向，呈現(xiàn)了VOI內(nèi)GM、WM的分布情況，并對(duì)重現(xiàn)的VOI進(jìn)行白色高亮標(biāo)記。由于掃描時(shí)使用的定位圖是T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像的三方向低分辨插值重建，與T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像相比，存在細(xì)節(jié)差異。由圖2可見(jiàn)，白色高亮區(qū)域準(zhǔn)確恢復(fù)出波譜掃描VOI。VOI內(nèi)GM、WM分布情況如圖3所示。

2.2 GABA+含量與GM占比關(guān)聯(lián)分析

VOI內(nèi)GABA+相對(duì)含量、GM占比見(jiàn)圖3(a)，圖3(b)為WM對(duì)應(yīng)參數(shù)。明顯可見(jiàn)GM占比均值折線圖與GABA+均值折線圖走勢(shì)相似度極高，皮爾遜相關(guān)分析驗(yàn)證二者有很強(qiáng)的相關(guān)性(r=0.74，P<0.01)。對(duì)于相同個(gè)體重復(fù)實(shí)驗(yàn)，VOI內(nèi)GM占比出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)(誤差線值的范圍較大)，GABA+也有較大變化，如#5、#7、#14被試；而GM占比較為穩(wěn)定時(shí)，GABA+的變動(dòng)也較小，如#2、#6、#8、#9、#10、#11被試等，即個(gè)體重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，二者的波動(dòng)具有一致性。

由于VOI內(nèi)CSF占比范圍較小(9%～16%)，主要成分仍為GM和WM，因而GM和WM之間負(fù)相關(guān)性極強(qiáng)(二者之和約為1，r=-0.83，P=0.000 3)。圖3(b)中，GABA+均值與WM均值的負(fù)相關(guān)性(r=-0.61，P=0.02)亦反向驗(yàn)證了GABA+均值與GM均值的正相關(guān)性。對(duì)于相同個(gè)體的2次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，WM對(duì)應(yīng)的方差與GABA+對(duì)應(yīng)的方差的變化趨勢(shì)并不一致，隨機(jī)性很強(qiáng)。

圖2 重現(xiàn)的VOI在三正交方向中心層相交情況(上:矢狀面，中：冠狀面，下：橫斷面)。(a)VOI中GM分布;(b)VOI中WM分布;(c)高亮區(qū)域從不同角度(3種正交定位像)呈現(xiàn)單體素VOIFig.2 Demonstration of the reconstructed results of the middle slices in the three orthotropic direction(Up: sagital plane, middle: coronal plane, bottom: transverse plane). (a) GM distribution in VOI; (b) WM distribution in VOI; (c) The highlight part: intersection region of the recreated VOI and the three orthotropic reference images

圖3 14名被試枕葉VOI結(jié)果分析。(a) GM占比和GABA+；(b) WM占比和GABA+Fig.3 The analysis results of the VOI from all 14 volunteers.(a) GM ratio and GABA+ results; (b) WM ratio and GABA+ results

3 討論

GABA在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，因而一直倍受神經(jīng)學(xué)專家關(guān)注，尸檢實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)精神分裂癥和抑郁癥等患者的大腦中GABA含量有所降低[7]。MEGA-PRESS技術(shù)能實(shí)現(xiàn)活體大腦GABA的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)，但其測(cè)量VOI較大，VOI內(nèi)GM占比也不同。GM較多時(shí)，所包含的GABA總量勢(shì)必較多；反之則GABA含量相對(duì)減少。因而單體素實(shí)驗(yàn)的體素容積較大時(shí)，需要消除VOI中GM占比的影響。

Recreation軟件包[16]具有重現(xiàn)VOI并計(jì)算出其內(nèi)GM、WM等成分占比的功能，但分割GM、WM等采用基于灰度閾值的分割方法。通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)方式，選取代表GM、WM、CSF的小區(qū)域，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)各成分的灰度特征，得出GM和WM、WM和CSF之間的灰度分割閾值，并將這個(gè)小代表區(qū)域的成分灰度分割值用于整張圖的分割。該分割方法的分割條件參數(shù)過(guò)于簡(jiǎn)單，而且受所選取的代表性區(qū)域的影響較大，造成分割結(jié)果準(zhǔn)確度和可重復(fù)性低。本研究對(duì)該軟件的分割方法進(jìn)行改進(jìn)，采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行分割的形態(tài)學(xué)分割軟件VBM8。該軟件在進(jìn)行圖像分割時(shí)，考慮體素內(nèi)的部分容積效應(yīng)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)像的每個(gè)體素內(nèi)都包含不同比例的多種成分，基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理計(jì)算出每個(gè)體素內(nèi)不同成分占比權(quán)重，分割精確度和可重復(fù)性大大提高[15]。結(jié)合VBM8的分割結(jié)果和Recreation軟件包的VOI重現(xiàn)核心算法，重現(xiàn)出VOI內(nèi)每個(gè)體素中GM、WM的占比權(quán)重分布圖，該占比權(quán)重之和與體素總數(shù)的比值即為某成分在VOI中的占比，分割結(jié)果和重現(xiàn)VOI如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)通過(guò)后處理運(yùn)算，在高分辨率T1加權(quán)定位結(jié)構(gòu)像上重現(xiàn)VOI，計(jì)算出其內(nèi)GM占比。分析重復(fù)實(shí)驗(yàn)VOI內(nèi)GABA+均值與GM占比均值間的關(guān)系，結(jié)果表明，枕葉GABA+分布具有弱個(gè)體差異性，且這種差異性與該區(qū)域內(nèi)GM容積正相關(guān)。該結(jié)論與其他研究[10]具有一致性，主要由于GABA能神經(jīng)元多分布于大腦皮層中，GM是大腦GABA的主要分布區(qū)域。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用MEGA-PRESS序列進(jìn)行大腦的GABA相關(guān)研究時(shí)，受目前技術(shù)條件限制，在空間分辨率有限的情況下，需要對(duì)VOI進(jìn)行灰質(zhì)、白質(zhì)分割，以消除其內(nèi)灰質(zhì)占比對(duì)研究分析的影響。研究實(shí)驗(yàn)的VOI定位盡可能在同一區(qū)域，以減小VOI內(nèi)灰質(zhì)占比的差異范圍。重復(fù)實(shí)驗(yàn)采用同樣的參數(shù)，在此前提下，使用本研究所提出的方法，用VBM對(duì)高分辨率定位像進(jìn)行分割，求出VOI內(nèi)灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液的成分占比，使用該占比計(jì)算出單位灰質(zhì)內(nèi)GABA的相對(duì)含量，繼而再將結(jié)果用于研究模型分析中，如精神病、癲癇或抑郁癥等，使得分析結(jié)果更準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，枕葉VOI中GM占比均值與GABA+均值之間有很強(qiáng)的正相關(guān)性。群體實(shí)驗(yàn)掃描時(shí)，VOI內(nèi)GM容積存在一定的波動(dòng)范圍，其內(nèi)GABA+含量也隨之正相關(guān)性地變動(dòng)。提示研究者用磁共振波譜技術(shù)做GABA相關(guān)功能或者病理研究時(shí)，VOI的空間分辨率及其內(nèi)GM的容積對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析有較大影響。

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Exploring Individual GABA+ Distribution Differences and Causes in OCC in Brain

Wen Linfei1Liao Congyu1Chen Meng1Zhu Darong2Chen Song1*Zhong JianHui1

1(CenterforBrainImagingScienceandTechnology,DepartmentofBiomedicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

γ-aminobutyric acid; occipital lobe; grey matter; positive correlation

10.3969/j.issn.0258-8021. 2016. 05.015

2015-11-07， 錄用日期:2016-04-27

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2013QNA5004)

R445.2; Q983+.5

D

0258-8021(2016) 05-0616-05

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:chens@zju.edu.cn