靜息態(tài)功能MRI評價輕度認(rèn)知障礙背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)功能連接變化

劉民英，段剛

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靜息態(tài)功能MRI評價輕度認(rèn)知障礙背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)功能連接變化

劉民英，段剛*

南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像系，廣東廣州 510515；

阿爾茨海默?。ˋD）和輕度認(rèn)知障礙（MCI）患者存在視覺功能異常，并可能與其他因素共同導(dǎo)致患者認(rèn)知功能下降。本研究探討MCI患者背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)功能連接的變化。本研究中所有受試者數(shù)據(jù)均來自阿爾茨海默病神經(jīng)影像計劃（ADNI）公共數(shù)據(jù)庫，包括87例MCI患者以及44例健康老年志愿者。首先采用激活似然估計法（ALE）定位背側(cè)流視覺皮層坐標(biāo)位置，而后根據(jù)獲得的坐標(biāo)定義皮層感興趣區(qū)（ROI）。利用上述受試者的靜息態(tài)功能磁共振成像計算并比較MCI患者每對ROI之間靜息態(tài)功能連接（RSFC）的變化情況。與對照組相比，晚期MCI組患者背側(cè)流視覺皮層存在RSFC異常升高的情況，包括右側(cè)梭狀回-右側(cè)中央后回和右側(cè)梭狀回-左側(cè)中央后回，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（<0.001）。MCI患者背側(cè)流視覺皮層網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部功能連接存在異常，從而為解釋認(rèn)知障礙狀態(tài)下高級視覺功能方面的損害提供神經(jīng)生理學(xué)依據(jù)。

認(rèn)知障礙；磁共振成像；休息；圖像處理，計算機輔助；神經(jīng)網(wǎng)；視覺；老年人

阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）患者在執(zhí)行運動和空間識別任務(wù)時，背側(cè)流功能腦區(qū)活動異常[1-2]。既往研究進一步表明，AD以及輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）患者存在背側(cè)流視覺腦區(qū)的連接異常[3-4]。而視覺感知功能缺陷與生活能力下降、認(rèn)知功能障礙相關(guān)[5-6]。上述研究表明，背側(cè)流視覺功能及網(wǎng)絡(luò)連接障礙對AD和MCI患者認(rèn)知功能下降具有重要作用。因此，充分認(rèn)識背側(cè)流視覺功能障礙及其機制將對了解AD相關(guān)疾病的發(fā)病和干預(yù)具有重要意義。

然而，目前對AD或MCI患者背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)的研究尚不充分，其主要原因為背側(cè)流視覺功能涉及多種類別，如自體空間位置識別、運動識別等。因而在某一項研究中無法通過單一的任務(wù)刺激同時獲得全面的背側(cè)流視覺皮層定位。盡管可以通過多次實驗結(jié)果基本確定背側(cè)流的功能腦區(qū)，但由于既往功能MRI研究采用的任務(wù)模式、掃描參數(shù)等條件不一致，導(dǎo)致背側(cè)流視覺皮層解剖定位存在不確定性，因而無法通過一項或若干既往研究結(jié)果定位背側(cè)流視覺皮層。本課題組利用激活似然估計法（activation likelihood estimation，ALE）繪制背側(cè)流視覺圖譜[7-8]，這一方法將激活腦區(qū)的坐標(biāo)作為空間位置的分布概率，通過將大量研究中收集到的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化成空間分布概率，再進一步通過計算并施加閾值，最終獲得相關(guān)腦區(qū)激活的全腦概率圖譜[7]。ALE分析結(jié)果得到的激活腦區(qū)較單個神經(jīng)影像研究結(jié)果更為客觀，代表性更強，并具有廣泛的應(yīng)用價值。本研究擬從腦功能連接的層面揭示認(rèn)知障礙患者背側(cè)流視覺皮層存在的損害和異常。

1 資料與方法

1.1 研究對象 本研究中所有受試者數(shù)據(jù)均來自阿爾茨海默病神經(jīng)影像計劃（Alzheimer’s disease neuroimaging initiative，ADNI）公共數(shù)據(jù)庫，共納入2010年5月—2015年8月87例MCI患者及44例健康老年志愿者。上述受試者分為早期MCI（early mild cognitive impairment，EMCI）組52例、晚期MCI（late mild cognitive impairment，LMCI）組35例及對照組44例。各組人口學(xué)及神經(jīng)心理統(tǒng)計見表1。

1.2 儀器與方法 采用Philips 3T MR掃描儀。靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）采用平面回波序列，掃描參數(shù)：TR 3000 ms，TE 30 ms，層厚3.3 mm，翻轉(zhuǎn)角80°，視野212 mm，體素大小3.3 mm×3.3 mm×3.3 mm，共140個時間容積圖像。高分辨率結(jié)構(gòu)像使用磁化預(yù)備快速采集梯度回波序列，掃描參數(shù)：TR 6.8 ms，TE 3.1 ms，翻轉(zhuǎn)角9°，視野256 mm，體素大小1.2 mm×1.0 mm×1.0 mm。

1.3 圖像預(yù)處理 rs-fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理使用SPM8（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）軟件包，具體包括以下步驟。時間校正；頭動校正（頭動位移>2 mm或轉(zhuǎn)動>2°的受試者予以剔除）；圖像配準(zhǔn)采用DARTEL工具包進行，將每位受試者原始空間的高分辨率結(jié)構(gòu)像圖像變換到標(biāo)準(zhǔn)MNI模板，隨后將生成的變換矩陣應(yīng)用到rs-fMRI圖像；對配準(zhǔn)后的rs-fMRI圖像進行平滑，平滑核8 mm半高全寬高；去線性漂移；低通濾波（0.01 Hz

1.4 背側(cè)流視覺皮層的定位及功能連接計算 本研究采用ALE方法對背側(cè)流視覺皮層坐標(biāo)進行定位[7]。其基本原理為在已發(fā)表的fMRI文獻中搜集背側(cè)流視覺皮層激活峰值坐標(biāo)，并計算坐標(biāo)空間分布概率，從而最終獲得激活的最大概率點[9]。然后將所獲得的背側(cè)流視覺皮層激活區(qū)坐標(biāo)（MNI空間）作為中心位置，制作半徑為5 mm的球形感興趣區(qū)（ROI），并基于經(jīng)過預(yù)處理后的rs-fMRI圖像進一步提取每個球形ROI的rs-fMRI時間序列。最后，計算每對ROI時間序列之間的相關(guān)系數(shù)，即作為每對ROI之間的靜息態(tài)功能連接（resting-state functional connectivity，RSFC）。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 16.0軟件，3組受試者年齡、受教育程度、簡易精神狀態(tài)檢查（mini-mental state examination，MMSE）得分比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較使用Bonferonni法進行多重比較。性別比較采用2檢驗。采用協(xié)方差分析比較25個背側(cè)流視覺皮層ROI的RSFC值的組間差異，將年齡、性別、受教育程度作為協(xié)變量以剔除其影響。為校正統(tǒng)計次數(shù)造成結(jié)果的假陽性，檢驗水準(zhǔn)設(shè)定為=0.001。組間兩兩比較使用Bonferonni法，<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 人口學(xué)資料和神經(jīng)心理學(xué)測評結(jié)果 EMCI組、LMCI組及對照組間年齡、性別、受教育程度等比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（>0.05）。3組間MMSE評分差異有統(tǒng)計學(xué)意義（<0.01）。3組間受試者神經(jīng)心理學(xué)量表評分見表1。

表1 各組受試者人口學(xué)資料及神經(jīng)心理學(xué)量表評分比較

2.2 ALE分析結(jié)果 通過ALE分析共獲得25個與背側(cè)流視覺功能顯著相關(guān)的區(qū)域（<0.01，F(xiàn)WE校正），主要分布于雙側(cè)枕葉、頂葉皮層。見圖1、表2。

圖1 ALE分析結(jié)果示背側(cè)流視覺皮層所涉及皮層區(qū)域。藍(lán)色區(qū)域表示激活存在顯著意義的腦區(qū)（P<0.01，F(xiàn)WE校正）

2.3 MCI患者背側(cè)流視覺皮層功能連接變化 本研究獲得各組受試者背側(cè)視覺網(wǎng)絡(luò)各ROI間RSFC值（圖2）。與對照組相比，LMCI組背側(cè)流視覺皮層存在RSFC值異常升高的情況，包括右側(cè)梭狀回-右側(cè)中央后回和右側(cè)梭狀回-左側(cè)中央后回，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（<0.001）。多重比較結(jié)果示，LMCI組上述2對腦區(qū)RSFC值均較對照組和EMCI組升高，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（<0.05）；對照組與EMCI組比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（>0.05），見圖3。

表2 背側(cè)流視覺皮層感興趣區(qū)坐標(biāo)

圖2 各組RSFC結(jié)果。A、B、C分別為對照組、EMCI組、LMCI組，紅色方框示LMCI患者右側(cè)梭狀回-右側(cè)中央后回、右側(cè)梭狀回-左側(cè)中央后回間功能連接較EMCI患者及對照組顯著升高

圖3 EMCI組、LMCI組患者及對照組不同腦區(qū)RSFC比較

3 討論

本研究基于RSFC分析及ALE的方法，測量并比較MCI患者背側(cè)流視覺皮層網(wǎng)絡(luò)的功能連接情況。研究發(fā)現(xiàn)，MCI患者多處背側(cè)流皮層存在功能連接異常，包括右側(cè)梭狀回及雙側(cè)中央后回，為解釋認(rèn)知障礙狀態(tài)下高級視覺功能方面的損害提供了神經(jīng)生理學(xué)依據(jù)。

背側(cè)流視覺皮層在人腦中負(fù)責(zé)處理運動、空間等視覺感知信息[10]。既往研究發(fā)現(xiàn)，老年癡呆患者存在背側(cè)流視覺皮層“選擇性受損”，即與腹側(cè)流視覺皮層相比，背側(cè)流視覺皮層更容易受到AD病理過程的影響而表現(xiàn)出異常[1]。因此，本研究將背側(cè)流視覺皮層網(wǎng)絡(luò)作為研究焦點進行分析。本研究發(fā)現(xiàn)，僅在LMCI個體表現(xiàn)出背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)的異常變化，而在EMCI患者中則并不顯著，提示背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)的改變在MCI患者中可能是一個長期的過程，與疾病的嚴(yán)重程度一致，而不是疾病的早期變化。

既往研究發(fā)現(xiàn)，中央后回在動作識別與執(zhí)行相關(guān)任務(wù)下存在激活的情況，因而被視作運動視覺信息處理的關(guān)鍵腦區(qū)之一[11]；而右側(cè)梭狀回是負(fù)責(zé)物體、人臉識別的經(jīng)典腦區(qū)[12]。然而，越來越多的研究表明，梭狀回在背側(cè)流的運動識別功能中起到重要作用[13]；甚至參與運動計劃、提取等功能中[14-16]。另外，Kravitz等[17]指出，背側(cè)流與腹側(cè)流功能腦區(qū)（尤其是顳葉腦區(qū)）存在功能連接。以上研究結(jié)果均能夠反映梭狀回在視覺背側(cè)流中的作用。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，右側(cè)梭狀回與雙側(cè)中央后回連接異?？赡芊从矻MCI患者從物體識別到物體運動狀態(tài)判斷相應(yīng)腦回路之間存在異常變化。此外，既往研究發(fā)現(xiàn)在MCI患者中存在中央后回皮層的異常激活，并被視作一種疾病狀態(tài)下的腦網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的現(xiàn)象[18]。心理行為學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)MCI和AD患者存在運動感知功能障礙[19]。因此結(jié)合本研究發(fā)現(xiàn)，可推測雙側(cè)中央后回與右側(cè)梭狀回連接的異常增強可能構(gòu)成MCI患者對物體運動狀態(tài)信息處理障礙的神經(jīng)基礎(chǔ)。同時，該發(fā)現(xiàn)提示MCI患者腦中背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)同樣存在重構(gòu)的現(xiàn)象，并可能反映MCI狀態(tài)下的腦網(wǎng)絡(luò)代償機制。

本研究的局限性為，本研究利用ADNI公共數(shù)據(jù)對MCI患者背側(cè)流視覺網(wǎng)絡(luò)連接改變進行探索。由于此數(shù)據(jù)并未包括對受試者相應(yīng)運動及空間視覺感知能力的測試結(jié)果，導(dǎo)致本研究不能直接將連接異常與運動或空間感知功能做出相應(yīng)的直接聯(lián)系，需要在今后的研究中進一步完善。將影像學(xué)發(fā)現(xiàn)與臨床認(rèn)知狀況相結(jié)合，從而為更好地理解MCI患者認(rèn)知、感知功能減退的深層神經(jīng)機制提供更為可靠的證據(jù)。

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（本文編輯 聞浩）

Changes of Connectivity of Dorsal Stream in Patients with Mild Cognitive Impairment by Using Resting-state Functional Magnetic Resonance Imaging

LIU Minying, DUAN Gang*

Impairment of dorsal visual function and its functional connectivity play important role in the reduced cognitive function of Alzheimer’s disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI) patients. This study aims to explore the functional connectivity abnormalities of the dorsal stream in patients with MCI.All the data used in this study were collected from the Alzheimer’s Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) database, including 87 MCI patients and 44 healthy controls. First, the cortical coordinates were located using activation likelihood estimation (ALE) analyses. Then, a series of cortical region of interest (ROI) were created based on the above coordinates. Thereafter, the pair-wise resting-state functional connectivity (RSFC) were calculated based on the resting-state functional magnetic resonance imaging data, and were compared among early MCI, late MCI and healthy controls.Compared with control group, late MCIs showed significantly increased RSFC of dorsal stream, including the RSFC between right fusiform and right postcentral gyrus, and between left right fusiform and postcentral gyrus (<0.001).The dorsal stream cortices exhibit abnormal functional connectivity in patients with MCI. This provides objective evidence to explain the high-level visual dysfunctions under MCI status.

Cognition disorders; Magnetic resonance imaging; Rest; Image processing, computer-assisted; Nerve net; Vision; Aged

R445.2；R741.02

10.3969/j.issn.1005-5185.2018.02.004

2017-10-05

2017-12-10

Chinese Journal of Medical Imaging, 2018, 26 (2): 94-98

DUAN Gang E-mail:1316364900@qq.com