輕微型肝性腦病患者楔前葉VBM-MRI研究

周鷺， 郭大靜， 周治明

輕微型肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy，MHE)屬于肝性腦病的一個亞型，臨床上這類患者并不會表現(xiàn)出意識錯亂、肝昏迷等明顯的癥狀或者體征，通常僅表現(xiàn)為輕度注意力障礙、空間記憶減退、視覺感知運(yùn)動功能及精細(xì)運(yùn)動能力下降等相關(guān)神經(jīng)認(rèn)知方面的障礙，由于目前對于MHE的診斷沒有金標(biāo)準(zhǔn)，國際共識推薦采用肝性腦病心理測試評分法(psychometric hepatic encephalopathy score，PHES)來篩查MHE[1]，但是這些量表評估方法易受到被試者受教育程度、年齡等多種因素的影響，結(jié)果缺乏客觀性。近年來，功能磁功能成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)研究發(fā)現(xiàn)，MHE患者楔前葉腦區(qū)神經(jīng)元活動及腦功能連接異常存在異常，并且與其認(rèn)知功能異常具有相關(guān)性[2-5]。因此，本研究將在我們既往對MHE全腦結(jié)構(gòu)功能研究的基礎(chǔ)上[6]，采用更為精確配準(zhǔn)的DARTEL算法[7]，針對楔前葉亞區(qū)的灰白質(zhì)體積進(jìn)行精細(xì)觀察，旨在精準(zhǔn)分析MHE患者楔前葉亞區(qū)結(jié)構(gòu)的變化情況。

材料與方法

1.研究對象

搜集2016年1月-2016年7月來我院就診的15例MHE患者的臨床和影像資料，其中男8例、女7例，年齡41～67歲，受教育年限6～16年。對臨床診斷為乙型肝炎合并肝硬化的患者行數(shù)字連接試驗(number connection test A，NCT-A)和數(shù)字符號試驗(digit symbol test，DST)，并將至少一項評分在正常組均值2個標(biāo)準(zhǔn)差以外的患者擬診為MHE。所有測試均在進(jìn)行MRI掃描前完成。排除標(biāo)準(zhǔn)：①嚴(yán)重HE患者；②急性肝功能衰竭患者；③酒精性肝硬化及任何其它可能導(dǎo)致腦功能改變的軀體或精神疾患的患者。

招募15例健康志愿者作為正常對照組，其中男8例、女7例，年齡40～70歲，受教育年限6～16年。對照組中受試者均無肝硬化、認(rèn)知功能損傷和腦外傷等病史。

所有受試者無MRI檢查禁忌證，對本研究的目的和方法知情同意。

2.圖像采集和處理

采用Philips Achieva 3.0T MR掃描儀和8通道標(biāo)準(zhǔn)頭線圈，采用磁化準(zhǔn)備快速梯度回波(three dimensional magnetization prepared rapid gradient echo，3D-MPRAGE)序列T1WI進(jìn)行矢狀面掃描，掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 30 ms，視野240 mm×240 mm，矩陣232×227，層厚1.0 mm，掃描層數(shù)150。

對所有采集的圖像在Metlab的運(yùn)行環(huán)境下采用DPARS fMRI(data processing assistant for resting-state fMRI)軟件里的VBM-DARTEL分析方法進(jìn)行后處理。DARTEL方法利用了6×106個參數(shù)的流場理論對圖像進(jìn)行配準(zhǔn)，而之前的算法通常只采用了1000個參數(shù)進(jìn)行配準(zhǔn)，所以相較于之前的算法，DARTEL算法的配準(zhǔn)更加精確[8]。具體操作處理流程如下[9]：①圖像分割。首先應(yīng)用VBM方法對原始的腦結(jié)構(gòu)MR圖像做統(tǒng)一化分割，得到具體的灰、白質(zhì)圖像。②配準(zhǔn)。利用DARTEL算法進(jìn)行配準(zhǔn)，具體步驟則是將分割后的灰白質(zhì)圖像不斷地平均，得到模板，重復(fù)進(jìn)行配準(zhǔn)和平均的過程，從而得到最優(yōu)模板[10]。③利用Fan等[11]于2016年提出的最新腦網(wǎng)絡(luò)圖譜，根據(jù)圖譜所提供的最大概率圖，提取楔前葉4個亞區(qū)的模板，并將獲得的亞區(qū)模板作用于配準(zhǔn)的參數(shù)。④調(diào)制。將MNI空間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并對配準(zhǔn)后的亞區(qū)圖像進(jìn)行調(diào)制。⑤平滑。選定高斯平滑核對獲得的亞區(qū)灰、白質(zhì)圖像進(jìn)行處理；⑥統(tǒng)計分析。建立統(tǒng)計模型，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

3.統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。采用χ2檢驗比較MHE組與對照組患者性別構(gòu)成的差異，采用獨(dú)立樣本t檢驗比較患者的年齡、文化程度和神經(jīng)心理測試結(jié)果間的差異，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。使用REST軟件對MHE組及對照組中楔前葉及其亞區(qū)的體積進(jìn)行兩樣本t檢驗，采用AlphaSim校正后P<0.05且體素閾值>54個為結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義，并將此體素疊加于三維T1WI上生成偽彩圖。

結(jié) 果

1. 臨床資料

兩組被試的臨床資料及統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。兩組間性別構(gòu)成比、年齡及受教育年限的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義。與對照組比較，MHE組DST量表評分明顯降低，完成NCT-A的時間明顯增加，組間差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。

表1 MHE組和對照組臨床資料及統(tǒng)計分析結(jié)果

2. MRI平掃表現(xiàn)

與對照組相比，MHE組平掃T1WI上雙側(cè)基底節(jié)區(qū)可見對稱性高信號改變(圖1)。

3. MHE組腦灰質(zhì)改變

VBM分析結(jié)果顯示，MHE組患者左側(cè)楔前葉的灰質(zhì)體積減少；就亞區(qū)而言，左側(cè)4個亞區(qū)的灰質(zhì)體積均以減少為主，同時伴有相應(yīng)增加，其中前部和中央楔前葉的體積僅輕度減少、后部和腹側(cè)楔前葉的體積明顯減少；右側(cè)楔前葉4個亞區(qū)灰質(zhì)體積的變化規(guī)律與左側(cè)基本一致，但體積減少的程度更加顯著(圖2、表2)。

表2 MHE組與對照組楔前葉灰質(zhì)體積有顯著差異的腦區(qū)

注：與對照組相比，經(jīng)AlphaSim校正后，取P<0.05、體素閾值>54。

4.MHE組腦白質(zhì)改變

與對照組比較，MHE組患者左側(cè)楔前葉白質(zhì)體積增加；就亞區(qū)而言，左側(cè)楔前葉4個亞區(qū)的白質(zhì)體積以增加為主，同時伴有相應(yīng)減少，但前部和中央楔前葉的體積僅輕度增加，后部和腹側(cè)楔前葉的體積明顯增加；右側(cè)楔前葉4個亞區(qū)的白質(zhì)體積增加程度均較左側(cè)明顯(圖3、表3)。

表3 MHE組與對照組楔前葉白質(zhì)體積有顯著差異的腦區(qū)

注：與對照組相比，經(jīng)AlphaSim校正后、取P<0.05，體素閾值>54個體素。

圖1 MHE患者，男，50歲。T1WI顯示雙側(cè)基底節(jié)區(qū)對稱性高信號改變。a) 基底節(jié)層面； b) 丘腦層面。

楔前葉位于后內(nèi)側(cè)頂葉的背側(cè)區(qū)，前方為中央旁小葉，后方為楔葉，下方為后扣帶回和胼胝體壓部，雖然所處位置較深，但是其與高級皮層及皮層下多個結(jié)構(gòu)連接，且可能作為DMN中較為重要的節(jié)點(diǎn)，體現(xiàn)其功能的復(fù)雜性。具體而言，楔前葉與后扣帶回、丘腦、中央前額葉皮層及海馬等結(jié)構(gòu)均有連接，由于所處位置較深，所以相關(guān)研究相對較少，但是它可能是大腦靜息態(tài)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)[12]，參與多種功能(包括認(rèn)知功能、視覺空間想象、情景記憶及自我信息)的相關(guān)調(diào)控和處理等。姜曉萍等[13]發(fā)現(xiàn)MHE和明顯肝性腦病(overt hepatic encephalopathy，OHE)患者的腦默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)低頻振蕩幅度(amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF)值較正常組顯著降低。既往的研究也顯示MHE患者楔前葉的腦神經(jīng)元活動、皮層厚度以及與其它腦區(qū)之間的功能連接可出現(xiàn)不同程度的改變[2-5]。因此，本研究中選取楔前葉作為研究對象，且進(jìn)一步觀察其各個亞區(qū)的體積變化特點(diǎn)。最近，F(xiàn)an等[11]在研究腦網(wǎng)絡(luò)圖譜時，利用非侵入式多通道神經(jīng)成像技術(shù)，包括結(jié)構(gòu)MRI、fMRI及DWI，并設(shè)計了一種以功能連接為基礎(chǔ)的分割框架來細(xì)分整個大腦，最后將整個大腦分成了210個皮層和36個皮層下的亞區(qū)，這為臨床診斷和研究提供了新的方向。有學(xué)者提出，左右楔前葉可分為各4個亞區(qū)，包括前、中、后及腹側(cè)楔前葉[8]。前楔前葉主要參與感覺運(yùn)動，后楔前葉主要是視覺、情景記憶恢復(fù)的功能，中央楔前葉則是前、后楔前葉的橋梁，起到相關(guān)認(rèn)知整合的作用，腹側(cè)楔前葉則主要參與構(gòu)成默認(rèn)腦網(wǎng)絡(luò)的核心，起到空間記憶的作用[14]，它在整個楔前葉中發(fā)揮著重要作用。

1.MHE患者楔前葉亞區(qū)灰質(zhì)體積變化的意義

本課題組已通過優(yōu)化的VBM方法研究發(fā)現(xiàn)多個腦區(qū)存在灰質(zhì)體積的減少，包括右側(cè)小腦后葉、雙側(cè)豆?fàn)詈?、雙側(cè)殼核、雙側(cè)中央后回、右側(cè)舌回、雙側(cè)顳中回、雙側(cè)海馬、左側(cè)小腦后葉、左側(cè)蒼白球、左側(cè)前扣帶回、左楔葉及左顳下回等[6]。而本研究通過VBM-DARTEL法進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MHE患者楔前葉整體灰質(zhì)體積也是減少的，這與之前Zhang等[15]的研究結(jié)果是一致的。就亞區(qū)而言，前和中央楔前葉的主要功能為感覺運(yùn)動及部分連接作用。MHE患者主要表現(xiàn)為精細(xì)運(yùn)動及記憶認(rèn)知障礙，本研究結(jié)果亦顯示左側(cè)前和中央楔前葉的灰質(zhì)體積下降并不明顯；而后楔前葉主要參與情景記憶，本組結(jié)果顯示其灰質(zhì)體積下降程度較前和中央楔前葉明顯，結(jié)果與MHE患者的臨床表現(xiàn)是一致的，表明MHE患者記憶功能障礙與中央楔前葉灰質(zhì)體積下降有一定關(guān)系。腹側(cè)楔前葉在整個楔前葉的功能中發(fā)揮著較為重要的作用，主要是參與構(gòu)成腦默認(rèn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與后扣帶回一起在腦默認(rèn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中起到較為核心的作用[9]，本研究結(jié)果顯示MHE患者的腹側(cè)楔前葉的灰質(zhì)體積是明顯下降的。之前Bai等的研究表明，有輕度遺忘及記憶障礙的患者，他們的靜息態(tài)默認(rèn)腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接以及楔前葉/后扣帶回區(qū)域同質(zhì)性會出現(xiàn)一定的衰減[16]，且Chen等[17]還發(fā)現(xiàn)MHE組楔前葉的局部一致性(regional homogeneity，ReHo)值也是顯著減低的，提示當(dāng)這部分腦區(qū)受影響后，空間記憶能力會缺失以及認(rèn)知功能會出現(xiàn)下降。神經(jīng)病理學(xué)研究認(rèn)為，氨、錳的聚集及神經(jīng)炎癥可引起神經(jīng)細(xì)胞凋亡及不可逆損傷，而MHE腦灰質(zhì)主要以星形膠質(zhì)細(xì)胞Alzheimer II型變?yōu)樘卣鱗18]，猜測灰質(zhì)體積減少可能與上述機(jī)制有關(guān)，從而最終導(dǎo)致相應(yīng)腦區(qū)功能減低的改變。

圖2 VBM分析偽彩圖，不同層面顯示雙側(cè)側(cè)楔前葉各亞區(qū)灰質(zhì)體積較正常組差異有顯著意義的區(qū)域(紅黃色表示MHE組灰質(zhì)增加區(qū)域，藍(lán)綠色表示MHE組灰質(zhì)減少區(qū)域)。a) 左側(cè)楔前葉前亞區(qū)； b) 左側(cè)楔前葉中央亞區(qū)； c) 左側(cè)楔前葉后亞區(qū)； d) 左側(cè)楔前葉腹側(cè)亞區(qū)； e) 右側(cè)楔前葉前亞區(qū)； f) 右側(cè)楔前葉中央亞區(qū)； g) 右側(cè)楔前葉后亞區(qū)； h) 右側(cè)楔前葉腹側(cè)亞區(qū)。

本課題組前期研究結(jié)果同時還發(fā)現(xiàn)雙側(cè)丘腦的灰質(zhì)體積較正常組增加[6]，而此次結(jié)果也顯示楔前葉四個亞區(qū)的灰質(zhì)體積出現(xiàn)相應(yīng)增加，猜測可能與丘腦體積增加機(jī)制一樣，與補(bǔ)償效應(yīng)有關(guān)，神經(jīng)節(jié)或神經(jīng)膠質(zhì)出現(xiàn)代償性病理性增生或肥大，但目前還無相關(guān)神經(jīng)病理學(xué)證據(jù)來證實這一觀點(diǎn)，增加的灰質(zhì)體積也并不能改善大腦功能。且大腦皮質(zhì)是具有功能及結(jié)構(gòu)的可塑性的，如慢性腦卒中患者會出現(xiàn)軀體感覺區(qū)皮質(zhì)增厚[19]，所以猜測當(dāng)出現(xiàn)了灰質(zhì)體積的減少，可能所在區(qū)域其實都會出現(xiàn)不同程度神經(jīng)節(jié)或神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的代償性增生，這也許就是大腦皮質(zhì)功能及結(jié)構(gòu)可塑性的表現(xiàn)。

右側(cè)楔前葉灰質(zhì)變化與左側(cè)并不完全相同，主要表現(xiàn)為體積減少程度更明顯，這可能與左右腦功能分區(qū)不太一致有關(guān)。Zhang等[16]研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輕型肝性腦病患者出現(xiàn)門體分流時，右側(cè)楔前葉的下降程度較左側(cè)更為明顯，而本文結(jié)果顯示，MHE患者沒有出現(xiàn)門體分流時，右側(cè)體積仍較左側(cè)變化更明顯，相關(guān)機(jī)制仍待繼續(xù)探索。

2.MHE患者楔前葉亞區(qū)白質(zhì)體積變化的意義

其實以往的研究多集中于腦灰質(zhì)的變化，對腦白質(zhì)的研究相對較少。Iwasa等[20]曾采用VBM法研究得出，腦白質(zhì)體積與血氨水平之間存在一定的正相關(guān)，表明肝性腦病患者白質(zhì)體積的改變，至少可能是由于血氨或部分炎性因子使星形膠質(zhì)細(xì)胞功能發(fā)生障礙所導(dǎo)致的。本研究結(jié)果顯示左側(cè)前和中央楔前葉白質(zhì)體積輕度增加，這兩個亞區(qū)的主要功能為感覺運(yùn)動及部分連接作用，這可能與MHE患者一部分運(yùn)動下降有一定的關(guān)系。后楔前葉及腹側(cè)楔前葉白質(zhì)體積是明顯增加的，當(dāng)這部分區(qū)域由于血氨升高使星形膠質(zhì)細(xì)胞受累后，會影響相應(yīng)腦區(qū)的功能，包括情景記憶及空間記憶，所以輕微型肝性腦病患者會出現(xiàn)記憶障礙，同時在這四個亞區(qū)局部區(qū)域白質(zhì)體積出現(xiàn)了減少。右側(cè)楔前葉各亞區(qū)白質(zhì)體積增加的程度相較于左側(cè)更加明顯，說明實驗組患者大腦白質(zhì)都可能受到了血氨的影響，星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能障礙，最終影響腦功能，從而主要表現(xiàn)出白質(zhì)的增加。而皮質(zhì)下白質(zhì)的減少本身就會引起注意力及執(zhí)行功能損害等認(rèn)知障礙及姿勢步態(tài)障礙。當(dāng)出現(xiàn)腦代謝增加，對氧耗和血供的需求急劇增加，進(jìn)而導(dǎo)致一系列病生改變，如神經(jīng)元變性、水腫及細(xì)胞外間隙的增寬等等，這種腦組織長期反復(fù)的病理生理改變，最終會引起白質(zhì)體積發(fā)生相應(yīng)的變化，而內(nèi)源性神經(jīng)毒性物質(zhì)，如錳，也會引起白質(zhì)的改變。

圖3 VBM分析偽彩圖，不同層面顯示雙側(cè)側(cè)楔前葉各亞區(qū)白質(zhì)體積較正常組有顯著差異的區(qū)域(紅黃色表示MHE組灰質(zhì)增加區(qū)域，藍(lán)綠色表示MHE組白質(zhì)減少區(qū)域)。a) 左側(cè)楔前葉前亞區(qū)； b) 左側(cè)楔前葉中央亞區(qū)； c) 左側(cè)楔前葉后亞區(qū)； d) 左側(cè)楔前葉腹側(cè)亞區(qū)； e) 右側(cè)楔前葉前亞區(qū)； f) 右側(cè)楔前葉中央亞區(qū)； g) 右側(cè)楔前葉后亞區(qū)； h) 右側(cè)楔前葉腹側(cè)亞區(qū)。

本研究尚存在不足之處，如能進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，相信能獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，能更好探究MHE患者的神經(jīng)病理生理學(xué)機(jī)制。楔前葉作為默認(rèn)腦網(wǎng)絡(luò)中較為重要的腦區(qū)，當(dāng)出現(xiàn)輕微型肝性腦病時，其四個亞區(qū)的灰白質(zhì)均會出現(xiàn)不同程度的改變，這對早期診斷該病提供了較之前更加精確細(xì)致的診斷依據(jù)，隨著對輕微型肝性腦病的研究越來越多，如果我們能同時結(jié)合多種磁共振檢查方法，相信能更好地揭示神經(jīng)性病變及其病理生理基礎(chǔ)的變化，為該病的診斷提供更為可靠的依據(jù)。相信隨著影像學(xué)技術(shù)的不斷提高完善，對探討輕微型肝性腦病及其他多種神經(jīng)病變的神經(jīng)病理學(xué)機(jī)制會起到非常關(guān)鍵的作用。

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