基于體素的形態(tài)學方法評價急性脊髓損傷患者腦灰白質體積改變

周紅梅，徐向陽，劉 祥，楊 健，黃德珍，龔 萍

(華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬梨園醫(yī)院放射科，湖北 武漢 430077)

目前，脊髓損傷(spinal cord injury， SCI)后，目的在于功能恢復的治療方法通常建立在大腦結構和功能正常的假設之上，然而SCI患者感覺運動功能恢復的一個潛在障礙是其可能導致中樞神經(jīng)系統(tǒng)永久性結構改變和運動功能重組，即使損傷部位已實現(xiàn)有效修復，感覺運動皮質體積萎縮及白質微結構異常仍是SCI后感覺運動功能恢復的重大障礙[1]。本研究采用基于體素的形態(tài)學(voxel-based morphometry， VBM)分析方法觀察急性遠隔部位神經(jīng)元損傷對全腦灰白質體積的影響。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取2017年5月—2018年3月于我院就診的16例SCI患者(SCI組)，男14例，女2例，年齡28～66歲，平均(47.1±11.7)歲；其中高處墜落傷7例，車禍傷4例，摔傷4例，砸傷1例。收集同期性別、年齡匹配的20名健康志愿者為對照組，男17名，女3名，年齡27～65歲，平均(47.1±10.1)歲。SCI組納入標準：外傷致截癱或四肢癱；于傷后30天內(nèi)接受MR檢查；生命體征穩(wěn)定，可耐受MR檢查；經(jīng)愛丁堡利手量表評估為右利手。2組排除標準：外傷后腦損傷或有顱腦手術史；高血壓、心臟病、糖尿病、代謝性疾??；精神系統(tǒng)疾病；酗酒或藥物濫用史；常規(guī)顱腦MR掃描存在異常改變；MR禁忌證或不能耐受MR檢查(如不能平臥、昏迷、躁動、有不自主運動不能保持靜止狀態(tài)，意識不清、幽閉恐懼癥等)。本研究經(jīng)我院倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。

1.2儀器與方法 采用Siemens Magnetom Verio 3.0T MR掃描儀，8通道相控陣頭線圈，掃描序列為3D磁化準備快速采集梯度回波(magnetization prepared rapid acquisition gradient-echo， MPRAGE)T1W，矢狀位掃描，TR 1 900 ms，TE 2.1ms，反轉時間900 ms，翻轉角9°，NEX 2，層厚1 mm，矩陣256×256，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，體素大小約1 mm×1 mm×1 mm，層數(shù)160層，掃描時間4 min 26 s。

1.3圖像分析 基于Matlab 2010b操作平臺，以統(tǒng)計參數(shù)圖8(statistical parametric mapping， SPM8)(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)及其VBM8子工具包(http://dbm.neuro.uni--jena.de/vbm8/)進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。分析步驟：①采用MRIcron軟件將DICOM格式圖像轉為NIfTI格式；②采用統(tǒng)一分割法將原始3D圖像分割為灰質、白質和腦脊液圖像；③采用DARTEL(diffeomorphic anatomical registration through exponentiated lie algebra)技術分別生成所有受試者的灰白質模板；④通過仿射變換將DARTEL模板變換到MNI空間組織概率圖上，經(jīng)非線性變形將分割后的圖像配準至對應的MNI空間DARTEL模板；⑤采用空間標準化過程中提取的雅克比行列式進行調制，以恢復空間標準化造成的體積信息丟失，保留大腦組織原始體積；⑥以8 mm半高全寬平滑核對圖像進行平滑，使數(shù)據(jù)更接近于正態(tài)分布，增加參數(shù)檢驗的有效性；⑦采用廣義線性模型和高斯隨機場理論，以受試者年齡、性別及全腦體積作為協(xié)變量，對2組灰白質體積數(shù)據(jù)分別進行獨立樣本t檢驗，獲得體積差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)(統(tǒng)計閾值P<0.05，F(xiàn)DR校正，簇閾值為300個體素)。計算腦組織體積(brain tissue volume， BTV)，為腦灰質體積(gray matter volume， GMV)和腦白質體積(white matter volume， WMV)之和；全腦體積(total intracranial volume， TIV)，為GMV、WMV和腦脊液體積(cerebrospinal fluid volume， CSFV)之和；腦灰質分數(shù)(gray matter fraction， GMF)、腦白質分數(shù)(white matter fraction， WMF)和腦組織分數(shù)(brain tissue fraction， BTF)，分別為受試者GMV、WMV和BTV與TIV的比值。

1.4統(tǒng)計學分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示，采用獨立樣本t檢驗進行組間比較；2組間性別比較采用χ2檢驗。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

SCI組與對照組間性別(χ2=0.05，P=0.94)、年齡(t=0.01，P=0.95)差異均無統(tǒng)計學意義。SCI組病程7～24天，平均(15.75±4.77)天，損傷平面C4～L2，其中7例患者為完全性損傷，9例為不完全性損傷。

SCI組與對照組間GMV、WMV、CSFV、BTV、TIV及GMF、WMF、BTF差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05，表1)。

表1 SCI組與對照組腦體積及腦體積分數(shù)比較(±s)

表1 SCI組與對照組腦體積及腦體積分數(shù)比較(±s)

組別GMV(ml)WMV(ml)CSFV(ml)BTV(ml)SCI組639.72±77.67493.62±50.72503.52±73.931 122.90±119.58對照組642.90±79.08468.90±57.18506.12±61.781 111.80±126.54t值0.121.350.110.27P值0.890.430.910.79組別TIV(ml)GMF(%)WMF(%)BTF(%)SCI組1 626.42±134.6039.24±3.4231.83±1.7369.14±4.11對照組1 617.92±137.0539.62±2.9129.01±2.1168.61±3.93t值0.190.364.310.39P值0.850.690.230.67

圖1 SCI組與對照組比較灰質體積縮小的腦區(qū)示意圖

與對照組相比，SCI組雙側下額葉、島葉、內(nèi)側前額葉、前扣帶皮質、小腦后葉灰質體積減小，雙側內(nèi)囊水平皮質脊髓束體積萎縮(表2、圖1)。

3 討論

關于SCI是否會導致包括腦皮質、脊髓神經(jīng)元丟失在內(nèi)的脊上結構改變?nèi)杂袪幾h。SCI后腦結構研究結果[2]存在差異的原因可能與研究對象(如損傷后時間、損傷平面及損傷程度等)及研究方法(人工測量、VBM等)不同有關，且上述研究均于SCI慢性期進行，有關SCI急性期腦體積的改變?nèi)圆幻鞔_。本研究結果顯示急性期SCI患者初級感覺運動皮質體積未出現(xiàn)改變。既往研究[3]認為SCI后皮質脊髓神經(jīng)元萎縮發(fā)生于亞急性期(傷后 5～10周)，細胞死亡發(fā)生于慢性期(傷后數(shù)月至數(shù)年)。本研究SCI患者接受MR檢查的時間為傷后30天內(nèi)，此時初級運動皮質尚未出現(xiàn)體積變化，原因之一為初級運動皮質脊髓神經(jīng)元尚未發(fā)生逆行性變性；另一種可能的解釋為初級運動皮質內(nèi)及初級運動皮質與高級運動區(qū)之間建立了廣泛的側支連接，維持了運動系統(tǒng)細胞活動，因此減少或阻止了軸突損傷后導致的皮質脊髓神經(jīng)元萎縮[4]。

表2 SCI組與對照組灰白質體積差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)

本研究結果顯示，與對照組比較，急性SCI患者雙側下額葉、島葉、內(nèi)側前額葉及前扣帶皮質、小腦后葉等灰質體積縮小，而上述腦區(qū)均參與情緒處理過程。下額葉與情緒行為處理相關，涉及情緒運動表達的視覺刺激。島葉參與情緒處理及感覺狀態(tài)的產(chǎn)生及調節(jié)，以對外界環(huán)境刺激和情感狀態(tài)做出反應。有學者[5]認為島葉提供鏡像神經(jīng)元系統(tǒng)與情緒處理之間的聯(lián)系，使自身與觀察到的情緒匹配成為可能。內(nèi)側前額葉及前扣帶皮質在處理情緒相關信息及調節(jié)注意狀態(tài)中起重要作用。小腦在運動定位及運動行為中的作用已被廣泛認可，但對其參與情緒處理這一觀念近些年才被接受。小腦后葉參與情緒、認知處理過程，已有報道[6]抑郁癥患者小腦出現(xiàn)體積萎縮。研究[7]表明身體狀態(tài)發(fā)生改變的主觀經(jīng)歷有助于產(chǎn)生情緒感覺，情緒影響理論強調情緒與周圍喚醒的聯(lián)合作用。SCI后患者最初的主觀反應是沮喪、絕望及痛苦，且傷后數(shù)月焦慮和抑郁癥狀保持較高的發(fā)生率[7-8]。這些與情緒處理相關腦區(qū)出現(xiàn)體積縮小可能反映SCI患者因周圍喚醒水平發(fā)生變化而引起情緒處理過程發(fā)生改變。fMRI研究[9-10]顯示SCI患者在情緒處理過程中前扣帶皮質激活降低，還有學者[11-12]采用VBM方法觀察完全性胸髓SCI患者全腦灰質體積改變，發(fā)現(xiàn)雙側內(nèi)側前額葉、前扣帶皮質及島葉皮質萎縮；該研究中下額葉及小腦體積未出現(xiàn)改變，與本研究不同之處在于該組SCI患者損傷后時間較長，平均時間為150個月，推測內(nèi)側前額葉、前扣帶皮質及島葉皮質萎縮出現(xiàn)較早且持續(xù)至慢性期，而下額葉及小腦體積改變可能為可逆性改變。

因損傷使大腦向脊髓傳遞運動指令的下行傳導束中斷，SCI后導致?lián)p傷平面以下的運動功能障礙，其中皮質脊髓束是最重要的傳導束之一。SCI后皮質脊髓束發(fā)生逆行性變性，表現(xiàn)為體積縮小及白質微結構異常。本研究結果顯示SCI患者雙側內(nèi)囊水平皮質脊髓束體積縮小。Freund等[13]采用VBM方法研究慢性期SCI患者白質結構改變，結果顯示雙側錐體水平皮質脊髓束體積減小。另一縱向VBM研究[14]結果顯示，損傷后第12個月，SCI患者左側延髓水平皮質脊髓束萎縮，同時白質微結構出現(xiàn)異常，本研究結果與之一致。Wrigley等[15]關于DTI的研究顯示SCI患者皮質脊髓束FA降低，平均彌散率(mean diffusivity， MD)降低，軸向擴散系數(shù)也降低。本研究SCI患者雙側內(nèi)囊水平皮質脊髓束體積縮小，提示SCI急性期腦部皮質脊髓束發(fā)生逆行性變性，而初級感覺運動皮質體積無明顯變化，即SCI后逆行性變性所致腦部皮質脊髓束萎縮可能早于初級運動皮質內(nèi)皮質脊髓神經(jīng)元萎縮而出現(xiàn)。本研究未對SCI患者的情緒進行相關量表評估，因而未評估情緒處理相關腦區(qū)灰質體積與量表評分的相關性；今后將采用VBM聯(lián)合DTI進一步對急性期SCI患者腦結構改變進行縱向觀察。

綜上所述，本研究結果表明，SCI急性期患者與情緒處理相關的下額葉、島葉、內(nèi)側前額葉及前扣帶皮質、小腦后葉出現(xiàn)萎縮性改變，雙側內(nèi)囊水平皮質脊髓束體積縮小，提示急性SCI可對其遠隔腦灰白質結構產(chǎn)生影響。