基于體素的形態(tài)測量分析常規(guī)MRI陰性智力障礙兒童腦灰質(zhì)體積的變化

謝榮倩，黃 瑋，盧洪艷，宋贛軍，劉 衡，張高峰

(遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院 影像科 ，貴州 遵義 563099)

智力障礙是指在生長發(fā)育期智力功能和適應功能存在明顯限制而表現(xiàn)出的一種障礙，具體表現(xiàn)為智力功能顯著低于平均智力水平，即IQ值低于平均IQ的兩個標準差，同時伴有社會適應能力方面的限制[1]。其智障病因廣泛且復雜，凡能影響發(fā)育期腦結(jié)構(gòu)及功能的各種遺傳及環(huán)境因素均可導致智力障礙的發(fā)生[2]。根據(jù)其IQ值，可分為4級：輕度(50～70)、中度(35～50)、重度(20～35)及極重度(<20)[3]。目前被國內(nèi)外廣泛認可的智力障礙診斷標準包括[2]：①年齡18歲以下；②智能缺陷，智商低于平均值2個標準差；③ 社會適應性缺陷。

兒童智力障礙會加重家庭和社會負擔，因此早期診斷和及時治療是提高智力功能的關(guān)鍵。CT和MR是兒童智力障礙常規(guī)影像學檢查技術(shù)，大部分患兒MR檢查存在顱腦器質(zhì)性病變，但影像診斷中發(fā)現(xiàn)小部分智障兒童常規(guī)磁共振檢查未見病灶，給臨床醫(yī)師和患者帶來困惑和治療難度。近幾年基于體素的形態(tài)測量學(Voxel based morphometry，VBM)是一種基于體素且全面、客觀、無偏倚的影像技術(shù)，被廣泛運用于大腦結(jié)構(gòu)中，可定量分析大腦結(jié)構(gòu)中的微小變化[4]。有學者用于常規(guī)MR陰性癲癇患者發(fā)現(xiàn)腦功能區(qū)體積異常；本研究采用VBM探討常規(guī)MRI陰性智力障礙患兒腦結(jié)構(gòu)體積變化，為臨床診斷提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究對象 搜集2017年8月至2018年11月在本院兒科中心就診的智力障礙患兒數(shù)據(jù)資料。納入標準：(1)符合韋氏兒童智力測評量表(第2版)兒童智力障礙診斷標準，即WISC總智商評分≤70分；(2)常規(guī)顱腦MR檢查未見異常；(3)年齡5～14歲；(4)依從性佳，能完成所有檢查項目。排除標準：(1)MR檢查禁忌癥或不能配合檢查者；(2)常規(guī)MR檢查發(fā)現(xiàn)病灶者；(3)3D-T1WI掃描圖像出現(xiàn)偽影而無法進行VBM處理。正常健康對照組納入標準：(1)體格與智力發(fā)育正常， WISC總智商評分>85分；(2)常規(guī)MR檢查顱腦未見異常；(3)受檢者監(jiān)護人知情同意，能配合完成MR檢查。排除標準：(1)常規(guī)MR檢查發(fā)現(xiàn)異常者；(2)MR掃描過程中出現(xiàn)偽影而無法進行VBM處理。

所有被檢者均采用WISC量表測評；本研究獲遵義醫(yī)科大學附屬醫(yī)院倫理委員會的批準，并征得患兒監(jiān)護人同意、簽署相關(guān)知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 檢查設(shè)備及檢查前準備 采用美國GE 3.0T 超導型MR掃描儀、8通道頭部線圈，開始檢查前需去除被試者所攜帶的金屬物質(zhì)，佩戴耳塞減少噪音，固定被試者頭部以減少頭動，將頭顱擺正。囑被試者閉目、平躺、保持清醒狀態(tài)。掃描范圍為整個頭顱。常規(guī)MR檢查序列T2-FLAIR，陰性判斷標準：2位高年資MR診斷醫(yī)師雙盲法讀片一致認為未發(fā)現(xiàn)病灶。

1.2.2 掃描參數(shù) (1)T2-FLAIR：視野(FOV)：256×256 mm；回波時間(TE)：165 ms；重復時間(TR)：7 826 ms；TI：2 100 ms；層厚：5 mm，層間距：1.5 mm；翻轉(zhuǎn)角(FA)90°。橫斷位掃描，掃描方位平行于前后聯(lián)合；(2)3D-T1WI結(jié)構(gòu)像：視野(FOV)：256 mm×256 mm；回波時間(TE)：3.0 ms；重復時間(TR)：7.8 s；TI：450 ms；層厚：1 mm，層間距：0 mm；翻轉(zhuǎn)角(FA)15°。橫斷位掃描，掃描方位平行于前后聯(lián)合。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理 首先將原始的DICOM文件轉(zhuǎn)化為NIFTI格式，將每個受試圖像的原點在MNI坐標系中手動校正至前聯(lián)合(Anterior commissure，AC)位置；在Matlab2014a平臺上采用統(tǒng)計參數(shù)圖軟件SPM8(http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)將所有受試的3D T1WI圖像分割為灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液；導入分割后的灰質(zhì)圖像在DARTEL工具中進行初始化；使用DARTEL算法進行配準，產(chǎn)生18次迭代運算后生成的6個模板和流變形場；利用最精確的第6個模板和流變形場將所有灰質(zhì)配準到標準MNI空間；將調(diào)制后得到的灰質(zhì)圖像采用8 mm高斯核進行平滑。

1.3 統(tǒng)計學分析 應用SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。采用卡方檢驗和獨立樣本t檢驗比較病例組和對照組間性別、受教育程度、年齡和全腦容積間的差異，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。應用DPABI工具箱中的統(tǒng)計分析軟件包，以獨立樣本t檢驗比較病例組和對照組間各腦區(qū)灰質(zhì)容積的差異，將性別、年齡、全腦總?cè)莘e和受教育程度作為協(xié)變量，以P<0.01(FDR校正)，Cluster size>50作為有統(tǒng)計學意義的灰質(zhì)容積腦區(qū)。將病例組與對照組有灰質(zhì)容積差異的腦區(qū)提取出來，與智商進行Pearson相關(guān)分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計學資料 病例組與對照組年齡、性別、受教育程度均無統(tǒng)計學差異(P>0.05，見表1)。

表1 病例組與對照組一般資料

IQ：總智商；R：右利手 ；—：無具體值。

2.2 兩組兒童各腦區(qū)灰質(zhì)體積比較 與對照組相比，病例組存在局部腦區(qū)灰質(zhì)容積下降，包括雙側(cè)海馬、中央前回、額上回、右側(cè)顳中回、左側(cè)顳上回、海馬旁回(見表2、圖1)。病例組無容積增加腦區(qū)。偏相關(guān)分析顯示異常腦區(qū)(左側(cè)海馬)灰質(zhì)容積與智商IQ呈正相關(guān)(r=0.638，P=0.011)。

表2 VBM顯示病例組較對照組腦灰質(zhì)容積下降腦區(qū)

VBM：基于體素的形態(tài)測量；Brodman分區(qū)：布魯?shù)侣竽X分區(qū)；X、Y、Z為Talairach&Tournoux腦圖譜坐標軸。

A：顯示雙側(cè)中央前回；B：海馬及海馬旁回；C：額上回；D：相關(guān)分析提示IQ與左側(cè)海馬灰質(zhì)容積呈正相關(guān)；E：右側(cè)顳上回；F：左側(cè)顳中回灰質(zhì)容積減少。圖1 兩組兒童各腦區(qū)灰質(zhì)體積比較

3 討論

本研究采用VBM方法分析智力障礙兒童與正常健康對照組腦灰質(zhì)容積的變化，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)海馬、中央前回、額上回、右側(cè)顳中回、左側(cè)顳上回、海馬旁回等腦區(qū)的皮層容積下降。與既往研究一致，通常這種灰質(zhì)容積的微小變化常規(guī)磁共振不能顯示。應用偏相關(guān)分析顯示異常腦區(qū)(左側(cè)海馬)灰質(zhì)容積與總智商IQ呈正相關(guān)，可推測兒童智力障礙的發(fā)生可能與海馬灰質(zhì)容積的下降有關(guān)。

兒童大腦的發(fā)育是一個復雜連續(xù)的過程，首先由神經(jīng)元的突觸數(shù)和皮質(zhì)內(nèi)髓鞘化的最初增加伴隨著成熟而逐漸減少；其次大腦的成熟從枕葉開始，然后移動到顳葉，最后是額葉；出生后2年是人類大腦皮層結(jié)構(gòu)和功能發(fā)育最為活躍的時期[5]。2歲以前小兒腦可塑性很大，2歲以后腦結(jié)構(gòu)接近成人，故本課題選取3～14歲患兒為研究對象，以排除兒童早期皮層發(fā)育較快對研究結(jié)果的影響。顳葉與人類的認知、情緒及精神活動產(chǎn)生密切相關(guān)，尤其是海馬參與記憶功能[6]； 額葉是大腦重要的執(zhí)行功能區(qū)域，而前額葉皮質(zhì)的成熟在認知功能中發(fā)揮著更為重要的作用[7]。在本研究中額、顳葉部分腦區(qū)屬于大腦默認模式網(wǎng)絡[8](Default modenetwork ，DMN)，包括扣帶回、內(nèi)側(cè)前額葉、內(nèi)外側(cè)顳葉皮層等，與人類的認知、情感、記憶等認知功能密切相關(guān)，當灰質(zhì)容積存在異常時，可導致到默認網(wǎng)絡的異常，從而影響到大腦功能的正常執(zhí)行。大腦皮層是高級中樞主要功能區(qū)，由神經(jīng)元組成，主導人體各種復雜運動包括思考、記憶、執(zhí)行等，其生長發(fā)育受遺傳、飲食、睡眠、代謝及各系統(tǒng)疾病的影響[9]，而智力障礙是大腦皮層結(jié)構(gòu)和功能異常的表現(xiàn)，同時也是腦癱患兒語言發(fā)育障礙的重要原因[10]。目前大腦皮層容積下降的機制尚未清楚，通常有以下幾種解釋[11]，①腦微血管病變引起的腦皮質(zhì)低灌注，繼發(fā)皮質(zhì)區(qū)不全梗死或微梗死，常規(guī)MRI或CT表現(xiàn)正常，而皮質(zhì)缺血常引起膽堿能通路中斷，導致皮質(zhì)萎縮；②神經(jīng)軸突損傷后可能發(fā)生變性，并導致皮質(zhì)萎縮和認知障礙。海馬是人類大腦記憶的重要組成部分，是人類最復雜、最脆弱、對缺氧最敏感的結(jié)構(gòu)之一，因此凡是能引起海馬缺血、缺氧的各類疾病均可引起海馬的繼發(fā)性改變，最終導致海馬容積縮小[11-12]。研究指出腦灰質(zhì)容積下降可導致相應的功能障礙[13]；相關(guān)性分析中左側(cè)海馬表現(xiàn)為灰質(zhì)容積隨智力障礙的加重而減少，提示該腦區(qū)與兒童智力障礙認知功能和社會適應能力受損存在直接或間接關(guān)系。眾所周知，海馬在記憶中扮演著重要角色[14]，海馬退化引起癲癇和其它疾病，因此有學者把海馬縮小作為智力障礙評估的重要風險因素。運用VBM進行灰質(zhì)容積測量并進行相關(guān)分析，可發(fā)現(xiàn)智力與和灰質(zhì)存在廣泛相關(guān)性，與智力相關(guān)的大腦活動在前額葉皮質(zhì)中存在顯著重疊[15]。Narr等指出[16]兒童-青少年智商與灰質(zhì)容量呈顯著正相關(guān)，灰質(zhì)因是大腦功能單位和信息傳遞的場所而成為全面智商(FSIQ)評分變化的最佳預測因子，尤其是前額葉皮層(Prefrontalcortex，PFC)容積。PFC[17-18]是大腦的中央執(zhí)行機構(gòu)，參與認知和情感處理[19]。研究表明額顳葉灰質(zhì)容積與IQ相關(guān)性最為突出，額顳葉較大腦其它區(qū)域發(fā)育晚，在復雜的認知過程中發(fā)揮著重要作用[20]。本研究與既往研究一致，主要表現(xiàn)為額、顳葉局部腦區(qū)灰質(zhì)容積較正常對照組低，且部分異常腦區(qū)屬于PFC、DMN，因而可出現(xiàn)與智力相關(guān)的臨床癥狀，同時也說明大腦皮層容積與相應的特定認知任務(與智力能力相關(guān))間存在相關(guān)。Goh等[18]研究發(fā)現(xiàn)正常成人FSIQ與右側(cè)額葉灰質(zhì)容積呈正相關(guān)，即成人右側(cè)額葉灰質(zhì)體積越大，F(xiàn)SIQ越高。Wang等[21]認為DMN部分腦區(qū)在靜息狀態(tài)下仍進行著功能活動，因此該區(qū)域較其它腦區(qū)代謝更為活躍，故在生長發(fā)育過程中能影響大腦代謝水平的因素都可能導致腦結(jié)構(gòu)功能受損從而導致患者的智力和社會適應功能缺陷。

綜上所述，本研究應用VBM方法可初步發(fā)現(xiàn)常規(guī)磁共振陰性智障兒童額、顳葉功能區(qū)腦皮層容積微小變化，即存在腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)育不良，為不明原因的智力障礙兒童提供影像學依據(jù)。本次研究中樣本量偏少是主要缺陷，但結(jié)果與既往研究一致，說明額、顳葉灰質(zhì)容積的異?？蓪е轮橇Φ日J知功能的改變；但還需擴大樣本量進一步證實本研究的可靠性。