記憶力減退老年人腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)研究

任慶國 梁兵 譚東 趙帥 楊志成 韓一君 孫珊珊 孟祥水

主觀性記憶力減退 （subjective memory decline,SMD）在老年人中極常見，是進(jìn)展為輕度認(rèn)知障礙甚至早期阿爾茨海默?。ˋlzheimer’sdisease,AD）的高風(fēng)險(xiǎn)因素[1]。近年研究表明SMD病人較無記憶力減退的健康對(duì)照組（healthy control,HC）的部分腦結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，如海馬、內(nèi)嗅下區(qū)體積[2]，但這些研究只是基于顳葉區(qū)域，而其他腦區(qū)的微結(jié)構(gòu)是否也有改變目前尚不清楚。

擴(kuò)散張量成像（DTI）目前已成為研究腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的重要手段[3]，它可以獲取活體腦白質(zhì)及網(wǎng)絡(luò)連接的重要信息，在研究活體解剖結(jié)構(gòu)及腦區(qū)功能連接中發(fā)揮著越來越重要的作用。圖論法是研究腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要方法[4]，這些腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了具有一定特征性的拓?fù)鋵傩裕缧∈澜绲慕M織原則。概率纖維束示蹤技術(shù)（probabilistic fiber tractography,PFT）和圖論法已廣泛用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病研究，如AD、多發(fā)性硬化、腦外傷等。SMD病人腦白質(zhì)微結(jié)構(gòu)連接通路及局部腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的改變尚未見文獻(xiàn)報(bào)道，本研究旨在比較SMD病人與無主觀記憶力減退HC組的腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)屬性差異。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 本項(xiàng)前瞻性研究隨機(jī)篩選2017年9月—2018年3月期間在山東大學(xué)齊魯醫(yī)院 （青島）接受住院治療的老年病人，參照既往文獻(xiàn)資料[5]判斷其近來記憶力較前是否有減退，如有減退則認(rèn)為被試伴有SMD，如無記憶力減退則認(rèn)為被試無SMD。最終納入：32例伴有SMD的老年人，年齡59～75 歲，平均（67.2±6.2）歲，男 17 例，女 15 例，受教育程度（4.6±2.0）年；28例無SMD的老年人作為HC組，年齡 61～75 歲，平均（68.4±4.4）歲，男女各 14 例，受教育程度（5.0±1.9）年。2組年齡、性別及受教育程度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=－0.607，χ2=0.571，t=－0.653；P分別為0.55、0.81和0.52）。所有被試均否認(rèn)既往神經(jīng)及精神病史。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)審核通過，所有被試均簽署知情同意書。

1.2 設(shè)備與方法 采用3.0 TPhilips Ingenia MR設(shè)備，dStream頭顱專用線圈，掃描范圍包括全腦。T1WI采用3D梯度回波序列行矢狀面掃描，掃描參數(shù)：視野（FOV）=250 mm×250 mm×180 mm，體素=1.1 mm×1.1 mm×0.6 mm，重復(fù)時(shí)間（TR）及回波時(shí)間（TE）均采用機(jī)器默認(rèn)的最短時(shí)間，激勵(lì)次數(shù)=1，翻轉(zhuǎn)角=8°，重建矩陣=240，掃描層數(shù)=300。DTI序列掃描參數(shù)：FOV=210 mm×219 mm×132 mm，體素=2.0 mm×2.0 mm×2.2 mm，TR及TE均采用機(jī)器默認(rèn)的最短時(shí)間，激勵(lì)次數(shù)=2，翻轉(zhuǎn)角=90°，重建矩陣=112，雙 b 值（0，1 000 s/mm2）共 33 個(gè)擴(kuò)散方向，全腦60層橫斷面掃描。

1.3 大腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 DTI影像預(yù)處理在腦擴(kuò)散圖像分析軟件（pipeline for analyzing brain diffusion images,PANDA）上完成，將年齡、性別和受教育水平設(shè)為協(xié)變量。PANDA是一種基于腦功能MRI軟件庫的擴(kuò)散成像并行處理工具[6]，該后處理過程包括去顱骨、渦流和頭動(dòng)校正、部分各向異性（FA）值計(jì)算、纖維方向估計(jì)的概率分布。參照文獻(xiàn)[7]定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和邊，即根據(jù)腦灰質(zhì)自動(dòng)解剖標(biāo)記（automated anatomical labelling,AAL）的圖集將全腦劃分為90個(gè)區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域代表一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；邊的定義是由節(jié)點(diǎn)間概率纖維束連接得出，計(jì)算每一個(gè)節(jié)點(diǎn)與另外89個(gè)節(jié)點(diǎn)間的概率性連接，根據(jù)最大概率得出可能性的纖維束，其中纖維、權(quán)重及連接參數(shù)的設(shè)定參照以往文獻(xiàn)[8]。

1.4 網(wǎng)絡(luò)屬性分析 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩苑治鲈诨趫D論的網(wǎng)絡(luò)連接分析軟件 （graph theoretical network analysistoolbox,GRETNA）[9]上完成（http://www.nitrc.org/projects/gretna）。網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值參照文獻(xiàn)[10]設(shè)定為5%～50%，間隔5%，共計(jì)10個(gè)閾值，閾值定義為網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際邊數(shù)與最大可能邊數(shù)之比。計(jì)算全局和節(jié)點(diǎn)水平的網(wǎng)絡(luò)屬性，全局網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)包括：平均聚類系數(shù)（mean clustering coefficient,Cp）、特征路徑長度（characteristic path length,Lp）、標(biāo)準(zhǔn)化特征路徑長度（γ）、標(biāo)準(zhǔn)化最短路徑長度（λ）、小世界性（ζ）、全局效率（global efficiency,Eglob）和局部效率（local efficiency,Eloc）；節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)包括：節(jié)點(diǎn)效率 （nodal efficiency，Ne）和節(jié)點(diǎn)最短路徑長度（nodal shortest pathlength，NLp）。 當(dāng) γ＞＞1 且 λ ≈1時(shí)，腦網(wǎng)絡(luò)具有小世界的特點(diǎn)[4]。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值下均對(duì)應(yīng)獲得一個(gè)Ne和一個(gè)NLp，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生了10個(gè)Ne和10個(gè)NLp，分別計(jì)算10個(gè)Ne的平均值和10個(gè)NLp的平均值，將AAL的每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦上對(duì)應(yīng)的平均值即獲得Ne和NLp的腦映射圖。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，2組間進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)后行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料以例表示，2組間比較采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值與腦全局網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)的關(guān)系 隨著網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值設(shè)定的增大，SMD組和HC組全局網(wǎng)絡(luò)屬性 Cp、γ、ζ值呈減小趨勢(shì)；λ值在10%～25%的閾值范圍出現(xiàn)峰值，Lp值在全部閾值范圍基本保持不變。2組間γ、ζ、λ和Lp差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）；當(dāng)閾值設(shè)定為5%、30%和35%時(shí)，SMD組Cp值低于HC組（均P＜0.05），詳見表1。

2.2 腦網(wǎng)絡(luò)小世界性 SMD組和HC組腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的 γ＞＞1（SMD：3.65±0.77，HC：3.74±0.79），λ≈1（SMD：1.35±0.03，HC：1.35±0.04）， 均具有小世界性特點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值的升高，2組的小世界性逐漸降低（圖 1），其中SMD組的ζ值從 6.01±0.65降至 1.76±0.38；HC 組由 6.22±0.61 降至 1.92±0.47。

2.3 全局網(wǎng)絡(luò)效率屬性 SMD組和HC組的Eloc差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。2組間Eglob差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），詳見表2。隨著網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值的升高，2組的局部效率在10%閾值下出現(xiàn)峰值后逐漸降低（圖2），其中SMD組的Eloc值從峰值 0.038±0.005 降至 0.025±0.003；HC 組的 Eloc值由峰值 0.043±0.003 降至 0.028±0.004。

2.4 節(jié)點(diǎn)水平網(wǎng)絡(luò)屬性 根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性的腦映射圖所示，SMD組除枕上回、枕下回、頂葉上回的Ne較HC組增大外，其余節(jié)點(diǎn)的Ne均較HC組不同程度降低（圖3）；而SMD組除額上回眶部及內(nèi)側(cè)部、額下回眼瞼部及眶部、枕上、枕中及枕下回、角回和顳上回的NLp較HC組減低外，其余節(jié)點(diǎn)SMD組均較HC組增大（圖4），其中2組間左側(cè)額下回島蓋部及三角部、扣帶回及旁扣帶回、后扣帶回的Ne差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）；左側(cè)額上回背外側(cè)部、額下回島蓋部、腦島及后扣帶回的NLp差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。

3 討論

早期DTI的應(yīng)用研究是利用勾畫興趣區(qū)（ROI）進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量[11]，這種方法操作簡(jiǎn)單，但具有較大的主觀因素，如何使ROI的選取在不同病人的空間位置上保持完全一致具有極大困難。后來有研究者[12]提出了基于體素的形態(tài)學(xué)分析 （voxel based mor-phometry,VBM）方法，采用SPM軟件對(duì)各向異性分?jǐn)?shù)（FA）圖和平均擴(kuò)散率（mean diffusivity，MD）圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，但SPM缺乏圖像的標(biāo)準(zhǔn)化模板。近年來DTI的圖像后處理常采用更加科學(xué)合理的方式進(jìn)行，利用PFT和圖論法進(jìn)行DTI后處理解決了上述方法不足，即先將每個(gè)被試的DTI與各自T1WI進(jìn)行配準(zhǔn)，然后將被試T1WI和標(biāo)準(zhǔn)空間的T1WI進(jìn)行配準(zhǔn)，這樣每個(gè)被試的DTI即配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間，使得纖維束的追蹤更加客觀和標(biāo)準(zhǔn)化。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值下2組被試的腦全局網(wǎng)絡(luò)屬性參數(shù)比較

圖1 2組在不同網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值下的小世界性變化曲線

圖2 2組在不同網(wǎng)絡(luò)矩陣閾值下的局部效率變化曲線

圖3 Ne腦映射圖示HC組（a）和SMD組（b）10個(gè)閾值下的Ne平均值。SMD組額下區(qū)及扣帶區(qū)紅色較HC組變淺（數(shù)值變小）。

圖4 NLp腦映射圖示HC組（a）和SMD組（b）10個(gè)閾值下NLp的平均值。SMD組額下區(qū)及扣帶區(qū)藍(lán)色較HC組變淺（數(shù)值增大）。

SMD是一種自我感覺記憶力減退而沒有標(biāo)準(zhǔn)化神經(jīng)生理學(xué)測(cè)試的客觀結(jié)果，老年人中主觀性記憶力減退被認(rèn)為是發(fā)展為AD的風(fēng)險(xiǎn)因素，越來越多的神經(jīng)影像學(xué)研究提示SMD病人腦結(jié)構(gòu)及腦功能發(fā)生了改變，這些改變與AD病人的腦改變有些一致性[13]。然而SMD病人腦改變的神經(jīng)機(jī)制尚不明確，本研究在于探索SMD病人腦網(wǎng)絡(luò)的改變，基于腦網(wǎng)絡(luò)層面探索與記憶力相關(guān)的腦改變。以往研究認(rèn)為老年女性病人及受教育程度低的病人經(jīng)常出現(xiàn)主觀性記憶力減退[14]。盡管本研究中2組間年齡、性別及受教育程度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但在分析2組間的腦網(wǎng)絡(luò)屬性結(jié)果是將其控制為協(xié)變量。利用PFT和圖論分析，結(jié)果顯示SMD病人腦網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)典型的小世界特性，與人腦常規(guī)的小世界組織原則一致，盡管2組間的小世界性差異不顯著，但是當(dāng)閾值設(shè)定為5%、30%和35%時(shí)SMD組的Cp較HC組明顯減低。Cp是整體網(wǎng)絡(luò)局部信息傳輸效率的度量指標(biāo)[15]，反映了全腦局部網(wǎng)絡(luò)的平均連通效率，本研究結(jié)果顯示主觀記憶力減退病人腦結(jié)構(gòu)連通效率減低。

表2 2組被試不同閾值下網(wǎng)絡(luò)效率屬性比較

以往的腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)研究[16]結(jié)果提示兒童后期腦網(wǎng)絡(luò)Eglob明顯增加，而在青少年期Eloc快速增加，因此腦白質(zhì)導(dǎo)致的記憶力減退可能與腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的效率相關(guān)。本研究結(jié)果顯示SMD病人的Eglob無明顯改變，但是Eloc較HC組明顯減低，據(jù)我們所知，這2個(gè)網(wǎng)絡(luò)屬性反映了網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間信息傳輸?shù)恼w能力，是并行信息處理能力的綜合指標(biāo)，本研究結(jié)果表明SMD病人皮質(zhì)區(qū)域連接能力減低。

楔葉、楔前葉和后扣帶回被認(rèn)為與AD病人情節(jié)記憶的信息傳輸相關(guān)[17]，本研究結(jié)果顯示SMD組后扣帶回和額下回島蓋部的Ne較對(duì)照組減低，而節(jié)點(diǎn)NLp較對(duì)照組增加。節(jié)點(diǎn)效率的降低提示這些白質(zhì)連接區(qū)域可能存在神經(jīng)退變，進(jìn)而對(duì)SMD病人的信息傳遞與功能整合產(chǎn)生負(fù)面影響。

本項(xiàng)研究尚存在一定不足。首先，被試主觀記憶力減退缺乏客觀的神經(jīng)生理學(xué)測(cè)試；其次，被試數(shù)量相對(duì)偏少；另外，某些MRI參數(shù)沒有完全固定，但由于主觀性記憶力減退也是一種評(píng)價(jià)指標(biāo)且既往有文獻(xiàn)報(bào)道，某些MRI參數(shù)的不固定是設(shè)備根據(jù)自身?xiàng)l件做出的極小范圍內(nèi)的調(diào)整，可能并不會(huì)在2組間產(chǎn)生大的差別。

總之，主觀性記憶力減退病人腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)仍具有人腦白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)小世界的一般特點(diǎn)，但其腦網(wǎng)絡(luò)局部節(jié)點(diǎn)傳輸效率減低。本研究結(jié)果表明主觀記憶力減退與后扣帶回及額下回島蓋部和其他節(jié)點(diǎn)間的功能連接降低有關(guān)。