成濤 黃小華 匡靜 劉念
基于表面的形態(tài)學(xué) (surface-based morphometry,SBM)是一種對(duì)腦結(jié)構(gòu)MRI進(jìn)行分析的方法,通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、除去顱骨等非腦灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)、腦灰白質(zhì)分割、校正、高斯平滑、重建等系列步驟生成目標(biāo)腦區(qū)的三維重建模式圖,最終計(jì)算出灰質(zhì)厚度、表面積、體積及曲率等腦組織的形態(tài)學(xué)參數(shù),并以此來量化病理生理狀態(tài)下腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變,是目前研究中樞神經(jīng)系統(tǒng)灰質(zhì)(皮質(zhì)及皮質(zhì)下神經(jīng)核團(tuán))的十分重要的技術(shù)手段之一[1]。傳統(tǒng)的基于體素的形態(tài)學(xué)(voxel-based morphometry,VBM)測(cè)量是通過體素間比較分析而定量檢測(cè)出腦灰質(zhì)和白質(zhì)的密度和體積的方法[2],而SBM能對(duì)體積以外的大腦皮質(zhì)厚度、表面積、凹凸度、曲率等進(jìn)行多元化度量,這也是其較VBM最具優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn)。大腦皮質(zhì)是腦表面有序排列的灰質(zhì)(由外向內(nèi)分別為分子層、外顆粒層、錐體細(xì)胞層等),是大腦中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)及最高級(jí)的神經(jīng)活動(dòng)中樞,因此皮質(zhì)厚度、表面積、凹凸度、曲率等參數(shù)能更精確地反映皮質(zhì)神經(jīng)元、神經(jīng)纖維及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的排布狀況。此外,皮質(zhì)厚度和面積在皮質(zhì)形成過程中有特異的分化階段,由不同的基因決定,皮質(zhì)表面積與皮質(zhì)柱的數(shù)量有關(guān),可以反映皮質(zhì)的折疊情況,而皮質(zhì)厚度則與皮質(zhì)柱內(nèi)的細(xì)胞數(shù)量有關(guān)。另外,體積是厚度和表面積的乘積,皮質(zhì)體積減小可由皮質(zhì)厚度變薄和(或)表面積減小引起,因此2個(gè)獨(dú)立參數(shù)比體積的量化更具有針對(duì)性[3];當(dāng)然,體積的測(cè)量也有重要意義,因?yàn)槠べ|(zhì)體積的改變不一定能都對(duì)應(yīng)表面積、厚度的改變(表面積、厚度的改變可能是無差異的)。此外,不同參數(shù)的側(cè)重點(diǎn)也有所不同,表面積、體積、厚度等反映皮質(zhì)整體變化,而曲率則反映局部微結(jié)構(gòu)變化。另外,SBM對(duì)一些肉眼不易觀察出的腦組織細(xì)微改變也具有很高的敏感度。因此,本文就SBM在特發(fā)性全面性癲(idiopathic generalized epilepsy,IGE)、阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease,AD)、 帕金森 病 (Parkinson’s disease,PD)及精神分裂癥等疾病的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。
常規(guī)MRI檢查不能發(fā)現(xiàn)IGE病人的腦組織改變,因此臨床診治困難。SBM可對(duì)全腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行客觀分析,能夠發(fā)現(xiàn)常規(guī)MRI不能檢測(cè)出的腦組織細(xì)微變化。王等[6]發(fā)現(xiàn)IGE病人右顳中回灰質(zhì)變薄,左顳中回表面積減小,左額下回中部、左外側(cè)枕葉、右島葉表面積增大,左顳上回灰質(zhì)表面積和厚度變化差異雖沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但體積減小,可能是表面積與厚度共同作用的結(jié)果。Deng等[7]發(fā)現(xiàn)新發(fā)病且未經(jīng)過藥物治療的IGE病人也存在廣泛腦灰質(zhì)形態(tài)改變,與正常對(duì)照組相比,IGE病人左額中回灰質(zhì)變薄,右側(cè)楔葉和右側(cè)頂葉下回表面積減小,右側(cè)楔葉和左側(cè)額上回灰質(zhì)體積減小 (右側(cè)楔葉體積減小主要與右側(cè)楔葉表面積減小有關(guān)),并且這些改變與發(fā)病年齡、癲 持續(xù)時(shí)間等臨床特征均無關(guān)。此外,Braga等[8]通過測(cè)量扣帶回皮質(zhì)萎縮面積發(fā)現(xiàn)IGE病人的異常部位主要位于扣帶回后部和壓部 (扣帶回前部的異常面積為221.95 mm2,后部及壓部異常面積為718.12mm2),而VBM的體積測(cè)量結(jié)果則提示扣帶回前部灰質(zhì)(扣帶回前部的異常體積為972 mm3,峽部的異常體積為168 mm3)也是主要病變區(qū)域,表明SBM結(jié)合VBM能在空間上更全面地評(píng)估腦組織結(jié)構(gòu)的改變。除多個(gè)腦區(qū)的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)改變外,多項(xiàng)涉及皮質(zhì)下核團(tuán)的研究表明,丘腦作為重要節(jié)點(diǎn)參與到IGE中。Alhusaini等[9]研究發(fā)現(xiàn)青少年JME病人雙側(cè)丘腦體積較正常對(duì)照組減小;Kim等[10]也有類似發(fā)現(xiàn),并發(fā)現(xiàn)雙側(cè)海馬體積同樣縮小。Tondelli等[11]測(cè)量了皮質(zhì)下核團(tuán)的改變,但僅發(fā)現(xiàn)海馬及杏仁體的體積縮小,這可能與其研究對(duì)象為JAE有關(guān)。而Park等[12]則認(rèn)為JME病人的海馬、丘腦等結(jié)構(gòu)的體積與正常者無異,其發(fā)病機(jī)制主要與皮質(zhì)-丘腦的功能連接(fun ctional connection,F(xiàn) C)異常有關(guān)。雖然上述報(bào)道結(jié)果不盡相同,但不可否認(rèn)的是,皮質(zhì)與皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的異??赡軐?duì)IGE的發(fā)生起著重要作用。
AD是一種起病隱匿、進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,常見于中老年人,目前有年輕化的趨勢(shì)。AD的病理表現(xiàn)主要為神經(jīng)原纖維纏結(jié)和β淀粉樣蛋白斑塊形成。大體病理可以看到灰質(zhì)彌漫性萎縮、溝回增寬及腦室擴(kuò)大,隨著病程進(jìn)展病變范圍從海馬、內(nèi)側(cè)顳葉逐漸累及頂葉和額葉,并可以累及皮質(zhì)下神經(jīng)核團(tuán),隨著時(shí)間的推移腦萎縮的程度逐漸加重[13]。
對(duì)于AD病人來說皮質(zhì)體積、厚度的測(cè)量是最有意義的量化指標(biāo),但皮質(zhì)體積、厚度的敏感性并不一樣。相對(duì)于厚度測(cè)量,皮質(zhì)體積測(cè)量對(duì)AD病人的萎縮測(cè)量更敏感[18]。因此,SBM及VBM的體積測(cè)量都具有十分重要的意義,但SBM除能夠量化AD病人的腦組織萎縮及萎縮速度外,還能夠反映病理、生化方面的改變。Schwarz等[14]發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)厚度及體積與神經(jīng)原纖維纏結(jié)程度相關(guān);Allison等[15]則認(rèn)為整個(gè)大腦的萎縮程度能夠直接反映神經(jīng)元退變情況,且與腦脊液中的神經(jīng)絲輕鏈蛋白含量相關(guān),提出結(jié)合腦組織的萎縮情況能夠更好地對(duì)AD病人分期,因?yàn)镾BM能夠提供更多關(guān)于認(rèn)知改變的信息。此外,SBM還多用于AD與輕度認(rèn)知功能障礙(mild cognitive impairment,MCI)的鑒別及評(píng)估 MCI進(jìn)展為 AD的風(fēng)險(xiǎn)。Zhao等[16]發(fā)現(xiàn)AD病人和MCI病人的左側(cè)額中回和左側(cè)眶額回的灰質(zhì)此正常對(duì)照組的要薄,并且海馬體積較??;同時(shí)發(fā)現(xiàn)AD病人左側(cè)眶額回灰質(zhì)比MCI病人的更薄,雙側(cè)海馬、右側(cè)殼核的體積也更小。Yang等[17]通過對(duì)比AD病人、遺忘型MCI(amnestic MCI,aMCI)病人與正常對(duì)照組的大腦結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),AD病人36個(gè)腦區(qū)中有17個(gè)腦區(qū)的灰質(zhì)厚度小于aMCI病人及正常對(duì)照組;另外,36個(gè)腦區(qū)中有3個(gè)腦區(qū)的灰質(zhì)表面積小于aMCI病人及正常對(duì)照組;但在AD病人與aMCI病人間并未發(fā)現(xiàn)有顯著差異的腦區(qū),這與Zhao等[16]的結(jié)果并不一致,可能與其只納入aMCI病人有關(guān)。Jack等[19]發(fā)現(xiàn)進(jìn)展型aMCI(progressive aMCI,aMCIp)病人的海馬、內(nèi)嗅皮質(zhì)、全腦體積的年萎縮率最高,穩(wěn)定型aMCI(stable aMCI,aMCIs)次之,正常對(duì)照組則最小。Falahati等[20]進(jìn)一步利用疾病嚴(yán)重程度指數(shù)(severity index,SI)來評(píng)估MCI進(jìn)展為AD的風(fēng)險(xiǎn),SI為一種縱向腦萎縮變化指數(shù),根據(jù)基線期及隨訪各個(gè)時(shí)間點(diǎn)灰質(zhì)及灰質(zhì)下核團(tuán)厚度及體積計(jì)算獲得,結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)展型MCI(progressive MCI,MCIp)病人在基線期的 SI指數(shù)相比穩(wěn)定型 MCI(stable MCI,MCIs)病人更高,且隨訪期間的SI指數(shù)增長(zhǎng)更快。Zhao等[21]通過探討海馬及海馬亞區(qū)在AD不同時(shí)期的體積發(fā)現(xiàn),隨著AD的進(jìn)展,海馬CA1區(qū)、下托、前下托、分子層和海馬傘的體積逐漸減小,并且左下托的體積與聽覺詞匯學(xué)習(xí)量表(auditory verbal learningtest,AVLT)高度相關(guān)。Ming等[22]則利用大腦灰質(zhì)厚度、平均凹凸度、局部度量失真3個(gè)參數(shù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法來對(duì)輕度AD及正常對(duì)照組進(jìn)行分類,結(jié)果顯示3項(xiàng)指標(biāo)的最佳分類準(zhǔn)確度為73%~79%。
PD是一種以中腦黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元缺失為主要病理改變的慢性神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病,對(duì)PD的影像學(xué)研究多集中于黑質(zhì)致密帶測(cè)量、黑質(zhì)體積測(cè)量以及黑質(zhì)鐵沉積的相關(guān)測(cè)定。但隨著PD的進(jìn)展,病變逐漸向黑質(zhì)以外腦區(qū)發(fā)展,因此PD也常常伴有其他神經(jīng)系統(tǒng)癥狀[23-24]。
Gao等[25]利用Freesurfer軟件研究皮質(zhì)厚度與早期PD的關(guān)系,研究人員以Hoehn-Yahr評(píng)分1.5分為閾值,把PD病人分為輕、中度組,并測(cè)量全腦皮質(zhì)厚度,結(jié)果顯示2組PD病人多個(gè)腦區(qū)(包括梭狀回、顳極、左側(cè)島葉)的皮質(zhì)厚度均變薄,而且雙側(cè)梭狀回及左側(cè)顳極皮質(zhì)厚度與統(tǒng)一帕金森評(píng)分第三部分(unified Parkinson’s disease rating scale partⅢ,UPDRS-Ⅲ)評(píng)分高度相關(guān)。Wilson等[26]則參照病程、Hoehn-Yahr評(píng)分、UPDRS-Ⅲ評(píng)分把PD病人分為輕度、中度及重度3組并與正常對(duì)照組比較,結(jié)果顯示輕度PD病人眶額葉及額上回灰質(zhì)變薄,中度PD病人額中回及頂下小葉灰質(zhì)變薄,而重度PD病人除上述區(qū)域外顳葉及枕葉的灰質(zhì)也有變?。淮送?,對(duì)于皮質(zhì)下核團(tuán)的分析顯示,中度PD病人的皮質(zhì)下核團(tuán)(僅丘腦和海馬)的體積縮小,而重度PD病人進(jìn)一步延展到尾狀核和杏仁核;并且,上述這些區(qū)域的灰質(zhì)丟失與病程及運(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重程度相關(guān)。凍結(jié)步態(tài)是PD病人的常見癥狀,Pietracupa等[27]發(fā)現(xiàn)伴有凍結(jié)步態(tài)的PD病人雙側(cè)大腦半球中的多個(gè)腦區(qū)(額上回、中央旁小葉、后扣帶回等)灰質(zhì)厚度及表面積減小,SBM體積測(cè)量結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)異常腦區(qū);但有研究對(duì)伴有凍結(jié)步態(tài)的PD病人進(jìn)行VBM測(cè)量顯示存在多個(gè)腦區(qū)的灰質(zhì)體積減少 (說明VBM也具有重要意義)[28]。除灰質(zhì)結(jié)構(gòu)改變外Pietracupa等[27]還發(fā)現(xiàn)伴有凍結(jié)步態(tài)的病人的上縱束、鉤狀束和下縱束(主要在右半球)等白質(zhì)的FA值也較正常對(duì)照組減低。Koshimori等[29]分析不同程度的伴認(rèn)知功能障礙的PD病人大腦灰白質(zhì)變化發(fā)現(xiàn),灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化與PD臨床后遺癥具有相關(guān)性,伴認(rèn)知功能障礙的PD病人在感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域 (左側(cè)中央前后回)和認(rèn)知區(qū)域(左背外側(cè)額上回)灰質(zhì)變薄明顯,而且DTI顯示病人雙側(cè)額葉和顳區(qū)白質(zhì)的MD值升高,相關(guān)性分析表明皮質(zhì)厚度與認(rèn)知及執(zhí)行能力呈正相關(guān),MD值與認(rèn)知及執(zhí)行能力呈負(fù)相關(guān),因此認(rèn)為額葉的灰白質(zhì)結(jié)構(gòu)異??赡苁荘D病人出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙的病理生理基礎(chǔ)。Zanigni等[30]發(fā)現(xiàn)合并抑郁癥的PD病人雙側(cè)楔前葉灰質(zhì)較正常對(duì)照組及無抑郁癥的PD病人明顯增厚,并且與Beck抑郁評(píng)分量表呈正相關(guān),即使在疾病的早期,輕度-中度抑郁的PD病人,楔前葉灰質(zhì)增厚也很明顯,表明PD合并相關(guān)抑郁癥的病人很早就可累及該區(qū)域。除能解釋多種PD伴隨癥狀外,Muthuraman等[31]提出能用額葉皮質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性來評(píng)估深部腦刺激(deep brain stimulation,DBS)的治療效果,研究者通過分析不伴有癡呆的PD病人發(fā)現(xiàn),雖然經(jīng)過DBS手術(shù)后所有病人的癥狀都能夠改善,但額葉灰質(zhì)變薄較額葉灰質(zhì)無異常的PD病人明顯需要更高的刺激電壓。
精神分裂癥是一種與思維解體和感知、情感、思維、行為等多方面異常的大腦灰質(zhì)功能障礙性疾病。前額葉灰質(zhì)、顳葉灰質(zhì)、邊緣系統(tǒng)被認(rèn)為是精神分裂癥的主要病變區(qū)域[32],目前則逐漸深入到皮質(zhì)下核團(tuán)的研究中,并已經(jīng)確定多個(gè)皮質(zhì)下核團(tuán)參與其中。
既往VBM研究顯示精神分裂癥病人存在額葉、顳葉和邊緣區(qū)域(包括島葉和前扣帶回皮質(zhì))的體積減少[33],F(xiàn)ornito等[34]進(jìn)一步利用 SBM研究發(fā)現(xiàn),精神分裂癥病人前扣帶回雙側(cè)邊緣區(qū)域灰質(zhì)厚度明顯變薄,而前扣帶回邊緣及邊緣旁區(qū)域的表面積明顯增大。陶等[35]采用SBM分析精神分裂癥病人及正常對(duì)照組的3DT1WI數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn),精神分裂癥病人的左側(cè)顳中回、中央前回、額上回、額中回灰質(zhì)變?。ㄒ卜蟅BM的結(jié)果),右側(cè)額中回、眶額回、中央后回、額中回上部及中央前回灰質(zhì)變厚(可能是年齡對(duì)皮質(zhì)厚度的雙向性影響所致),表明SBM能對(duì)皮質(zhì)形態(tài)進(jìn)行更精細(xì)地度量。Rich等[36]進(jìn)一步分析了多個(gè)皮質(zhì)下核團(tuán)(丘腦、尾狀核、殼核、杏仁核、海馬等)的體積,結(jié)果顯示早期的精神分裂癥病人僅平均杏仁核體積減小,而其他結(jié)構(gòu)體積并無差異,因此認(rèn)為早期疾病過程中杏仁核體積的改變可能反映了疾病發(fā)展特有的病理生理變化。Zheng等[37]同樣研究了精神分裂癥病人的海馬及杏仁核亞區(qū)等皮質(zhì)下核團(tuán),但結(jié)果顯示除杏仁核亞區(qū)的體積減小,多個(gè)海馬亞區(qū)體積在精神分裂癥病人中也減小,這與Rich的結(jié)果不盡相同,可能與研究者納入了不同病程的病人有關(guān),隨著病程的發(fā)展,病變累及范圍也越大。Walton等[38]還發(fā)現(xiàn)精神分裂癥病人陽性癥狀或陽性得分的嚴(yán)重程度與雙側(cè)大腦半球顳上回灰質(zhì)厚度呈負(fù)相關(guān)。此外,SBM也用于精神分裂癥與分裂型障礙等疾病的鑒別中,Takayanagi等[3]發(fā)現(xiàn)精神分裂癥、分裂型障礙病人皮質(zhì)異常區(qū)存在顯著差異,精神分裂癥病人表現(xiàn)出廣泛的灰質(zhì)變薄,主要發(fā)生在額葉和顳葉區(qū)域;分裂型障礙病人則主要在左側(cè)梭狀回和海馬旁回、右側(cè)額上回、右側(cè)額下回區(qū)域;與分裂型障礙病人相比,精神分裂癥病人的左中央前回和中央旁回灰質(zhì)更薄。Rimol等[39]則發(fā)現(xiàn)與正常對(duì)照組相比,精神分裂癥病人的額顳葉灰質(zhì)體積普遍減小,并指出這些改變也主要是由灰質(zhì)變薄引起的,而與Ⅰ型雙相情感障礙病人相比,精神分裂癥病人也存在廣泛的額顳葉灰質(zhì)體積減小,但灰質(zhì)體積減小的效應(yīng)是由灰質(zhì)表面積的減小引起的。
SBM的應(yīng)用范圍十分廣泛,除上述研究中提到的疾病,還包括多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)原發(fā)性或者繼發(fā)性疾病。Kim等[40]發(fā)現(xiàn)短暫性全面遺忘癥(transient global amnesia,TGA)病人雙側(cè)大腦半球中的多個(gè)腦區(qū)的灰質(zhì)厚度較正常對(duì)照組顯著變薄,左半球多個(gè)腦區(qū)的灰質(zhì)體積較正常對(duì)照組也顯著減小,并且認(rèn)為灰質(zhì)體積減小主要是由灰質(zhì)厚度減小引起,因?yàn)榛屹|(zhì)表面積在TGA病人與正常對(duì)照組中無異。此外,癥狀發(fā)作持續(xù)時(shí)間與灰質(zhì)厚度也顯著相關(guān)。Wang等[41]利用Freesurfer軟件評(píng)價(jià)輕度創(chuàng)傷性腦損傷(mild traumatic brain injuries,mTBI)的大腦灰質(zhì)厚度變化,結(jié)果顯示與非mTBI組相比,mTBI組在左側(cè)額中回和右側(cè)楔前葉處的大腦灰質(zhì)較厚,創(chuàng)傷后7 d左右左側(cè)顳中回灰質(zhì)較薄,3個(gè)月后mTBI組左側(cè)額中回灰質(zhì)厚度減小,而非mTBI組則沒有,研究認(rèn)為上述改變與創(chuàng)傷后應(yīng)激有關(guān),并且灰質(zhì)厚度的變化有助于評(píng)估病人的恢復(fù)情況。Im等[42]發(fā)現(xiàn)酒精使用障礙病人的額葉、頂葉、顳葉、枕葉和島葉的皮質(zhì)體積及丘腦、海馬等皮質(zhì)下核團(tuán)體積均小于正常對(duì)照組,并且這些差異也主要由皮質(zhì)厚度改變引起。此外,SBM還常用于抑郁、焦慮、自閉癥等多種精神疾病的研究[43-44],這些疾病也存在多個(gè)腦區(qū)的結(jié)構(gòu)改變,表明精神疾病不僅僅是功能障礙性疾病,也可能存在腦結(jié)構(gòu)的異常。上述這些改變究竟是繼發(fā)于功能改變還是原發(fā)性的目前存在爭(zhēng)議,但這些腦結(jié)構(gòu)的改變作為疾病診斷、分級(jí)的潛在生物標(biāo)志物仍具有重要作用。
SBM是近年來隨著計(jì)算神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展而發(fā)展起來的腦結(jié)構(gòu)分析方法,是腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)定量評(píng)價(jià)最重要的技術(shù)手段之一,對(duì)于病理生理機(jī)制的研究、疾病診斷、鑒別診斷、分級(jí)等具有十分重要的意義。但就目前研究來看還存在諸多問題,如研究對(duì)象(亞型、病程變化、治療措施)、掃描設(shè)備、成像序列和參數(shù),以及后處理算法的差異會(huì)使研究結(jié)果不一致(病變的定位不一致、病變的嚴(yán)重程度不一致),再加上不同疾病的表現(xiàn)可能重疊,使得解釋病變的機(jī)制及評(píng)估病變程度受到一定影響。因此,更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及更穩(wěn)定的后處理過程是后續(xù)研究中提高結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。另外,需要更多細(xì)胞學(xué)方面的基礎(chǔ)研究(比如皮質(zhì)厚度、表面積等參數(shù)的改變與細(xì)胞數(shù)量、細(xì)胞體積、細(xì)胞外基質(zhì)、細(xì)胞周圍間隙、神經(jīng)軸突張力等的關(guān)系)來解釋SBM的結(jié)果。當(dāng)然,要深入認(rèn)識(shí)某種疾病,除了解其結(jié)構(gòu)改變(即使都使用腦結(jié)構(gòu)分析軟件,但算法上的差異也會(huì)使得對(duì)同一種疾病的敏感性出現(xiàn)差異,因此根據(jù)需要選擇合適的分析軟件或者結(jié)合使用是必要的),還需要結(jié)合反映代謝的MRS、反映血流的灌注加權(quán)成像、反映神經(jīng)元功能的血氧水平依賴成像,乃至細(xì)胞、生化等多種技術(shù),以實(shí)現(xiàn)相互交叉驗(yàn)證,共同佐證推理。