基于DTI數(shù)據(jù)分析輕度認(rèn)知功能障礙患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

胡綺莉，王湘彬，李蕓菲，宋英杰，孟凡華，張思斯，趙小虎*

(1.復(fù)旦大學(xué)附屬上海市第五人民醫(yī)院放射科，上海 200240；2.同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院放射科，上海 200065)

阿爾茨海默病(Alzheimer's diseases, AD)是世界范圍內(nèi)嚴(yán)重危害人類健康的疾病之一，目前對其發(fā)病機(jī)制尚不明確，亦缺乏早期診斷方法及有效治療措施[1]。輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment, MCI)被認(rèn)為是AD臨床前期，已成為衰老和認(rèn)知障礙領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[2]。基于腦網(wǎng)絡(luò)角度研究MCI可為探索其發(fā)病機(jī)制提供新視角。人腦網(wǎng)絡(luò)可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和功能網(wǎng)絡(luò)。既往研究[3-4]多關(guān)注于MCI患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)變化，對其腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究較少，且結(jié)果不一致[5-7]。本研究基于DTI數(shù)據(jù)構(gòu)建腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，探索MCI患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是否具有小世界屬性及其特征性改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2013年1月—2014年6月于同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院就診的26例MCI患者(MCI組)，男18例，女8例，年齡60～83歲，平均(73.8±7.4)歲；同時收集27名健康老年人為對照(NC組)，男19名，女8名，年齡61～85歲，平均(74.3±6.4)歲。MCI組納入標(biāo)準(zhǔn)：①主訴或代訴記憶減退，病程超過3個月；②認(rèn)知能力評價：根據(jù)不同受教育程度，以簡易智能精神狀態(tài)檢查量表(mini-mental state examination, MMSE)對患者進(jìn)行評分，文盲17分、小學(xué)≥21分、中學(xué)及以上≥24分；③存在記憶受損客觀證據(jù)；④日?；顒幽芰o顯著缺損或輕微受損；⑤未達(dá)癡呆標(biāo)準(zhǔn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①其他癡呆核心癥狀或顯著特征，如帕金森病、額顳葉癡呆等；②明確卒中史；③頭顱MRI提示存在廣泛或多發(fā)腦梗死、嚴(yán)重白質(zhì)病變、腫瘤、腦出血等器質(zhì)性病變；④其他引起進(jìn)行性記憶和認(rèn)知功能損害疾病或藥物過量或濫用；⑤重大系統(tǒng)性疾病或不穩(wěn)定醫(yī)療狀況；⑥抑郁癥；⑦M(jìn)RI禁忌證。本研究經(jīng)同濟(jì)大學(xué)附屬同濟(jì)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)[批準(zhǔn)號：LL(H)0-12-36]，受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Seimens Verio 3.0T超導(dǎo)型MRI系統(tǒng)行顱腦MR檢查，配備標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈，以泡沫墊固定頭部；掃描參數(shù)：軸位DTI，TR 13 100 ms，TE 92 mm，層厚2 mm，層間距 0 mm，矩陣128×128，層數(shù)70，Direction 30，激勵次數(shù)NEX 2，b值0、1 000 s/mm2。

圖1 構(gòu)建二值化腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)示意圖 A～B.MCI組(A)及NC組(B)全腦白質(zhì)纖維束圖； C.大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)圖； D～E.MCI組(D)及NC組(E)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)90×90加權(quán)矩陣圖

1.3 認(rèn)知能力評估 由2名具有10年精神科工作經(jīng)驗的經(jīng)過專門培訓(xùn)的主治醫(yī)師對所有受試者進(jìn)行MMSE測試及Mattis癡呆評定量表(Dementia rating scale, DRS)中文版測試，評價其認(rèn)知能力等。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示。采用兩樣本t檢驗比較2組間年齡、MMSE評分及不同T值腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特征參數(shù)的差異。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2組受試者認(rèn)知能力 2組間年齡差異無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.22，P=0.83)。MCI組DRS評分(132.30±5.00)顯著大于NC組(112.00±4.90，t=14.93，P<0.01)，MMSE分?jǐn)?shù)(27.35±1.55)顯著低于NC組(28.33±1.33，t=2.47，P=0.02)。見圖2。

圖2 2組DRS(A)和MMSE(B)分值柱狀圖

2.2 2組受試者大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小世界性差異 1≤T≤5時，MCI組γ=4.41±0.60，λ=1.13±0.02，σ=3.87±0.47；NC組γ=4.31±0.65，λ=1.13±0.01，σ=3.80±0.53；2組受試者大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均同時滿足γ>1和λ≈1且σ=γ/λ>1(圖3)，即大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均具有小世界特性。

圖3 不同T值時MCI組與NC組的γ、λ、σ值線圖 A.γ值； B.λ值； C.σ值

MCI組Cp=0.41±0.03，Lp=2.62±0.25，Elocal=0.58±0.07，Eglobal=0.39±0.04；NC組Cp=0.41±0.03，Lp=2.50±0.23，Elocal=0.60±0.06，Eglobal=0.40±0.04。T=1、2、3、4、5時，MCI組Cp與NC組差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(t=0.05、0.82、1.03、0.04、1.15，P均>0.05)；MCI組Lp均顯著大于NC組(t=2.12、2.06、2.56、2.29、2.43，P均<0.05)；T=2時，MCI組Elocal低于NC組(t=2.32，P<0.05)，T=1、2、3、4時，MCI組Eglobal均低于NC組(t=2.06、2.43、2.32、2.29，P均<0.05)。見圖4。

圖4 不同T值時MCI組與NC組小世界參數(shù)CP、LP、Elocal、Eglobal的線圖 A.Cp值； B.Lp值； C.Elocal值； D.Elocal值 注：*組間比較P<0.05

3 討論

人腦網(wǎng)絡(luò)大致可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和功能網(wǎng)絡(luò)，基于MRI研究發(fā)現(xiàn)人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)主要與腦區(qū)體積、皮層厚度、白質(zhì)FN等相關(guān)[10-11]。ZHANG等[6]測量遺忘型MCI(amnesia-MCI,a-MCI)患者腦區(qū)平均彌散率(mean diffusivity, MD)并構(gòu)建皮層網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)其腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有小世界特性。BAI等[5]基于DTI數(shù)據(jù)以FN為閾值構(gòu)建aMCI患者的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)其存在小世界屬性。本研究結(jié)果顯示MCI組及NC組腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均具有小世界屬性。前期研究[2]還發(fā)現(xiàn)MCI患者的大腦fMRI網(wǎng)絡(luò)同樣具有小世界特性，且較正常老年人增強(qiáng)，為MCI患者大腦網(wǎng)絡(luò)具有小世界特性提供了支持。

本研究比較MCI組與NC組大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)小世界參數(shù)變化，發(fā)現(xiàn)MCI組的小世界屬性本質(zhì)相比NC組未見改變，但其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)特征發(fā)生了改變，MCI組LP高于NC組，而Eglobal、Elocal降低，提示MCI患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)局部信息傳遞能力和腦區(qū)之間信息整合能力受損，這對從網(wǎng)絡(luò)角度研究MCI病理機(jī)制具有重要意義。Lp和Eglobal度量全局網(wǎng)絡(luò)信息傳輸能力；Lp越短，Eglobal越高，遠(yuǎn)距離腦區(qū)間信息傳輸效率越高[12]。SHU等[7]發(fā)現(xiàn)多領(lǐng)域型aMCI患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)Lp顯著增加。DAIANU 等[13]認(rèn)為MCI患者Eglobal相比正常受試者顯著降低，本研究結(jié)果與之相符，可能由于MCI患者白質(zhì)纖維束受損，遠(yuǎn)距離腦區(qū)間信息整合、傳遞能力下降。Elocal反映網(wǎng)絡(luò)局部信息傳遞及處理能力[14]。BAI 等[5]基于DTI觀察MCI患者腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)其額頂葉內(nèi)部分區(qū)域Elocal顯著下降，本研究結(jié)果與之相符。MCI患者腦功能網(wǎng)絡(luò)Elocal較正常老年人顯著增高[3]，與結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)果相反，提示MCI患者結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)局部信息處理能力受損，但功能上出現(xiàn)了補(bǔ)償機(jī)制。ZHANG等[6]發(fā)現(xiàn)MCI患者Lp下降；SHU等[7]觀察到多領(lǐng)域型aMCI患者CP升高；BAI等[5]指出MCI患者額頂葉部分區(qū)域CP顯著下降。本組結(jié)果與上述研究不盡一致，原因可能為：①大腦損害程度在疾病不同階段有所不同[15]；②網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法不同，文獻(xiàn)[6]以MD值構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，而本研究采用FN值構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)[5]雖亦以FN為閾值，但只觀察了FN=3的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；③樣本量較小。

綜上所述，MCI患者大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有小世界特性，但其小世界特性受損。