腦小血管病患者認(rèn)知障礙早期功能網(wǎng)絡(luò)連接性研究

陸佩文，楊潔，鄧秋瓊，俞羚，曹雯煒，杜靜，汪耀，周滟，徐群，

腦小血管病（cerebral small vessel disease，CSVD）是導(dǎo)致血管性認(rèn)知障礙（vascular cognitive impairment，VCI）最常見(jiàn)的原因[1]，導(dǎo)致約45%的癡呆[2]。其早期認(rèn)知損害特點(diǎn)為信息加工速度和執(zhí)行功能受損，短時(shí)記憶相對(duì)保留，隨著病情的進(jìn)展可累及記憶、語(yǔ)言、視空間等多個(gè)認(rèn)知域[3-4]。CSVD在MRI上主要表現(xiàn)為皮質(zhì)下腔隙性梗死和（或）廣泛白質(zhì)病變，導(dǎo)致最具同質(zhì)性的皮質(zhì)下型VCI[5]。

靜息態(tài)功能磁共振成像（resting-state functional MRI，rs-fMRI）利用血氧水平依賴(lài)（blood oxygen level-dependent，BOLD）信號(hào)的時(shí)間相關(guān)性來(lái)構(gòu)建功能連接，是研究認(rèn)知障礙的重要成像技術(shù)。CSVD患者功能連接異常與認(rèn)知的相關(guān)性已在研究中得到證實(shí)[6]?；趓s-fMRI的腦網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)一步表明CSVD患者的認(rèn)知障礙與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（default mode network，DMN）、額頂控制網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（dorsal attention network，DAN）等大尺度功能網(wǎng)絡(luò)破壞有關(guān)[7]。但在CSVD認(rèn)知障礙早期，這些大尺度功能網(wǎng)絡(luò)之間是如何相互影響與變化的，尚未有研究進(jìn)行針對(duì)性探索。

功能網(wǎng)絡(luò)連接性（functional network connectivity，F(xiàn)NC）可用來(lái)衡量大腦功能性靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)（resting-state network，RSN）之間的統(tǒng)計(jì)依賴(lài)性，每個(gè)RSN可由多個(gè)遠(yuǎn)程腦區(qū)組成。相較于由單個(gè)腦區(qū)兩兩之間構(gòu)成的功能連接，F(xiàn)NC可在更大尺度探索大腦功能連接的組織模式及其在疾病中的變化。近年來(lái)，研究者們已在精神分裂癥[8]、微小肝性腦病[9]、偏頭痛[10]等疾病中通過(guò)構(gòu)建FNC對(duì)RSN之間的連接模式進(jìn)行探索[11]，但對(duì)FNC在CSVD引起的皮質(zhì)下型VCI中作用的研究尚留有空白。本研究擬對(duì)非癡呆CSVD患者的FNC進(jìn)行觀察和比較，以明確CSVD認(rèn)知障礙早期大尺度RSN連接模式的變化。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 2015年7月-2018年12月，從上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科腦卒中門(mén)診前瞻性連續(xù)招募患有CSVD但無(wú)癡呆的卒中后患者，受試者均接受標(biāo)準(zhǔn)基線(xiàn)評(píng)估，包括完整的人口社會(huì)學(xué)調(diào)查、血管危險(xiǎn)因素（其中吸煙為連續(xù)或累計(jì)吸煙6個(gè)月及以上）、神經(jīng)心理學(xué)評(píng)估和多模態(tài)MRI檢查，具體招募流程如圖1所示。本研究經(jīng)上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟(jì)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，受試者均簽署知情同意。

圖1 患者招募流程圖

入組標(biāo)準(zhǔn)：①年齡50～85歲；②教育年限≥6 年；③癥狀性缺血性卒中后至少1個(gè)月；④急性梗死灶的最大直徑不超過(guò)2 cm；⑤MRI上有皮質(zhì)下腔隙性梗死灶和白質(zhì)病變；⑥mRS≤3分。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①非血管因素引起的白質(zhì)病變，如結(jié)節(jié)病、多發(fā)性硬化等；②皮質(zhì)和（或）皮質(zhì)下非腔隙性腦梗死；③明確診斷為存在其他導(dǎo)致認(rèn)知障礙的病因，如阿爾茨海默病、帕金森病、正常顱壓腦積水、甲狀腺功能減退、維生素B12缺乏等；④17項(xiàng)漢密爾頓抑郁評(píng)分≥24分；⑤顱內(nèi)外血管狹窄≥50%；⑥心房顫動(dòng)；⑦酗酒、吸毒或嚴(yán)重精神疾??；⑧嚴(yán)重的心、肝、腎等重要臟器疾??；⑨無(wú)法配合神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試或存在MRI禁忌證；⑩經(jīng)美國(guó)精神疾病診斷標(biāo)準(zhǔn)（DSM-Ⅴ）診斷為癡呆。

1.2 神經(jīng)心理學(xué)評(píng)估及分組 研究對(duì)象在完成MRI檢查后1周內(nèi)進(jìn)行全認(rèn)知域神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試，包括：①總體認(rèn)知篩查：MoCA和MMSE量表；②注意和執(zhí)行功能：數(shù)字連線(xiàn)測(cè)試A/B（trail-making test A/B，TMT-A/B）、Stroop色詞測(cè)驗(yàn)（Stroop color word test，SCWT）、數(shù)字符號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)驗(yàn)（digit symbol substitution test，DSST）和1分鐘動(dòng)物命名測(cè)試（verbal fluency test，VFT）；③語(yǔ)言功能：波士頓命名測(cè)驗(yàn)（Boston naming test，BNT）；④記憶功能：聽(tīng)覺(jué)詞語(yǔ)學(xué)習(xí)測(cè)驗(yàn)（auditory verbal learning test，AVLT），分為短時(shí)自由回憶（AVLT-4）和長(zhǎng)延遲自由回憶（AVLT-5）；⑤視空間功能：復(fù)雜圖形復(fù)制（complex figure test copy，CFT-copy）。

根據(jù)患者的認(rèn)知狀態(tài)進(jìn)行分組：①無(wú)認(rèn)知障礙（no cognitive impairment，NCI）組：患者各項(xiàng)認(rèn)知域神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試結(jié)果均位于正常范圍內(nèi)；②輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI）組：患者存在一項(xiàng)或以上神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試評(píng)分低于對(duì)照人群平均值的1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差[12-13]。

1.3 MRI采集 通過(guò)GE Signa HDxt 3.0T MRI掃描儀采集被試多模態(tài)全腦MRI，采用標(biāo)準(zhǔn)的八通道泡沫墊頭部線(xiàn)圈來(lái)限制頭部運(yùn)動(dòng)。在采集rs-fMRI時(shí)，受試者被要求保持閉目清醒。本研究所涉及的MRI序列如下：①軸向T1加權(quán)快速回波序列：重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）331 ms，回波時(shí)間（echo time，TE）4.6 ms，視野256 mm×256 mm，矩陣512×512，層厚4 mm，層數(shù)34，層間距0；②軸向T2加權(quán)自旋回波序列：TR 3013 ms，TE 80 ms，視野256 mm×256 mm，矩陣512×512，層厚4 mm，層數(shù)34，層間距0；③FLAIR T2加權(quán)成像：TR 9075 ms，TE 150 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間2250 ms，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚2 mm，層數(shù)66，層間距0，激發(fā)次數(shù)1，偏轉(zhuǎn)角90°；④矢狀位3D快速擾向梯度回波序列（3D-SPGR）：TR 6.1 ms，TE 2.8 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間450 ms，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層數(shù)166，層間距0，偏轉(zhuǎn)角15°；⑤rs-fMRI：TR 2000 ms，T E 30 ms，視野230 m m×230 m m，矩陣6 4×6 4，層厚4 m m，層數(shù)3 4，層間距0，掃描持續(xù)440 s；⑥3D增強(qiáng)T2加權(quán)血管造影（ESWAN）：TR 53.58 ms，TE 23.9 ms，視野240 mm×240 mm，矩陣320×288，層厚2 mm，層間距0，層數(shù)72，激發(fā)次數(shù)0.7，偏轉(zhuǎn)角20°。

1.4 MRI數(shù)據(jù)處理及分析

1.4.1 MRI數(shù)據(jù)預(yù)處理 采用GRETNA軟件[14]對(duì)rs-fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，具體步驟為：①去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)；②時(shí)間層校正：以中間層作為參考層；③頭動(dòng)校正：以去除時(shí)間點(diǎn)后的第一張圖像作為標(biāo)準(zhǔn)，去除頭動(dòng)大于2 mm或2°的被試；④空間標(biāo)準(zhǔn)化：采用DARTEL標(biāo)準(zhǔn)化策略，借助T1結(jié)構(gòu)像進(jìn)行2步配準(zhǔn)；⑤空間平滑：取高斯平滑核大小為6 mm×6 mm×6 mm。

1.4.2 獨(dú)立成分分析 獨(dú)立成分分析（independent component analysis，ICA）通過(guò)優(yōu)化算法可將rs-fMRI數(shù)據(jù)分為若干相互獨(dú)立的成分。本研究使用GIFT軟件（http：//icab.sourceforge.net）中的Infomax算法執(zhí)行組水平空間ICA；用GIFT自帶算法來(lái)估計(jì)獨(dú)立成分（independent component，IC）的數(shù)量為46；采用兩步主成分分析法將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)分解為46個(gè)IC；用ICASSO算法以確保所估計(jì)IC的穩(wěn)定性；最后用GICA算法將組水平分離出的IC反向重建回每個(gè)被試個(gè)體。

1.4.3 RSN挑選 由兩名經(jīng)驗(yàn)豐富的神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)師根據(jù)既往文獻(xiàn)[10，15-16]和功能網(wǎng)絡(luò)的解剖位置分別獨(dú)立對(duì)46個(gè)IC進(jìn)行挑選，由第三位醫(yī)師對(duì)有爭(zhēng)議的IC進(jìn)行判斷，并經(jīng)討論與另兩位醫(yī)師達(dá)成一致，最終挑選出22個(gè)有意義的IC（圖2），構(gòu)成9大RSN：視覺(jué)網(wǎng)絡(luò)（visual network，VN）、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(sensorimotor network，SMN)、DMN、DAN、聽(tīng)覺(jué)網(wǎng)絡(luò)（auditory network，AN）、左額頂網(wǎng)絡(luò)（left frontoparietal network，LFPN)、右額頂網(wǎng)絡(luò)（right frontoparietal network，RFPN）、突顯網(wǎng)絡(luò) (salience network，SN)、執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（executive control network，ECN）。挑選RSN的基本原則為：①所選IC的峰值坐標(biāo)需落在灰質(zhì)區(qū)，且與腦脊液、偽影、大血管等無(wú)過(guò)多重疊；②功率譜的主體需落在低頻區(qū)域，低頻功率是高頻功率的2倍以上（PowerLF/PowerHF＞2）。

1.4.4 FNC計(jì)算和統(tǒng)計(jì) 利用GIFT軟件包進(jìn)行FNC計(jì)算和統(tǒng)計(jì)。在構(gòu)建FNC之前，對(duì)rsfMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行去線(xiàn)性趨勢(shì)和濾波處理，隨后提取9個(gè)RSN中22個(gè)IC的時(shí)間序列，計(jì)算22個(gè)IC兩兩之間時(shí)間序列的配對(duì)Pearson相關(guān)系數(shù)，采用Fisher’s Z變換將其轉(zhuǎn)換為Z值，并將年齡、性別、教育年限作為無(wú)關(guān)協(xié)變量，在MCI和NCI間進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 除利用GIFT軟件包進(jìn)行FNC組間比較外，余統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均在SPSS 25.0軟件上進(jìn)行。以表示正態(tài)分布的計(jì)量資料；以中位數(shù)（四分位數(shù)間距）表示偏態(tài)分布的計(jì)量資料；以百分比表示計(jì)數(shù)資料。雙樣本t 檢驗(yàn)、非參數(shù)秩和檢驗(yàn)（Mann-Whitney U檢驗(yàn)）分別用于正態(tài)和非正態(tài)分布的計(jì)量資料的比較；計(jì)數(shù)資料的組間比較采用χ2檢驗(yàn)。對(duì)連續(xù)正態(tài)分布變量進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，對(duì)非連續(xù)變量進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。雙側(cè)P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖2 22個(gè)獨(dú)立成分在靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的分布

2 結(jié)果

2.1 兩組基線(xiàn)資料、認(rèn)知功能的比較 本研究共納入CSVD患者185例，平均年齡為64.6±7.2歲，男性占78.4%，其中MCI組117例（63.2%），NCI組68例（36.8%）。MCI組與NCI組相比，男性較少（P=0.035），教育年限偏低（P=0.003），兩組患者在余人口社會(huì)學(xué)、血管危險(xiǎn)因素方面差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；兩組在各認(rèn)知領(lǐng)域（總體認(rèn)知、注意和執(zhí)行、語(yǔ)言、記憶、視空間）差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.001）（表1）。

2.2 兩組FNC比較 校正年齡、性別、教育年限后，在IC水平，MCI相較于NCI，在AN-41與DMN-35，RFPN-26與AN-27，RFPN-26與ECN-19之間的功能連接減弱，涉及AN、DMN、ECN、RFPN四大功能網(wǎng)絡(luò)；在DMN-44與VN-23，AN-13與DMN-6、DMN-16、DMN-44之間的功能連接增強(qiáng)，涉及DMN、AN、VN三大功能網(wǎng)絡(luò)（均P＜0.05）（圖3A）。在大尺度RSN水平，MCI相較于NCI在ECN和RFPN之間的功能連接減弱（均P＜0.05）（圖3B）。以上結(jié)果用更直觀的圈狀圖表示（圖3C）。

2.3 FNC改變與認(rèn)知功能的相關(guān)性分析 校正年齡、性別及教育年限后，除RFPN-26與ECN-19、AN-13與DMN-16外，其余經(jīng)組間比較有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的FNC均與不同的認(rèn)知域（總體認(rèn)知、注意與執(zhí)行、視空間）評(píng)分呈正相關(guān)（均P＜0.05）（表2）。

3 討論

CSVD通常隱匿起病，漸進(jìn)發(fā)展，目前尚無(wú)成熟有效的治療措施，因此早期診斷并及時(shí)干預(yù)在該疾病中顯得尤為重要。認(rèn)知障礙是CSVD病程中較早出現(xiàn)且普遍存在的臨床表現(xiàn)，且認(rèn)知障礙隨著CSVD的病程逐步加重，是衡量CSVD病程的良好指標(biāo)。本研究以臨床前期的NCI人群以及臨床早期的MCI人群為研究對(duì)象，探索CSVD患者認(rèn)知障礙早期大尺度功能網(wǎng)絡(luò)連接模式的變化特點(diǎn)，以期尋找早期認(rèn)知障礙的敏感識(shí)別工具。

ICA是一種基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的多變量盲源分離方法，可以更直觀地體現(xiàn)數(shù)據(jù)本身的特征。本研究利用組水平空間ICA的方法，從所有MCI和NCI患者中分離出46個(gè)IC，并從中識(shí)別出與9大RSN相關(guān)的22個(gè)成分。說(shuō)明在靜息狀態(tài)下，CSVD患者的大腦保留了基于BOLD信號(hào)的功能整合和分離的子網(wǎng)絡(luò)組織形式，與先前一些基于rs-fMRI的研究相符，CSVD患者在靜息狀態(tài)下保留了執(zhí)行控制、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)、默認(rèn)模式、突顯等功能相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)[17-19]。

表1 兩組人口社會(huì)學(xué)、血管危險(xiǎn)因素、認(rèn)知功能比較

靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是一種大腦信息傳遞的組織形式，它可以促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間的有效信息處理，并確保功能整合和分離之間的最佳平衡。對(duì)MCI和NCI之間的FNC進(jìn)行比較可以明確CSVD患者在不同程度認(rèn)知障礙中，大尺度功能網(wǎng)絡(luò)之間組織模式所發(fā)生的變化。校正年齡、性別、教育年限后，在RSN水平，MCI相較于NCI，在ECN和RFPN之間的連接減弱。這與Yi等[18]用模塊化分析得出的結(jié)果相符，相較于正常人，皮質(zhì)下型VCI中MCI患者的ECN發(fā)生了重排，頂葉區(qū)域作為一個(gè)單獨(dú)的模塊組分從ECN中分離出來(lái)，這可能與額葉和頂葉之間白質(zhì)纖維束的破壞有關(guān)，彌散張量成像研究發(fā)現(xiàn)CSVD患者額葉和頂葉之間白質(zhì)纖維束的各向異性分?jǐn)?shù)降低[20]。Schaefer等[21]發(fā)現(xiàn)，早期CSVD患者額頂葉神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在功能連接減弱與白質(zhì)損傷和認(rèn)知功能下降密切相關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，在IC水平，MCI相較于NCI，屬于AN的IC分別與DMN、RFPN內(nèi)的IC之間的功能連接減弱，而屬于DMN的IC分別與AN、VN內(nèi)的IC之間的功能連接增強(qiáng)，且這些改變與CSVD患者的總體認(rèn)知、注意與執(zhí)行、視空間等功能相關(guān)。這說(shuō)明CSVD患者發(fā)生早期認(rèn)知障礙時(shí)，在AN、DMN、RFPN之間的功能整合能力減弱，而DMN與AN、VN之間的功能連接增強(qiáng)。這與Schaefer等[21]的研究結(jié)果相似，與健康對(duì)照相比，早期CSVD患者在額頂網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連接減弱，而小腦內(nèi)的功能連接增強(qiáng)，且這些改變與CSVD患者的信息處理速度、執(zhí)行功能、語(yǔ)言流暢性相關(guān)。此外，涉及DMN和額頂網(wǎng)絡(luò)的功能連接增強(qiáng)也存在于腦外傷恢復(fù)期患者[22]。我們用儲(chǔ)備和代償機(jī)制來(lái)解釋這一現(xiàn)象，代償性功能連接是指當(dāng)初級(jí)網(wǎng)絡(luò)不再能夠執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，大腦可通過(guò)使用和發(fā)展代償網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)病理改變[23]。還有一些研究表明在CSVD患者功能連接模式所發(fā)生的改變中，網(wǎng)絡(luò)的代償性激活對(duì)維持認(rèn)知能力非常重要[24-25]。由此我們認(rèn)為在CSVD認(rèn)知障礙的臨床前期，即NCI階段，患者大腦的部分功能網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)功能整合與分離不同程度的破壞，然而由于其他功能網(wǎng)絡(luò)的代償性激活和補(bǔ)償，在一定程度上彌補(bǔ)了上述功能網(wǎng)絡(luò)損傷相關(guān)的臨床表現(xiàn)，導(dǎo)致患者在多認(rèn)知域神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試中呈現(xiàn)為無(wú)認(rèn)知障礙狀態(tài)。上述研究成果有助于實(shí)現(xiàn)CSVD認(rèn)知障礙診斷和干預(yù)前移的目標(biāo)，特征性FNC改變可以成為識(shí)別CSVD早期認(rèn)知障礙的神經(jīng)影像標(biāo)志物。

表2 FNC改變與認(rèn)知評(píng)分的相關(guān)性

圖3 兩組功能網(wǎng)絡(luò)連接性差異

本研究尚存在一些不足，這是一項(xiàng)橫斷面研究，有必要在未來(lái)的縱向研究中驗(yàn)證目前的研究結(jié)果；雖然本研究證明FNC改變與認(rèn)知功能存在相關(guān)性，但該相關(guān)性較弱，有待在更大的樣本量中進(jìn)一步探索；CSVD常存在阿爾茨海默病共病，而本研究并未進(jìn)行淀粉樣蛋白等分子標(biāo)志物檢測(cè)，研究人群中不可避免地存在不同程度的共病，有待在將來(lái)的研究中完善；功能網(wǎng)絡(luò)連接性用無(wú)向連接來(lái)表示，未來(lái)可以探究涉及因果關(guān)系等關(guān)于網(wǎng)絡(luò)更詳盡的信息；目前研究中只檢查了功能性腦網(wǎng)絡(luò)，未來(lái)可應(yīng)用多模態(tài)成像技術(shù)來(lái)探索結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和功能網(wǎng)絡(luò)的變化及二者的聯(lián)系和區(qū)別。

【點(diǎn)睛】本研究發(fā)現(xiàn)CSVD早期認(rèn)知障礙患者大尺度功能網(wǎng)絡(luò)的連接模式發(fā)生重排，為CSVD相關(guān)認(rèn)知障礙的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制提供新的視角，并可能成為預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)CSVD進(jìn)展的潛在無(wú)創(chuàng)生物標(biāo)志物。