基于多模態(tài)功能MR技術探索海馬在肝豆狀核變性患者認知障礙中的作用機制

張傳鳳，王安琴，武紅利，徐春生，李傳富*

(1.安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院影像中心，安徽 合肥 230031；2.安徽中醫(yī)藥大學生物醫(yī)學工程教研室，安徽 合肥 230031)

肝豆狀核變性又稱威爾遜病(Wilson disease, WD)。認知障礙在WD患者中已被廣泛認識，然而鮮有研究觀察其中樞病理機制。海馬與大腦皮質和基底核區(qū)有著廣泛聯(lián)系，在認知、應激和情緒調節(jié)方面具有重要作用[1]。WD在中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要損傷基底核區(qū)與海馬之間的神經(jīng)回路，且與學習和記憶有關[2]。本研究分析WD患者大腦海馬功能連接(functional connectivity, FC)變化及其與認知功能障礙的關系，探討其作用機制。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集30例于安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院就診的認知障礙WD患者，均符合WD診斷標準，右利手，無心血管及造血系統(tǒng)原發(fā)疾病，無其他神經(jīng)或精神系統(tǒng)疾病，無神經(jīng)或精神藥物服用史，亦無心臟起搏器等MR檢查禁忌證，并能配合研究。另選取年齡、性別和受教育程度相匹配的健康志愿者30名作為對照組。5例WD患者和4名志愿者配準失敗而被排除，最終25例WD患者(WD組)和26名志愿者(對照組)入組，并均于檢查前簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 臨床認知功能 對2組均行簡易精神狀態(tài)檢查(mini-mental state examination, MMSE)、漢密爾頓焦慮量表(Hamilton anxiety scale, HAMA)、漢密爾頓抑郁量表(Hamilton depression scale, HAMD)、數(shù)字廣度測驗(digital span test, DST)和詞語流暢性測驗(verbal fluency test, VFT)。

1.2.2 MRI數(shù)據(jù) 以GE 3.0T MR儀依次行常規(guī)T2W掃描(TR 9 000 ms，TE 124 ms，F(xiàn)A 111°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，層厚5 mm，層間距0，掃描20層)，T1-3D BRAVO成像(參數(shù)：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，F(xiàn)A 12°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1 mm，層間距0，掃描166層，掃描時間5 min 36 s)，彌散張量成像[(diffusion tensor imaging, DTI)，參數(shù)：TR 4 800 ms，TE 81.7 ms，F(xiàn)A 12°，矩陣128×128，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚3 mm，層間距0，掃描45層，b值為1 000 s/mm2，掃描64個方向，掃描時間7 min]和血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)成像(參數(shù)：TR 2 000 ms，TE Minimum，F(xiàn)A 90°，矩陣64×64，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚3 mm，層間距0，掃描36層，掃描時間6 min 10 s)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 臨床認知功能 采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件，以獨立樣本t檢驗比較組間MMSE、HAMA、DST和VFT測值。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

1.3.2 靜息態(tài)FC及DTI數(shù)據(jù) 采用功能神經(jīng)影像分析(analysis of functional neuroimage, AFNI)軟件(http://afni.nimh.nih.gov/afni/)進行分析。具體步驟：①數(shù)據(jù)預處理；②頻域濾波；③將頻率控制在0.01～0.08 Hz；④去除腦白質和腦脊液信號；⑤計算個體數(shù)據(jù)參數(shù)值，在標準模板MNI152_T1_1mm_brain上提取雙側海馬作為ROI(圖1)；⑥提取個體對比圖；⑦空間標準化；⑧空域濾波；⑨組間分析，F(xiàn)DR(false discovery rate)校正(P<0.001，α≤0.05)；⑩相關性分析。

圖1 FC分析ROI

采用腦功能成像軟件包(functional magnetic resonance imaging of the brain software library, FSL)(http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)分析，步驟：①數(shù)據(jù)格式轉換；②頭動校正和渦流校正；③去除周圍噪聲；④計算個體張量參數(shù)，即各向異性分數(shù)(fractional anisotropy, FA)；⑤提取靜息態(tài)分析結果作為種子點，采用FSL軟件對海馬與種子點之間進行纖維束示蹤，以FNIRT程序，采用非線性配準方法將3D結構像配準到標準模板MNI152_T1_1mm_brain，再將配準過程中得到的矩陣應用于FA，得到配準到標準空間的個體參數(shù)圖，以大腦FC有差異腦區(qū)作為ROI，得出相應部位平均FA；⑥統(tǒng)計學分析，利用randomise程序進行統(tǒng)計學分析，置換檢驗次數(shù)為 5 000次，P=0.05；⑦相關分析：以MMSE、DST、VFT評分作為協(xié)變量，與各ROI平均FA進行協(xié)變量相關性分析。

2 結果

2.1 一般資料 組間年齡、性別比例差異均無統(tǒng)計學意義(P均<0.05)。WD組MMSE和VFT評分均低于對照組(P均<0.05)。見表1。

表1 WD組與對照組基本信息及評分

2.2 組間FC分析 WD組左側豆狀核、尾狀核頭和雙側丘腦FC均較對照組減弱，右側顳葉、左側額葉FC較對照組增強。圖2示FDR校正后相關結果。

圖2 WD組與對照組FC比較，F(xiàn)DR校正 色帶表示Z值最大范圍

2.3 組間FC激活區(qū)FA比較 WD組丘腦(thalamus,THA)和左側海馬(left hippocampus, LM)FA低于對照組(P均<0.05)，左側基底核區(qū)(left basal ganglia, LB)FA高于對照組(P<0.05)；組間右側海馬(right hippocampus, RM)和背外側前額葉(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)差異均無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)，見表2。

表2 WD組與對照組ROI的FA比較(±s)

表2 WD組與對照組ROI的FA比較(±s)

組別LMRMLBTHADLPFCWD組(n=25)0.325±0.0160.243±0.0120.313±0.0370.220±0.0170.067±0.026對照組(n=26)0.336±0.0180.253±0.0300.293±0.0160.238±0.0140.074±0.044t值-2.258-1.5692.583-4.330-0.707P值0.0280.1220.014<0.0010.482

2.3 WD臨床認知功能與腦功能及大腦微觀結構變化的相關性 WD組MMSE評分與右側額中回、顳橫回及雙側頂葉FC強度呈正相關(圖3)，VFT評分與左側豆狀核、右側額中回及雙側顳橫回FC強度呈正相關(圖4)；FA與MMSE分數(shù)無明顯相關，VFT評分與雙側丘腦和雙側豆狀核FA呈負相關(圖5)。

圖3 WD組與對照組MMSE值與全腦功能相關性(P均<0.05，F(xiàn)DR校正) 色帶表示Z值最大范圍

圖4 WD組與對照組VFT值與全腦功能相關性(P均<0.05，F(xiàn)DR校正) 色帶表示Z值最大范圍

3 討論

本研究采用靜息態(tài)功能MRI和DTI技術觀察WD患者海馬功能及微觀結構變化及其與臨床認知功能的關系。相比對照組，WD組左側豆狀核、尾狀核頭和雙側丘腦FC減弱，右側顳葉、左側額葉FC增強。WD組THA和LM的FA低于對照組，LB的FA高于對照組，反映海馬及相關腦區(qū)結構及功能發(fā)生改變，為研究WD患者神經(jīng)心理癥狀提供了影像學依據(jù)。

WD主要神經(jīng)病理基礎在于過量的銅沉積導致細胞變性、壞死，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要累及基底核區(qū)[3]、中腦、丘腦及處理認知信息的相關神經(jīng)網(wǎng)絡[2,4]。既往研究[5]發(fā)現(xiàn)WD可致雙側尾狀核頭、豆狀核及背側丘腦、黑質、紅核、右側齒狀核FA增高以及廣泛的白質及雙側背內側丘腦FA減低，本研究WD組海馬與豆狀核、尾狀核頭和內側丘腦FC變化與之相符。上述變化可能與大量的銅沉積導致細胞毒性水腫、細胞變性及壞死、膠質增生等有關[6]。海馬與丘腦-皮層網(wǎng)絡的相互神經(jīng)作用與認知功能損害機制有關[7]。WINTON-BROWN等[7]發(fā)現(xiàn)海馬-基底核區(qū)及中腦回路變化與認知處理能力有關，是神經(jīng)精神系統(tǒng)疾患形成的基礎，基底核區(qū)損傷也影響學習和記憶過程[8]。此外，DLPFC也是涉及認知功能和情緒調節(jié)的重要腦區(qū)[9]，且與海馬存在相互作用[10]。

海馬在記憶和認知功能中具有至關重要的作用[11]。解剖學上，海馬與額葉、丘腦、基底神經(jīng)節(jié)、海馬旁回及小腦之間存在纖維聯(lián)系[12]。既往研究[13]證實這些腦區(qū)存在相關FC。RANGANATH等[14]發(fā)現(xiàn)健康志愿者海馬FC與丘腦、島葉、PFC小腦和感覺運動區(qū)有關。以上研究證實了皮質-紋狀體-丘腦回路與神經(jīng)認知功能的相關性[15]。本研究中WD組患者基底核區(qū)存在損害，且海馬FC減弱、丘腦和基底核區(qū)損害與VFT評分呈明顯負相關；額葉及顳葉與VFT評分的相關性增強，表明基底核區(qū)及丘腦損害影響了大腦記憶認知功能，同時出現(xiàn)額葉及顳葉記憶功能代償。這些參與學習及記憶的緊湊神經(jīng)網(wǎng)絡可能在WD神經(jīng)心理學發(fā)病機理中具有重要作用。

存在神經(jīng)系統(tǒng)癥狀的WD患者表現(xiàn)出廣泛的認知領域缺陷[16]。本研究發(fā)現(xiàn)VFT得分與PFC得分之間顯著正相關，VFT評分與雙側丘腦和豆狀核微觀結構變化之間呈顯著負相關。既往有學者[17]指出，在認知編碼過程中，海馬與紋狀體之間存在相關作用。ANG等[18]經(jīng)動物實驗發(fā)現(xiàn)了一些新的大鼠紋狀體邊緣區(qū)、杏仁核及海馬體之間的聯(lián)系，豐富了海馬相關的學習與記憶相關通路，即神經(jīng)傳遞從紋狀體到杏仁核中央再到海馬，最后回到紋狀體的邊緣。這些功能及結構上的通路為認知相關網(wǎng)絡增加了新的維度，也為研究WD發(fā)病機制提供了理論依據(jù)。

本研究存在一定局限性。首先，納入的樣本量較少，可重復性有待提高；其次，對海馬功能未能清晰劃分邊界，存在局限性；此外，功能連通性僅能反映大腦區(qū)域活動的同步性或一致性，基于ROI分析方法并不能發(fā)現(xiàn)所有與其他區(qū)域存在解剖連接之處。

綜上所述，左側海馬和雙側丘腦、左側豆狀核及尾狀核頭間功能和解剖學連接性改變可能導致相關記憶認知功能通路連接受阻，最終產(chǎn)生認知功能障礙。