認(rèn)知意識(shí)受損對(duì)遺忘型輕度認(rèn)知功能障礙患者的自我參照網(wǎng)絡(luò)及病理標(biāo)志物的影響

陳姍姍，陳玖，許雯雯，宋鈺，林興建

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院 1.神經(jīng)內(nèi)科；2.腦功能影像研究所，江蘇 南京 210029)

遺忘型輕度認(rèn)知功能障礙(amnestic mild cognitive impairment, aMCI)是一種以情景記憶減退為主要特征的疾病[1]。病感缺失，即認(rèn)知意識(shí)受損，在阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)中表現(xiàn)為患者對(duì)自身認(rèn)知功能缺陷的存在或嚴(yán)重性缺乏認(rèn)識(shí)[2-3]。既往研究表明，認(rèn)知意識(shí)受損是AD常見(jiàn)的臨床表現(xiàn)。而在aMCI患者中，患者對(duì)自身認(rèn)知水平的認(rèn)識(shí)差異很大，往往從對(duì)認(rèn)知缺陷的清晰認(rèn)識(shí)到嚴(yán)重的病感缺失[4]。既往研究表明，認(rèn)知意識(shí)改變可能與負(fù)責(zé)自我參照加工的皮質(zhì)中線結(jié)構(gòu)的功能連接異常有關(guān)[5-6]。目前認(rèn)知意識(shí)受損的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制尚不明確。因此，本研究利用獨(dú)立成分分析(independent component analysis，ICA)方法從臨床表現(xiàn)、病理生理學(xué)及神經(jīng)影像學(xué)三個(gè)方面對(duì)認(rèn)知意識(shí)受損的aMCI患者進(jìn)行研究。

1 病例與方法

1.1 一般資料

本研究采用的數(shù)據(jù)來(lái)自AD神經(jīng)影像學(xué)倡議(Alzheimer′s Disease Neuroimaging Initiative, ADNI)數(shù)據(jù)庫(kù)(http:∥adni.loni.usc.edu)。 ADNI的主要目標(biāo)是結(jié)合MRI，PET，生物標(biāo)志以及臨床和神經(jīng)心理學(xué)評(píng)估來(lái)衡量輕度認(rèn)知功能障礙(MCI)和早期AD的進(jìn)展。本研究選擇ADNI二期研究中具備基本人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料、每日認(rèn)知評(píng)估量表(ECog)和功能磁共振成像(fMRI)影像資料的基線期受試者。最終經(jīng)嚴(yán)格篩選，共納入51例aMCI患者。

aMCI患者診斷標(biāo)準(zhǔn)：患者或家屬的主訴抱怨記憶下降；調(diào)整教育水平后的記憶功能受損；簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)評(píng)分為24～30分；臨床癡呆評(píng)定量表(Clinical Dementia Rating，CDR)等于0.5分，且記憶功能子項(xiàng)目得分最低0.5分；總體認(rèn)知功能及日常生活能力保留。詳細(xì)的納入和排除標(biāo)準(zhǔn)可以在ADNI數(shù)據(jù)庫(kù)官網(wǎng)獲得。

ADNI研究獲得參與機(jī)構(gòu)的審查委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者均簽署書面知情同意。

1.2 分組依據(jù)

ECog是一個(gè)專門用于評(píng)估老年人主觀認(rèn)知功能下降和日常功能評(píng)估的項(xiàng)目，共39項(xiàng)，通過(guò)讓受試者和每天至少相伴10 h的家屬或陪護(hù)比較受試者10年前和現(xiàn)在的認(rèn)知水平來(lái)衡量總體和特定領(lǐng)域的認(rèn)知功能?；颊咦栽u(píng)分?jǐn)?shù)與研究伙伴評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)相減得到的差值來(lái)評(píng)價(jià)認(rèn)知意識(shí)損害程度，即認(rèn)知意識(shí)指數(shù)。通過(guò)計(jì)算來(lái)自ADNI隊(duì)列中的健康對(duì)照組(n=289)和AD患者(n=204)認(rèn)知意識(shí)指數(shù)的受試者特征曲線(ROC)選取最優(yōu)化敏感度和特異性的閾值，將aMCI患者分為認(rèn)知意識(shí)受損組和認(rèn)知意識(shí)保留組。

1.3 腦脊液樣本獲取

通過(guò)INNO-BIAALZBio3免疫測(cè)定試劑測(cè)定腦脊液中的β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)，總tau蛋白(total tau，t-tau)和磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau，p-tau)水平。具體的細(xì)節(jié)可以在ADNI官網(wǎng)獲取(http:∥adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads)。腰椎穿刺是一種有創(chuàng)性操作，受試者自愿決定是否接受此操作，因此只有48例aMCI患者具有腦脊液樣本信息，其中認(rèn)知意識(shí)受損組20例，認(rèn)知意識(shí)保留組28例。

1.4 MRI數(shù)據(jù)處理

所有的MRI數(shù)據(jù)由3.0T Philips機(jī)器掃描，使用3DT1加權(quán)磁化(各向同性體素分辨率為1 mm，重復(fù)時(shí)間= 2 300 ms)制備的快速梯度回波序列記錄結(jié)構(gòu)MRI。采用3D回聲平面成像序列，以3.4 mm各向同性體素分辨率(重復(fù)時(shí)間/回聲時(shí)間/翻轉(zhuǎn)角度=3 000 ms/30 ms/90°)記錄fMRI。關(guān)于結(jié)構(gòu)圖像和rs-fMRI圖像的詳細(xì)信息可以從ADNI官網(wǎng)獲取(http:∥adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads)。應(yīng)用統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖和fMRI的數(shù)據(jù)處理助手(http:∥www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm；http:∥restfmri.net/forum/DPARSF)對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理及統(tǒng)計(jì)分析。主要經(jīng)過(guò)以下預(yù)處理步驟：去除每個(gè)受試者前5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，fMRI圖像被空間歸一化到蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)回波平面成像模板，并重新采樣得到3 mm大小的各向同性體素，采用全寬半高8 mm的高斯核來(lái)降低高空間頻率噪聲，最后經(jīng)過(guò)0.01～0.08 Hz濾波過(guò)濾。

1.5 獨(dú)立成分分析

將上述預(yù)處理的圖像經(jīng)過(guò)ICA方法提取目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。為獲得aMCI患者的通用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)成分，本研究將所有受試者統(tǒng)一在fMRI工具箱軟件(http:∥icatb.sourceforge)中經(jīng)Informix算法進(jìn)行ICA計(jì)算。采用最小描述長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)，GIFT軟件將每個(gè)受試者獲得的數(shù)據(jù)分解為22個(gè)空間上分離的成分。利用主成分分析對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行降維，并根據(jù)原始數(shù)據(jù)重建受試者的時(shí)間歷程和空間圖，對(duì)每個(gè)受試者進(jìn)行單獨(dú)的ICA。最終根據(jù)與特定自我參照網(wǎng)絡(luò)(self-referential network, SRN)模板[7]的最大空間相關(guān)性為每個(gè)受試者選擇最合適的成分。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 22.0版本對(duì)兩組受試者年齡、教育程度、老年人抑郁量表評(píng)分(GDS)、MMSE評(píng)分進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，兩組性別進(jìn)行χ2檢驗(yàn)。為了得到每組的SRN模式，對(duì)兩組分別行單樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行隨機(jī)效應(yīng)分析，矯正方法選擇FDR校正，閾值設(shè)置為P<0.05。兩組間以年齡、性別、教育程度和GDS作為協(xié)變量進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)得到認(rèn)知意識(shí)受損組和認(rèn)知意識(shí)保留組的SRN功能連接的差異腦區(qū)(AlphaSim 校正，P<0.001，體素?cái)?shù)>17)。提取兩組間功能連接差異腦區(qū)的序列信號(hào)與認(rèn)知意識(shí)指數(shù)、MMSE評(píng)分實(shí)施基于體素的Pearson相關(guān)分析，為避免年齡、性別的影響，統(tǒng)計(jì)模型中引入年齡、性別作為協(xié)變變量。此外還將認(rèn)知意識(shí)指數(shù)與腦脊液Aβ，t-tau和 p-tau進(jìn)行Pearson相關(guān)分析(Bonferroni 矯正，P<0.05)。

2 結(jié)果

2.1 一般資料比較

通過(guò)計(jì)算健康老年人(n=289)和AD患者(n=204)的ROC曲線，最終取認(rèn)知意識(shí)指數(shù)的最優(yōu)化敏感度和特異性的閾值-0.074，用于將aMCI患者分為認(rèn)知意識(shí)受損組和認(rèn)知意識(shí)保留組(圖1，敏感性=82.84%，特異性=85.12%)。兩組年齡、性別、教育年限、GDS和MMSE評(píng)分無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；認(rèn)知意識(shí)受損組較認(rèn)知意識(shí)保留組腦脊液Aβ水平明顯降低(P<0.01)，t-tau水平和p-tau水平均顯著升高(P<0.001)。見(jiàn)表1。

圖1 區(qū)分AD患者與正常老年人優(yōu)化靈敏度和特異性的認(rèn)知意識(shí)指數(shù)的ROC曲線

表1 aMCI患者人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息及主要臨床特征

2.2 功能連接值分析

對(duì)兩組行單樣本t檢驗(yàn)隨機(jī)效應(yīng)分析后得出與先前一致的SRN模式(FDR校正，P<0.05)，主要位于內(nèi)側(cè)腹部前額葉皮層、內(nèi)側(cè)眶額葉皮層、直回和膝前扣帶回。見(jiàn)圖2。

L：左側(cè)半球；R：右側(cè)半球

2.3 兩組認(rèn)知意識(shí)指數(shù)與SRN功能連接差異腦區(qū)及腦脊液病理標(biāo)志物的相關(guān)分析

去除年齡、性別、教育年限和GDS評(píng)分協(xié)變量后，雙樣本t檢驗(yàn)結(jié)果顯示認(rèn)知意識(shí)受損aMCI組較認(rèn)知意識(shí)保留aMCI組雙側(cè)內(nèi)側(cè)眶額葉皮層、左側(cè)前扣帶回和右側(cè)直回功能連接增高(AlphaSim校正，P<0.001，體素?cái)?shù)>17)。見(jiàn)表2，圖3。

表2 認(rèn)知意識(shí)受損aMCI組較認(rèn)知意識(shí)保留aMCI組自我參照網(wǎng)絡(luò)的功能連接增強(qiáng)腦區(qū)

X，Y，Z坐標(biāo)是蒙特利爾神經(jīng)研究所空間中的主要峰值位置。兩樣本t檢驗(yàn)采用AlphaSim校正，P<0.001，體素?cái)?shù)>17

L：左側(cè)半球；R：右側(cè)半球

在控制年齡和性別協(xié)變量后，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩組間功能連接差異腦區(qū)提取的信號(hào)值與認(rèn)知意識(shí)指數(shù)之間存在負(fù)相關(guān)(r=-0.457，P<0.001)，而與MMSE評(píng)分之間無(wú)明顯相關(guān)(r=0.061，P=0.688)；兩組患者的認(rèn)知意識(shí)指數(shù)與腦脊液Aβ水平呈正相關(guān)(r=0.331，P=0.025)，與腦脊液t-tau、p-tau水平呈中等程度負(fù)相關(guān)(r=-0.534，-0.508，P均<0.001)。見(jiàn)圖4。

圖4 認(rèn)知意識(shí)受損和認(rèn)知意識(shí)保留aMCI組間功能連接差異腦區(qū)、腦脊液標(biāo)志物水平與認(rèn)知意識(shí)指數(shù)相關(guān)性分析

3 討論

近來(lái)越來(lái)越多的研究表明，認(rèn)知意識(shí)受損不僅僅是AD的重要表現(xiàn)[8]，還與疾病總體嚴(yán)重程度密切相關(guān)[9]。先前研究發(fā)現(xiàn)，在aMCI患者SRN內(nèi)部連通性較正常老年人升高[10]。本研究發(fā)現(xiàn)，在控制年齡、性別、教育程度、GDS評(píng)分后，相比于認(rèn)知意識(shí)保留aMCI患者，認(rèn)知意識(shí)受損aMCI患者出現(xiàn)SRN內(nèi)部高功能連通，且相關(guān)分析證實(shí)SRN高連通性與認(rèn)知意識(shí)指數(shù)相關(guān)。相對(duì)于認(rèn)知意識(shí)保留aMCI患者，認(rèn)知意識(shí)受損aMCI患者存在腦脊液Aβ水平顯著降低(P<0.01)，p-tau和t-tau水平顯著增高(P<0.001)，提示認(rèn)知意識(shí)受損aMCI患者較認(rèn)知意識(shí)保留患者可能存在更加嚴(yán)重腦神經(jīng)元受損、神經(jīng)纖維纏結(jié)等病理表現(xiàn)，與先前提出的認(rèn)知意識(shí)受損是AD疾病進(jìn)展的預(yù)測(cè)因子假說(shuō)[9]相符。

本研究采用ICA方法成功分離出與既往研究一致的SRN模型[11]，相對(duì)于認(rèn)知意識(shí)保留aMCI患者，認(rèn)知意識(shí)受損aMCI患者的雙側(cè)眶內(nèi)側(cè)前額葉皮層、左側(cè)前扣帶回、右側(cè)直回選擇性功能連接增高。SRN在意識(shí)受損aMCI患者中表現(xiàn)為連通性升高而不是降低，可能是SRN在早期階段試圖招募更多的神經(jīng)元恢復(fù)患者受損的認(rèn)知意識(shí)的補(bǔ)償機(jī)制[12]?？魞?nèi)側(cè)前額葉皮層具有非常廣泛而復(fù)雜的功能和解剖連接，是人腦非常重要的神經(jīng)組織區(qū)域。既往任務(wù)態(tài)fMRI研究[7]已經(jīng)證實(shí)眶內(nèi)側(cè)前額葉皮層在自我參照處理中發(fā)揮重要作用。內(nèi)側(cè)前額葉皮層接收來(lái)自幾乎所有感官模式中的自我相關(guān)信息，進(jìn)行加工處理后形成認(rèn)知的自我意識(shí)[13]。不僅如此，眶內(nèi)側(cè)前額葉皮層還與負(fù)責(zé)記憶儲(chǔ)存與提取的內(nèi)側(cè)顳葉結(jié)構(gòu)聯(lián)系緊密，最終通過(guò)與內(nèi)側(cè)顳葉結(jié)構(gòu)和功能的緊密聯(lián)系將接收的外部信息整合到自我為背景的自傳體記憶中，這可能也是意識(shí)受損的aMCI患者更容易進(jìn)展為AD的機(jī)制之一[14]。前扣帶回皮層神經(jīng)元通過(guò)整合各種信息并將其與策略聯(lián)系起來(lái)，對(duì)決策和行動(dòng)施加高級(jí)和抽象的控制，因此在認(rèn)知監(jiān)測(cè)和行為控制方面發(fā)揮重要作用[15]。事實(shí)上，眶內(nèi)側(cè)前額葉皮層和前扣帶回皮層共同構(gòu)成前扣帶回額葉-皮層下區(qū)域神經(jīng)環(huán)路，使得兩者不僅僅在解剖結(jié)構(gòu)緊密相連，在功能連接水平也發(fā)揮協(xié)同作用[16]，這也解釋了本研究中眶內(nèi)側(cè)前額葉皮層和前扣帶回皮層共同激活的結(jié)果。直回作為前扣帶在額葉上的延伸[16]，表現(xiàn)出與前扣帶皮質(zhì)相似的功能連接異常，與前扣帶皮質(zhì)共同在認(rèn)知自我意識(shí)處理中發(fā)揮協(xié)同作用。此外，在控制年齡、性別協(xié)變量后，本研究發(fā)現(xiàn)兩組間差異腦區(qū)的功能連接異常信號(hào)值與認(rèn)知意識(shí)指數(shù)呈負(fù)相關(guān)(r=-0.457，P<0.001)，且與MMSE評(píng)分無(wú)相關(guān)(r=0.061，P=0.688)，由此進(jìn)一步證實(shí)SRN在認(rèn)知自我認(rèn)知意識(shí)中的重要作用，且獨(dú)立于認(rèn)知水平改變。

目前的疾病模型認(rèn)為，在AD疾病譜系中作為神經(jīng)炎性斑塊形式的Aβ啟動(dòng)了病理性級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致tau蛋白錯(cuò)誤折疊和組裝，并擴(kuò)散到整個(gè)皮層，最終導(dǎo)致患者的神經(jīng)系統(tǒng)衰竭、神經(jīng)變性和認(rèn)知衰退[17]。研究表明，腦脊液p-tau水平增高反映皮層神經(jīng)纖維纏結(jié)病變的程度，而t-tau反映神經(jīng)元壞死程度，腦脊液Aβ水平降低與Aβ神經(jīng)炎性斑塊形成有關(guān)，且其加重表明AD的臨床進(jìn)展[18]。本研究發(fā)現(xiàn)，意識(shí)受損組較意識(shí)保留組腦脊液Aβ水平明顯降低，p-tau和t-tau水平明顯升高，進(jìn)一步相關(guān)分析表明認(rèn)知意識(shí)指數(shù)與Aβ，t-tau和 p-tau相關(guān)(控制年齡、性別)，尤其是反映神經(jīng)元細(xì)胞變性、纖維纏結(jié)病理表現(xiàn)的t-tau、p-tau水平呈現(xiàn)明顯相關(guān)(P均<0.001)。由此表明，認(rèn)知意識(shí)受損aMCI患者較認(rèn)知意識(shí)保留患者可能存在更加嚴(yán)重的神經(jīng)元細(xì)胞變性、纖維纏結(jié)等病理改變。研究發(fā)現(xiàn)，在認(rèn)知正常的老年人中，自我記憶表現(xiàn)評(píng)估與腦內(nèi)tau蛋白沉積相關(guān)，而與Aβ水平無(wú)明顯相關(guān)，表明tau蛋白相較于Aβ水平是認(rèn)知意識(shí)改變的更敏感指標(biāo)[19]。本研究中t-tau和p-tau蛋白與認(rèn)知意識(shí)指數(shù)的相關(guān)值較Aβ高，結(jié)果與其相符。此外，r值為弱相關(guān)，可能原因是雖然本研究已納入部分認(rèn)知風(fēng)險(xiǎn)因素(年齡、性別)，但是仍存在其他混雜因素(如ApoE基因等)，這需要未來(lái)進(jìn)一步更大樣本量的回歸分析。既往一項(xiàng)PET影像研究發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)高Aβ沉積的MCI患者認(rèn)知意識(shí)受損更重，且認(rèn)知意識(shí)受損的MCI患者轉(zhuǎn)化為AD的風(fēng)險(xiǎn)增加[20]，本研究與此相符。

此外，本研究中尚存在一些局限。首先，樣本量較少，可能具有有限的統(tǒng)計(jì)功效。其次，ADNI 數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)橫斷面和回顧性研究，本研究對(duì)認(rèn)知意識(shí)指數(shù)和SRN功能連接和病理標(biāo)志物的相關(guān)研究?jī)H僅表明兩者具有相關(guān)關(guān)系，闡述的是一種現(xiàn)象，而各項(xiàng)指標(biāo)的因果尚需要未來(lái)更大樣本量的縱向研究及回歸分析。

綜上所述，本研究表明，在認(rèn)知意識(shí)受損的aMCI患者中存在獨(dú)立于認(rèn)知水平的SRN內(nèi)部功能的高連通性(主要為眶內(nèi)側(cè)前額葉皮層，前扣帶回和直回)，這可能為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部神經(jīng)元的激活增加試圖彌補(bǔ)認(rèn)知意識(shí)衰退的結(jié)果；同時(shí)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)激活的補(bǔ)償機(jī)制的背后可能存在著更嚴(yán)重的AD病理標(biāo)志物的沉積，尤其是反映神經(jīng)元變性的敏感指標(biāo)tau蛋白的增高?？傊琒RN在認(rèn)知意識(shí)中的關(guān)鍵作用以及認(rèn)知意識(shí)缺損可能作為AD疾病進(jìn)展的預(yù)測(cè)因子。