基于體素的形態(tài)學(xué)分析健康成人大腦退化規(guī)律

羅樂凱，程敬亮，任翠萍，王彩鴻，陳晨，高鑫

鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院磁共振科，河南鄭州 450000；

腦結(jié)構(gòu)變化是人類認知能力發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)和前提條件。然而，目前科學(xué)界對于大腦灰質(zhì)、白質(zhì)結(jié)構(gòu)隨年齡的動態(tài)發(fā)育過程尚未明確。通常腦體積減小反映神經(jīng)退行性改變，大腦功能改變常伴隨大腦相關(guān)區(qū)域的萎縮[1]。正常老化過程中腦萎縮逐漸發(fā)生，確定其變化的時間、空間模式有助于明確老化的潛在機制。基于體素的形態(tài)學(xué)分析（voxel-based morphometry，VBM）是一種基于體素水平對腦結(jié)構(gòu)成分進行分割處理的技術(shù)，可定量獲取大腦灰質(zhì)、白質(zhì)體積[2]。本研究應(yīng)用VBM技術(shù)分析健康成人腦灰質(zhì)、白質(zhì)體積和腦脊液含量隨年齡的變化特點，從而進一步探索大腦退化的規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 研究對象 2016年10月—2017年6月于鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院磁共振科招募124例健康成年右利手志愿者，年齡18～70歲，按年齡分為5組：18～30歲組，31～40歲組、41～50歲組、51～60歲組、61～70歲組。所有志愿者均接受頭顱 MRI檢查及認知功能測評。認知功能測評在在多維心理網(wǎng)絡(luò)平臺（http://www.dweipsy.com/lattice/）上進行。納入標準：①無任何明顯神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病癥狀及體征；②無顱腦手術(shù)及外傷史，無高血壓、糖尿病、心臟病等慢性病史；③無酗酒、吸煙成癮及藥物、毒品依賴等；④無MRI檢查禁忌證；⑤常規(guī)頭顱 MRI掃描未見明顯陽性病灶；或有少量白質(zhì)高信號，為局灶性病變或輕度融合性病變[3]；或變性灶微小、數(shù)量≤5個，且分布不集中；⑥受檢者每項認知功能測定評分均≥4分。所有受檢者均知情同意。各年齡組受檢者性別及年齡分布見表1。

表1 納入研究的124例志愿者的基本資料

1.2 數(shù)據(jù)采集 采用西門子Prisma 3.0T MR掃描儀，標準64通道頭顱線圈。所有受檢者均行常規(guī)軸位T2 FLAIR序列掃描及矢狀位 3DT1結(jié)構(gòu)像掃描。利用mp2rage脈沖序列獲取全腦高分辨率矢狀位三維結(jié)構(gòu)T1WI圖像，掃描參數(shù)：視野256 mm×240 mm，矩陣256×240，TR 5000 ms，TE 2.88 ms，層厚1.20 mm，層數(shù)176、翻轉(zhuǎn)角0°。

1.3 圖像處理及數(shù)據(jù)分析 采用 DPABI軟件將DICOM格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NIFTI格式[4]。使用SPM 8軟件對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，具體步驟為，①灰白質(zhì)分割：將高分辨率解剖圖像分割為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液，然后在李代數(shù)微分同胚配準算法（DARTEL）內(nèi)運算獲得每位受試者的灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液圖像；②配準及空間標準化：運用DARTEL工具箱進行剛性變換，將所有圖像的平均作為初始模板，進行12次迭代過程，最后將圖像配準到標準空間；③空間平滑：利用三維高斯核卷積運算進行空間平滑處理，半高全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）值為8 mm×8 mm×8 mm。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 使用SPM 8軟件，對不同年齡組受檢者的灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液進行單因素方差分析，提取有顯著差異的腦區(qū)，進行事后檢驗。方差分析和事后檢驗均將性別作為協(xié)變量進行回歸，多重比較校正均采用體素水平的FWE（family wise error）校正，團塊大?。?00體素。使用SPSS 21.0軟件進行相關(guān)分析和回歸分析。將空間標準化后的灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積、腦脊液容量、全腦容量與年齡進行相關(guān)分析和回歸分析。為排除患者腦容量大小對結(jié)果的影響，計算校正后的灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液體積千分比（normalized regional volume ratio，NRVR）[5]。以灰質(zhì)體積為例，NRVR（‰）=灰質(zhì)體積（cm3）/全腦體積（cm3）×1000‰，并將其與年齡進行相關(guān)性分析與回歸分析。根據(jù)先驗文獻，腦白質(zhì)體積與年齡呈非線性相關(guān)，顯示為倒“U”形曲線，將白質(zhì)體積千分比與年齡進行線性化處理后，進行相關(guān)分析[6]。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 灰質(zhì)體積萎縮區(qū)域的時序性分析 對5個年齡組進行單因素方差分析，將性別作為協(xié)變量去除。5個年齡組間所有差異腦區(qū)分布的參數(shù)統(tǒng)計圖見圖1，可見全腦有廣泛的灰質(zhì)體積減低區(qū)域。

圖1 5個年齡組灰質(zhì)體積差異的方差分析參數(shù)分布。圖中紅色及黃色腦區(qū)為5個年齡組間灰質(zhì)體積存在明顯差異的腦區(qū)，主要包括雙側(cè)額葉、頂葉、顳葉、島葉、扣帶回、楔前葉、左側(cè)小腦半球部分腦區(qū)

與31～40歲組比較，18～30歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括前扣帶回和后扣帶回；與41～50歲組比較，31～40歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括左側(cè)顳葉和右側(cè)額下回；與51～60歲組比較，41～50歲組無灰質(zhì)體積明顯下降的區(qū)域；與61～70歲組比較，51～60歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括右側(cè)顳葉、右側(cè)頂葉和左側(cè)顳葉；與41～50歲組比較，18～30歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括左側(cè)顳葉、左側(cè)島葉、左側(cè)額下回、右側(cè)額葉、右側(cè)顳葉、右側(cè)島葉、邊緣葉、前扣帶回、中扣帶回、右側(cè)胼胝下回、左側(cè)丘腦；與51～60歲組比較，31～40歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括雙側(cè)額葉；與61～70歲組比較，41～50歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括雙側(cè)額葉、左側(cè)顳葉、左側(cè)島葉、左側(cè)楔前葉；與51～60歲組比較，18～30歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括雙側(cè)額葉、雙側(cè)顳葉、雙側(cè)島葉、扣帶回、雙側(cè)楔前葉；與61～70歲組比較，31～40歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括扣帶回、雙側(cè)顳葉；與61～70歲組比較，18～30歲組灰質(zhì)體積下降的區(qū)域主要包括雙側(cè)額葉、雙側(cè)顳葉、雙側(cè)島葉、扣帶回、雙側(cè)楔前葉、左側(cè)小腦半球。見表2。

表2 隨年齡變化灰質(zhì)體積減低的部分腦區(qū)的坐標

2.2 全腦灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液體積與年齡的相關(guān)分析及回歸分析 全腦容量與年齡無顯著相關(guān)性。全腦灰質(zhì)體積與年齡呈負相關(guān)（r=-0.558，P=0.000）；全腦白質(zhì)體積與年齡有負相關(guān)趨勢，但無統(tǒng)計學(xué)意義（r=-0.174，P=0.053）；腦脊液含量與年齡呈正相關(guān)（r=0.285，P=0.001）。全腦灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積和腦脊液含量與年齡的回歸分析擬合曲線見圖2。全腦灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積、腦脊液含量千分比與年齡相關(guān)分析和回歸分析結(jié)果顯示，腦灰質(zhì)體積千分比與年齡呈負相關(guān)（r=-0.674，P=0.000）；腦白質(zhì)體積千分比與年齡呈顯著非線性相關(guān)，顯示為倒“U”形曲線（線性化后的相關(guān)系數(shù)r=-0.361，P=0.000）；腦脊液含量千分比與年齡呈正相關(guān)（r=0.580，P=0.000），回歸分析擬合曲線見圖3。

圖2 全腦灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液體積隨年齡的變化趨勢。A為全腦灰質(zhì)體積隨年齡的變化；B為全腦白質(zhì)體積隨年齡的變化；C為腦脊液含量隨年齡的變化

圖3 全腦灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液體積千分比隨年齡的變化趨勢。A為全腦灰質(zhì)體積千分比隨年齡的變化關(guān)系；B為全腦白質(zhì)體積千分比隨年齡的變化關(guān)系；C為腦脊液含量千分比隨年齡的變化關(guān)系

2.3 健康成人全腦灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積和腦脊液含量的千分比分析 健康成人全腦灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積和腦脊液含量的千分比見表3。全腦容量中，灰質(zhì)體積占比例最大，白質(zhì)體積次之，腦脊液含量占比例最低，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.000）。

表3 健康成人全腦灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積和腦脊液含量的千分比（±s，‰）

表3 健康成人全腦灰質(zhì)體積、白質(zhì)體積和腦脊液含量的千分比（±s，‰）

灰質(zhì)體積千分比 453±22 474±17 457±12 443±19 443±15 435±18腦脊液含量千分比 178±23 164±16 172±13 178±23 182±18 206±21

3 討論

3.1 健康成人腦灰質(zhì)體積萎縮的時序性 5個年齡組間任意兩組比較發(fā)現(xiàn)，灰質(zhì)體積下降最早發(fā)生于前扣帶回和后扣帶回。隨著年齡組時間跨度的增大，灰質(zhì)體積有差異的腦區(qū)逐漸增多。隨著年齡的增長，萎縮的范圍逐漸擴展雙側(cè)額葉，再擴展至雙側(cè)顳葉、頂葉、島葉、楔前葉。雙側(cè)枕葉的大部分腦區(qū)未出現(xiàn)明顯萎縮。研究結(jié)果支持“先進后出”的假說，即先成熟的腦區(qū)最后老化[7]。枕葉是最先髓鞘化完成的區(qū)域。本研究納入18～70歲正常成人樣本中并未觀察到枕葉出現(xiàn)明顯萎縮。額葉、顳葉等腦區(qū)的年齡相關(guān)性改變大于枕葉，可能導(dǎo)致枕葉萎縮更加難以檢測[8]。額葉是最后髓鞘化完成的區(qū)域，因而在老化過程中最易受損。本研究中發(fā)現(xiàn)額葉較早出現(xiàn)萎縮，僅次于扣帶回。

3.2 健康成人腦灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液體積隨年齡的變化趨勢 全腦灰質(zhì)體積與年齡呈負相關(guān)，與Fotenos等[9]的研究結(jié)果相似。從幼年到兒童晚期全腦灰質(zhì)體積增加13%，此時灰質(zhì)體積達最大值；然后灰質(zhì)體積以每年減少約5%的速度下降[10]。另一項研究表明，從20～80歲成年人灰質(zhì)體積呈線性下降[11]。成年人隨年齡增長，灰質(zhì)體積下降是一個正常的發(fā)育過程。灰質(zhì)體積快速發(fā)育后，突觸發(fā)育緩慢，腦代謝指標和神經(jīng)生理指標下降[12]。尸檢結(jié)果顯示，灰質(zhì)體積的減少可能是由于大神經(jīng)元體積縮小，而非神經(jīng)元數(shù)量減少[13]。

本研究結(jié)果顯示，全腦白質(zhì)體積隨年齡呈拋物線形改變，在45歲左右達到峰值，在40～50歲之間全腦白質(zhì)體積相對穩(wěn)定，50歲以后全腦白質(zhì)體積呈快速下降趨勢，與劉海靜等[6]的研究結(jié)果類似?；谑瑱z的研究發(fā)現(xiàn)，與年齡相關(guān)的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)改變主要與神經(jīng)元萎縮以及小直徑伴隨纖維的損失有關(guān)，而非由于軸突減少[13]。與年齡相關(guān)的改變會引起神經(jīng)纖維的喪失及神經(jīng)傳導(dǎo)率的變化，進而引起腦白質(zhì)體積萎縮，這可能與老年人認知功能減退有關(guān)。

腦脊液含量隨年齡呈線性增加趨勢。成年人顱內(nèi)腔的容積幾乎不再隨年齡而變化，但腦體積隨年齡的增加而減少，腦脊液體積隨之增加。成年人腦脊液體積約占顱內(nèi)腔的14%，老年約增加至25%[14]。

3.3 本研究的局限性 本研究尚存在一些不足之處：①缺乏縱向研究，個體之間的差異可能會影響結(jié)論的準確性；②未分析性別對腦結(jié)構(gòu)的影響，僅將性別作為協(xié)變量去除；③未將結(jié)構(gòu)改變與神經(jīng)心理學(xué)數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析。在后續(xù)研究中將進一步探討腦結(jié)構(gòu)之間的性別差異，分析認知功能與腦結(jié)構(gòu)改變之間的關(guān)系。如條件允許可通過設(shè)計縱向研究以準確揭示年齡對正常腦結(jié)構(gòu)的影響。