輕度認(rèn)知障礙額葉白質(zhì)1H-MRS 與認(rèn)知功能的相關(guān)性

譚智霖，謝琦*，廖炎輝，王雅杰，杜磊，陳惠嫻

輕度認(rèn)知障礙(mild cognitive impairment，MCI)作為阿爾茨海默病(Alzheimer's disease，AD)的前期階段，其3年內(nèi)進(jìn)展為AD的概率可高達(dá)50%[1]。對(duì)MCI 階段的患者及時(shí)給予干預(yù)措施，可有一定概率逆轉(zhuǎn)其進(jìn)展為AD的過程并恢復(fù)其認(rèn)知功能。然而目前臨床上仍缺乏活體檢測(cè)MCI的客觀生物標(biāo)志物，這也是早期診斷MCI 患者的難點(diǎn)。額葉占據(jù)了人腦中1/3 的體積，是人類大腦中最重要的腦區(qū)之一。額葉與多個(gè)腦區(qū)之間擁有豐富的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)連接，并與記憶形成及抽象能力等密切相關(guān)。當(dāng)患者額葉發(fā)生病理改變時(shí)，其認(rèn)知狀態(tài)及功能會(huì)發(fā)生改變。氫質(zhì)子磁共振波譜(1H-magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)是目前僅有的可從活體層面觀察大腦中神經(jīng)元生化及遞質(zhì)改變的影像技術(shù)。目前額葉用于診斷MCI患者的特異性仍尚未明確，既往研究所選定的感興趣區(qū)域亦多為腦葉灰質(zhì)區(qū)。然而，有研究表明與白質(zhì)病變相關(guān)的軸突損傷及少突膠質(zhì)細(xì)胞增生等病理改變亦與AD病理機(jī)制有一定的相關(guān)性[2]。本文旨在利用1H-MRS檢測(cè)MCI患者早期雙側(cè)額葉白質(zhì)區(qū)域內(nèi)潛在的代謝物水平變化，以及對(duì)其與認(rèn)知狀態(tài)相關(guān)性進(jìn)行探索。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究屬于前瞻性研究，已經(jīng)廣州市第一人民醫(yī)院倫理委員會(huì)論證批準(zhǔn)(批件號(hào)：K-2019-166-01)。所有受試者均已被充分告知檢查內(nèi)容并自愿簽署知情同意書。

2019 年1 月至2020 年12 月社區(qū)招募志愿者360名，并經(jīng)過篩選共納入174名志愿者。入組標(biāo)準(zhǔn)：18～79 歲、受教育年限≥7 年、漢族、無明顯視力及聽力損害。排除標(biāo)準(zhǔn)：明顯的左利手及雙利手、既往存在顱內(nèi)占位或顱腦手術(shù)史、可能引起認(rèn)知受損的各類系統(tǒng)疾病、存在認(rèn)知能力下降的主訴及磁共振掃描禁忌證。經(jīng)過神經(jīng)心理量表測(cè)試評(píng)估后分為正常對(duì)照組(normal control，NC)及MCI組。

MCI 組共74 名，男34 名，女40 名，年齡22～79(55.76±10.95)歲，受教育年限(10.94±2.84)年。NC 組共100 名，男61 名，女39 名，年齡18～72(40.04±12.65)歲，受教育年限(14.98±3.36)年。根據(jù)WHO對(duì)于年齡的劃分標(biāo)準(zhǔn)[3]，將MCI組及NC組受試者各自劃分為青年組(≤44歲)、中年組(45～59歲)及老年組(≥60歲)3個(gè)亞組。各亞組之間一般資料比較見表1。

表1 各亞組間性別、年齡、受教育年限比較()Tab.1 Comparison of gender,age,and years of schoolingbetween each subgroups()

表1 各亞組間性別、年齡、受教育年限比較()Tab.1 Comparison of gender,age,and years of schoolingbetween each subgroups()

注：MCI：輕度認(rèn)知障礙；NC：正常對(duì)照組；MMSE：簡易精神狀態(tài)檢查表；P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.2 檢查方法

1.2.1神經(jīng)心理量表測(cè)試

由兩名經(jīng)過培訓(xùn)的研究者對(duì)受試者認(rèn)知狀態(tài)進(jìn)行整體評(píng)估，使用的量表包括中文版本Folstein簡易精神狀態(tài)檢查表(mini-mental state examination，MMSE)、郭起浩等編制的華山版聽覺詞匯記憶測(cè)驗(yàn)(Auditory Verbal Learning Test，AVLT)、Partington等研制的連線測(cè)試(Shape Trails Test，STT)、Wilma等研制的動(dòng)物詞語流暢性測(cè)試(Animal Fluency Test，AFT)、Harold等研制的Boston命名試驗(yàn)(Boston Naming Test，BNT)及Robert 等編制功能活動(dòng)問卷(Functional Activities Questionnaire，F(xiàn)AQ)。

1.2.2診斷標(biāo)準(zhǔn)

MCI 診斷標(biāo)準(zhǔn)采取Jak/Bondi 制定的診斷標(biāo)準(zhǔn)[4]，當(dāng)受試者在至少同一個(gè)認(rèn)知域的兩個(gè)指標(biāo)受損(測(cè)試分?jǐn)?shù)低于同齡標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)、3個(gè)認(rèn)知域均有一項(xiàng)測(cè)試得分受損(測(cè)試分?jǐn)?shù)低于同齡標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)或FAQ≥9 分，則納入MCI 組。3 個(gè)認(rèn)知域評(píng)估包括記憶(AVLT 長延時(shí)及再認(rèn))、執(zhí)行(STT-A、STT-B)及語言功能(AFT、BNT)。NC 組納入標(biāo)準(zhǔn)為受試者沒有認(rèn)知能力下降的主訴及擔(dān)憂，并且量表評(píng)估提示無客觀認(rèn)知功能障礙，MMSE評(píng)分＞24分。

1.2.31H-MRS數(shù)據(jù)采集及分析

受試者完成神經(jīng)心理量表測(cè)試后1 h內(nèi)進(jìn)行1H-MRS檢查。所用儀器為德國Siemens Skyra 3.0 T MRI 儀及32 通道頭部相控陣線圈。掃描序列包括橫軸位T2WI 及T2-FLAIR、矢狀位3D-T1WI 及單體素點(diǎn)解析波譜(point-resolved spectroscopy，PRESS)序列。1H-MRS序列參數(shù)：TR/TE=1500 m/35 ms，翻轉(zhuǎn)角=90°，信號(hào)平均次數(shù)=256，感興趣區(qū)體積=10 mm3，自動(dòng)抑水及體素內(nèi)勻場(chǎng)(若勻場(chǎng)失敗，則行手動(dòng)勻場(chǎng))，采集時(shí)間6 min 32 s。感興趣區(qū)域?yàn)殡p側(cè)額葉白質(zhì)區(qū)域，采用3D-T1WI 圖像多平面重建(multi-planner reformation，MPR)冠狀、矢狀及橫斷位三方位圖像以進(jìn)行定位，定位時(shí)最大限度避開周圍腦脊液及灰質(zhì)的干擾。

1.3 MRS數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用LCModel軟件進(jìn)行波譜數(shù)據(jù)處理，并對(duì)以下代謝物進(jìn)行分析：N-乙酰天門冬氨酸+N-乙酰天門冬氨酸谷氨酸(N-acetylaspartate+N-acetylaspartylglutamate，NAA+NAAG)、膽堿復(fù)合物(Glycerophosphocholine+Phosphocholine，GPC+Pch)、肌醇(Inositol，Ins)、谷氨酸+谷氨酰胺(Glutamate+Glutamine，Glu+Gln)。各代謝物相對(duì)濃度為各主要代謝物與肌酸+磷酸肌酸(total creatine，Cr+PCr)的比值，均由軟件自動(dòng)計(jì)算得出。當(dāng)表征波譜質(zhì)量的代謝物濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差＜20%時(shí)，該相對(duì)濃度的數(shù)值納入統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

應(yīng)用SPSS 25.0 行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)數(shù)資料使用χ2檢驗(yàn)。計(jì)量數(shù)據(jù)采用()表示。對(duì)各年齡對(duì)應(yīng)亞組間代謝物相對(duì)濃度差異進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)資料是否符合正態(tài)分布選擇相應(yīng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。其中青年組及中年組組間一般資料差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此采用協(xié)方差分析以校正混雜因素的影響；老年組組間一般資料差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間對(duì)比。如資料不符合正態(tài)分布則采用非參數(shù)曼-惠特尼U檢驗(yàn)。采用Pearson及Spearman相關(guān)分析法對(duì)MCI 組代謝物相對(duì)濃度與神經(jīng)心理量表評(píng)分進(jìn)行相關(guān)性分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 NC組與MCI組磁共振波譜代謝物濃度比較

在老年組(≥60 歲)中，MCI 組左側(cè)額葉白質(zhì)Glu+Gln相對(duì)濃度較NC組增加，組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.007)。其余各亞組間雙側(cè)額葉代謝物相對(duì)濃度差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均＞0.05)，見表2。

表2 各亞組間代謝物相對(duì)濃度對(duì)比()Tab.2 Comparison of relative concentrations of metabolites between each subgroups()

表2 各亞組間代謝物相對(duì)濃度對(duì)比()Tab.2 Comparison of relative concentrations of metabolites between each subgroups()

注：MCI：輕度認(rèn)知障礙；NC：正常對(duì)照組；NAA+NAAG：N-乙酰天門冬氨酸+N-乙酰天門冬氨酸谷氨酸；GPC+Pch：膽堿復(fù)合物；Ins：肌醇；Glu+Gln：谷氨酸+谷氨酰胺；*：與NC組比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。

2.2 MCI 組雙側(cè)額葉白質(zhì)代謝物濃度與神經(jīng)心理學(xué)量表評(píng)分相關(guān)性分析

利用LCModel 進(jìn)行分析后，針對(duì)MCI 組全體受試者各項(xiàng)神經(jīng)心理學(xué)量表評(píng)分與各代謝物相對(duì)濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示AVLT 長延時(shí)記憶與右側(cè)額葉白質(zhì)NAA+NAAG (r=-0.241，P=0.039)呈負(fù)相關(guān)；AVLT 再認(rèn)測(cè)試與右側(cè)額葉白質(zhì)NAA+NAAG (r=-0.342，P=0.003)呈負(fù)相關(guān)；STT-A 測(cè)試耗時(shí)與左側(cè)額葉白質(zhì)NAA+NAAG (r=-0.235，P=0.044)呈負(fù)相關(guān)，與右側(cè)額葉白質(zhì)Ins (r=0.379，P=0.001)呈正相關(guān)；STT-B 測(cè)試耗時(shí)與右側(cè)額葉白質(zhì)Ins (r=0.398，P=0.001)呈正相關(guān)。

3 討論

3.1 1H-MRS的臨床應(yīng)用價(jià)值

在1H-MRS 波譜中，同一原子核可因其所處的化學(xué)環(huán)境及結(jié)構(gòu)的不同而出現(xiàn)不同的共振頻率，這一特性被稱為化學(xué)位移[5]。1H-MRS 技術(shù)的應(yīng)用，可在活體層面無創(chuàng)性并定量地檢測(cè)相應(yīng)腦區(qū)代謝物的變化。目前MCI 患者的診斷主要依靠神經(jīng)心理量表測(cè)試，但是量表評(píng)估受到了包括評(píng)定者對(duì)量表的熟悉程度、被試者的受教育程度、情緒及配合程度等多種混雜因素的影響。1H-MRS 可以直接反映腦內(nèi)神經(jīng)元的生化代謝改變，操作亦更加簡便，具有一定臨床應(yīng)用價(jià)值。

3.2 感興趣區(qū)域的選擇及意義

近年來，與MCI相關(guān)的1H-MRS研究主要關(guān)注雙側(cè)海馬、后扣帶回及顳頂葉等區(qū)域[6]。有研究學(xué)者利用正電子發(fā)射斷層成像發(fā)現(xiàn)大腦中β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein，Aβ)沉積具有一定的順序，并提出Aβ 最早可沉積于額葉中[7]。此外，當(dāng)額葉白質(zhì)出現(xiàn)缺血性腦白質(zhì)高信號(hào)時(shí)，會(huì)引起與執(zhí)行控制有關(guān)的前額葉-皮質(zhì)下環(huán)路的功能紊亂[8]。因此額葉白質(zhì)的病理改變可在一定程度上影響患者記憶執(zhí)行功能。對(duì)于此感興趣區(qū)域的研究將有助于尋找具備更早期發(fā)現(xiàn)MCI患者能力的生物標(biāo)志物。

3.3 MCI組Glu+Gln相對(duì)濃度變化及其診斷價(jià)值

對(duì)NC 組及MCI 組代謝物相對(duì)濃度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)老年組中MCI 亞組左側(cè)額葉白質(zhì)Glu+Gln 相對(duì)濃度較NC 亞組增高，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。過往研究指出，MCI 患者中海馬及后扣帶回谷氨酸鹽復(fù)合物濃度可出現(xiàn)下降[9-11]。本研究結(jié)果與這一結(jié)論并不一致。Glu 參與神經(jīng)元之間的信息傳遞、大腦發(fā)育及記憶形成等過程[12]，以發(fā)揮其興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的作用。但另一方面Glu在神經(jīng)突觸間隙的異常蓄積，可引起Ca2+的大量內(nèi)流并造成神經(jīng)毒性[13]。因此，Glu在MCI 相關(guān)的神經(jīng)元損傷中扮演著重要的角色。筆者推測(cè)本研究老年受試者M(jìn)CI 亞組Glu+Gln 相對(duì)濃度增加的原因可能包括：(1)在MCI 患者腦白質(zhì)組織中可存在神經(jīng)元突觸的減少、髓鞘的脫失等病理改變[14]。在神經(jīng)元傳遞功能受損的前提下，Glu 水平的增加可能為機(jī)體代償性改變，以維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。(2)內(nèi)源性Aβ 的異常蓄積可增加神經(jīng)突觸的興奮性及Glu 的釋放，從而使相應(yīng)腦區(qū)Glu 水平增加，并造成相應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)興奮性異常增高[15-16]。(3)在正常生理狀態(tài)下，神經(jīng)元及神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞之間存在Glu-Gln 循環(huán)以維持Glu 水平的穩(wěn)定。這一循環(huán)的破壞導(dǎo)致Glu 在神經(jīng)系統(tǒng)的清除受阻，Glu 異常積累進(jìn)一步過度刺激谷氨酸受體并發(fā)揮神經(jīng)毒性作用，形成“惡性循環(huán)”。因此本研究中相關(guān)結(jié)果提示左側(cè)額葉白質(zhì)Glu-Gln 相對(duì)濃度的增加可能是早期反映額葉神經(jīng)元功能改變的指標(biāo)，并且1H-MRS有望作為診斷MCI患者的技術(shù)補(bǔ)充。此外，這一病理變化發(fā)生于左側(cè)額葉，推測(cè)可能由于大腦結(jié)構(gòu)及功能的偏側(cè)化所致。右利手人群主要由左側(cè)大腦半球承擔(dān)邏輯分析、數(shù)字處理等功能任務(wù)。另外，左側(cè)大腦半球葡萄糖代謝及其血流量亦較對(duì)側(cè)增加[17]。筆者推測(cè)左側(cè)額葉可能優(yōu)先于右側(cè)而發(fā)生相應(yīng)病理改變。

3.4 MCI 組雙側(cè)額葉代謝物相對(duì)濃度與量表評(píng)分之間的相關(guān)性

在本研究中，盡管MCI 組受試者雙側(cè)額葉白質(zhì)NAA+NAAG、Ins 及GPC+PCh 相對(duì)濃度尚未出現(xiàn)明顯下降，但相關(guān)性分析結(jié)果提示右側(cè)額葉白質(zhì)NAA+NAAG相對(duì)濃度與AVLT 長延時(shí)記憶及AVLT 再認(rèn)測(cè)試分?jǐn)?shù)呈負(fù)相關(guān)，左側(cè)額葉白質(zhì)NAA+NAAG 相對(duì)濃度與反映執(zhí)行功能的STT-A測(cè)試所需時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。此外，雙側(cè)額葉白質(zhì)Ins 相對(duì)濃度與連線測(cè)試完成時(shí)間呈正相關(guān)。

NAA 存在于大多數(shù)的神經(jīng)元中，其水平的變化可在一定程度上反映了相應(yīng)腦區(qū)神經(jīng)元數(shù)量、完整性及線粒體功能情況[18-19]。NAAG 由NAA 和Glu 作為原料并合成于神經(jīng)元中，可抑制谷氨酸神經(jīng)毒性效應(yīng)從而發(fā)揮內(nèi)源性神經(jīng)保護(hù)作用。Ins 僅在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞中合成，常被認(rèn)為是神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞的重要標(biāo)志物。過往文獻(xiàn)報(bào)道在MCI 及AD 患者多個(gè)腦區(qū)中可觀察到NAA 水平下降[20]，并且Ins 水平增加可與AD 相關(guān)病理學(xué)改變相關(guān)[21]。NAA+NAAG 及Ins 相對(duì)濃度與量表評(píng)分相關(guān)性的形成，可能由于在認(rèn)知下降的病理過程中，相應(yīng)腦區(qū)出現(xiàn)神經(jīng)元損傷及膠質(zhì)細(xì)胞異常激活，神經(jīng)元功能出現(xiàn)障礙，從而導(dǎo)致NAA+NAAG 及Ins 相對(duì)濃度發(fā)生改變并出現(xiàn)認(rèn)知功能受損。筆者推測(cè)NAA+NAAG 與Ins 水平變化可在一定程度上反映額葉腦區(qū)神經(jīng)元功能狀態(tài)，并可能對(duì)MCI患者認(rèn)知狀態(tài)評(píng)估具有臨床意義。

Cr 是反映大腦能量儲(chǔ)存的標(biāo)志物，在大腦中Cr含量保持相對(duì)的穩(wěn)定狀態(tài)[22]。本研究中采用Cr+PCr作為內(nèi)參，從而計(jì)算其余代謝物相對(duì)濃度變化。膽堿復(fù)合物(Cho)由GPC 及PCh 所組成，可作為反映神經(jīng)元及膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞膜完整性的重要代謝物，其水平變化通常與細(xì)胞膜完整性破壞等病理情況相關(guān)。在本研究中，各年齡亞組間GPC+PCh相對(duì)濃度差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，并且未發(fā)現(xiàn)GPC+PCh相對(duì)濃度與神經(jīng)心理學(xué)量表評(píng)分之間存在相關(guān)性，推測(cè)可能由于感興趣區(qū)域的選擇及雙側(cè)額葉在MCI 早期尚未出現(xiàn)明顯細(xì)胞膜破壞所致。

3.5 研究的局限性

本研究也存在一定的局限性：(1)本研究中納入統(tǒng)計(jì)的受試者數(shù)量較少，并且未能對(duì)受試者進(jìn)行長時(shí)間隨訪。(2)本研究中使用單體素PRESS 序列進(jìn)行1H-MRS 數(shù)據(jù)采集，因此未能對(duì)雙側(cè)額葉皮層數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)采集時(shí)所選取的ROI 范圍較小，因此信噪比亦受到一定影響。(3)ROI 定位時(shí)可能存在一定的選擇偏倚。

綜上所述，左側(cè)額葉白質(zhì)Glu-Gln相對(duì)濃度的增加有望作為MCI患者額葉神經(jīng)元改變的指標(biāo)，且額葉白質(zhì)NAA+NAAG 及Ins 水平的變化有可能對(duì)MCI 患者認(rèn)知狀態(tài)評(píng)估具有臨床意義。1H-MRS 將有助于早期識(shí)別MCI患者大腦神經(jīng)元代謝改變，并為臨床診斷提供一定的參考依據(jù)。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。