嗅覺功能磁共振成像評(píng)估對(duì)非癡呆老年人認(rèn)知下降的預(yù)測(cè)價(jià)值

陳紅，吳亞琳，龍淼淼，劉國萍，倪紅艷，尹建忠*

1.天津醫(yī)科大學(xué)一中心臨床學(xué)院，天津市第一中心醫(yī)院放射科，天津 300192；2.天津市第一中心醫(yī)院放射科，天津市醫(yī)學(xué)影像研究所，天津 300192；3.天津市第一中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，天津 300192；*通信作者 尹建忠 jianzhong.yin@gmail.com

老年人的認(rèn)知功能可以從正常下降為輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment，MCI），再進(jìn)一步進(jìn)展到癡呆[1]，目前尚無有效的治療方法，確定預(yù)測(cè)認(rèn)知下降發(fā)生的早期生物學(xué)標(biāo)志物至關(guān)重要。多項(xiàng)研究表明，嗅覺障礙與認(rèn)知下降具有一定的相關(guān)性[2-3]，并且嗅覺障礙先于認(rèn)知下降出現(xiàn)，提示嗅覺障礙可能是預(yù)測(cè)認(rèn)知下降的早期指標(biāo)[4-5]。目前嗅覺功能評(píng)價(jià)主要為嗅覺心理物理測(cè)試，如氣味閾值、氣味辨別及氣味識(shí)別，但是影響該測(cè)試可靠性和重復(fù)性的因素很多，如文化背景、受教育程度等，而嗅覺功能磁共振成像（fMRI）可以有效、客觀地評(píng)估嗅覺腦區(qū)功能。目前，利用嗅覺fMRI評(píng)估預(yù)測(cè)認(rèn)知功能下降鮮有報(bào)道。本研究擬探討基于嗅覺fMRI的嗅覺功能評(píng)估對(duì)預(yù)測(cè)非癡呆老年人認(rèn)知下降的價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 2014年3月—2015年9月，在天津市第一中心醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科認(rèn)知障礙門診招募非癡呆老年人89例，采集所有受試者的基本信息和臨床病史。納入標(biāo)準(zhǔn)：未達(dá)到美國精神醫(yī)學(xué)會(huì)《精神障礙診斷統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》第5版（diagnostic and statistical manual of mental disorders，5th ed，DSM-V）[6]中的癡呆診斷標(biāo)準(zhǔn)，神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試和嗅覺fMRI檢查配合度較好。不同認(rèn)知水平的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：①認(rèn)知正常：蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估（Montreal cognitive assessment，MoCA）評(píng)分≥26分且臨床癡呆評(píng)定（clinical dementia rating，CDR）評(píng)分0分；②MCI：簡易精神狀態(tài)檢查（mini-mental state estimation，MMSE）評(píng)分＞24分、MoCA評(píng)分＜26分且CDR評(píng)分0.5分；③癡呆：MMSE評(píng)分＜24分且CDR評(píng)分≥1.0分。排除標(biāo)準(zhǔn)：①各種類型的癡呆、精神類疾?。ㄈ缇穹至寻Y）、頭顱外傷史、癲癇、腦部腫瘤、多發(fā)性硬化、腦卒中等腦部疾??；②過敏性鼻炎、鼻息肉等鼻部疾病；③常年酗酒及藥物濫用或依賴史；④存在MRI檢查禁忌證，如金屬植入等；⑤患有抑郁癥或漢密爾頓抑郁（Hamilton depression，HAMD）評(píng)分＞17分。

本研究獲得天津市第一中心醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2014N058KY）。所有受試者或其家屬均簽署知情同意書。

1.2 神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試 包括：MMSE量表[7]、MoCA量表[8]、日常生活活動(dòng)量表（activities of daily living，ADL）[9]、HAMD量表[10]、CDR量表[11]、Hachinski缺血量表[12]。

1.3 常規(guī)MRI掃描和嗅覺fMRI

1.3.1 MRI檢查 采用西門子Trio 3.0T MR掃描儀，32通道頭線圈。常規(guī)MRI掃描中，采用快速自旋回波T2WI掃描，掃描參數(shù)：TR 6 000 ms，TE 93 ms，視野（FOV）230 mm×230 mm，矩陣256×256，層厚5.0 mm，層間隔0.75 mm，層數(shù)20；采用T1WI磁化強(qiáng)度預(yù)備梯度回波序列采集結(jié)構(gòu)圖像，掃描參數(shù)：TR 1 900 ms，TE 2.5 ms，翻轉(zhuǎn)角30°，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，矩陣256×256，層厚1.0 mm，層間隔0，層數(shù)176層。

嗅覺fMRI采用敏感度編碼（sensitivity encoding，SENSE）平面回波成像序列，掃描范圍為全腦，掃描參數(shù)：SENSE因子2，TR 3 000 ms，TE 35 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，矩陣64×64，層厚4 mm，層間隔0.8 mm，層數(shù)25，掃描幀數(shù)250。

1.3.2 嗅覺刺激范式 嗅覺刺激劑采用薰衣草溶液的揮發(fā)氣體，3種不同濃度為：低濃度（0.10%）、中等濃度（0.33%）和高濃度（1.00%），按照從低到中等再到高濃度的順序進(jìn)行呈現(xiàn)。嗅覺刺激范式采用事件相關(guān)設(shè)計(jì)（圖1），每一個(gè)氣味刺激6 s，氣味刺激間隔為36 s的清新無味空氣。每種濃度的氣味刺激連續(xù)重復(fù)5次。嗅覺任務(wù)總時(shí)間為11 min 6 s。嗅覺刺激范式通過進(jìn)口嗅覺刺激器V2（Emerging Tech Trans，LLC）執(zhí)行，提供6 L/min的恒定氣流。

圖1 嗅覺刺激范式

1.3.3 感興趣區(qū)的選擇 初級(jí)嗅覺皮層（primary olfactory cortex，POC）是處理嗅覺信息的主要腦區(qū)，因此將雙側(cè)POC選擇為感興趣區(qū)，其結(jié)構(gòu)包括梨狀皮層、前嗅核、嗅結(jié)節(jié)、內(nèi)嗅皮層、杏仁核和杏仁核周圍皮層[13]。雙側(cè)POC區(qū)大小各為34 mm×22 mm ×20 mm，在蒙特利爾神經(jīng)科學(xué)研究所標(biāo)準(zhǔn)空間模板中的坐標(biāo)中心為：左側(cè)-24，0，-17；右側(cè)24，0，-17。為探究POC激活在預(yù)測(cè)認(rèn)知下降方面是否具有特異性，將雙側(cè)顳上回（superior temporal gyrus，STG）納入為對(duì)照腦區(qū)。STG屬于聽覺皮層[14]。雙側(cè)STG直接在解剖自動(dòng)化的標(biāo)記模板中選取。POC和STG的解剖腦區(qū)見圖2。

圖2 雙側(cè)初級(jí)嗅覺皮層（POC）和顳上回（STG）。黃色區(qū)域代表對(duì)POC和STG解剖腦區(qū)的勾畫，并以橫斷面、冠狀面及矢狀面進(jìn)行顯示

1.3.4 fMRI數(shù)據(jù)處理 基于Matlab 2013a，利用SPM8軟件對(duì)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括去除前10幀功能圖像、圖像左右翻轉(zhuǎn)、頭動(dòng)校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化、去噪、濾波及空間平滑。對(duì)預(yù)處理后的功能圖像按照事件相關(guān)設(shè)計(jì)的參數(shù)建立激活模型：采用一般線性模型，以掃描幀為單位，以每一個(gè)氣味刺激的開始時(shí)間和刺激時(shí)間（6 s）為參數(shù)，將15個(gè)氣味刺激設(shè)置為1個(gè)嗅覺刺激條件，并將頭動(dòng)參數(shù)作為協(xié)變量進(jìn)行激活模型評(píng)估。在個(gè)體水平，POC和STG腦區(qū)的激活被定義為統(tǒng)計(jì)閾值P＜0.05（未校正，體素閾值為0），并測(cè)量2個(gè)腦區(qū)的激活體素?cái)?shù)。在組水平，激活圖使用單樣本t檢驗(yàn)生成（P＜0.01，未校正，體素閾值為0）。

1.4 基線及隨訪時(shí)的數(shù)據(jù)收集 在基線及第3年隨訪時(shí)，非癡呆老年人進(jìn)行相同的神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試和嗅覺fMRI。認(rèn)知水平較基線下降轉(zhuǎn)化為癡呆或由認(rèn)知正常發(fā)展為MCI歸為認(rèn)知下降組；認(rèn)知水平仍保持不變或較基線有所改善歸為認(rèn)知未下降組。MCI的臨床診斷符合Petersen提出的MCI診斷標(biāo)準(zhǔn)[15]。癡呆的診斷標(biāo)準(zhǔn)符合DSM-V。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 23.0軟件。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，各組受試者基線和隨訪時(shí)的數(shù)據(jù)比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)；采用方差分析對(duì)認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組的POC區(qū)和STG激活體素?cái)?shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化（基線和隨訪）進(jìn)行分析；計(jì)數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗(yàn)。建立受試者工作特征（ROC）曲線，得到曲線下面積（AUC），判定基線時(shí)的POC和STG激活體素對(duì)非癡呆老年人發(fā)生認(rèn)知下降的預(yù)測(cè)能力。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 基線及隨訪時(shí)的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試結(jié)果比較 共納入非癡呆老年人89例，年齡50～79歲，平均（63.4±7.2）歲。第3年隨訪時(shí)，11例失訪，78例完成隨訪，其中11例發(fā)生MCI，23例轉(zhuǎn)化為阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）癡呆，即認(rèn)知下降組34例，癡呆轉(zhuǎn)化率為29%（23/78）；44例認(rèn)知水平較基線時(shí)未下降，即認(rèn)知未下降組。

基線時(shí)，認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組患者年齡、性別、受教育年限、MMSE評(píng)分、MoCA評(píng)分、ADL評(píng)分、HAMD評(píng)分及CDR評(píng)分比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。隨訪結(jié)束時(shí)，認(rèn)知下降組MMSE評(píng)分和MoCA評(píng)分低于認(rèn)知未下降組，ADL評(píng)分、HAMD評(píng)分和CDR評(píng)分高于認(rèn)知未下降組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），見表1。

認(rèn)知下降組中，隨訪時(shí)MMSE評(píng)分、MoCA評(píng)分低于基線，ADL評(píng)分、HAMD評(píng)分和CDR評(píng)分高于基線，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；認(rèn)知未下降組中，隨訪時(shí)MMSE評(píng)分、MoCA評(píng)分、ADL評(píng)分、HAMD評(píng)分和CDR評(píng)分較基線時(shí)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表1。

表1 認(rèn)知下降組與認(rèn)知未下降組基線及隨訪的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)、神經(jīng)心理學(xué)測(cè)試結(jié)果比較

2.2 基線及隨訪時(shí)POC、STG激活比較 對(duì)兩組受試者在基線和隨訪時(shí)POC區(qū)激活體素?cái)?shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示：認(rèn)知狀態(tài)效應(yīng)存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F認(rèn)知=11.888，P=0.001），而時(shí)間效應(yīng)和交互效應(yīng)無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F時(shí)間=0.366，P＞0.05；F交互=0.020，P＞0.05）?；€時(shí)，認(rèn)知下降組POC區(qū)激活體素?cái)?shù)小于認(rèn)知未下降組（P＜0.05），見表2、圖3；隨訪結(jié)束時(shí)，認(rèn)知下降組POC區(qū)激活體素?cái)?shù)小于認(rèn)知未下降組（P＜0.01），見表2、圖4。

對(duì)兩組受試者在基線和隨訪時(shí)的STG腦區(qū)激活體素?cái)?shù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果顯示：STG激活體素?cái)?shù)的認(rèn)知狀態(tài)效應(yīng)、時(shí)間效應(yīng)和交互效應(yīng)均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F認(rèn)知=0.261，P＞0.05；F時(shí)間=0.061，P＞0.05；F交互=0.001，P＞0.05）。基線時(shí)，認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組STG激活體素?cái)?shù)比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表2、圖3；隨訪結(jié)束時(shí)，認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組STG激活體素?cái)?shù)比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見表2、圖4。

表2 認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組基線及隨訪時(shí)POC區(qū)及STG激活比較（體素，±s）

表2 認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組基線及隨訪時(shí)POC區(qū)及STG激活比較（體素，±s）

ROI 激活 認(rèn)知下降組 （n=34） 認(rèn)知未下降組 （n=44） t值 P值 POC激活 ＜0.05 隨訪 55.00±70.24 118.35±125.31 -2.827 ＜0.01 基線 67.76±88.38 126.57±131.27 -2.359 t值 0.659 0.300 P值 ＞0.05 ＞0.05 STG激活 基線 121.56±183.93 139.75±233.47 -0.373 ＞0.05 ＞0.05 t值 0.148 0.195 隨訪 115.23±167.61 130.22±225.56 -0.324 P值 ＞0.05 ＞0.05

圖3 基線時(shí)的嗅覺fMRI腦區(qū)激活圖。彩色區(qū)域?yàn)镽OI激活情況。A、B分別為認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組POC激活；C、D分別為認(rèn)知下降組和認(rèn)知未下降組STG激活

2.3 ROC曲線分析 基線時(shí)，POC區(qū)激活體素預(yù)測(cè)非癡呆老年人認(rèn)知下降的AUC 為0.641（95%CI0.519～0.764，P＜0.05），臨界值為78.5，敏感度為56.8%，特異度為73.5%，而基線時(shí)STG激活體素?cái)?shù)對(duì)非癡呆老年人認(rèn)知下降無預(yù)測(cè)效能（P＞0.05，圖5）。當(dāng)將POC激活體素?cái)?shù)78.5定義為最佳閾值時(shí)，基線時(shí)的78例非癡呆受試者分為非癡呆-嗅覺正常組34例和非癡呆-嗅覺功能受損組44例。隨訪結(jié)束時(shí)，非癡呆-嗅覺正常組7例（21%）發(fā)生認(rèn)知下降，非癡呆-嗅覺功能受損組27例（61%）發(fā)生認(rèn)知下降，兩組認(rèn)知下降發(fā)生率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=5.398，P＜0.05）。

圖5 基線時(shí)的POC區(qū)、STG激活體素?cái)?shù)預(yù)測(cè)非癡呆受試者認(rèn)知下降的ROC曲線

3 討論

本研究探討了非癡呆老年人中，基線時(shí)嗅覺fMRI評(píng)估的嗅覺腦區(qū)激活與3年后隨訪的認(rèn)知功能之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)嗅覺受損的非癡呆老年人61%發(fā)生認(rèn)知下降，嗅覺fMRI評(píng)估可能是認(rèn)知能力下降的預(yù)測(cè)因子。

本研究嗅覺fMRI檢查結(jié)果顯示，基線時(shí)，認(rèn)知下降組比認(rèn)知未下降組POC區(qū)激活體素?cái)?shù)明顯減少，由于POC區(qū)激活體素?cái)?shù)的變化可以反映嗅覺功能的改變[16]，因此認(rèn)知下降組較認(rèn)知未下降組存在嗅覺功能明顯損害，表明嗅覺功能損害先于認(rèn)知功能下降出現(xiàn)；并且隨訪時(shí)，認(rèn)知下降組POC區(qū)激活仍小于認(rèn)知未下降組，與Devanand等[17]對(duì)認(rèn)知下降者和認(rèn)知未下降者在基線和隨訪時(shí)所做的賓夕法尼亞大學(xué)嗅覺識(shí)別試驗(yàn)結(jié)果一致，表明在認(rèn)知功能下降的疾病發(fā)展進(jìn)程中，嗅覺功能持續(xù)受到損害。

本研究ROC曲線分析顯示，嗅覺fMRI評(píng)估的POC區(qū)激活體素?cái)?shù)對(duì)非癡呆老年人的認(rèn)知下降具有預(yù)測(cè)價(jià)值。既往縱向研究[5,18-19]結(jié)果也表明嗅覺功能障礙是預(yù)測(cè)認(rèn)知下降的早期指標(biāo)。嗅覺功能障礙可以預(yù)測(cè)未來認(rèn)知下降的價(jià)值與AD神經(jīng)病理特征（淀粉樣蛋白和神經(jīng)纖維纏結(jié)）的早期受累腦區(qū)相吻合。根據(jù)Braak分期模型[20]，神經(jīng)病理病變始于內(nèi)嗅皮層和海馬，這些內(nèi)側(cè)顳葉結(jié)構(gòu)對(duì)嗅覺信息及認(rèn)知信息處理至關(guān)重要[21-22]，盡管這一時(shí)期表現(xiàn)為臨床無癥狀，但病變積累會(huì)不斷損害嗅覺腦區(qū)功能，隨著更多的邊緣系統(tǒng)受到影響，會(huì)進(jìn)一步發(fā)生認(rèn)知功能下降，這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可能是嗅覺障礙與認(rèn)知功能下降之間的重要聯(lián)系。然而，F(xiàn)inkel等[23]的一項(xiàng)縱向研究并未觀察到嗅覺障礙與認(rèn)知能力下降之間的聯(lián)系，與本研究結(jié)果相反，其可能原因是納入臨床前期的癡呆患者；而Olofsson等[24]研究發(fā)現(xiàn)在排除癡呆患者前后，嗅覺損害與認(rèn)知功能下降之間的相關(guān)性未發(fā)生明顯改變。

鑒于STG腦區(qū)激活無預(yù)測(cè)效能，本研究發(fā)現(xiàn)嗅覺fMRI評(píng)估對(duì)預(yù)測(cè)認(rèn)知下降具有一定的特異性，與MacDonald等[25]的研究結(jié)果一致，該研究對(duì)408例非癡呆老年人的嗅覺和聽覺進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明嗅覺是認(rèn)知下降最強(qiáng)大的預(yù)測(cè)因素，而聽覺的預(yù)測(cè)價(jià)值很小，可能與聽覺腦區(qū)受到早期AD神經(jīng)病理學(xué)改變的神經(jīng)區(qū)域較小有關(guān)。Alattar等[26]研究表明，聽覺障礙可能是預(yù)測(cè)認(rèn)知功能下降的指標(biāo)；而Croll等[27]研究發(fā)現(xiàn)，在排除年齡因素的影響后，聽覺障礙與認(rèn)知功能下降之間無相關(guān)性。本研究中兩組受試者在fMRI評(píng)估的STG聽覺腦區(qū)激活在基線和隨訪時(shí)均無顯著差異，即納入的所有受試者可能不存在明顯的聽覺功能障礙。

本研究中嗅覺能力的唯一衡量標(biāo)準(zhǔn)為嗅覺fMRI檢查中的POC區(qū)激活體素?cái)?shù)，且預(yù)測(cè)認(rèn)知下降的最佳閾值為78.5，與Zhang等[13]報(bào)道的區(qū)分正常對(duì)照組和AD患者的POC區(qū)激活體素?cái)?shù)值68相近。但目前嗅覺fMRI評(píng)估預(yù)測(cè)認(rèn)知下降的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值尚未確定，還需要進(jìn)一步的前瞻性研究進(jìn)行驗(yàn)證。既往嗅覺識(shí)別測(cè)試評(píng)估的嗅覺障礙[28-29]對(duì)預(yù)測(cè)認(rèn)知功能下降的敏感度（48%和43%）與本研究中的嗅覺fMRI評(píng)估（57%）相近，但是略低于嗅覺fMRI。這些嗅覺識(shí)別測(cè)試通常涉及認(rèn)知加工，而嗅覺fMRI對(duì)受試者的認(rèn)知能力要求最低，可提供一種客觀的方法早期、有效地評(píng)估逐漸退化的嗅覺腦區(qū)功能[30-31]，嗅覺fMRI可能比嗅覺識(shí)別測(cè)試對(duì)嗅覺功能的早期變化更敏感。

本研究的局限性：①本研究是對(duì)一組選定的老年人進(jìn)行隨訪性研究得到的結(jié)果，該研究結(jié)論是否適用于更多樣化的人群和特定人群，需要進(jìn)一步研究。②本研究中嗅覺fMRI評(píng)估預(yù)測(cè)認(rèn)知下降發(fā)生的敏感度不是很高，與其他預(yù)測(cè)認(rèn)知下降的生物標(biāo)志物相結(jié)合可能有用，以提高認(rèn)知下降的預(yù)測(cè)效能，如攜帶載脂蛋白E-4等位基因[32]。

鑒于認(rèn)知能力下降的隱匿性發(fā)作及其向癡呆的緩慢進(jìn)展，以及尚無有效治療方法，識(shí)別非癡呆老年人發(fā)生認(rèn)知下降的預(yù)測(cè)因子將有助于針對(duì)可能的轉(zhuǎn)化者進(jìn)行早期發(fā)現(xiàn)和早期干預(yù)。嗅覺fMRI是一種客觀評(píng)價(jià)嗅覺功能的影像學(xué)檢查，可能成為一種有希望的工具，以識(shí)別存在認(rèn)知功能下降風(fēng)險(xiǎn)的非癡呆老年人。