功能磁共振成像技術(shù)在輕微肝性腦病應(yīng)用中的研究進(jìn)展

葛巖松，王培源

肝性腦病(hepatic encephalopathy，HE)是繼發(fā)于急性或慢性肝病以及嚴(yán)重肝功能損傷和(或)門體分流的神經(jīng)精神綜合征，是肝硬化失代償期常見且較嚴(yán)重的并發(fā)癥之一。臨床上根據(jù)肝性腦病患者的精神狀態(tài)程度將肝性腦病分為輕微肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy，MHE)及顯性肝性腦病(overt hepatic encephalopathy，OHE)[1]。MHE是指沒有典型的臨床表現(xiàn)及體征，但在某些認(rèn)知領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)生異常的一種HE 亞型。對生活質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并且隨著病情的進(jìn)展，很多患者會出現(xiàn)典型臨床癥狀，發(fā)展為OHE[2]。因此，MHE 的早期檢測和及時(shí)干預(yù)對改善預(yù)后至關(guān)重要。然而，MHE 因其缺乏診斷“金標(biāo)準(zhǔn)”，在臨床上診斷往往較為困難。通常采用神經(jīng)心理學(xué)(neuropsychological，NP)測試量表進(jìn)行認(rèn)知評估從而協(xié)助診斷[2]，主要包括數(shù)字連接試驗(yàn)-A (number connection test-A，NCT-A)及數(shù)字符號試驗(yàn)(digit-symbol test，DST)，但是其往往受患者自身年齡、文化水平等因素的影響，缺乏一定的客觀性[3]。隨著磁共振成像技術(shù)(magnetic resonance imaging，MRI)，尤其是功能磁共振成像技術(shù)(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的不斷發(fā)展，可以從形態(tài)學(xué)及功能學(xué)兩方面來早期診斷MHE。筆者對目前fMRI 在MHE 的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 磁共振波譜(magnetic resonance spectroscopy)

MRS是一種無創(chuàng)性觀察活體組織生化及代謝改變的技術(shù)，目前在診斷許多代謝性疾病上具有很大的價(jià)值，并逐步用于研究HE 及MHE 的病理生理學(xué)過程。MHE 患者因肝衰竭導(dǎo)致體內(nèi)氨代謝受阻，引發(fā)腦內(nèi)氨水平升高，經(jīng)過腦內(nèi)唯一具有氨解毒作用的星形膠質(zhì)細(xì)胞代謝，其產(chǎn)物谷氨酸或(和)谷氨酰胺水平升高[4-5]，同時(shí)作為滲透壓調(diào)節(jié)劑的膽堿及肌醇會被排出至細(xì)胞外后被清除，二者水平下降，從而維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)[5-6]。因此MHE 患者經(jīng)典的1H-MRS 表現(xiàn)為膽堿復(fù)合物(Cho/Cr)及肌醇(mi/Cr)明顯降低，谷氨酰胺(Gln/Cr)、谷氨酸(Glu/Cr)有所增高，表明MHE 患者已出現(xiàn)氨的代謝紊亂[7]。然而在經(jīng)典的1H-MRS 表現(xiàn)中，N-乙酰天冬氨酸(NAA/Cr)基本未見明顯變化，Chen 等[5]認(rèn)為NAA 主要位于神經(jīng)元內(nèi)，為神經(jīng)元的生物學(xué)標(biāo)志物，此結(jié)果表明神經(jīng)元具有完整性，患者未發(fā)生神經(jīng)元損傷及腦白質(zhì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的改變。Oeltzschner 等[8]發(fā)現(xiàn)MHE 及HE 1 級患者視覺區(qū)γ-氨基丁酸/肌酸(GABA/Cr)比值明顯降低，并與血氨水平、mi/Cr 和Gln/Cr 呈顯著正相關(guān)，然而感覺運(yùn)動區(qū)卻無此相關(guān)性，推測GABA 能神經(jīng)遞質(zhì)改變具有區(qū)域性的特點(diǎn)。黃天宇等[9]認(rèn)為在所有代謝物指標(biāo)中，Glu 濃度為評價(jià)肝硬化患者M(jìn)HE 嚴(yán)重程度的最敏感指標(biāo)。Lu 等[10]發(fā)現(xiàn)HE及NHE 肝硬化患者后扣帶回(sterior cingulate cortex，PCC)中的代謝活動和功能偶聯(lián)之間存在相關(guān)性，表明代謝異常為患者功能失調(diào)的基礎(chǔ)。Jain 等[11]發(fā)現(xiàn)用乳果糖對MHE 患者進(jìn)行3 個(gè)月的治療后，MRS 異常的指標(biāo)部分得到改善及恢復(fù)，提示MHE中代謝及生化的改變是可逆的。

2 磁共振擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)、磁共振擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、擴(kuò)散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)

DWI、DTI是非侵入性功能成像技術(shù)，以組織內(nèi)水分子布朗運(yùn)動為基礎(chǔ)，定量分析組織內(nèi)水分子的彌散特性，不僅可以區(qū)分細(xì)胞毒性水腫以及血管源性水腫，而且能反映組織微觀結(jié)構(gòu)的完整性及狀態(tài)的情況。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷上具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，其最常用的參數(shù)為ADC、部分各向異性(fractional anisotropy，F(xiàn)A)和平均擴(kuò)散率(mean diffusivity，MD)等[12]。Razek 等[13]認(rèn)為ADC 值是定量MHE 患者低度水腫的可靠參數(shù)，發(fā)現(xiàn)MHE 患者ADC 值顯著增高且與NP 測試密切相關(guān)，推測ADC 值增高是由于星形膠質(zhì)細(xì)胞合成谷氨酸增加或血氨升高引起血腦屏障通透性增加，大分子向細(xì)胞外遷移，繼而細(xì)胞外積水所致。同樣水分子向細(xì)胞外間隙擴(kuò)散能力增強(qiáng)、組織內(nèi)所含自由水分子增多也是導(dǎo)致MD 值增大的可靠因素。Srivastava 等[14]認(rèn)為額葉腦白質(zhì)MD 值是預(yù)測MHE 的最佳指標(biāo)，其診斷MHE的可靠性遠(yuǎn)高于血氨與炎性介質(zhì)水平，且MD值升高的腦區(qū)數(shù)量和MD值與HE的嚴(yán)重程度密切相關(guān)；另外發(fā)現(xiàn)MHE患者FA值未發(fā)生顯著變化。FA值常反映白質(zhì)纖維束的排列以及微結(jié)構(gòu)是否發(fā)生異常，然而國內(nèi)外對此在MHE 的患者中是否發(fā)生改變報(bào)道不一。劉梅紅等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)由正常對照組、單純肝硬化(no MHE，NMHE)組至MHE 組胼胝體膝部及壓部的FA 值逐漸降低，提示腦白質(zhì)纖維細(xì)微結(jié)構(gòu)可能存在著損害。Rudler等[16]研究發(fā)現(xiàn)行TIPSS術(shù)后產(chǎn)生HE并發(fā)癥的肝硬化患者FA值術(shù)前較未發(fā)生HE并發(fā)癥的患者明顯減低，認(rèn)為FA 值在篩選手術(shù)高風(fēng)險(xiǎn)患者中起到關(guān)鍵作用，有效預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生。因此FA值在MHE患者中的變化情況還需要進(jìn)一步研究來明確。

對于DTI的分析，有學(xué)者通過選定與MHE相關(guān)指標(biāo)變化有關(guān)的腦區(qū)作為感興趣區(qū)研究，分析其DTI 參數(shù)的改變，但主觀性較強(qiáng)，無法進(jìn)行全面評估。對此部分學(xué)者采用基于體素分析(voxel based analysis，VBA)方法與基于纖維束示蹤的空間統(tǒng)計(jì)分析(tract-based spatial statistics，TBSS)的方法來進(jìn)行研究[17]，這是全面、無創(chuàng)且具有客觀性的分析方法，可針對全腦白質(zhì)進(jìn)行研究，其中TBSS分析利用骨架化算法，無需標(biāo)準(zhǔn)化及平滑，解決了VBA分析存在的問題[18]，成為研究的熱點(diǎn)。

DKI是以DTI為基礎(chǔ)，與其不同的是，DKI是一種非高斯擴(kuò)散成像技術(shù)，在觀察細(xì)微組織結(jié)構(gòu)改變方面有著顯著優(yōu)勢，其參數(shù)不僅包括FA、MD、軸向擴(kuò)散張量(axial diffusion，AD)和徑向擴(kuò)散張量(radical diffusion，RD)等傳統(tǒng)擴(kuò)散張量參數(shù)，也包括平均峰度(mean kurtosis，MK)、軸向峰度(axial kurtosis，AK)、徑向峰度(radical kurtosis，RK)、峰度分?jǐn)?shù)各向異性(kurtosis anisotropy，KA)及擴(kuò)散峰度各向異性(diffusional kurtosis anisotropy，DKA)等特異性參數(shù)。Li 等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)MHE 患者在某些不同的腦質(zhì)內(nèi)FA、MK、RK、AK 值降低，MD 值增高，AD、RD 和MD 的改變與認(rèn)知評分密切相關(guān)，ROC 曲線顯示AD 對肝硬化患者的MHE 預(yù)測性能最高(曲線下面積為0.801，敏感度為77.05%，特異度為74.55%)。Sato等[20]發(fā)現(xiàn)MHE患者腦白質(zhì)MK值廣泛降低，其中尾狀核、殼核、蒼白球和(或)丘腦的MK值降低較為顯著。ROC曲線顯示殼核MK 值區(qū)分MHE 及NMHE 患者的診斷效果最好(敏感度為89%；特異度為86%)，可作為診斷MHE的標(biāo)記。

3 血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygenation-level dependent fMRI，BOLD-fMRI)

BOLD-fMRI是將內(nèi)源性血紅蛋白作為對比劑，利用磁場激發(fā)腦神經(jīng)元活動時(shí)血氧飽和度的改變來實(shí)現(xiàn)成像，從而了解組織的代謝情況，獲得其他檢查無法提供的信息[21-22]。目前研究的熱點(diǎn)主要是分析局部腦區(qū)神經(jīng)活動以及腦功能連接(functional connection，F(xiàn)C)的改變。

3.1 局部腦區(qū)神經(jīng)

局部腦區(qū)神經(jīng)活動的改變主要通過分析低頻波動幅度(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)、區(qū)域同質(zhì)性(regional homogeneity，ReHo)的變化來實(shí)現(xiàn)。ALFF為每個(gè)體素在低頻(0.01～0.08 Hz) BOLD 信號中的平均振蕩強(qiáng)度[23]，Reho 為某一給定體素簇中相鄰體素在同一時(shí)間內(nèi)非參數(shù)的相似性或一致性[24]，二者均可以反映患者的自發(fā)性神經(jīng)元活動，對病情進(jìn)行評估和分析。典型的表現(xiàn)為部分腦區(qū)ALFF 及Reho 降低，提示存在功能障礙；同時(shí)另有部分腦區(qū)ALFF 及Reho 增高，有學(xué)者認(rèn)為這是代償機(jī)制的一種反映，部分腦區(qū)更高的神經(jīng)活動可以補(bǔ)償患者因局部腦區(qū)神經(jīng)活動降低而造成的功能缺損[25-26]，這與Zhong 等[27]的研究結(jié)果基本一致，其中右側(cè)楔前葉(precuneus，PCUN)和左側(cè)前額葉內(nèi)側(cè)皮層中自發(fā)神經(jīng)元異常而造成的損害可能在MHE 中起重要作用，ALFF 和低頻振幅率(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)的變化可作為診斷MHE 的潛在標(biāo)志物。Chen 等[28]分析發(fā)現(xiàn)ALFF 區(qū)分NHE 與MHE 患者的準(zhǔn)確率為80.6% (敏感度為81.3%，特異度為80.0%)，并且在大腦的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(deflult-mode network，DMN)、視覺皮層和初級感覺運(yùn)動皮層中最具有區(qū)分性。Zhang 等[29]發(fā)現(xiàn)肝硬化患者ReHo 呈頻率依賴性變化，在慢5 和慢4 波段觀察到HE 和NMHE之間存在顯著差異，表明選擇合適頻率在臨床監(jiān)測HE 中有著重要意義。

3.2 腦功能連接

FC 可以無創(chuàng)性反映不同腦區(qū)之間的相互關(guān)系，通過分析大腦有效FC 的改變，進(jìn)而揭示中樞神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的特征，成為診斷MHE 潛在的生物標(biāo)志物[30]。García-García 等[31]運(yùn)用獨(dú)立成分分析法(independent component analysis，ICA)得到MHE 患者認(rèn)知能力下降與腦網(wǎng)絡(luò)FC 降低和灰質(zhì)體積(grey matter，GM)萎縮有關(guān)的結(jié)論，ROC 曲線顯示RS-FC 在DMN、突顯網(wǎng)絡(luò)(salience network，SN)和基底神經(jīng)節(jié)網(wǎng)絡(luò)(basal ganglia network，BGN)診斷MHE 中具有良好的特異性和敏感性。楊旭等[32]選取DMN 部分腦區(qū)作為種子點(diǎn)以及通過ROC曲線分析研究發(fā)現(xiàn)MHE患者DMN部分腦區(qū)FC下降，其中額前內(nèi)側(cè)回(medial prefrontal cortex，MPFC)的功能連接性改變對于診斷MHE 的可靠性最高(敏感度81.5%，特異度70.4%)。同樣，Zhan 等[33]通過全腦功能網(wǎng)絡(luò)分析方法，認(rèn)為DMN內(nèi)部以及DMN與幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)(如軀體感覺網(wǎng)絡(luò)和語言網(wǎng)絡(luò))之間的連接性降低是MHE發(fā)生的潛在機(jī)制，DMN功能障礙可能是MHE 病理生理學(xué)的核心問題之一。Tsai 等[34]研究指出MHE 患者在認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)(cognitive control network，CCN)內(nèi)相關(guān)腦區(qū)存在異常的Fc，并與認(rèn)知功能障礙和血氨及炎性細(xì)胞因子等生化特征有關(guān)，提示這些可能參與了異常連接的發(fā)生。Lin等[35]發(fā)現(xiàn)MHE患者海馬萎縮，雙側(cè)海馬連接網(wǎng)絡(luò)的平均FC強(qiáng)度明顯降低，與認(rèn)知能力下降顯著相關(guān)，并且隨著HE 的進(jìn)展而加重，提示海馬的結(jié)構(gòu)和功能異常是導(dǎo)致認(rèn)知能力下降的重要因素之一。Sun等[36]通過聯(lián)合Reho以及基于ROI的FC，認(rèn)為NMHE及MHE患者腦功能異常是部分腦網(wǎng)絡(luò)及丘腦局部一致性和功能連接性綜合改變的結(jié)果。腦區(qū)FC 的研究方法除上述外還有格萊杰因果分析(Granger causality analysis，GCA)和雙側(cè)大腦半球間體素鏡像同倫(voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC)等，對了解MHE的病理生理基礎(chǔ)及發(fā)病機(jī)制起到重要的作用。

HE 及MHE 不僅僅與某些單一腦區(qū)的FC 有關(guān)，其通常與更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，然而腦網(wǎng)絡(luò)具有顯著復(fù)雜性。為了尋找與MHE 相關(guān)的異常子網(wǎng)絡(luò)，Zhang 等[37]提出了一種基于頻繁子圖的子網(wǎng)絡(luò)挖掘方法，不僅可以識別出與疾病相關(guān)的子網(wǎng)絡(luò)，而且可以用于MHE 分類，從而更好地用于研究MHE的病理生理學(xué)。

4 磁化傳遞成像技術(shù)(magnetization transfer imaging，MTI)

MTI是一種特殊的磁共振技術(shù)，通過選擇性抑制結(jié)合在大分子上的質(zhì)子信號，評價(jià)患者腦內(nèi)水成分的改變，其量化指標(biāo)常用的是磁化傳遞率(magnetization transfer ratio，MTR)。MHE患者由于存在腦水腫、細(xì)胞膜通透性及細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，MTR 值整體降低[12]，且MTI 可以較敏感地監(jiān)測常規(guī)TIWI、T2WI 中難以發(fā)現(xiàn)的腦水腫。Rai 等[38]通過研究發(fā)現(xiàn)MHE患者及NMHE 患者部分腦區(qū)MTR 值下降，與血氨及炎癥標(biāo)志物水平呈相關(guān)性；用乳果糖和利福昔明治療數(shù)周后患者部分腦區(qū)MTR 值較前升高，反映出肝硬化所致腦水腫是可逆性的。軸突喪失以及脫髓鞘亦可導(dǎo)致MTR 的降低[39]，但Grover 等[40]認(rèn)為這與1H-MRS 中的NAA/Cr 以及DTI 中FA 值無明顯改變的結(jié)果相反，提示MHE 患者軸突未發(fā)生異常，同時(shí)也無脫髓鞘的病變，故此觀點(diǎn)還需進(jìn)一步研究與探討。

5 磁共振腦血流灌注成像技術(shù)

腦血流灌注與腦微循環(huán)密切相關(guān)，可以反映腦內(nèi)毛細(xì)血管的血流灌注情況，對疾病的早期監(jiān)測和預(yù)防起到顯著作用[41]。磁共振腦血流灌注成像技術(shù)主要包括動脈自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)、動態(tài)磁敏感對比增強(qiáng)(dynamic susceptibility contrast-enhanced，DSC)和 對 比 增 強(qiáng) MRI(contrast-enhanced MRI，CE-MRI)等，其相關(guān)參數(shù)主要有腦血容量(cerebral blood volume，CBV)、腦血流量(cerebral blood flow，CBF)和平均通過時(shí)間(mean transit time，MTT)等。汪楠等[42]推測患者腦內(nèi)通過谷氨酸鹽介導(dǎo)的神經(jīng)元一氧化氮合成酶活化及一氧化氮(NO)增多，從而導(dǎo)致血管擴(kuò)張，CBF 升高[43]。Felipo 等[44]認(rèn)為小腦是對CBF 變化最敏感的部位，其CBF值的升高可出現(xiàn)在患者NP測試改變之前，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)推測NO-cGMP 系統(tǒng)與小腦CBF 的變化密切相關(guān)。Li 等[45]結(jié)合FC 研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)節(jié)-丘腦-皮質(zhì)環(huán)路所致的連接障礙可能在MHE 患者的神經(jīng)認(rèn)知功能損害中起重要作用，其中右側(cè)殼核CBF 診斷MHE 的準(zhǔn)確性最高(敏感度為85.7%，特異度為89.4%)，可作為檢測MHE 的潛在生物標(biāo)志物。與其他磁共振腦血流灌注技術(shù)不同的是，ASL是通過利用內(nèi)源性血液中的水分子作為對比劑進(jìn)行成像，具有無創(chuàng)性的特點(diǎn)[45]。楊炯等[41]利用ASL技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)MHE患者較對照組基底節(jié)區(qū)各部位CBF值及其與白質(zhì)CBF 比值均增加，表明患者基底節(jié)區(qū)血流灌注增加是由于血流從皮質(zhì)到基底節(jié)的重新分配所造成的，這與Li等[46]通過DSC技術(shù)研究所得到的結(jié)論相符合，并提出MHE對患者的優(yōu)勢半球會產(chǎn)生更大影響的觀點(diǎn)。

小結(jié)與展望：fMRI具有無創(chuàng)性的特點(diǎn)，在顯示形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)的同時(shí)更好地了解腦功能及代謝情況，在臨床及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中得到廣泛地應(yīng)用，對于MHE的早期診斷具有積極作用，同時(shí)為研究MHE 發(fā)生發(fā)展的病理生理學(xué)機(jī)制提供了影像學(xué)層面的可靠依據(jù)。相信隨著fMRI的不斷發(fā)展，必將能更加客觀、準(zhǔn)確的早期診斷MHE，并在MHE的預(yù)防以及疾病的監(jiān)測中取得更大的進(jìn)展。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。