血氧水平依賴的磁共振功能成像在肝硬化輕微肝性腦病中的研究進展

劉子衿,丁惠國

劉子衿,丁惠國,首都醫(yī)科大學附屬北京佑安醫(yī)院肝病消化中心,北京市 100069

0 引言

肝性腦病(hepatic encephalopathy,HE)是由肝硬化或嚴重肝功能障礙或門體分流(portosystemic shunts,PSS)引起的腦功能障礙,表現(xiàn)為從無明顯臨床癥狀到昏迷的神經(jīng)和精神異常的綜合癥[1].經(jīng)典的肝性腦病按West-Haven標準分為0-4級[2],被多個國家最新指南推薦應用.2011年氨代謝委員會提出了“輕微肝性腦病(minimal hepatic encephalopathy,MHE)”的概念[3].肝性腦病起病隱匿,進展緩慢且的發(fā)病機制一直未被完全闡明,近年來神經(jīng)影像學在揭示HE的神經(jīng)病理機制中起著重要作用.例如,11C(R)-PK11195正電子發(fā)射斷層掃描在HE患者體內(nèi)繪制大腦“周圍苯二氮卓結(jié)合位點”,為神經(jīng)系統(tǒng)炎癥學說提供了有力佐證[4].隨著先進而敏感的MRI技術(shù)的出現(xiàn),目前認為肝性腦病的發(fā)生可能與輕度腦水腫及神經(jīng)元丟失相關(guān)[5].近年來,血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)功能磁共振成像(functional MRI,fMRI),特別是靜息狀態(tài)下功能磁共振成像(resting-state fMRI,rsfMRI)為闡明神經(jīng)認知功能障礙和HE、MHE的腦功能改變提供了重要的影像組學標志物.本文概述fMRI在HE、MHE診斷中的研究進展.

1 BOLD-fMRI的成像原理

BOLD-fMRI是一種安全、無創(chuàng)、無輻射、可重復的測定腦功能的方法,廣泛地應用于神經(jīng)外科術(shù)前規(guī)劃、神經(jīng)或精神疾病和神經(jīng)科學的臨床研究.這種成像技術(shù)依賴于脫氧血紅蛋白含量的變化,脫氧血紅蛋白可以充當內(nèi)源性順磁造影劑.當大腦產(chǎn)生額外的神經(jīng)沖動或者其他信號傳遞過程,其局部能量需求增加,而大腦耗氧量卻沒有相應的增加,從而導致毛細血管和靜脈脫氧血紅蛋白含量下降,順磁性脫氧血紅蛋白含量降低應該會增強靜脈血管和周圍組織的MRI信號[6].目前,肝性腦病BOLD-fMRI成像包括任務狀態(tài)fMRI(task-related fMRI,trfMRI)及rs-fMRI.

2 任務狀態(tài)下的BOLD-fMRI成像

tr-fMRI將患者被試置于MRI機器的磁體中,以受控的方式持續(xù)施加各種刺激,如視覺或運動刺激,進而收集局部神經(jīng)細胞活動信息.Zhang等[7]利用經(jīng)典Stroop任務(色字一致性實驗)發(fā)現(xiàn)MHE患者前扣帶回—前額葉—頂葉—梭狀回腦注意網(wǎng)絡異常,使這些激活的腦功能區(qū)失去正常動態(tài)平衡,推測這可能是引起MHE患者注意控制障礙的神經(jīng)生理基礎(chǔ).臨界閃爍頻率(critical flicker frequency,CFF)是一種心理物理學檢測,受試者觀看一個初始恒定的光源,并被要求檢測和指示從穩(wěn)定光源到閃爍光源的明顯轉(zhuǎn)變,即CFF.Zafiris等[8]利用這項測試發(fā)現(xiàn),MHE患者右下頂葉皮層中與判斷相關(guān)的BOLD激活降低,對心理生理相互作用的分析表明MHE患者的神經(jīng)相互作用受損,特別是右下頂葉皮層與枕旁皮層、頂內(nèi)溝、前扣帶皮層、右前額葉皮層、內(nèi)側(cè)顳葉和外側(cè)皮質(zhì)V5區(qū)之間的相互作用.Liao等人[9]結(jié)合韋氏記憶量表及fMRI發(fā)現(xiàn)MHE患者存在空間工作記憶的弱化,且在完成量表的過程中雙側(cè)前額葉皮層、雙側(cè)運動前區(qū)、輔助運動區(qū)和雙側(cè)頂葉區(qū)激活程度較正常人減低,提示這些區(qū)域可能是導致空間工作記憶功能障礙的病理基礎(chǔ).McPhail等人[10]通過視覺運動任務進行全腦容量和功能磁共振成像,評估MHE藥物治療效果,結(jié)果顯示MHE患者認知藥物研究評分和肝性腦病心理測量評分均有顯著提高.這種認知改善伴隨著后扣帶皮層和腹側(cè)前額葉皮層的BOLD激活的改變,這兩個區(qū)域構(gòu)成了大腦結(jié)構(gòu)和代謝核心的一部分.盡管上述研究有一定新發(fā)現(xiàn),但范圍限制于小部分MHE患者,因為即使對于MHE患者,與任務相關(guān)的fMRI檢測也是相當困難的,其完成度難以準確無誤的控制,這限制了這項技術(shù)的進一步推廣.

3 靜息狀態(tài)下的BOLD-fMRI成像

在靜息狀態(tài)BOLD-fMRI研究中,患者不需要執(zhí)行特定的刺激任務或做出反應,僅要求在持續(xù)幾分鐘的核磁共振掃描中閉上眼睛,保持頭部不動,不要想任何特別的事情.靜息狀態(tài)BOLD-fMRI在臨床應用中更廣泛,適合于HE、MHE的神經(jīng)病理機制研究和縱向研究,是最主要的fMRI.盡管靜息狀態(tài)BOLD-fMRI數(shù)據(jù)采集比較簡單,但數(shù)據(jù)分析比較復雜,需要經(jīng)過各種數(shù)據(jù)后處理算法,包括:如獨立分量分析(independent component analysis,ICA)、基于種子的相關(guān)性分析(seed-based correlation analysis,SCA)、局部一致性(regional homogeneity,ReHo)、低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)分析、全腦網(wǎng)絡分析(whole-brain network analysis)和小世界網(wǎng)絡(small world-network).目前進行靜息狀態(tài)BOLD-fMRI研究的兩種最流行的技術(shù)是ICA和SCA.

3.1 獨立分量分析 眾所周知,靜息狀態(tài)下左右大腦運動皮層以及參與運動的大部分大腦區(qū)域之間是同步的,這種同步活動隨后又發(fā)現(xiàn)存在除了運動系統(tǒng)之外的大腦多個系統(tǒng),稱之為靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(resting state networks,RSN),包括默認模式網(wǎng)絡、感覺運動網(wǎng)絡、聽覺網(wǎng)絡等.RSN由解剖學上分離但功能上連接的區(qū)域組成,這些區(qū)域表現(xiàn)出高水平的相關(guān)活動,具有相似的BOLD信號模式.利用獨立分量分析(independent component analysis,ICA)算法可以提取靜息狀態(tài)大腦網(wǎng)絡,并研究大腦不同區(qū)域的連接和活動是否存在相關(guān)性.在這些RSN中,與HE相關(guān)報道最多的是默認模式網(wǎng)絡(default mode network,DMN).Chen等人[11]比較了既往明顯肝性腦病(overt hepatic encephalopathy,OHE)(West-Haven分級2-4)發(fā)作、現(xiàn)有MHE患者及健康對照者,靜息狀態(tài)下的BOLD-fMRI成像,應用ICA來分析DMN.發(fā)現(xiàn)楔前葉、后扣帶皮層和左側(cè)額葉內(nèi)側(cè)回的功能性連接(functional connectivity,FC)表現(xiàn)出顯著性差異.從對照組、既往HE和現(xiàn)有MHE患者觀察到兩個區(qū)域FC逐漸減少,而之前有OHE的患者在這兩個區(qū)域FC明顯減少.在肝硬化患者中,楔前葉的FC與MHE的經(jīng)典測試—數(shù)字符號測試(digit-symbol test,DST)及模塊設計試驗(block design test,BDT)存在顯著相關(guān)性.除了默認模式網(wǎng)絡外,Qi等人[12]利用ICA分析識別MHE患者靜息狀態(tài)網(wǎng)絡包括:背側(cè)注意網(wǎng)絡、默認模式網(wǎng)絡、視覺網(wǎng)絡、聽覺網(wǎng)絡、感覺運動網(wǎng)絡、自我參照網(wǎng)絡.他們發(fā)現(xiàn),與健康對照組相比,MHE患者背部注意網(wǎng)絡的功能連通性明顯下降,默認模式網(wǎng)絡、聽覺網(wǎng)絡和視覺網(wǎng)絡的功能連通性有的增加,有的則顯著減少.額中、內(nèi)側(cè)回、頂下小葉以及扣帶回/楔前葉的前部和后部,在額中、內(nèi)側(cè)回、頂下小葉以及扣帶回/楔前葉的前部后部的FC與患者血氨水平及MHE的經(jīng)典診斷實驗如字連接實驗(number connecting test,NCT)及DST得分之間存在相關(guān)性.Jiang等人[13]發(fā)現(xiàn),肝硬化患者主要表現(xiàn)為默認模式網(wǎng)絡與認知控制網(wǎng)絡之間的動態(tài)功能連接(dynamic functional connectivity,dFC);感覺運動網(wǎng)絡與皮層下的連接明顯減弱.肝硬化患者心理測量肝性腦病評分(psychometric hepatic encephalopathy score,PHES)與分數(shù)時間/駐留時間顯著相關(guān).他們認為dFC異?？赡苁歉斡不窠?jīng)認知損害的潛在機制.上述研究均提示,肝硬化HE、MHE是一種與內(nèi)在大腦網(wǎng)絡中斷有關(guān)的神經(jīng)系統(tǒng)疾病.ICA方法在避免先驗空間假設和種子噪聲方面有一些優(yōu)勢,并且能夠同時比較多個分布體素中活動的一致性,然而ICA分解是通過迭代優(yōu)化算法得到的,具有一定程度的逐次可變性,因此重復性較差.除此之外,ICA降維和模型階次選擇的過程具有一定的隨機性及非平穩(wěn)性.

3.2 SCA SCA已用于研究HE患者的腦FC變化.Yang的團隊[14]發(fā)現(xiàn),HE患者執(zhí)行控制網(wǎng)絡種子(右背外側(cè)前額葉皮層)和幾個區(qū)域包括右額中下回、左額下回、雙側(cè)上下頂葉、雙側(cè)中下顳回、右額內(nèi)側(cè)回的FC顯著減少.DMN種子(后扣帶皮層)和幾個區(qū)域包括雙邊內(nèi)側(cè)額葉腦回、雙側(cè)前扣帶皮層、雙側(cè)額上回、雙側(cè)楔前葉、左側(cè)上緣板回、左側(cè)顳中回FC顯著減少.在顯著網(wǎng)絡種子(右島前葉)和右側(cè)脈上回之間FC顯著減少,且在經(jīng)典的Stroop任務中,執(zhí)行控制網(wǎng)絡及顯著網(wǎng)絡中的FC強度與患者的表現(xiàn)呈負相關(guān).Lin等人[15]通過種子的相關(guān)分析確定海馬連接網(wǎng)絡,通過體素形態(tài)測量方法對結(jié)構(gòu)圖像進行預處理并測量海馬體積,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比,MHE患者表現(xiàn)出雙側(cè)海馬體積顯著降低.MHE患者雙側(cè)海馬連通性網(wǎng)絡的平均FC強度明顯降低.特別地,MHE患者表現(xiàn)出包括左海馬到雙側(cè)后扣帶回和左角回的FC減少.MHE患者右側(cè)海馬和雙側(cè)內(nèi)側(cè)額葉皮質(zhì)之間的FC也呈下降趨勢,結(jié)果具有統(tǒng)計學意義,肝硬化患者雙側(cè)海馬FC強度與PHES結(jié)果呈正相關(guān).Tsai等人[16]通過使用前扣帶背側(cè)皮層和背外側(cè)前額葉皮層的兩個種子計算認知控制網(wǎng)絡(cognitive control network,CCN)內(nèi)的FC,他們發(fā)現(xiàn)HE患者雙側(cè)枕葉外側(cè)皮質(zhì)和右側(cè)枕葉外側(cè)及楔前葉皮質(zhì)的FC較無HE的肝硬化患者低,從健康對照到無HE的肝硬化到隱匿性肝性腦病(covert hepatic encephalopathy,CHE)患者,CCN內(nèi)左側(cè)中央前回的FC逐漸減少,結(jié)果具有統(tǒng)計學差異,且PHES結(jié)果與認知控制網(wǎng)絡的FC呈正相關(guān),血氨、白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α與認知控制網(wǎng)絡的FC呈負相關(guān).以上研究通過基于種子的相關(guān)性分析,對大腦不同靜態(tài)網(wǎng)絡的功能性連接與MHE患者經(jīng)典神經(jīng)心里測試結(jié)果進行了相關(guān)性分析,從而證實了大腦的異常連接與肝性腦病認知功能障礙有關(guān),而血氨和促炎細胞因子可能參與了異常連接的發(fā)生.這種方法的主要優(yōu)勢是直截了當?shù)娘@示了與種子體素功能最強的區(qū)域功能網(wǎng)絡,它的缺點是研究的RSN可能受到其他RSN的影響,同時殘留的頭部運動效應或掃描儀誘導的偽影也可能影響結(jié)果.

3.3 局部一致性 ReHo基于肯德爾和諧系數(shù)(Kendall’s coefficient of concordance),認為重要的大腦活動更可能在集群中發(fā)生,而不是在單個體素中.Zhang等人[17]比較了MHE、OHE患者及健康對照在慢波-5(0.010-0.027 Hz)、慢波-4(0.027-0.073 Hz)和慢波-3(0.073-0.198 Hz)頻段的ReHo,并分析各頻段ReH異常值與神經(jīng)心理評分和血氨水平的關(guān)系,以確定各區(qū)帶的ReHo差異是否可以可以對三組受試者進行鑒別診斷.結(jié)果提示各頻段的ReHO異常與血氨水平和神經(jīng)心理評分均呈正相關(guān),尤以左頂下葉為甚.模式分類分析顯示,低慢-5、慢-4和高慢-3頻段的ReHo差異可對三組進行鑒別診斷.與常規(guī)分析相比,慢-4波段的ReHo特征具有更高的分類準確率(89%).Lin等人[18]發(fā)現(xiàn),肝硬化合并明顯肝性腦病患者左中央扣帶、雙側(cè)顳上帶、左眶額下帶、右胼胝體、左額下回、左中央后帶、左顳下回、左舌區(qū)ReHo明顯降低,右額上、右顳下、右尾狀突起和小腦ReHo明顯升高.OHE組存活患者與死亡患者右側(cè)顳上葉、左側(cè)小腦腳區(qū)ReHo值存在明顯差異,格拉斯哥昏迷評分與左側(cè)小腦腳ReHo增加相關(guān).Sun的團隊[19]發(fā)現(xiàn),健康對照與肝硬化合并MHE與肝硬化不合并MHE三組間視覺網(wǎng)絡、背側(cè)注意網(wǎng)絡、軀體運動網(wǎng)絡、額頂葉控制網(wǎng)絡和丘腦ReHo存在明顯差異,且MHE患者病程與右側(cè)梭狀回平均ReHo值增加呈正相關(guān),MHE患者右側(cè)額葉ReHo值與病程呈正相關(guān),與PHES評分呈正相關(guān).這些研究證明了靜息狀態(tài)BOLD-fMRI與ReHo分析的可行性,并提供關(guān)于HE患者認知變化的病理生理機制的信息,未來通過ReHo方法診斷MHE創(chuàng)造了可能性.然而,這種方法本質(zhì)上是局部的,對不同功能簇之間的空間分布不敏感,很難描述RSN的空間分布特性.

3.4 低頻振幅 ALFF指數(shù)由給定的低頻BOLD時間過程的功率譜的平方進行平均計算,與功能連通性分析等其他算法相比,低頻振幅具有直接反映自發(fā)活動幅度或強度的優(yōu)點.Cheng等人[20]比較肝硬化患者肝移植前后的ALFF值,并對ALFF變化與靜脈血氨水平及神經(jīng)心理測試進行相關(guān)性分析,結(jié)果提示,肝硬化患者肝移植術(shù)后早期視覺相關(guān)區(qū)域(左側(cè)舌回和距狀核)、感覺運動相關(guān)區(qū)域(左側(cè)中央后回和扣帶回)以及默認模式網(wǎng)絡(雙側(cè)楔前葉和左側(cè)頂下小葉)的ALFF均恢復正常,顳葉和額葉的ALFF增加的情況在術(shù)后早期有所改善.ALFF下降持續(xù)存在于右側(cè)輔助運動區(qū)、頂下小葉和距骨側(cè).右側(cè)楔前葉的ALFF變化與NCT-A變化呈負相關(guān),提示肝移植手術(shù)能改善肝性腦病自發(fā)性腦活動,改善相關(guān)認知測試結(jié)果.Chen等人[21]通過檢測fMRI信號中的ALFF來測量自發(fā)腦活動,以PHES為金標準診斷MHE,研究區(qū)域ALFF對MHE診斷準確率為80.6%(敏感度為81.3%,特異度為80.0%).其中雙側(cè)額葉內(nèi)側(cè)/前扣帶回、扣帶回/楔前葉、左側(cè)中央前回和中央后回、右側(cè)舌回、額中回、頂下小葉等6個研究區(qū)是最具區(qū)分性的特征,肝硬化患者研究區(qū)區(qū)內(nèi)的ALFF值與PHES呈正相關(guān).Zhong等人[22]發(fā)現(xiàn),與健康對照組相比,MHE患者雙側(cè)內(nèi)側(cè)前額葉皮層、左側(cè)額上回、右側(cè)中央前回、額下回左蓋部、左側(cè)直回、雙側(cè)楔前葉、右側(cè)小腦后葉ALFF明顯降低.前額葉皮層是空間工作記憶的集成和處理中心,具有對外界信息的注意、抑制、編碼、集成、存儲、提取和處理功能,額葉ALFF下降和反映了大腦自發(fā)活動的減少,這可能導致腦功能障礙,導致MHE患者注意力分散、記憶力下降、反應遲緩等認知缺陷.總而言之,ALFF中可能存在與大腦認知功能有密切關(guān)系的診斷信息,這種技術(shù)由此可以為ReHo、ICA等方法提供有效補充.

3.5 全腦功能網(wǎng)絡分析 人類大腦高級活動的完成需要大腦各區(qū)域的配合,因為大腦各區(qū)域都有自己的功能,它們共同形成一個有機的網(wǎng)絡,才能有意義.因此,從整體角度觀察HE患者的功能連通性具有一定的意義.全腦功能連接分析可以提供一個平臺,來研究功能連接和信息集成如何與人類行為相關(guān),以及這種組織在疾病中可能會發(fā)生怎樣的改變.Chen等人[23]利用90個腦區(qū)域的閾值函數(shù)相關(guān)矩陣構(gòu)建全腦功能網(wǎng)絡.對大腦網(wǎng)絡的拓撲特性,包括小世界性、網(wǎng)絡效率和節(jié)點效率進行了檢驗.與對照組相比,之前曾有OHE發(fā)作的肝硬化患者聚類系數(shù)和局部效率顯著降低.之前曾有OHE發(fā)作肝硬化患者雙側(cè)內(nèi)側(cè)額上回和右側(cè)中央后回的節(jié)點效率降低,雙側(cè)扣帶前/扣帶旁回和右側(cè)頂葉上回的節(jié)點效率升高.其聚類系數(shù)和局部效率值與PHES結(jié)果顯著相關(guān).作者認為肝硬化導致腦功能網(wǎng)絡效率的降低,而這可能因先前的OHE發(fā)作而加重.Zhan等人[24]發(fā)現(xiàn),MHE患者默認模式網(wǎng)絡區(qū)域(如雙側(cè)扣帶回、額葉內(nèi)側(cè)皮質(zhì)和角回)與軀體感覺網(wǎng)絡區(qū)域和語言網(wǎng)絡區(qū)域之間的FC顯著降低,默認模式子網(wǎng)絡內(nèi)的FC與PHES結(jié)果之間的相關(guān)性.他們認為默認模式網(wǎng)絡功能障礙可能是MHE病理生理學的基礎(chǔ),HE是一種與固有的大腦網(wǎng)絡中斷有關(guān)的神經(jīng)疾病.

3.6 小世界網(wǎng)絡 Hsu等人[25]利用小世界拓撲分析研究肝硬化患者神經(jīng)元連通性的異常.發(fā)現(xiàn) 在HE患者中,功能連通性網(wǎng)絡的局部和全局拓撲效率顯著中斷,具有異常小世界性質(zhì).區(qū)域特征的改變,包括節(jié)點效率和節(jié)點強度,主要發(fā)生在關(guān)聯(lián)區(qū)、初級區(qū)和邊緣或旁邊緣區(qū).血氨水平也與本地網(wǎng)絡特性的改變顯著相關(guān).這項研究認為,大腦靜息狀態(tài)fMRI網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的改變與HE嚴重程度有關(guān).局灶性或彌漫性的損傷擾亂了腦功能網(wǎng)絡,進而改變了整個腦網(wǎng)絡的整體拓撲結(jié)構(gòu)和效率.這些發(fā)現(xiàn)為HE、MHE患者大腦功能改變的神經(jīng)病理學機制提供了新的見解.

4 靜息狀態(tài)下的BOLD-fMRI成像與其他MRI技術(shù)的多模型

一些研究者還結(jié)合靜息態(tài)fMRI和其他MRI技術(shù)(如彌散張量成像或基于體素的形態(tài)測量術(shù))進行了多模型研究,以提供結(jié)構(gòu)和功能信息.Chen等[26]結(jié)合靜息狀態(tài)下的BOLD-fMRI掃描和MRI彌散張量成像技術(shù)對乙肝肝硬化合并MHE患者進行研究,他們應用體素鏡像同形連通性(voxel-mirrored homotopic connectivity,VMHC)的技術(shù)計算對稱半球間體素之間的功能連通性,應用彌散張量成像測量胼胝體的平均擴散率(mean diffusivity,MD)和各向異性(fractional anisotropy,FA).他們發(fā)現(xiàn)與對照組相比,MHE患者在額內(nèi)側(cè)回、額帽上回、扣帶回前回、頂下小葉、中央后回、舌回和枕中回出現(xiàn)區(qū)域性VMHC下降.MHE患者胼胝體膝部、胼胝體壓部FA值明顯降低,而胼胝體膝部MD值明顯升高.Pearson相關(guān)分析顯示,扣帶回前回/額回內(nèi)側(cè)VMHC與胼胝體膝部FA/MD值相關(guān).胼胝體具有溝通人類大腦左右半球的功能,這些發(fā)現(xiàn)可能提示MHE的半球間存在協(xié)調(diào)異常,并可能為HE相關(guān)機制提供新的證據(jù).Bajaj等人[27]進行了包括DTI和靜息狀態(tài)fMRI的多模式MRI研究,以評估基于視頻游戲的康復計劃對隱匿性肝性腦病(包括MHE及West-Haven分級0-1)的治療效果.發(fā)現(xiàn)涉及胼胝體、內(nèi)囊和皮質(zhì)脊髓束的部分的徑向彌散率增加,與視頻游戲訓練域相對應的視覺空間靜息狀態(tài)連通性得到改善.在Hopkins言語學習測試及健康相關(guān)生活質(zhì)量測試上沒有明顯的相應改善,但在訓練期間,在類似于視頻游戲的認知測試中,認知表現(xiàn)確實有短暫的改善,這為隱匿性肝性腦病的治療效果評價提供了新的標志物.

5 結(jié)論

總之,fMRI檢查發(fā)現(xiàn)MHE患者背部注意網(wǎng)絡、默認模式網(wǎng)絡、認知控制網(wǎng)絡、感覺運動網(wǎng)絡、顯著網(wǎng)絡及雙側(cè)海馬FC明顯減弱,相關(guān)區(qū)域ReHo及ALFF與正常對照存在明顯差異,提示MHE患者可能是一種大腦網(wǎng)絡功能異常及腦連接中斷導致的疾病,其具體原因有待后續(xù)深入的研究進一步明確.fMRI為揭示肝硬化HE,特別是MHE的病理生理變化及其機制提供了新的研究手段,也可能為臨床肝硬化MHE的早期診斷和治療效果評價提供了重要的影像學標志物.