BOLD-MRI時間信號強度曲線評估肌肉萎縮側(cè)索硬化的感覺神經(jīng)損害＊

應偉峰 陳 穹 張 瑩劉慧黎 侯羽宇 葉 飛翁慧超

上海市徐匯區(qū)大華醫(yī)院放射科(上海 200237)

肌肉萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis， ALS)是以漸進性上、下神經(jīng)元共同受累為主要特征的罕見病，過去認為ALS僅累及運動系統(tǒng)，最近10余年有一些研究發(fā)現(xiàn)ALS可伴有認知和行為障礙、額顳葉癡呆、感覺神經(jīng)損傷等[1-3]。而感覺神經(jīng)損傷可能是ALS患者短期生存的預測因素之一[4-5]，這些臨床研究過去主要集中在激活區(qū)體積(體素)、部位，感覺神經(jīng)激活區(qū)體積與部位個體差異較大，所以研究結(jié)果不甚統(tǒng)一[6-7]。實際上目前為止ALS的診斷標準未將感覺神經(jīng)損害納入。此次研究的血氧水平依賴(blood oxygen level-dependent，BOLD)功能fMRI(functional magnetic resonance imaging，fMRI)時間信號強度曲線(time-intensity curve，TIC)運用在ALS患者神經(jīng)損害檢測是一種創(chuàng)新性的方法，且ALS對神經(jīng)損傷的分析主要為靜息態(tài)fMRI[8]，主動刺激后收集ALS患者感覺神經(jīng)損傷方面的BOLD分析報道也少見，本次研究通過主動刺激腓腸神經(jīng)感受區(qū)后，采集大腦的BOLD時間信號強度曲線數(shù)據(jù)，分析ALS患者的感覺中樞反饋情況與健康對照組的差異，以驗證此方法的有效性及尋找ALS患者存在感覺神經(jīng)損害的證據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料前瞻性搜集我院2019年1月至2020年12月經(jīng)臨床確診、病程2年內(nèi)(平均15個月)的16例ALS患者 (ALS組)，其中男9 名，女7名，年齡43～78歲，平均年齡(56.38±8.76)歲。

納入標準：均符合世界神經(jīng)病學聯(lián)盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標準[9]。排除標準：有藥物或酒精依賴病史、精神疾病史者；有其他神經(jīng)系統(tǒng)病變者；有激素及化療藥物應用史者；有MRI禁忌證者。并選擇同一時期性別、年齡與ALS組相匹配的16名健康志愿者為對照組，男9名，女7名，年齡43～77歲，平均年齡(56.25±8.51)歲，納入標準：無神經(jīng)系統(tǒng)及相關慢性疾病。排除標準：有MRI禁忌證者，一年內(nèi)服用過影響神經(jīng)系統(tǒng)的藥物者。本研究經(jīng)我院醫(yī)學倫理委員會批準(批準文號：20180926)，所有受試者均知情同意，均為右利足。

1.2 儀器與方法使用聯(lián)影uMR560 1.5T MR掃描儀，6通道頭線圈。采用平面回波(echo planar imaging，EPI)血氧水平依賴功能成像(blood oxygen level-dependent，BOLD)序列，掃描范圍頭頂至枕骨大孔，使用平面回波(echo planar imaging，EPI)血氧水平依賴序列采集大腦的BOLD圖像：層厚3.5mm，層間距0mm，F(xiàn)OV 23×23cm，矩陣256×256，TE 30ms，TR 3000ms，翻轉(zhuǎn)角90°，持續(xù)掃描249s，含掃描次數(shù)80次(3s/次)，每10次掃描為一個周期，分8個掃描周期；試驗采用組塊設計，包含靜止-刺激-靜止-刺激-靜止-刺激-靜止-刺激8個組塊，每個組塊一一對應前述8個掃描周期，每個周期30s，在每個刺激周期內(nèi)由經(jīng)過系統(tǒng)訓練的同一名醫(yī)師持續(xù)規(guī)律、均勻的使用鈍頭竹簽刺激受試者右側(cè)腓腸神經(jīng)感受區(qū)(右小腿中下1/3處后側(cè)皮膚)30次(刺激頻率1次/s)，刺激強度標準為皮膚凹陷5mm。

1.3 圖像處理與分析圖像處理軟件：uWS-MR聯(lián)合神經(jīng),版本：SW001.003(R003)。首先進行運動校正，然后在原始空間內(nèi)按20/80次為間隔進行計算，血氧飽和度偽彩閾值P＜0.05，由放射科具有豐富神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷經(jīng)驗的2名主治醫(yī)師采用雙盲法獨立對大腦血氧飽和度反饋區(qū)進行感興趣區(qū)(ROI)勾勒，計算2名醫(yī)師記錄ROI的信號強度平均值(mean signal intensity，SImean)，選擇最高平均信號強度ROI(以下簡稱最高反饋區(qū))，軟件自動生成此ROI時間信號強度曲線TIC及SImean、信號強度標準差(standard deviations，SD)。

由前述2名主治醫(yī)師對圖像進行評估，意見不一致時相互協(xié)商后達成共識。(1)比較ALS與對照組最高平均信號強度BOLD激活區(qū)(以下簡稱最高激活區(qū))分布差異；(2)以TIC圖表X軸為基準，將最高激活區(qū)TIC曲線分成上升型(斜率≥10°)、水平型(斜率在±10°之間)、下降型(斜率≤-10°)三種類型，對比ALS組與對照組內(nèi)最高激活區(qū)各TIC類型所占比例的差異；(3)對比ALS組與對照組TIC的SImean、SD的差異。

1.4 統(tǒng)計學分析采用SPSS 23.0統(tǒng)計軟件，符合正態(tài)分布計量資料以(±s)表示，計數(shù)資料以例或百分比表示；兩組間最高激活區(qū)分布差異、各TIC類型所占比例比較采用皮爾遜χ2檢驗；采用配對樣本t檢驗對比兩組TIC的SImean、SD差異；P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1 ALS組、對照組BOLD最高激活區(qū)分布情況差異最高激活區(qū)位于常規(guī)感覺中樞左頂葉以外區(qū)域：ALS組＞對照組(P均＜0.05，表1)。

表1 ALS組、對照組BOLD最高激活區(qū)分布情況(例)

2.2 ALS組、對照組BOLD最高激活區(qū)TIC曲線類型分布情況及比較ALS組最高激活區(qū)上升型TIC多見，對照組水平型TIC多見，(P均＜0.05，表2)。

表2 ALS組、對照組BOLD最高激活區(qū)TIC類型分布情況及比較(例)

2.3 ALS組與對照組TIC的最高激活區(qū)SImean差異無統(tǒng)計學意義(P=0.058)，TIC的最高激活區(qū)SD：ALS組＞對照組(P＜0.05，表3)。

表3 ALS組、對照組BOLD最高激活區(qū)TIC的SImean、SD差異

3 討 論

ALS為罕見病，主要累及運動神經(jīng)元，國外對ALS小鼠實驗研究后認為存在感覺神經(jīng)損害的現(xiàn)象[10]，也有一些ALS患者研究找到感覺神經(jīng)損害的蛛絲馬跡[11-13]，當然也有ALS不存在感覺神經(jīng)損害的相反觀點[14]，鑒于結(jié)果差異較大，可能主要與檢測或研究方法、標準不夠統(tǒng)一有關。腦部功能MRI成像技術研究和應用廣泛[15-16]，近年來國內(nèi)外有較多關于BOLD、DTI等fMRI應用于ALS的研究[7-8,17]，其中部分研究表明，MRI功能成像大腦激活區(qū)體積與部位個體差異較大[6-7]，所以結(jié)果有待進一步商榷，實際上本組數(shù)據(jù)也表明ALS感覺神經(jīng)最高激活區(qū)分布各異，雖然大部分分布在符合感覺中樞的左側(cè)頂葉中央后回，也有不少分布在其他部位如左額葉等甚至對側(cè)大腦半球(圖3A)。另外本研究及其他研究表明，極少數(shù)健康人群感覺神經(jīng)反饋部位也不在相應感覺中樞[18](圖4A)，但是本次ALS組中這種情況明顯多見(表1)，也顯示了ALS存在明顯多于健康對照組的感覺反饋中樞分布紊亂現(xiàn)象。

BOLD對氧分壓的變化較敏感[19]，有國內(nèi)學者應用BOLD及其TIC研究不同嗅覺刺激后的反饋、正常胎盤和植入胎盤的氧合功能[20-21]。本研究嘗試運用BOLD-fMRI的時間信號曲線(TIC)可以較好的避開激活體積、部位差異較大所致結(jié)果差異明顯等缺點，希望可以較為客觀的表述研究結(jié)果。另外，研究證實ALS運動神經(jīng)損害大多起始于下肢[22]，所以本研究選擇刺激下肢腓腸神經(jīng)感受區(qū)，期待可以找到相關感覺神經(jīng)損害的證據(jù)。本研究此次研究結(jié)果表明持續(xù)刺激腓腸神經(jīng)分布區(qū)后大腦BOLD激活區(qū)被發(fā)現(xiàn)TIC主要有三種類型：上升型、水平型、下降型。ALS組上升型TIC多見(表2、圖1B、圖3B)，健康對照組水平型TIC多見(圖2B、圖4B)； 在SImean方面，ALS組信號強度SI＞對照組，但兩組間差異無明顯統(tǒng)計學意義(P=0.058)；而 ALS組信號強度SD＞對照組(P＜0.05，表3)。

圖1 男，57歲，確診ALS 1年，紅色為激活區(qū)，綠色為雜波(下同)；圖1A：左頂葉紅中帶黃的最高激活區(qū)勾勒(箭頭)；圖1B：最高激活區(qū)BOLD的上升型TIC(斜率≥10°)；TIC的SImean為1085，可見持續(xù)約20s時間的波幅明顯擴大(箭頭)，SD為157。

圖2 男，57歲 健康志愿者；圖2A：左頂葉最高激活區(qū)勾勒(箭頭)；圖2B：最高激活區(qū)BOLD的水平型TIC(斜率在±10°之間)，SImean為787，SD為19。

圖3 女，61歲，確診ALS 1年半，可以看到紅色激活區(qū)明顯代償性增多；圖3A：最高激活區(qū)位于非相應感覺中樞的右頂葉近枕葉交界處(箭頭)；圖3B：最高激活區(qū)BOLD的上升型TIC，TIC的SImean為1128，可見持續(xù)約15s時間的波幅明顯擴大(箭頭)，SD為59。

圖4 女，61歲，健康志愿者；圖4A：右頂葉最高激活區(qū)勾勒(箭頭)；圖4B：最高激活區(qū)BOLD的水平型TIC，SImean為910，SD為35。

一項正中神經(jīng)、尺神經(jīng)電生理研究發(fā)現(xiàn)脊髓運動神經(jīng)元對聯(lián)合輸入的反應在ALS中特別增強，他們認為脊髓網(wǎng)絡特性可能補償傳入輸入的抑制導致運動神經(jīng)元超興奮性，而超興奮性可能導致興奮性毒性[5]。有些電生理研究表明ALS患者存在感覺皮層過度興奮的現(xiàn)象，被認為這可能是患者短生存期的預測因素[4,23]。本組ALS上升型TIC多見，表明由于持續(xù)刺激腓腸神經(jīng)分布區(qū)后大部分ALS患者大腦相關感覺中樞區(qū)域血氧飽和度也漸進性上升，代表患者對痛覺的反饋逐步加重，與ALS不同，對照組大部分患者腓腸神經(jīng)分布區(qū)持續(xù)受刺激后大腦相關感覺中樞保持較為穩(wěn)定的血氧飽和度，代表這部分志愿者對痛覺的反饋較為恒定；而且對照組與ALS的平均信號強度(SImean)相仿，但是標準差(SD)有差異，分析這些數(shù)據(jù)及本組所有TIC圖，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)ALS在受刺激之初痛覺反饋接近對照組，在隨后的時間推移中ALS組痛覺反饋逐漸超過對照組，且部分ALS受刺激反饋過程中波動幅度(SD)會出現(xiàn)短暫的約15～20秒的增大(圖1B、圖3B)；另外，本次研究還發(fā)現(xiàn)部分ALS患者感覺激活區(qū)多于對照組的現(xiàn)象，且病程越長者越明顯(圖3A)，這些印證了前述研究者認為ALS可能存在感覺神經(jīng)異常興奮的假設，當然，也驗證了ALS感覺神經(jīng)可能存在損害現(xiàn)象。本次研究存在缺陷一：與大多數(shù)國內(nèi)外ALS研究相似，樣本量較少。缺陷二：由于輔助刺激設備含有金屬無法進入MRI室而采用經(jīng)過系統(tǒng)刺激標準訓練后的同一名醫(yī)師刺激，其強度及頻率仍然存在輕微差異等因素導致研究結(jié)果可能具有一定的偏倚，期待未來可以進一步完善此類研究。

綜上所述，刺激腓腸神經(jīng)后采集大腦BOLD-fMRI時間信號強度曲線類型和信號強度標準差是潛在評估ALS感覺神經(jīng)損害的手段之一，與對照組不同的大腦BOLD激活區(qū)上升型時間信號強度曲線類型可能可以作為在ALS存在感覺神經(jīng)損害的證據(jù)。