衰老進(jìn)程中腦氧代謝及灌注參數(shù)的變化規(guī)律研究

吳迪,朱文珍,張順,張巨

人類大腦重量約占全身重量的2%,但是氧氣消耗量卻占全身氧消耗的20%之高[1]。靜息狀態(tài)下,大腦幾乎全部依賴葡萄糖有氧代謝以滿足其神經(jīng)活動(dòng)所需要的能量供應(yīng),缺血缺氧數(shù)分鐘即可導(dǎo)致腦組織發(fā)生不可逆的損傷甚至死亡[2]。所以,腦氧代謝率(cerebral metabolic rate of oxygen,CMRO2)是反應(yīng)腦組織活性和功能的關(guān)鍵指標(biāo),其調(diào)節(jié)對(duì)于維持正常認(rèn)知功能至關(guān)重要[3-5]。研究健康人群不同階段腦氧代謝的變化將有助于我們理解大腦發(fā)育、成熟乃至衰老進(jìn)程中神經(jīng)活動(dòng)的自發(fā)性改變以及對(duì)刺激的反應(yīng),對(duì)腦血管疾病、精神疾病、神經(jīng)退行性疾病、顱腦創(chuàng)傷性損傷以及腫瘤等神經(jīng)系統(tǒng)疾病的腦代謝及腦功能研究具有重要意義[3,5-9]。

CMRO2衡量組織氧攝取以及血液氧供給之間的相互作用關(guān)系。在大腦衰老的過程中,針對(duì)靜息狀態(tài)下CMRO2的變化,不同研究所持觀點(diǎn)不同。部分學(xué)者認(rèn)為CMRO2隨年齡增長(zhǎng)而降低,其原因與動(dòng)脈粥樣硬化所致持續(xù)低灌注和低氧氣供給有關(guān),或者與衰老伴隨的細(xì)胞丟失(表現(xiàn)為灰質(zhì)體積減少)或細(xì)胞功能改變(表現(xiàn)為氧利用率降低)相關(guān)[10,11]。也有學(xué)者表示,盡管隨年齡增長(zhǎng)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行性萎縮,但腦功能可以相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間維持穩(wěn)定,這表明老年人群的大腦相較于青年人群消耗的能量更多,即CMRO2隨年齡增長(zhǎng)而上升[1]。通過測(cè)量任務(wù)態(tài)下功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)信號(hào)變化,有研究發(fā)現(xiàn)信號(hào)改變隨年齡上升而增加,推測(cè)CMRO2的改變也增加,但其他研究則報(bào)道工作記憶任務(wù)中CMRO2變化分?jǐn)?shù)在體素水平隨年齡降低,說明在發(fā)育過程中,大腦趨于向“高效節(jié)能”狀態(tài)發(fā)展[11,12]。因此,年齡與CMRO2之間的關(guān)系有待進(jìn)一步明確。

CMRO2成像的金標(biāo)準(zhǔn)為正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography,PET)。PET利用靜脈注射正電子核素15O標(biāo)記的H215O定量腦血流量(cerebral blood flow,CBF),以及吸入15O2氣體定量腦氧攝取分?jǐn)?shù)(oxygen extraction fraction,OEF)和CMRO2。但該項(xiàng)技術(shù)操作復(fù)雜且有創(chuàng),具有較高輻射危害,放射性15O示蹤劑制備及保存困難,空間分辨率低及部分容積效應(yīng)顯著,這些特點(diǎn)限制其臨床應(yīng)用。MRI技術(shù)的發(fā)展使高空間分辨率全腦水平或體素水平的精準(zhǔn)CMRO2定量得以實(shí)現(xiàn)。氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白磁化性質(zhì)的差異是MRI-CMRO2成像的基礎(chǔ)。MR信號(hào),通常指橫向弛豫時(shí)間(transverse relaxation time,T2)受血液中順磁性去氧血紅蛋白濃度的調(diào)節(jié)。去氧血紅蛋白濃度升高,T2縮短,MR信號(hào)降低,反之亦然。既往研究中所用到的CMRO2成像技術(shù)有基于信號(hào)幅度(T2、T2*或T2’)的定量血氧水平依賴(quantitative blood oxygen level dependent,qBOLD)技術(shù)、自旋標(biāo)記T2馳豫(T2-relaxation-under-spin-tagging,TRUST)技術(shù)、非對(duì)稱自旋回波(asymmetric spin echo,ASE)技術(shù)等[13-15],也有基于信號(hào)相位的磁敏感加權(quán)成像(susceptibility weighted imaging,SWI)和定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping,QSM)等[16,17]。結(jié)合信號(hào)幅度及相位信息,Cho等[18]提出了一種定量體素水平OEF的新方法:基于時(shí)間演變聚類分析(cluster analysis of time evolution,CAT)的QSM與qBOLD聯(lián)合模型(QSM+qBOLD,QQ),下文中均以“CAT-QQ”表示。該方法無需吸入混合氣體或呼吸控制進(jìn)行參數(shù)矯正,也克服了單獨(dú)應(yīng)用QSM或qBOLD技術(shù)時(shí)的參數(shù)假設(shè),模型準(zhǔn)確性在與PET金標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比研究中得到了印證,結(jié)合灌注成像定量的CBF即可最終獲得CMRO2[19,20]。

基于此,本研究旨在利用CAT-QQ技術(shù)聯(lián)合磁共振灌注成像,探究健康人群衰老進(jìn)程中大腦CMRO2、OEF以及CBF的變化規(guī)律,同時(shí)探討性別、灰白質(zhì)以及不同腦區(qū)之間的參數(shù)差異,以幫助理解腦氧代謝在衰老和疾病發(fā)生發(fā)展過程中的作用及意義,并進(jìn)一步驗(yàn)證CAT-QQ技術(shù)的可行性,為其在臨床疾病中的應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

材料與方法

1.健康志愿者招募

本研究已通過機(jī)構(gòu)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)的審查及批準(zhǔn),所有志愿者入組前均已知悉研究目的及內(nèi)容,并簽署知情同意書。納入標(biāo)準(zhǔn):①20～70周歲;②無磁共振掃描禁忌癥,如有支架、心臟起搏器、鋼釘鋼板等體內(nèi)金屬植入物,幽閉恐懼癥等;③既往無重大軀體疾病史,如腦卒中、顱腦損傷、顱腦手術(shù)、精神分裂癥、癲癇、惡性腫瘤等。排除標(biāo)準(zhǔn):①磁共振圖像質(zhì)量差,如較大運(yùn)動(dòng)偽影、部分圖像缺失等;②磁共振圖像預(yù)處理質(zhì)量差。

研究隊(duì)列:本研究共招募123例符合納入標(biāo)準(zhǔn)的志愿者,9例志愿者的磁共振圖像質(zhì)量差,6例志愿者圖像預(yù)處理質(zhì)量差。最終,本研究共納入108例志愿者,其中男42例,女66例,20～29歲共19例,30～39歲共15例,40～49歲共14例,50～59歲共43例,60～69歲共17例。

2.磁共振圖像采集

所有MR圖像的采集均由3.0T MR掃描儀(Discovery MR750,GE Healthcare)完成,采用32通道頭部線圈,并使用彈性泡沫塑料限制頭部運(yùn)動(dòng)。告知志愿者檢查當(dāng)天勿劇烈運(yùn)動(dòng)、飲茶或飲咖啡。

磁共振序列及參數(shù)如下:①擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion-weighted imaging,DWI):自旋回波平面成像,重復(fù)時(shí)間(repeat time,TR)3000 ms,回波時(shí)間(echo time,TE)65.5 ms,b值為0、1000 s/mm2,視野(field of view,FOV)240 mm×240 mm,矩陣160×160,層厚5 mm,層間距1.5 mm,層數(shù)20,采集時(shí)間42秒。②T2液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(T2fluid attenuated inversion recovery,T2-FLAIR):自旋回波反轉(zhuǎn)恢復(fù),TR 8000 ms,TE 165 ms,反轉(zhuǎn)時(shí)間(inversion time,TI)2100 ms,FOV 240 mm×240 mm,矩陣256×256,層厚5 mm,層間距1.5 mm,層數(shù)20,采集時(shí)間2分9秒。③三維增強(qiáng)梯度回波T2*加權(quán)血管成像(enhanced gradient echo T2star weighted angiography,ESWAN),TR 42.8 ms,8個(gè)TE,TE1 4.5 ms,ΔTE 4.9 ms,FOV 240 mm×240 mm,矩陣416×320,層厚2 mm,層間距0 mm,層數(shù)70,翻轉(zhuǎn)角20°,采集時(shí)間5分59秒。④三維偽連續(xù)動(dòng)脈自旋標(biāo)記成像(three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling,3D-pCASL):螺旋堆疊快速自旋回波,TR 4787 ms,TE 14.6 ms,標(biāo)記時(shí)間(labeling duration,LD)1500 ms,標(biāo)記后延遲時(shí)間(post-labeling delay,PLD)1525 ms,FOV 240 mm×240 mm,層厚4 mm,層間距0 mm,34對(duì)標(biāo)記相和控制相,采集時(shí)間4分38秒。⑤三維T1腦容積成像(three-dimensional T1brain volume,3D-T1BRAVO):擾相梯度回波序列,矢狀面掃描,TR 7.1 ms,TE 2.7 ms,TI 450 ms,FOV 240 mm×280 mm,矩陣256×256,層厚1 mm,層間距0 mm,層數(shù)172,翻轉(zhuǎn)角12°,采集時(shí)間4分16秒。

3.磁共振圖像分析

①參數(shù)圖重建。首先,聯(lián)合ESWAN數(shù)據(jù)中的相位信息和幅度信息,基于CAT方法,進(jìn)行OEF參數(shù)圖的重建[18,21]。CAT方法的核心思想為:具有相似幅度信號(hào)衰減特征的體素也具有相似的組織參數(shù),將這些體素歸為一個(gè)聚類,可以有效地提升信噪比,K均值聚類方法可以用于識(shí)別這些聚類。其次,將3D-pCASL原始數(shù)據(jù)傳入GE AW 4.6工作站,采用FuncTool工具獲得CBF參數(shù)圖。最后,采用牛津大學(xué)腦功能磁共振成像中心軟件庫(kù)(FSL)的線性圖像配準(zhǔn)工具(FLIRT)[22,23]將重建后的CBF參數(shù)圖配準(zhǔn)至OEF參數(shù)圖,使其具備相同的空間分辨率和空間位置,通過公式:

CMRO2=CBF·OEF·[H]a

(1)

即可獲得CMRO2參數(shù)圖,其中[H]a表示血細(xì)胞比容為0.357的動(dòng)脈血氧合血紅蛋白濃度([H]a=7.377)。

②參數(shù)值提取。步驟1:序列間圖像配準(zhǔn)。采用FLIRT將3D-T1BRAVO圖像配準(zhǔn)至OEF參數(shù)圖。步驟2:結(jié)構(gòu)像的空間標(biāo)準(zhǔn)化。采用MATLAB中的CAT12工具包[24],對(duì)配準(zhǔn)后的3D-T1BRAVO圖像進(jìn)行個(gè)體原始空間灰質(zhì)、白質(zhì)以及腦脊液的分割,得到個(gè)體原始空間灰質(zhì)、白質(zhì)以及全腦體積,相對(duì)體積為灰質(zhì)(或白質(zhì))體積與全腦體積的比值。同時(shí),獲得標(biāo)準(zhǔn)空間(MNI空間)的T1圖像、全腦灰質(zhì)及白質(zhì)概率圖,分別提取概率值大于0.7的體素制作全腦灰質(zhì)及白質(zhì)模板[25]。步驟3:參數(shù)圖的空間標(biāo)準(zhǔn)化。采用步驟2中獲得的T1到MNI空間的形變場(chǎng),將CMRO2、OEF、CBF參數(shù)圖配準(zhǔn)至MNI空間。步驟4:基于模板的不同腦區(qū)參數(shù)值提取。采用ITK-SNAP軟件(www.itksnap.org)和步驟2中獲取的標(biāo)準(zhǔn)空間全腦灰質(zhì)及白質(zhì)模板,提取全腦灰質(zhì)及白質(zhì)的CMRO2、OEF、CBF值;利用全腦灰質(zhì)模板以及標(biāo)準(zhǔn)空間的腦葉模板(額葉、顳葉、頂葉、島葉、枕葉、小腦),生成只包含灰質(zhì)區(qū)域的腦葉模板,并提取各參數(shù)值;利用標(biāo)準(zhǔn)空間的深部灰質(zhì)核團(tuán)模板(尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦),提取各參數(shù)值。參數(shù)值提取流程見圖1。

圖1 圖像處理及參數(shù)提取流程。

4.統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)分析與制圖在IBM SPSS Statistics軟件(阿蒙克,紐約,美國(guó);www.ibm.com/products/spss-statistics)和GraphPad Prism軟件(圣地亞哥,加利福尼亞,美國(guó);www.graphpad.com)中完成。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗(yàn)及Levene檢驗(yàn)進(jìn)行連續(xù)型變量的正態(tài)分布及方差齊性檢驗(yàn)。連續(xù)型變量均用“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。CMRO2、OEF、CBF參數(shù)值在全腦灰質(zhì)與白質(zhì)之間、男女性別之間的差異采用兩樣本t檢驗(yàn)或者M(jìn)ann-WhitneyU檢驗(yàn)進(jìn)行比較。全腦灰白質(zhì)相對(duì)體積與年齡的相關(guān)性、不同腦區(qū)各參數(shù)值與年齡的相關(guān)性、各參數(shù)值在腦區(qū)之間的相關(guān)性利用偏相關(guān)或Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)進(jìn)行分析。相關(guān)系數(shù)r取絕對(duì)值后,0～<0.1為無相關(guān)性,0.1～<0.3為弱相關(guān),0.3～<0.5為中等相關(guān),0.5～1.0為強(qiáng)相關(guān)[26]。采用Bonferroni多重比較矯正的單因素方差分析比較各參數(shù)值在不同年齡段間的差異性腦區(qū)。雙尾P<0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

今年，由他研發(fā)的APP經(jīng)過一段時(shí)間推行后，使用軟件的焊工、技術(shù)員比不使用的每天可節(jié)約1.5小時(shí)。大家看到軟件帶來的好處后，開始慢慢接受新的理念和管理方式。項(xiàng)目部分階段取消了紙質(zhì)版焊材領(lǐng)用卡。很快，兩個(gè)軟件在十建項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)全面使用，并取得了很好的效果。今年3月份，十建組織各項(xiàng)目部來創(chuàng)新觀摩，并將該項(xiàng)目部定為創(chuàng)新基地。

結(jié) 果

1.全腦分析

108例健康志愿者的全腦灰質(zhì)CMRO2、OEF和CBF值分別為(122.22±27.30)μmol/(100g·min)、(27.80±4.09)%和(59.97±10.85)mL/(100g·min),全腦白質(zhì)CMRO2、OEF和CBF值分別為(106.14±26.38)μmol/(100g·min)、(31.77±5.97)%和(45.49±8.22)mL/(100g·min)。全腦灰質(zhì)CMRO2和CBF值顯著高于全腦白質(zhì),而OEF值顯著低于全腦白質(zhì)(P<0.001)。不同年齡段健康志愿者全腦灰質(zhì)與白質(zhì)的CMRO2、OEF和CBF參數(shù)值見表1。在男女性別差異分析中,女性全腦灰質(zhì)的CMRO2、CBF以及全腦白質(zhì)的CMRO2、CBF均顯著高于男性(P<0.001),但是灰質(zhì)與白質(zhì)的OEF值在不同性別間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

表1 不同年齡段人群全腦灰質(zhì)與白質(zhì)CMRO2、OEF及CBF值

表2 不同性別間全腦灰質(zhì)與白質(zhì)CMRO2、OEF及CBF值的比較

在控制性別因素后,相對(duì)灰質(zhì)體積(絕對(duì)灰質(zhì)體積與全腦體積的比值)與年齡呈負(fù)相關(guān)(r=-0.738,P<0.001),相對(duì)白質(zhì)體積與年齡無相關(guān)性(P>0.05)。全腦灰質(zhì)的CMRO2(r=-0.275,P=0.004)和CBF(r=-0.291,P=0.002)均隨年齡的增長(zhǎng)而逐漸減低,但是OEF隨年齡的變化趨勢(shì)不顯著(r=-0.072,P>0.05)。全腦白質(zhì)的CMRO2、OEF和CBF與年齡均無相關(guān)性(P>0.05)?；野踪|(zhì)的相對(duì)體積、CMRO2、OEF和CBF與年齡的相關(guān)性見圖2。

圖2 a)全腦灰質(zhì)和白質(zhì)的相對(duì)體積與年齡的相關(guān)性;b)全腦灰質(zhì)和白質(zhì)的CMRO2與年齡的相關(guān)性;c)全腦灰質(zhì)和白質(zhì)的OEF與年齡的相關(guān)性;d)全腦灰質(zhì)和白質(zhì)的CBF與年齡的相關(guān)性。

2.腦葉及深部灰質(zhì)核團(tuán)分析

額葉、島葉、枕葉、頂葉、顳葉、小腦6個(gè)腦葉,以及尾狀核、殼核、蒼白球、丘腦4個(gè)深部灰質(zhì)核團(tuán)的CMRO2、OEF及CBF參數(shù)值見表3。

表3 各個(gè)腦區(qū)不同參數(shù)值

在控制性別因素后,6個(gè)腦葉的CMRO2和CBF均與年齡呈弱到中等強(qiáng)度的相關(guān)性(P<0.05),OEF與年齡的相關(guān)性無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。尾狀核的CMRO2、OEF、CBF,殼核的CMRO2、OEF,以及丘腦的CMRO2、CBF均與年齡呈負(fù)相關(guān),且相關(guān)性具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。蒼白球區(qū)域各參數(shù)與年齡的相關(guān)性無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。各個(gè)腦區(qū)不同參數(shù)與年齡的相關(guān)性見表4。

表4 各個(gè)腦區(qū)不同參數(shù)與年齡的相關(guān)性

在經(jīng)過Bonferroni多重比較矯正的單因素方差分析中,5個(gè)年齡段人群不同參數(shù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)如下:20～29歲人群島葉的CBF顯著高于50～59歲人群(P=0.025,圖3a)。20～29歲人群殼核的CMRO2顯著高于50～59歲人群(P=0.049)和60～69歲人群(P=0.044),見圖3b。20～29歲人群尾狀核的CMRO2顯著高于40～49歲人群(P=0.024)、50～59歲人群(P=0.001)和60～69歲人群(P=0.004),30～39歲人群尾狀核的OEF顯著高于50～59歲人群(P=0.030),20～29歲人群尾狀核的CBF顯著高于40～49歲人群(P=0.007)和50～59歲人群(P=0.006),見圖3c。

圖3 不同年齡段人群腦氧代謝及腦血流參數(shù)差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)。a)島葉的CBF;b)殼核的CMRO2;c)尾狀核的CMRO2、OEF和CBF。*P<0.05;** P<0.01。

討 論

在本項(xiàng)研究中,筆者利用CAT-QQ模型,探討了健康人群衰老進(jìn)程中腦氧代謝的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,全腦灰質(zhì)的相對(duì)體積、CMRO2和CBF隨年齡增長(zhǎng)而緩慢減低,但灰質(zhì)的OEF以及白質(zhì)的各參數(shù)值與年齡無相關(guān)性;6個(gè)腦葉各參數(shù)值呈現(xiàn)與全腦灰質(zhì)相同的變化特征。CMRO2和CBF在不同性別間顯示差異,而OEF仍維持相似水平。

CMRO2為神經(jīng)元細(xì)胞代謝及生物活性的評(píng)估提供了直接在體測(cè)量工具,反映正常靜息狀態(tài)、激活狀態(tài)或病理狀態(tài)下的神經(jīng)元活動(dòng)。氧供給與氧代謝之間的平衡調(diào)控在正常衰老進(jìn)程中十分關(guān)鍵。本研究與既往眾多研究結(jié)果相似,CMRO2與CBF隨年齡呈下降趨勢(shì),而OEF在各年齡階段、不同性別以及不同大腦結(jié)構(gòu)間均維持相對(duì)穩(wěn)定[10,11,27]。表明CMRO2與CBF的動(dòng)態(tài)變化密切匹配,OEF則在時(shí)間及空間上更為均一[28]。采用T1容積掃描進(jìn)行大腦體積測(cè)量以及灰白質(zhì)分割,筆者發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)相對(duì)體積在青春期之后線性下降,白質(zhì)相對(duì)體積與年齡無相關(guān)性,說明隨年齡增長(zhǎng),大腦出現(xiàn)萎縮,神經(jīng)元數(shù)量減少、活性降低[29,30],進(jìn)行功能活動(dòng)所需要的能量減少,進(jìn)而CMRO2降低、CBF降低。白質(zhì)結(jié)構(gòu)各參數(shù)值在不同年齡段間無顯著差異,表明神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞較少參與衰老進(jìn)程。另一方面,本研究納入的志愿者均無腦血管疾病史,且CBF圖像顯示左右大腦半球灌注均一對(duì)稱,故可初步排除動(dòng)脈粥樣硬化所致的CBF減低。在動(dòng)脈粥樣硬化性血管狹窄閉塞疾病中,CBF長(zhǎng)期持續(xù)下降,OEF將代償性升高,以維持腦氧代謝需求,即保持CMRO2在同一水平上下波動(dòng)[6,31,32]。這一現(xiàn)象與本研究結(jié)果不符,故最終可排除動(dòng)脈粥樣硬化所致的腦氧代謝及腦血流灌注改變。

CMRO2及CBF的差異也在不同性別人群中有所體現(xiàn),具體表現(xiàn)為女性全腦灰質(zhì)和全腦白質(zhì)CMRO2及CBF均高于男性。Liu等[33]在一項(xiàng)納入17名21～31歲的健康志愿者的氧代謝定量研究中,發(fā)現(xiàn)女性的基線CBF以及吸入高碳酸混合氣體后CBF變化量均高于男性。相似的結(jié)果在多項(xiàng)PET研究中也有報(bào)道[34-36]。Aanerud等[37]發(fā)現(xiàn)年輕女性額葉和顳葉的CBF顯著高于男性,但這種差異在65歲以后消失。解釋其原因,有如下幾點(diǎn):①女性動(dòng)脈血紅蛋白濃度低于男性[38],故攜氧能力較男性弱,為維持正常水平的CMRO2,CBF將代償性升高;②生育期女性體內(nèi)雌激素水平較高,雌激素增強(qiáng)前列環(huán)素的生物活性,而后者可以促進(jìn)血管對(duì)CO2的反應(yīng)性,表現(xiàn)為血管擴(kuò)張、CBF升高[39]。當(dāng)女性絕經(jīng)后,雌激素和前列環(huán)素降至與男性相同水平,則CBF的變化也趨于與男性一致。

在分析不同年齡段志愿者全腦皮層灰質(zhì)、腦葉及深部灰質(zhì)核團(tuán)CMRO2、OEF和CBF指標(biāo)時(shí),我們發(fā)現(xiàn)60～69歲的老年人群CMRO2和CBF值較30～59歲人群高,這可能與血壓、動(dòng)脈粥樣硬化有關(guān)。血壓與腦血流的關(guān)系十分復(fù)雜,在不同年齡段人群、不同疾病狀態(tài)下均存在差異。健康狀態(tài)下,血壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),個(gè)體在腦血流自動(dòng)調(diào)控機(jī)制的作用下產(chǎn)生腦血管的適應(yīng)性調(diào)節(jié),以保持腦血流的相對(duì)恒定。隨年齡增長(zhǎng),動(dòng)脈硬化的發(fā)生導(dǎo)致收縮壓升高、舒張壓降低,進(jìn)而導(dǎo)致脈壓升高。而在老年人群中,收縮壓與脈壓的升高可以幫助克服動(dòng)脈粥樣硬化所致的增大的血管床阻力,維持腦組織的灌注。在一項(xiàng)納入了2489名平均年齡為79.8歲的老年人的研究中,作者報(bào)道了舒張壓與收縮壓對(duì)腦血流的不同影響:更高的舒張壓與較低的腦血流相關(guān),相反,更高的收縮壓則與更高的腦血流相關(guān)[40]。本研究納入的60～69歲志愿者既往未發(fā)生腦血管事件,其升高的CMRO2和CBF可能反應(yīng)大腦尚具備良好的自我調(diào)節(jié)功能。

不同年齡階段腦氧代謝與腦血流的差異主要表現(xiàn)在島葉、殼核和尾狀核。島葉是邊緣系統(tǒng)的重要組成成分,參與感覺、情感處理甚至高級(jí)認(rèn)知功能的調(diào)控[41]。殼核和尾狀核作為紋狀體的組成部分,在維持肌肉正常張力、肌群協(xié)調(diào)穩(wěn)定方面起著關(guān)鍵作用,與錐體外系統(tǒng)疾病如帕金森病等的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[42,43]。這些腦區(qū)的氧代謝與血流變化在一定程度上揭示了衰老進(jìn)程中認(rèn)知功能下降以及神經(jīng)退行性疾病的病理生理機(jī)制。

文獻(xiàn)報(bào)道的大腦CMRO2值在(125±15)～(165.84±25.32)μmol/(100g·min)之間變化[38,44],OEF值在(26±2)%～(40.6±5.2)%之間變化[44,45],CBF值在(41.8±9)～(53.67±7.75)mL/(100g·min)之間變化[10,38],本研究各參數(shù)值均落在區(qū)間范圍內(nèi),與既往研究一致性較好。

循環(huán)與代謝PET研究促進(jìn)了靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展,更為fMRI使用BOLD對(duì)比奠定了生理學(xué)基礎(chǔ)。fMRI-BOLD通過檢測(cè)自發(fā)波動(dòng)(噪聲)信號(hào)的空間相干模式反映大腦活動(dòng),靜息狀態(tài)下不同腦區(qū)之間的信號(hào)波動(dòng)高度一致,構(gòu)成一個(gè)腦網(wǎng)絡(luò)。腦氧代謝成像與基于BOLD的腦功能網(wǎng)絡(luò)分析有著相似的生理基礎(chǔ)和磁共振成像基礎(chǔ),因此腦氧代謝成像也具備研究靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的價(jià)值,甚至較受血流與氧代謝多因素同時(shí)決定的BOLD對(duì)比更精細(xì)。Yang等[46]利用脈沖序列獲得時(shí)間分辨率為3秒級(jí)別的OEF加權(quán)信號(hào),發(fā)現(xiàn)部分灰質(zhì)區(qū)域尤其是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和低頻波動(dòng)振幅分?jǐn)?shù)(fractional amplitude of low-frequency fluctuations,fALFF)較其他區(qū)域高,且基于OEF對(duì)比的ReHo較BOLD-ReHo具有更高的可信度。腦氧代謝和白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)性分析方面也已有初步探索[47],未來利用腦氧代謝成像解釋腦結(jié)構(gòu)連接、功能連接、效應(yīng)性連接等特征將對(duì)理解健康及患病大腦功能發(fā)揮更大作用。

本研究存在以下幾點(diǎn)局限性:①未嚴(yán)格控制納入志愿者的特征,如血管危險(xiǎn)因素(高血壓、高脂血癥、糖尿病、吸煙、飲酒)、學(xué)歷及社會(huì)關(guān)系等,這些因素也可導(dǎo)致CMRO2及CBF的變化[10,48]。②只評(píng)估了靜息狀態(tài)下腦氧代謝及腦血流的水平,缺乏任務(wù)態(tài)評(píng)估。通過分析執(zhí)行任務(wù)時(shí)CMRO2、OEF及CBF的變化規(guī)律,有助于進(jìn)一步理解衰老進(jìn)程中認(rèn)知功能的改變與氧代謝參數(shù)的關(guān)系。未來將通過增加任務(wù)態(tài)掃描[11]或外在被動(dòng)刺激如藥物刺激、氣體刺激、經(jīng)顱直流電刺激等[16,38],更為深入地探究不同情境下,腦氧代謝的改變,為疾病研究奠定基礎(chǔ)。

綜上所述,CAT-QQ技術(shù)可以應(yīng)用于健康人群體素水平腦氧代謝參數(shù)的重建,結(jié)合3D-pCASL技術(shù)獲得的CBF參數(shù)信息,能夠精準(zhǔn)評(píng)估靜息狀態(tài)下大腦CMRO2及OEF隨年齡的變化規(guī)律。未來該技術(shù)將被應(yīng)用于任務(wù)態(tài)研究或神經(jīng)系統(tǒng)疾病如缺血性腦卒中、阿爾茨海默病、腫瘤等的研究中,探索腦氧代謝與認(rèn)知、疾病的內(nèi)在關(guān)系,明確腦氧代謝變化的病理生理機(jī)制,從理論上建立腦氧代謝無創(chuàng)成像體系。