功能磁共振成像觀察腦卒中患者大腦灰質皮層結構及白質纖維束連接的改變＊

許永杰 賈曉龍 王燕領 萬正國

邯鄲市第一醫(yī)院CT室 (河北 邯鄲 056002)

腦卒中是導致嚴重殘疾的主要原因之一，也是缺血性心臟病之后最常見的死亡原因[1]。大多數(shù)腦卒中是由于腦血管壁病變導致血管痙攣、狹窄或閉塞，流向大腦的血液減少或中斷，少數(shù)可能是由于大腦靜脈血栓形成所致[2]。腦卒中是一種急癥，表現(xiàn)為局灶性神經(jīng)功能缺損，具有發(fā)病率高、致殘率高、復發(fā)率高、死亡率高的特點。立即評估、確診和治療恢復血液流動是改善癥狀并預防腦損傷的主要措施。然而，急性缺血性卒中的診斷并不總是直接的，發(fā)病時的突發(fā)性并不總是明顯的。此外，已有研究表明，大多數(shù)腦卒中患者都會出現(xiàn)一定程度的認知障礙，包括執(zhí)行功能、信息處理速度、注意力以及記憶力損害等，而輕度認知障礙患者的記憶衰退意識下降與廣泛灰質網(wǎng)絡的結構或功能變化以及白質網(wǎng)絡連接有關[3]。因此在神經(jīng)影像學方面，如果能在缺血發(fā)作后的最初幾個小時內做出診斷，則可對急性缺血性卒中患者提供快速、精確的治療方案。目前，結構磁共振成像對病變位置和大小的詳細評估在解釋或預測長期恢復的個體間差異方面的價值往往有限，因為只能提供很少的關于未受損大腦區(qū)域促進功能恢復的潛力的信息[4]。而功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)提供了一個有價值的工具，其可以通過腦功能連通性的分布變化和神經(jīng)元激活的區(qū)域變化來評估腦網(wǎng)絡的功能重塑，以捕捉空間和時間的活動變化響應急性缺血性病變[5]。因此本文主要通過磁共振成像觀察腦卒中患者大腦灰質皮層結構及白質纖維束連接的改變，探討其與認知障礙之間的相關性。

1 資料與方法

1.1 一般資料選擇2020年5月至2022年5月我院收治的112例腦卒中患者作為研究對象并納入實驗組，另選同期于我院進行體檢的108例健康人群作為對照組。實驗組男70例，女42例，年齡60-85歲，平均68.47±8.23歲；對照組男68例，女40例，年齡59-83歲，平均67.15±8.15歲。另將腦卒中伴有認知障礙患者根據(jù)是否進行認知訓練分為訓練組(n=16)和未訓練組(n=48)。

納入標準：符合腦卒中診斷標準；存在缺血性損傷的臨床證據(jù)；存在與中樞神經(jīng)系統(tǒng)血管系統(tǒng)的病理和影像學特征相符的缺血性病變；能夠配合相關檢查和測試。排除標準：進行腦CT掃描患有其他顱內病變(腫瘤、感染)的患者；近期接受血管支架、心臟瓣膜置換和起搏器放置的患者；并發(fā)急性心肌梗死或生命體征不穩(wěn)定的患者；發(fā)病前意識障礙、認知障礙、既往有神經(jīng)病史或有精神問題的患者；無法控制的顱內高壓、疼痛、惡心嘔吐。

1.2 檢查方法使用3.0 T Signa MRI掃描儀(GE Healthcare,Little Chalfont,UK)進行fMRI檢查，獲得28個連續(xù)軸向切片，單發(fā)梯度回波平面成像序列(厚度5.0mm；重復時間3000毫秒；回聲時間45ms；翻轉角度90°；矩陣96×96；視野240×240mm)。利用梯度回波(3D MPRAGE)三維磁化快速采集序列獲得了高分辨率的T1加權結構掃描，并獲得基線圖像(T1加權圖像TR：1800,TE：10,TI：600ms)。然后，在進行簡單的運動任務時對患者進行掃描，該任務包括三次重復的自我節(jié)奏的手指敲擊，持續(xù)30秒，然后休息45秒。激活圖像采用T2＊加權成像(FE-EPI序列，TR：1000 ms TE:40 ms,ETS: 0.8,3 min)。最后，將這些激活的圖像映射到T1-加權圖像上，以識別激活區(qū)域。記錄入院時白質纖維束的各向異性分數(shù)(fractional anisotropy，F(xiàn)A)和入院時及認知功能訓練6周后的功能連通性(functional connectivity，F(xiàn)C)。

1.3 觀察指標通過電子病歷收集所有入選對象入院時的一般資料，包括性別、年齡，臨床資料包括吸煙史、房顫病史以及糖尿病史、飲酒史以及外周血甘油三酯、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、總膽固醇的含量。

美國國立衛(wèi)生研究院卒中量表(national institutes of health stroke scale，NIHSS)：對其上下肢運動、感覺、構音障礙、語言等多方面進行評分，患者評分越低表示神經(jīng)受損越小，總分35分[6]。

日常生活活動能力量表(barthel index，BI)：分數(shù)越低代表能力越差，小于60分即為中度障礙[7]。

簡易智力狀態(tài)檢查量表(mini-mental state examination，MMSE)：通過對患者的定向力、近事記憶力、遠事記憶力、語言能力、注意計算力進行評分來評價患者認知功能，評分越高認知功能越好，總分30分，低于24分即認為存在認知功能損害[8]；蒙特利爾認知評估量表(Montreal cognitive assessment，MoCA)：通過多個認知域以及多道題目對患者是否存在認知功能障礙做出評價，總分30分，小于26分即為存在認知功能障礙[8]。

執(zhí)行功能評估：包括數(shù)字廣度順向測驗(順向和逆向)、Stroop色詞干擾試驗(A～C)、詞語流暢性試驗、連接試驗A和B、朝向一致目標RT、雙朝向目標RT、執(zhí)行網(wǎng)絡效率值、注意網(wǎng)絡測試正確率[9]。

神經(jīng)心理學測試[10]：數(shù)字符號替換測試(digit-symbol substitution test，DSST)、波士頓命名測試(boston naming Test，BNT)、雷伊聽覺語言學習測試(rey auditory verbal learning test，RAVLT)RAVLT延遲回憶及即刻記憶。

1.4 統(tǒng)計學方法數(shù)據(jù)通過SPSS 20.0進行數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計分析采用描述性統(tǒng)計計算和頻率分布，Pearson相關統(tǒng)計檢驗、獨立t檢驗和χ2分布檢驗，如果P＜0.05，則相關性顯著。采用SPM8對FC數(shù)據(jù)進行組間和組內比較，采用Pearson檢驗分析大腦灰質皮層結構及白質纖維束連接的改變與腦卒中患者認知障礙的相關性。

2 結果

2.1 兩組研究對象一般資料的比較比較后發(fā)現(xiàn)兩組研究對象在飲酒史、房顫病史和低密度脂蛋白含量方面無明顯差異(P＞0.05)；實驗組在吸煙史、心臟病史、糖尿病史、高血壓史、高血脂癥以及纖維蛋白原、葡萄糖、甘油三酯、總膽固醇和高密度脂蛋白含量方面均顯著高于對照組(P＜0.05)，見表1。

表1 兩組研究對象一般資料的比較

表2 兩組研究對象各項測試評分的比較

表3 兩組研究對象執(zhí)行功能特征的比較

表4 兩組研究對象腦白質纖維束FA值的比較

2.2 兩組研究對象各項測試評分的比較實驗組的BI評分、MMSE評分、MoCA 評分、BNT、DSST、RAVLT即刻記憶、RAVLT延遲回憶均顯著低于對照組，神經(jīng)受損NIHSS評分顯著高于對照組(P＜0.05)。

2.3 兩組研究對象執(zhí)行功能特征的比較實驗組的詞語流暢性、數(shù)字廣度順向顯著低于對照組，Stroop C、朝向一致目標RT、執(zhí)行網(wǎng)絡效率值、雙朝向目標RT顯著高于對照組(P＜0.05)，兩組研究對象的Stroop A、Stroop B、數(shù)字廣度逆向、注意網(wǎng)絡測試正確率、連接A、連接B無明顯差異(P＞0.05)。

2.4 兩組研究對象腦白質纖維束FA值的比較對比兩組研究對象的腦白質纖維束FA值發(fā)現(xiàn)，實驗組的扣帶回海馬部(L)、下縱束(R)、穹隆(L)的腦白質纖維束FA值顯著低于對照組(P＜0.05)，其它指標均無顯著性差異(P＞0.05)。

2.5 fMRI掃描顯示兩組患者海馬的靜息狀態(tài)功能連接(FC)的變化通過fMRI掃描顯示兩組患者海馬靜息狀態(tài)功能連接(FC)的變化，紅色代表 FC 增強，藍色代表 FC下降。結果顯示，訓練組患者左海馬-右額下回、左海馬-右額中回、右海馬-左額中回、右海馬-左額下回、右海馬-左額上回、右海馬-左頂葉FC明顯增加(P＜0.005)，見圖1；相比之下，未訓練組患者左海馬-右枕中回、右海馬-右小腦后葉、右海馬-左顳上回的FC均明顯降低(P＜0.005)，見圖2。

圖1A-圖1B fMRI掃描顯示訓練組靜息狀態(tài)功能連接(FC)的變化；(圖1A)左海馬-右額下回、左海馬-右額中回(圖1B)右海馬-左額中回、右海馬-左額下回、右海馬-左額上回、右海馬-左頂葉FC，變化用箭頭表示。圖2A-圖2B fMRI掃描顯示未訓練組靜息狀態(tài)功能連接(FC)的變化；(圖2A)左海馬-右枕中回和(圖2B)右海馬-右小腦后葉和右海馬-左顳上回的FC，變化用箭頭表示。

圖3 腦卒中患者大腦灰質皮層結構及白質纖維束連接與認知障礙相關性分析

本研究利用RS功能磁共振成像技術探討認知訓練的中樞機制。經(jīng)過10周的計算機輔助認知訓練，治療組患者額葉(右下、右中、左中、左下、左上額回)和左頂葉海馬區(qū)FC較基線增加。此外，神經(jīng)心理測試成績的改善與海馬、額葉和頂葉的FC顯著相關。對照組患者左側海馬-右枕中回、右側海馬-右小腦后葉、右側海馬-左顳上回的FC較基線下降，神經(jīng)心理測試得分與FC無相關性。

2.6 相關性分析采用Pearson檢驗分析結果顯示，扣帶回海馬部(L)、下縱束(R)、穹隆(L)的腦白質纖維束FA值以及左海馬-右額下回、左海馬-右額中回、右海馬-左額中回、右海馬-左額下回、右海馬-左額上回、右海馬-左頂葉FC分別與認知障礙均呈明顯正相關(P＜0.05)。

3 討論

腦卒中被認為是導致長期殘疾和認知障礙的重要原因，盡管在過去20年中，全球范圍內腦卒中死亡率的年齡標準化率有所下降，但每年腦卒中患者的絕對人數(shù)、腦卒中幸存者、相關死亡人數(shù)都在增加[11-13]。在整個生命周期中，年齡增長是腦卒中的最大危險因素，無論男性還是女性，發(fā)病率都隨年齡急劇增加[14]。除此之外，高血壓是缺血性和出血性腦卒中可治療的最危險因素，約70%的急性腦梗死患者出現(xiàn)血壓升高，具有較高的病發(fā)率和死亡率[15-17]。

據(jù)報道，約61%的患者在急性缺血性腦卒中1周后出現(xiàn)認知障礙(如執(zhí)行功能障礙、記憶障礙、注意力或定向障礙)，這是多因素導致的，包括老年、家族史、遺傳變異、低教育程度、血管共病、既往短暫性缺血發(fā)作或復發(fā)性腦卒中和抑郁癥[18-19]。而卒中后認知障礙的神經(jīng)影像學表明，其決定因素包括無癥狀性腦梗塞、白質改變、腔隙性梗塞和內側顳葉萎縮[20]。

特定的大腦功能是由特定大腦區(qū)域之間的神經(jīng)處理功能整合來維持的，腦卒中會引起局部性腦損傷，涉及一個或多個專門的大腦區(qū)域，以及它們與功能網(wǎng)絡剩余節(jié)點的相互作用。腦卒中后大腦網(wǎng)絡中神經(jīng)處理的改變可以通過fMRI來研究，它可以揭示網(wǎng)絡中區(qū)域大腦激活水平的改變，以及剩余網(wǎng)絡節(jié)點之間功能相互作用的變化。由于fMRI很容易獲得，而且不會造成任何不良影響，因此重復的fMRI測量為前瞻性評估腦卒中后功能神經(jīng)網(wǎng)絡重組的時間過程提供了前所未有的可能性，并將系統(tǒng)水平上重組的時空動力學與功能恢復聯(lián)系起來[21]。運動皮質fMRI信號與運動功能相關的大腦區(qū)域同步相關，表明這些區(qū)域存在功能連通性。本文通過靜息狀態(tài) fMRI和神經(jīng)心理學測試對認知訓練前后大腦不同區(qū)域的FC進行分析，發(fā)現(xiàn)認知訓練帶來的認知功能改善可能會導致患者認知相關腦區(qū)的臨床變化。

據(jù)以往研究，哺乳動物的新皮質是一個具有層狀結構的巨大結構，在早期發(fā)育過程中迅速擴大。在靈長類動物的進化過程中，新皮質的大小不斷擴大，這與認知功能的改善是平行的。例如，新皮質灰質和鄰近的白質的總和僅占食蟲動物全腦體積的10%至20%，但占人類全腦容量的80%[22]?；屹|在認知過程的信息提取、交換和整合中起著關鍵作用。皮質厚度的區(qū)域特異性以及特定的皮質萎縮(特別是某些額葉和顳葉皮質的灰質萎縮)都是導致認知障礙的關鍵因素[23]。然而缺血性腦卒中不僅導致灰質損傷，也會引起嚴重的白質損傷，這是腦卒中發(fā)病率較高和神經(jīng)功能不良的危險因素。大部分白質纖維束通過皮質區(qū)域進行通信，其余的通過皮質下結構連接皮質。隨著大腦在發(fā)育過程中的體積增大，緊鄰皮層下方的白質比皮層灰質擴張得更快，以連接遙遠的皮層區(qū)域。與灰質相似，白質嚴重依賴于氧氣和葡萄糖的持續(xù)供應。與灰質相比，白質接受的側支循環(huán)更少，血液供應更少，導致對缺血的極端敏感性。因此，白質極易受到缺血的影響，而且通常比灰質受到更嚴重的損傷[24]。

綜上所述，可以通過fMRI確認腦卒中患者腦功能改變與臨床變化之間的相關性，卒中后的認知障礙確實與大腦灰質皮層結構及白質纖維束連接的改變有關，并且這些改變可作為影像學的標志性特征。