應(yīng)用DTI-ALPS指數(shù)分析慢性失眠患者腦類淋巴系統(tǒng)功能

鄭秀梅,張治,梁曉,黃素華,吳麟,周福慶

2012年,lliff等[1]首次應(yīng)用示蹤劑追蹤方法在小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了具有類似淋巴系統(tǒng)功能的結(jié)構(gòu),稱為類淋巴系統(tǒng)。來自蛛網(wǎng)膜下腔的腦脊液沿動脈血管周圍間隙流入該系統(tǒng),并在水通道蛋白4的促進(jìn)下進(jìn)入腦實質(zhì)[2],在腦脊液-間質(zhì)液混合作用下,通過靜脈血管周圍間隙流出,并最終引流至腦膜淋巴管和頸深部淋巴結(jié)[3-4],以實現(xiàn)清除代謝廢物的作用[5-6]。失眠是指睡眠量不正常以及睡眠過程中出現(xiàn)異常行為的狀態(tài),已有動物研究發(fā)現(xiàn)非快速動眼睡眠期能夠有效地促進(jìn)類淋巴流體的運輸,而在清醒時此過程被抑制。在針對嚙齒動物和人類的研究中發(fā)現(xiàn),睡眠障礙會加速淀粉樣蛋白β在大腦間質(zhì)液的沉積。上述研究結(jié)果表明慢性失眠患者可能存在類淋巴功能障礙。2017年Taoka等[7]提出一種非侵入性可定量評估類淋巴系統(tǒng)功能的成像方法——沿血管周圍空間擴(kuò)散張量成像(diffusion tensor imaging along perivascular space,DTI-ALPS)。有研究結(jié)果顯示該方法具有較高的可重復(fù)性及可信度,與鞘內(nèi)注射釓對比劑MRI具有較高的一致性[8]。許多疾病存在類淋巴功能障礙,如阿爾茲海默癥、創(chuàng)傷性腦損傷、帕金森病和腦小血管疾病等[9-14]。因此,本研究中假設(shè)慢性失眠患者存在類淋巴功能障礙,并利用DTI-ALPS方法來評估和對比慢性失眠患者與健康受試者類淋巴功能的差異,并分析DTI-ALPS指數(shù)與睡眠狀態(tài)和焦慮抑郁量表評分的關(guān)系。

材料與方法

1.一般資料

將2012年5月-2013年7月在本院經(jīng)臨床診斷為慢性失眠且符合研究要求的21例患者及32例健康志愿者(正常對照組)納入研究。納入標(biāo)準(zhǔn):①每周出現(xiàn)入睡困難超過3天、癥狀持續(xù)超過1年,符合《精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊》中慢性失眠的診斷標(biāo)準(zhǔn)[15];②年齡25～65歲;③常規(guī)顱腦MRI檢查未見腦卒中、感染、腫瘤及外傷等影像學(xué)改變。排除標(biāo)準(zhǔn):①有任何原因所致的繼發(fā)性睡眠障礙或睡眠-覺醒節(jié)律障礙;②有高血壓、心臟病、呼吸系統(tǒng)疾病和糖尿病;③近1個月內(nèi)服用過治療失眠的相關(guān)藥物;④有精神系統(tǒng)疾病的病史;⑤有MRI禁忌證;⑥D(zhuǎn)TI圖像上患者頭動大于2 mm或旋轉(zhuǎn)角度大于2°。所有受試者和(或)家屬簽署了知情同意書。

所有受試者均為右利手。在MRI掃描前對所有受試者進(jìn)行了多項臨床量表的評估,包括評估睡眠質(zhì)量的匹茲堡睡眠質(zhì)量指數(shù)(pittsburgh sleep quality index,PSQI),評估焦慮和抑郁狀態(tài)的狀態(tài)焦慮量表(state anxiety inventory,STAI-s)、狀態(tài)特質(zhì)焦慮量表(state-trait anxiety inventory,STAI-t)和貝克抑郁自評量表(Beck depression inventory,BDI)。

2.MRI數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理

使用Siemens Trio Tim 3.0T磁共振儀和8通道標(biāo)準(zhǔn)頭部線圈。DTI掃描采用平面回波成像序列橫軸面掃描,掃描參數(shù):TR 7200 ms,TE 104 ms,層厚2.5 mm,矩陣128×128,視野230 mm×230 mm,30個擴(kuò)散方向,b=0、1000 s/mm2。

使用DSI studio 2021(http://dsi-studio.labso-lver.org)軟件對DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理,主要步驟和方法:①讀取DICOM文件并進(jìn)行圖像質(zhì)量檢查;②設(shè)置掩碼以過濾掉背景區(qū)域,提高重建效果,并促進(jìn)進(jìn)一步可視化;③使用DTI方法進(jìn)行重建,以表征纖維的主要擴(kuò)散方向;④打開軟件中的纖維追蹤程序,在原始擴(kuò)散彩色編碼各向異性分?jǐn)?shù)圖像中選取側(cè)腦室所在層面,在左側(cè)的投射纖維區(qū)和聯(lián)絡(luò)纖維區(qū)分別勾畫正方形ROI,ROI的邊長約為3個體素約5.4 mm(圖1),獲取ROI內(nèi)沿X、Y、Z軸方向的擴(kuò)散率(diffusivity,D)。ALPS指數(shù)的計算公式:

圖1 ROI繪制示意圖。左側(cè)擴(kuò)散彩色編碼各向異性分?jǐn)?shù)圖像顯示了兩種纖維的走行方向,投射纖維為Z軸方向(藍(lán)色),聯(lián)合纖維(綠色)為Y軸方向,在這兩種纖維內(nèi)分別放置1個直徑為5.4mm的ROI來測量其擴(kuò)散系數(shù)。右側(cè)坐標(biāo)表示在血管周圍間隙中兩種神經(jīng)纖維的走向,血管周圍間隙垂直于投射纖維和聯(lián)絡(luò)纖維。

(1)

投射DX和聯(lián)絡(luò)DX分別為投射纖維沿X軸的擴(kuò)散率,投射DY為投射纖維沿Y軸的擴(kuò)散率,聯(lián)絡(luò)DZ為聯(lián)絡(luò)纖維沿Z軸的擴(kuò)散率。由于所有受試者都是右利手,且左側(cè)聯(lián)絡(luò)纖維厚度可更好容納ROI[7],因此在勾畫ROI時選擇左側(cè)側(cè)腦室。

為了檢驗ALPS測量的可重復(fù)性,研究者在相隔六個月的兩個時間點(A、B組)分別進(jìn)行一次ROI的勾畫,獲取投射纖維和聯(lián)絡(luò)纖維沿X、Y、Z軸的D值后計算ALPS指數(shù)值,采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient,ICC)分析2次獲得的ALPS指數(shù)值的相關(guān)性,ICC=0.749(P<0.001),表明2次測量值具有較高的一致性,后續(xù)統(tǒng)計分析時均采用B組數(shù)據(jù)。

3.統(tǒng)計分析

使用IBM SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。分類變量(如性別)的組間比較采用卡方檢驗。符合正態(tài)分布的計量資料,以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,再進(jìn)行方差齊性檢驗,方差齊者組間比較采用兩獨立樣本t檢驗;非正態(tài)分布的計量資料,以中位數(shù)和四分位間距表示,組間比較采用Mann-WhitneyU非參數(shù)檢驗。在控制年齡和性別的情況下,采用Pearson相關(guān)分析對ALPS指數(shù)與臨床參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行評估。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.臨床資料的比較

慢性失眠組和正常對照組臨床資料的比較結(jié)果見表1。兩組之間年齡和性別構(gòu)成的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。慢性失眠組的STAI-s評分、STAI-t評分、BDI評分以及PSQI值均高于對照組,且差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

表1 兩組臨床資料的比較

2.DTI-ALPS指數(shù)的組間比較

兩組中各纖維的擴(kuò)散率、DTI-ALPS指數(shù)值及其組間比較結(jié)果見表2。慢性失眠組的ALPS指數(shù)值顯著低于正常對照組(圖2),差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。慢性失眠組中DTI-ALPS值與失眠年限呈負(fù)相關(guān)(r=-0.449,P=0.041;圖3),與年齡、受教育年限、BDI評分、STAI-t評分、STAI-s評分和PSQI值均無顯著相關(guān)性(P>0.05)。

表2 兩組的投射和聯(lián)絡(luò)纖維的擴(kuò)散率及ALPS指數(shù)值的比較

圖2 慢性失眠組和正常對照組的ALPS指數(shù)值的箱線圖,顯示失眠組的ALPS值顯著低于正常對照組。

3.擴(kuò)散指標(biāo)對慢性失眠的診斷價值

使用ROC曲線評價纖維束擴(kuò)散指標(biāo)對慢性失眠患者的診斷價值,結(jié)果詳見表3和圖4。各指標(biāo)中以ALPS指數(shù)的AUC值最大,為0.811,表明該指標(biāo)對失眠患者具有較好的診斷效能,最優(yōu)截斷值為1.630,相應(yīng)的診斷敏感度為0.810、特異度為0.719。

表3 纖維束擴(kuò)散指標(biāo)對慢性失眠的診斷價值

討 論

大腦類淋巴系統(tǒng)主體通道是小血管及穿支血管周圍間隙,以心動周期及動脈搏動為動力,腦脊液經(jīng)動脈血管周圍間隙流入,在腦實質(zhì)內(nèi)與組織間液進(jìn)行交換,以整體流的形式將代謝物質(zhì)流向靜脈血管周圍間隙,經(jīng)靜脈血管周圍間隙通道流出和排泄[16]。類淋巴系統(tǒng)排泄障礙可致血管周圍間隙瘀堵,形態(tài)學(xué)表現(xiàn)通道間隙增寬。深髓靜脈垂直側(cè)腦室水平,且毗鄰的投射、聯(lián)絡(luò)纖維束與深髓靜脈(及血管周圍間隙)垂直走行,髓靜脈周圍間隙增寬可影響細(xì)胞外水分子運動方向。利用水分子擴(kuò)散的各向異性特點。計算平行于髓靜脈擴(kuò)散值與垂直于纖維束擴(kuò)散值的比值,即DTI-ALPS指數(shù),可反映大腦類淋巴系統(tǒng)流出功能[6,8]。本研究中同一位醫(yī)師前后2次勾畫ROI,測量投射和聯(lián)絡(luò)纖維的擴(kuò)散率,2次計算獲得的ALPS指數(shù)值的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)值較高,表明本研究方法具有較高的重測信度。

本研究使用DTI-ALPS指數(shù)探討了慢性失眠患者的腦類淋巴系統(tǒng)功能,結(jié)果顯示慢性失眠患者的DTI-ALPS指數(shù)顯著低于正常對照組,表明慢性失眠患者存在腦類淋巴系統(tǒng)功能障礙。近年來的研究結(jié)果表明類淋巴系統(tǒng)具有清除廢物和維持腦實質(zhì)間質(zhì)液體平衡的作用[17]。睡眠對少突膠質(zhì)細(xì)胞功能和髓鞘形成起到保護(hù)性作用,慢性失眠導(dǎo)致少突膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘形成發(fā)生改變,軸突完整性下降。以及引起血管周圍間隙內(nèi)液體流向間質(zhì)液的閥門(水通道蛋白4)異常,影響類淋巴系統(tǒng)的正常運輸[18]。研究在慢波睡眠時的腦脊液及腦電圖研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)被試進(jìn)入深度睡眠階段,腦脊液經(jīng)特定腦區(qū)過濾后周期性地進(jìn)入大腦,環(huán)繞整個大腦流動,反復(fù)上演著“清洗”工作;覺醒狀態(tài)時該過程明顯減慢[19]。上述研究結(jié)果均與本研究中所觀察到的結(jié)果相吻合。本研究中還發(fā)現(xiàn)代表類淋巴循環(huán)功能的DTI-ALPS指數(shù)有助于區(qū)分慢性失眠患者與健康人群,且具有較高的診斷效能。

此外,本研究結(jié)果顯示DTI-ALPS指數(shù)與患者的失眠年限呈負(fù)相關(guān),即失眠年限越長、類淋巴功能下降越明顯。有研究表明,血清5-羥色胺和多巴胺作為神經(jīng)遞質(zhì)參與睡眠過程[20],而類淋巴系統(tǒng)功能的障礙很有可能會影響5-羥色胺及多巴胺的代謝,隨著失眠時間的延長進(jìn)而引起或加重睡眠節(jié)律紊亂。但睡眠障礙與類淋巴系統(tǒng)功能下降的因果關(guān)系有待進(jìn)一步研究。本研究中并未發(fā)現(xiàn)DTI-ALPS指數(shù)與STAI-s、STAI-t和BDI評分及PSQI之間存在顯著相關(guān)性。有研究結(jié)果表明,高PSQI值與類淋巴功能之間無顯著相關(guān)性,這與我們的研究結(jié)果相似,筆者認(rèn)為其原因是DTI-ALPS指數(shù)對與失眠相關(guān)的白質(zhì)變化不敏感[21],未來可通過增加樣本量和結(jié)合隨訪資料來進(jìn)一步研究。

本研究的局限性:①本研究中部分患者缺少磁敏感序列,磁敏感序列較常規(guī)MR圖像更易觀察垂直側(cè)腦室的髓靜脈,將其與DTI序列進(jìn)行配準(zhǔn),更有助于繪制感興趣區(qū)時的準(zhǔn)確定位,未來可開展前瞻性研究來考慮其可能的影響。②本研究中的樣本量較小,未來應(yīng)擴(kuò)大樣本量并對患者進(jìn)行隨診,進(jìn)一步對慢性失眠不同亞型的患者進(jìn)行細(xì)分,觀察不同類型睡眠障礙患者類淋巴功能的改變,可為慢性失眠的診療開辟新視野。

綜上所述,慢性失眠患者存在類淋巴功能障礙,并且其與失眠年限呈負(fù)相關(guān),表征大腦類淋巴系統(tǒng)功能的DTI-ALPS指數(shù)對區(qū)分慢性失眠患者與健康人群具有較高的診斷效能。未來應(yīng)采用多模態(tài)MRI技術(shù)進(jìn)一步探討慢性失眠患者腦類淋巴功能障礙及其與臨床功能的相關(guān)性。