基于多模態(tài)MRI探究血管性認(rèn)知障礙的腦結(jié)構(gòu)與功能影像學(xué)特征

Explorationof brain structureandfunctioncharacteristics ofvascularcognitiveimpairmentpatients based on multimodal MRI

HU Qiyang，LIU Xinyi，ZHOU Yijie，WANG Shuqing，JIANG Wenxian，TANG Wencheng，LIAO Meirong

Department of Neurology，Guilin Hospital of Traditional Chinese Medicine，Guilin 54lOoo，China.

[Abstract]Objective：Usingmultimodal methodsincludingvoxel-basedmorphometry（VBM）andfMRI，toexploretheimaging characteristicsvascularcognitiveimpairment（VCI）.Methods：Atotalof11OVCIpatientswereassessd.UsingtheMontreal cognitiveasesment（MoCA）scores，56caseswithcognitiveimpairmentwereincludedintheobservationgroupand54without cognitiveimpairmentwereincludedinthecontrolgroup.Thediferencesoftotalintracranialvolume（TIV），graymatter volume（GMV），andfractional amplitudeof low-frequencyfluctuation（fALFF）valuesbetween the twogroupswerecompared. Finaly，theaboveindicesofdferentbrainregionsintheobservationgroupwereextractedfororelationanalysswithMCA score.Results：Therewerenostatisticallysignificantdiferencesin'age，genderoryearsofeducationbetweenthetwo groups （all Pgt;0.05 ）. The TIVwas（ 1339.87±135.24）cm³ in the observation group and （ 1 341.57±134.02）cm³ in the control group，with no statistically significant difference between the two groups（ Pgt;0.05 ）.The GMVwas （518.62±48.85）cm³ in the observation group and （536.84±62.53）cm³ in the control group，with a statistically significant difference between the two groups（ Plt;0.05 ）.Comparedwith thecontrol group，the observationgroup showed decreased GMVinthe bilateral medial superiorfrontalgyrus，bilateralsuperiorfrontalgyrusandrightanteriorcingulatecortex，andincreasedfALFFvaluesinthe bilateralcalcarine，bilateralsuperiorocipital gyrus，leftmiddleoccipitalgyrusandleftcuneus.Conclusion：MultimodalMRI preliminarilyrevealsthedstictstructuralandfunctionalneuroimagingcharacteristicsofVCIpatients，includingdecreased GMVinthefrontallobesandaberrantspontaneousactivityintheoccipitallobe，maycontributetofurtherexplorationof neuroimaging biomarkers and quantifiable diagnostic indicatorsfor VCI inthe future.

[Keywords]Vasculardementia;Graymater;Montreal Cognitive Scale;Voxel-based morphometry;Magneticresonance imaging

在當(dāng)前人口老齡化加劇的背景下，血管性認(rèn)知障礙（vascular cognitiveimpairment，VCI）已成為全社會(huì)的沉重負(fù)擔(dān)[1]。分析早期VCI的神經(jīng)病理學(xué)特點(diǎn)，對(duì)篩查高危人群及制訂有效的預(yù)防策略至關(guān)重要。MRI是診斷VCI的重要方法[2]，但常規(guī)MRI掃描難以對(duì)該病的細(xì)微病變特征進(jìn)行有效量化。此外，VCI患者既有顱腦結(jié)構(gòu)方面的變化，同時(shí)還伴神經(jīng)元功能活性的異常，單一的量表評(píng)估或傳統(tǒng)的影像檢查難以準(zhǔn)確診斷。隨著技術(shù)的發(fā)展，多模態(tài)MRI概念被逐步引入VCI研究中，如高清結(jié)構(gòu)MRI及fMRI已用于各類神經(jīng)、精神疾病的腦影像學(xué)特征分析中[3]。在結(jié)構(gòu)MRI研究方面，基于體素的形態(tài)學(xué)測(cè)量（voxel-basedmorphometry，VBM）技術(shù)，可從結(jié)構(gòu)角度對(duì)全腦灰質(zhì)進(jìn)行分割并開展亞區(qū)水平比較，在對(duì)局部病灶進(jìn)行精準(zhǔn)定位方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]。在fMRI研究方面，比率低頻振幅（fractionalamplitudeoflowfrequencyfluctuations，fALFF）值等指標(biāo)，可呈現(xiàn)VCI患者的腦功能異常活動(dòng)模式，也可用于評(píng)估患者治療前后的腦影像學(xué)變化[5]。由于硬件限制，既往多數(shù)報(bào)道僅對(duì)受試者行結(jié)構(gòu)MRI或fMRI分析，本研究則將VBM與fMRI技術(shù)結(jié)合，分析VCI患者的多模態(tài)腦影像學(xué)變化，并尋找有助于VCI篩查的神經(jīng)影像學(xué)標(biāo)志物。

1資料與方法

1.1一般資料

招募2022年1月至2023年12月我院擬診為VCI的患者110例，均行蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表（MontrealCognitiveAssessment，MoCA）評(píng)估后入組，評(píng)估工作由具有5年以上腦病診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師獨(dú)立完成。以MoCA評(píng)分結(jié)果分組： lt;26 分為有認(rèn)知功能障礙，納入觀察組（56例）； ?26 分為無(wú)認(rèn)知功能障礙，納入對(duì)照組（54例）。若患者受教育年限 ?12 年，可加1分，總分 ?30 分。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批號(hào)：2022-ky-zckt-003-25）。

1.2 納入及排除標(biāo)準(zhǔn)

1.2.1納入標(biāo)準(zhǔn) ① 符合《精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)第5版》6]中VCI的診斷標(biāo)準(zhǔn)； ② 年齡 50～70 歲；③ 小學(xué)以上文化程度； ④ 右利手； ⑤ 知曉本研究?jī)?nèi)容并簽署知情同意書。

1.2.2排除標(biāo)準(zhǔn) ① 合并腫瘤、抑郁、藥物依賴及其他能影響認(rèn)知功能的疾病； ②MRI 檢查顯示缺乏血管損傷特征； ③ 有幽閉恐懼癥、心臟起搏器或助聽器等MRI掃描禁忌證。

1.3儀器與方法

采用聯(lián)影uMR7903.0TMRI儀?；颊呷⊙雠P位，閉目保持清醒狀態(tài)。掃描參數(shù)：TR 7.2ms ，TE3.1ms ，翻轉(zhuǎn)角 10^° ，視野 256mm×256mm ，矩陣512×512 ，層厚 1mm ，層數(shù)192層，體素 1mm×1mm× 1mm 。fMRI掃描參數(shù)：TR 2 000ms ，TE 30ms ，翻轉(zhuǎn)角 90^° ，視野 224mm×224mm ，矩陣 64×64 ，層數(shù)33層，體素 3.5mm×3.5mm×3.5mm 。掃描時(shí)間8min10s 。

1.4數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用CAT12軟件處理結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)，主要步驟：

① 圖像格式轉(zhuǎn)換； ② 圖形分割，采用DARTEL法將全部圖像分割為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液； ③ 圖像標(biāo)準(zhǔn)化和配準(zhǔn)； ④ 質(zhì)量控制，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的圖像進(jìn)行質(zhì)量檢查，排除分割、配準(zhǔn)效果不佳的數(shù)據(jù)。后采用DPABI軟件處理功能像數(shù)據(jù)，主要步驟： ① 圖像格式轉(zhuǎn)換，剔除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)； ② 時(shí)間層校正； ③ 頭動(dòng)校正；④ 圖像配準(zhǔn)及標(biāo)準(zhǔn)化，將功能像與結(jié)構(gòu)像進(jìn)行配準(zhǔn)并標(biāo)準(zhǔn)化，重采樣大小為 3mm×3mm×3mm ⑤ 去線性漂移及濾波 （0.01～0.08Hz） 。

1.5 VBM和fALFF值分析

VBM分析先以半高全寬為 6mm 的高斯核進(jìn)行空間平滑，后計(jì)算并提取患者的顱腦總體積（totalintracranialvolume，TIV）和灰質(zhì)體積（graymattervolume，GMV）。將年齡和預(yù)處理過(guò)程中生成的TIV文件作為協(xié)變量用于后續(xù)組間分析。fALFF值計(jì)算在濾波之前進(jìn)行。將 0.01～0.08Hz 內(nèi)的功率譜與全頻率 （0-0.25Hz） 功率譜的低頻振幅（amplitudeoflow-frequencyfluctuations，ALFF）值相比得到fALFF，再將每個(gè)體素fALFF值除以全腦平均fALFF值，得到標(biāo)準(zhǔn)化比率低頻振幅（mfALFF）值用于統(tǒng)計(jì)分析。最后使用BrainNet Viewer（https：//www.nitrc.org/projects/bnv/）軟件展示差異腦區(qū)。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)數(shù)資料以 表示，組間比較行兩樣本t檢驗(yàn)；非正態(tài)分布的以 M（Q_L，Q_U） 表示，組間比較行非參數(shù)檢驗(yàn)。性別和受教育程度組間比較行 ?χ² 檢驗(yàn)。TIV、GMV和fALFF采用SPM12軟件進(jìn)行分析，行FDR校正，以體素?cái)?shù) gt;50，Plt;0.01 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。提取差異腦區(qū)的GMV和fALFF值，并與年齡、受教育程度、MoCA評(píng)分行相關(guān)分析。以 Plt;0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2結(jié)果

2.1 2組基本資料比較

2組年齡、性別、受教育程度差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均 Pgt;0.05 ）。2組MoCA評(píng)分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （Plt;0.05） （表1）。

2.22組TIV、GMV及fALFF值比較

觀察組TIV為 （1 339.87±135.24）cm³ ，對(duì)照組 為 （1341.57±134.02）cm³，2 組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（ t= 3.69，P=0.28 。觀察組GMV為 （518.62±48.85）cm³ 對(duì)照組為（ 536.84±62.53）cm³，2 組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意 義 （t=3.87，Plt;0.01） 。與對(duì)照組相比，觀察組雙側(cè)內(nèi) 側(cè)額上回、雙側(cè)額上回及右側(cè)前扣帶回灰質(zhì)的GMV 減小，未見GMV增高的腦區(qū)（表2，圖1）。與對(duì)照組 相比，觀察組雙側(cè)距狀回、雙側(cè)枕上回、左側(cè)枕中回、 左側(cè)楔葉fALFF值增高，未見fALFF值降低的腦區(qū)（表2，圖2）。

表12組基本資料比較

注：MoCA為蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表?！盀?χ² 值，為t值。

2.3 相關(guān)性分析

提取上述差異腦區(qū)的GMV和fALFF值，并與2組年齡、受教育程度及MoCA評(píng)分行相關(guān)分析，未發(fā)現(xiàn)兩類指標(biāo)存在顯著相關(guān)性（均 Pgt;0.05 ）。

表22組GMV和fALFF值的差異腦區(qū)

注：GMV為灰質(zhì)體積，fALFF為比率低頻振幅，MNI為蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所。FDR校正，校正后 Plt;0.01 ，體素?cái)?shù) gt;50

3討論

VCI起病較隱匿，早期診斷和病情評(píng)估有重要意義，臨床診斷多依賴各類量表[7-8]，但現(xiàn)有的量表對(duì)VCI的診斷均不夠理想，如簡(jiǎn)易精神狀態(tài)量表（minimummentalstateexamination，MMSE）中受教育程度對(duì)評(píng)分影響較大，在鑒定早期認(rèn)知功能障礙及輕度認(rèn)知功能受損方面不夠敏感[9]。MoCA評(píng)分也存在問題，如以26分作為臨界值易提高假陽(yáng)性率及題目復(fù)雜導(dǎo)致的地板效應(yīng)等。而認(rèn)知能力篩查測(cè)驗(yàn)（cognitiveabilitiesscreening instrument，CASI）、臨床癡呆評(píng)定量表（clinicaldementiarating，CDR）等多用于重度癡呆的評(píng)估和診斷，因此，目前僅MoCA對(duì)輕度VCI有較好的診斷敏感性[10]。

本研究顯示，VCI患者前額葉部分腦區(qū)和前扣帶回皮質(zhì)GMV下降。前額葉皮質(zhì)主要負(fù)責(zé)對(duì)傳入信息進(jìn)行加工整合，以恰當(dāng)?shù)那榫w和運(yùn)動(dòng)回應(yīng)外界刺激，與人類認(rèn)知能力的進(jìn)步密切相關(guān)[]。有研究發(fā)現(xiàn)，帕金森病和皮質(zhì)下癡呆等患者存在前額葉皮質(zhì)灰質(zhì)減少的現(xiàn)象，且灰質(zhì)萎縮與視覺、注意等相關(guān)任務(wù)得分下降呈正相關(guān)[12]。前額葉皮質(zhì)厚度減低與VCI患者執(zhí)行功能障礙有關(guān)[13]。此外，既往研究利用PET成像發(fā)現(xiàn)，VCI患者前額葉區(qū)域代謝活動(dòng)減弱[14]本研究中前扣帶回也存在灰質(zhì)減少的現(xiàn)象，提示前扣帶回皮質(zhì)的功能橫跨情緒處理和記憶兩大重要領(lǐng)域，同時(shí)在新皮質(zhì)和海馬區(qū)域間起橋梁作用。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，煙霧病和腦血管動(dòng)脈粥樣硬化等慢性缺血性疾病患者均存在前扣帶回皮質(zhì)GMV減少[15]。另有研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病伴VCI患者的前扣帶回皮質(zhì)灰質(zhì)與枕葉皮質(zhì)灰質(zhì)間的功能連接下降[16]。因此，前額葉灰質(zhì)與前扣帶回皮質(zhì)灰質(zhì)的GMV減少，可在某種程度上提示VCI患者出現(xiàn)認(rèn)知功能下降、抑郁及淡漠等情緒的異常改變。需要注意的是，VCI患者存在顳葉、枕葉及尾狀核等腦區(qū)灰質(zhì)減少，可能是由患者年齡、受教育程度、病程等異質(zhì)性因素所致[2]。

圖12組灰質(zhì)體積（GMV）差異腦區(qū)注：與對(duì)照組相比，觀察組雙側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、雙側(cè)額上回及右側(cè)前扣帶回灰質(zhì)的GMV減小。藍(lán)色表示GMV減小的腦區(qū)圖22組比率低頻振幅（fALFF）值差異腦區(qū)注：與對(duì)照組相比，觀察組雙側(cè)距狀回、雙側(cè)枕上回、左側(cè)枕中回、左側(cè)楔葉fALFF值增高。紅色表示fALFF值增高的腦區(qū)。

本研究中fALFF值異常增高的距狀回、枕上回與楔葉等與視覺功能密切相關(guān)，是視覺處理的關(guān)鍵部位，同時(shí)也是一個(gè)高度交互的系統(tǒng)[17]。上述腦區(qū)在感知和理解復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景方面具有重要作用[18]。一項(xiàng)針對(duì)VCI的任務(wù)態(tài)fMRI研究提示，VCI患者的枕葉灰質(zhì)較健康對(duì)照組異常激活，并出現(xiàn)視空間與執(zhí)行功能下降，而當(dāng)患者接受有氧訓(xùn)練后激活顯著減少；另一項(xiàng)靜息態(tài)fMRI研究則發(fā)現(xiàn)VCI患者枕葉和相鄰楔葉的ALFF水平高于對(duì)照組[19]。因此，枕葉灰質(zhì)的異常激活提示VCI患者可能伴有潛在的視覺認(rèn)知功能下降。本研究中GMV減小腦區(qū)與fALFF值異常腦區(qū)無(wú)重合，且上述功能及結(jié)構(gòu)影像學(xué)指標(biāo)與MoCA評(píng)分尚未發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)性。近年來(lái)，許多fMRI相關(guān)研究嘗試尋找特定群體腦區(qū)結(jié)構(gòu)與功能之間的耦合[20-22]，但基于腦結(jié)構(gòu)、血流、血氧或葡萄糖代謝等不同原理的多模態(tài)fMRI研究提示，不同計(jì)算方法獲得的結(jié)果較少存在重疊腦區(qū)，且各類不同指標(biāo)之間的相關(guān)性較低[23-26]。

本研究存在的局限性：未發(fā)現(xiàn)VCI患者GMV減小及fALFF值異常腦區(qū)與MoCA評(píng)分的相關(guān)性。現(xiàn)階段暫未開展基于表面的形態(tài)學(xué)測(cè)量（surface-basedmorphometry，SBM）等深層次分析，同時(shí)基于fMRI的分析也僅選取了fALFF一個(gè)參數(shù)。后續(xù)研究需進(jìn)一步挖掘更多的客觀化腦影像學(xué)指標(biāo)與臨床表現(xiàn)之間的相關(guān)性，并借助SBM等技術(shù)繼續(xù)分析VCI患者的灰質(zhì)厚度、表面積、曲率和溝回指數(shù)等更精細(xì)化的指標(biāo)。

綜上所述，VCI患者在結(jié)構(gòu)MRI與fMRI方面可能具有各自獨(dú)立的神經(jīng)影像學(xué)特征，為今后探索VCI的客觀化診斷標(biāo)志物及干預(yù)提供參考方向。

[參考文獻(xiàn)]

[1]RUNDEK T，TOLEA M，ARIKO T，et al. Vascular cognitiveimpairment（vci）[J].Neurotherapeutics，2O22，19 （1）：68-88.

[2]KUHN-KELLER J A，SIGURDSSON S，LAUNER L J， et al.White matter hyperintensity shape is related to long-term progression ofcerebrovasculardiseasein community-dwelling older adults[J].JCereb Blood FlowMetab，2024：187-195.

[3]NAJAR D，DICHEV J，STOYANOV D.ToWards new methodology forcross-validation ofclinical evaluation scalesand functional MRI inpsychiatry[J].JClin Med，2024，13（15）：4363.

[4]GASER C，DAHNKE R，THOMPSONP M，et al.CAT： acomputational anatomytoolbox for the analysisof structural MRI data[J].GigaScience，2024，13（1）：1.

[5]ZOU Q H，ZHU C Z，YANG Y，et al. An improved approach to detection ofamplitude of low-frequency fluctuation（ALFF）forresting-state fMRI：fractional ALFF LJ].J Neurosc1 Methods，2008，1/2（1） ：13/-141.

[6]FIRST M B. Diagnostic and statistical manual of mental disorders，5th edition，and clinical utility[J].JNerv Ment Dis，2013，201（9）：727-729.

[7]ZANON Z M，SVEIKATA L，VISWANATHAN A，et al. Cerebral small vessel disease and vascular cognitive impairment：from diagnosis to management[J].Curr Opin Neurol，2021，34（2）：246-257.

[8]XU G，MEYER J S，THORNBY J，et al. Screening for mild cognitive impairment （MCI）utilizing combinedminimental-cognitive capacity examinations for identifying dementia prodromes[J]. Int J Geriatr Psychiatry，2002， 17（11）：1027-1033.

[9]VICARIO A，DEL S M，F(xiàn)ERNANDEZ R A，et al. Cognition and vascular risk factors：an epidemiological study [J].Int J Hypertens，2012，2012：783696.

[10]JIA X，WANG Z，HUANG F，et al. A comparison of themini-mental state examination （mmse）withthe montreal cognitive assessment （moca） for mild cognitive impairment screening in Chinese middle-aged and older population：a cross-sectional study[J].BMC Psychiatry，2021，21（1） ：485.

[11]HISER J，KOENIGS M. The Multifaceted role of the ventromedial prefrontal cortex in emotion，decisionmaking，socialcognition，and psychopathology[J].Biol Psychiatry，2018，83（8）：638-647.

[12]JONES D T，GRAFF-RADFORD J. Executive dysfunction and the prefrontal cortex[J].Continuum （Minneap Minn），2021，27（6）：1586-1601.

[13]FRANTELLIZZI V，PANI A，RICCI M，et al. Neuroimaging in vascular cognitive impairment and dementia ： a systematic review[J].JAlzheimers Dis，2020，73（4）： 1279-1294.

[14]RAZEK A，ELSEBAIE N A. Imaging of vascular cognitive impairment[J]. Clin Imaging，2021，74：45-54.

[15] CLANCY U，KANCHEVA A K，VALDES H M，et al. Imaging biomarkersofVCI：a focused update[J]. Stroke，2024，55（4）：791-800.

[16]CHENG P，SONG S，LI Y，et al. Aberrant functional connectivityof the posterior cingulate cortex in type 2 diabetes without cognitive impairment and microvascular complications［J].Front Endocrinol（Lausanne）， 2021 12.722861

1/」11 pnomeuy neusmediating thegenetic regulation on working memory[J].Hum Brain Mapp，2021，42（11）：3470- 3480.

[18]EPSTEIN R A，BAKER C I. Scene perception in the human brain[J].Annu Rev Vis Sci，2019，5：373-397.

[19]HSU C L，BEST JR，DAVISJC，et al. Aerobic exercise promotes executive functions and impacts functional neural activity among older adults with vascular cognitive impairment[J].BrJ Sports Med，2018，52 （3）：184-191.

[20]AFONSO R F，KRAFT I，ARATANHA M A，et al. Neural correlates of meditation：a review of structural and functional MRI studies[J].Front Biosci （Schol Ed），2020，12（1）：92-115.

[21]ALBAJARA S A，VILLEMONTEIX T，MASSAT I. Structural and functional neuroimaging in attention-deficit/ hyperactivity disorder[J].Dev Med Child Neurol，2019， 61（4）：399-405.

[22]康英杰，張穎穎，龔志剛，等．血管性認(rèn)知障礙的腦白質(zhì) 微結(jié)構(gòu)改變[J]．中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合影像學(xué)雜志，2023，21 （4）：387-391.

[23] SOMAN S，RAGHAVAN S，RAJESH P G，et al. Relationship between cerebral perfusion on arterial spin labeling（ASL）MRI with brain volumetryand cognitive performance in mild cognitive impairment and dementiadue to Alzheimer’s disease[J].Ann Indian Acad Neurol，2021，24（4）：559-565.

[24]MENG M，LIU F，MA Y，et al.The identification and cognitive correlation of perfusion patterns measured with arterial spin labeling MRI in Alzheimer’s disease[J]. Alzheimers Res Ther，2023，15（1）：75.

[25］幸志洋，王榮品．腦小血管病所致認(rèn)知障礙的靜息態(tài) fMRI研究進(jìn)展[J].中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合影像學(xué)雜志，2024， 22（3）：355-359.

[26]KUHN T，BECERRA S，DUNCAN J，et al. Translating state-of-the-art brain magnetic resonance imaging （MRI） techniques into clinical practice：multimodal MRI differentiates dementia subtypes in atraditional clinical setting[J].Quant Imaging Med Surg，2021，11（9）：4056- 4073.

（收稿日期2024-06-24）