湯凡宇， 林興建， 祝東林， 馬文穎， 石靜萍

(南京醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院神經(jīng)內科， 江蘇 南京 210029)

遺忘型輕度認知功能障礙(amnesic mild cognitive impairment ,aMCI)是阿爾茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)的臨床前期階段，患者表現(xiàn)為認知功能輕度下降，但日常生活并不受影響[1-3]。目前我國60歲及以上人群中大約有1 507萬人患有癡呆，其中AD約為983萬[4]。美國老年及衰老協(xié)會指南推薦，宜對AD患者進行早期診斷和早期干預，aMCI階段是延緩病情發(fā)展和治療的關鍵時期[2]。小腦對大腦認知功能網(wǎng)絡有一定的影響，而齒狀核作為最大的小腦核團在小腦與大腦網(wǎng)絡連接中起著中繼站的重要作用[5]。目前，關于aMCI的影像學研究主要針對海馬、內側顳葉、雙側扣帶后皮質、楔前葉和顳頂外側葉等大腦皮層區(qū)域，而小腦齒狀核和大腦之間的功能連接差異特征尚不清楚。因此，本研究運用靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)技術探究aMCI患者雙側齒狀核功能連接改變特征及其與認知功能的相關性。

1 病例與方法

1.1 研究對象

選擇2018年1月至2020年12月就診于南京腦科醫(yī)院神經(jīng)內科34例aMCI患者作為觀察組，所有患者符合美國國家衰老研究所及阿爾茨海默病協(xié)會(National Institute on Aging-Alzheimer′s Association，NIA-AA)聯(lián)合推出的MCI臨床診斷標準[2]。納入標準：患者主訴為記憶力下降并由家屬或知情者證實；認知功能減退呈單域或多域；正常的日常生活不受影響；臨床癡呆評定表(CDR)分值0.5。另選擇同期與觀察組年齡、性別、學歷匹配的34例健康者作為對照組。納入標準：無其他嚴重神經(jīng)系統(tǒng)或精神疾病；體格檢查未見神經(jīng)系統(tǒng)異常體征；無記憶力下降主訴；CDR分值0。排除標準：排除其他原因所致癡呆，如路易體癡呆、額顳葉癡呆、血管性癡呆、嚴重精神類疾病、腦血管病、腫瘤、中毒和代謝感染疾病等；MRI檢查禁忌證(幽閉恐懼癥、心臟起搏器植入等)。所有受試者均給予研究解釋并簽署知情同意書。

1.2 神經(jīng)心理學量表評估

所有受試者均接受專業(yè)的認知評估，包括簡易智能精神狀態(tài)量表(MMSE)，蒙特利爾認知評估量表(MOCA)評估總體認知情況，聽覺詞語學習測驗(AVLT)評估記憶功能，畫鐘試驗評估視空間能力，數(shù)字符號轉換測試(SDMT)、數(shù)字廣度測試(DST)用來評估注意力，波士頓命名測試(BNT)檢測詞語命名能力，言語流暢性測試(VFT)評估言語流暢性，連線測試用來檢測執(zhí)行力及注意力。

1.3 腦脊液生物標志物檢測

腦脊液中的β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein, Aβ1-42、Aβ1-40)、總tau蛋白(total tau, t-tau)和磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau, p-tau)采用INNO-BIA AlzBio3免疫分析試劑盒(比利時根特公司)測定。研究中，34例aMCI受試者采集腦脊液樣本，由于腰椎穿刺術是一種侵入性操作，對照組未采集腦脊液樣本。

1.4 磁共振數(shù)據(jù)采集

采用西門子3.0 T singer掃描儀(德國西門子公司)與8通道射頻線圈采集掃描相關數(shù)據(jù)。受試者取仰臥位，頭部用專用海綿襯墊固定以減少頭部活動，戴上耳塞以減小噪音干擾。受試者盡可能地保持靜止，閉上雙眼，保持清醒，盡量不要思考。三維T1加權圖像在矢狀方向采用3D-SPGR序列獲得，參數(shù)如下：重復時間=3 ms；回聲時間=2 530 ms；翻轉角=7°；128個時間點；1.3 mm層厚；視野=256 mm×256 mm。rs-fMRI采集應用單次回波激發(fā)成像。掃描參數(shù)：240個時間點；重復時間=30 ms；回聲時間=2 000 ms；視野=240 mm×240 mm；矩陣=64×64；翻轉角=90°；36個軸向片；3.0 mm厚度；切片間隙=0 mm。每個受試者的成像時間約為14 min。

1.5 數(shù)據(jù)圖像預處理

rs-fMRI的數(shù)據(jù)預處理使用軟件DPARSF(http://www.est.restfmri.net)[6]。首先，去除每個數(shù)據(jù)前10個時間點，將剩余圖像進行時間層及運動校正(所有受試者頭動最大位移<3 mm，每個軸的旋轉角度<3°)，接著進行配準，圖像分割，使用蒙特利爾神經(jīng)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)回波平面成像模板將圖像進行空間標準化，重采樣成3 mm×3 mm×3 mm空間分辨率，并用4 mm半高全寬平滑核進行空間平滑處理。然后對fMRI數(shù)據(jù)進行時間帶通濾波(0.01～0.08 Hz)，以去除低頻漂移和生理高頻噪聲。為進一步減少混雜因素的影響，采用線性回歸方法從數(shù)據(jù)中剔除線性漂移、6個運動參數(shù)和全腦內所有白質和腦脊液信號的平均時間序列。

1.6 全腦數(shù)據(jù)功能連接分析

由WFU Pick Atlas (http://www.ansir.wfubmc.edu)提取雙側齒狀核作為感興趣區(qū)，并重新配準到MNI空間。提取感興趣區(qū)內的血氧水平依賴性時間序列，生成每個感興趣區(qū)的參考時間序列，利用體素-體素的方式通過計算每個感興趣區(qū)時間序列與全腦其他腦區(qū)體素的時間序列之間的相關系數(shù)，之后利用Fisherz轉換得到相關系數(shù)，來提高其正態(tài)性。所有受試者得到2個z值圖，即2個齒狀核的靜息態(tài)功能連接圖。如圖1。

藍色為右側齒狀核，紅色為左側齒狀核圖1 WFU Pick Atlas軟件提取感興趣區(qū)

1.7 統(tǒng)計學方法

2 結果

2.1 人口學資料和臨床量表評估

兩組間神經(jīng)心理學量表及年齡、性別、受教育程度等比較，差異均無統(tǒng)計學意義(P> 0.05 )。觀察組量表得分均明顯低于對照組(P均< 0.05)。見表1。

表1 兩組受試者人口學特征和神經(jīng)心理學量表評分比較

2.2 兩組齒狀核與全腦功能連接差異

與對照組相比，觀察組左側齒狀核與左側顳下回、右側丘腦功能連接增強，右側齒狀核與左額葉、左顳上回均有功能連接顯著增強，此外，在右側齒狀核和同側小腦后葉之間有一個功能連接增強區(qū)域。見表2。圖2顯示左側和右側齒狀核顯著變化的功能連接區(qū)域。

A：左側齒狀核功能連接差異圖；B：右側齒狀核功能連接差異圖；紅色表示觀察組齒狀核-腦功能連接性較對照組增強區(qū)域，藍色表示觀察組齒狀-腦功能連接性較對照組減弱區(qū)域，經(jīng)AlphaSim校正，P<0.05圖2 觀察組和對照組相比齒狀核功能連接差異圖

表2 觀察組雙側齒狀核功能連接顯著差異的區(qū)域

2.3 神經(jīng)心理學量表評分及腦脊液生物標志物與功能連接差異區(qū)域的相關性

如圖3所示，MMSE評分與觀察組左側齒狀核和右側丘腦之間的功能連接值呈正相關(r=0.399，P=0.026)，AVLT-再認評分與右側齒狀核和左側顳上回之間的功能連接值呈負相關(r=-0.552，P=0.001)。VFT評分與觀察組左側齒狀核和右側丘腦的功能連接值呈正相關(r=0.383，P=0.025)。p-tau值與觀察組右側齒狀核和左側顳上回之間的功能連接值呈正相關(r=0.357，P=0.045)，而Aβ1-42、Aβ1-40、t-tau值與功能連接差異腦區(qū)未發(fā)現(xiàn)顯著相關性(P均>0.05)。

圖3 aMCI患者齒狀核功能連接差異腦區(qū)與認知功能評分及生物標志物水平之間的相關性

3 討論

AD是一種常見的神經(jīng)退行性疾病，以情景記憶障礙為最突出的臨床表現(xiàn)，先前的研究主要在最易受到損傷內側顳葉系統(tǒng)[7]。最近幾項關于AD小腦改變的神經(jīng)病理學和MRI研究發(fā)現(xiàn)，小腦廣泛參與調節(jié)高級認知功能[8-11]。齒狀核是最大的小腦核團，是位于小腦半球深層白質中的一組興奮性神經(jīng)元，也是小腦與大腦進行信息輸出的主要通道之一[12]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，相比于對照組，aMCI患者齒狀核功能連接存在異常增高，包括顳葉、丘腦和小腦后葉，且相關分析證實功能連接增強與認知功能評分相關。

既往對于AD患者的齒狀核進行功能連接特征的研究發(fā)現(xiàn)，齒狀核與對側顳葉及枕葉區(qū)域存在選擇性功能連接增高特征[13]，本研究結果與其一致；不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)齒狀核與丘腦之間的功能連接也有增強現(xiàn)象。小腦與大腦之間的連接主要通過兩個環(huán)路，分別是小腦-丘腦-大腦環(huán)路以及小腦-腦橋-大腦環(huán)路[14]，而齒狀核是兩條環(huán)路的重要位置，由此猜測，齒狀核與丘腦之間的功能連接增強可能是一種代償機制。由于大腦神經(jīng)元損傷導致的連接減弱，小腦為代償激活了大腦-小腦環(huán)路以在AD患者臨床前期盡量維持其認知水平。隨著疾病的發(fā)展，AD階段齒狀核與大腦功能連接增強區(qū)域較aMCI區(qū)域增多，這可能與疾病進展有一定的關系。AD患者中最早受影響也是最嚴重的區(qū)域為內側顳葉系統(tǒng)，隨著病情加重，皮層受累范圍更廣，aMCI階段萎縮不明顯，但海馬/內嗅區(qū)與涉及記憶處理和大腦的特定新皮質/皮質下區(qū)域出現(xiàn)高連通性[15-16]。

小腦萎縮是散發(fā)性AD的另一個特征，最初影響與默認模式網(wǎng)絡相連的部分小腦區(qū)域；默認模式網(wǎng)絡是一組與認知有關的高度相互作用的腦區(qū)(包括角回、顳中回、楔前和額背內側前額葉皮質)，并受到神經(jīng)變性的廣泛影響[17-18]，但在aMCI階段萎縮速度較AD緩慢[19]。人類小腦存在認知控制的功能處理層次結構，自身包含一個平行但獨立的層級組織，特別是其后葉與背外側前額葉皮層共同支持復雜的認知過程[20]。而AD小腦萎縮相對大腦稍晚，也具有與腦灰質相一致的萎縮模式[10,21-22]。小腦后葉相對較早受累[8]，這也與AD由認知相關區(qū)域向非認知相關區(qū)域萎縮模式相一致。本研究結果發(fā)現(xiàn)，aMCI患者齒狀核與同側小腦后葉的功能連接較對照組增強，可能代表一種針對認知障礙發(fā)展的代償機制。

此外，本研究結果顯示，兩組間齒狀核和丘腦功能連接增強區(qū)域與MMSE評分及VFT評分呈弱相關，可能原因首先是顳上回相較于丘腦，與高級認知功能的關系更密切，其次可能因為研究對象數(shù)量較少，存在部分混雜因素，有待于進一步收集數(shù)據(jù)進行分析。本研究結果證實，齒狀核和丘腦的功能連接顯著差異區(qū)域與言語流暢性測試呈一定相關性。既往研究對健康者進行言語任務態(tài)測試顯示，小腦后葉對言語有提取和序列的預測能力[23]。特別是小腦小葉Ⅵ/CRUⅠ，是言語工作記憶的關鍵調節(jié)部位[24]。不僅如此，小腦還在言語短期記憶、詞匯生成中起到不同的作用[25]。結合研究結果，本研究發(fā)現(xiàn)齒狀核功能連接顯著增強區(qū)域與患者記憶評分AVLT之間呈一定相關性，進一步證明功能性過度連接是齒狀核和顳葉大腦區(qū)域之間功能相互作用改變的病理表現(xiàn)，并且與認知能力密切相關。

AD病理生理學沉積的兩種主要蛋白質為淀粉樣蛋白(Aβ42，Aβ40)和tau蛋白，tau蛋白在內側顳葉中的聚集是AD的第一階段，可以在Aβ存在下轉化和擴散，與大腦萎縮、代謝不足和認知損傷有關[26]。前期研究表明，AD臨床前階段的功能障礙主要發(fā)生在AD易感區(qū)域(如海馬、小腦Ⅵ/CRUⅠ、視皮層、額葉)，后扣帶回皮質與小腦之間的耦聯(lián)增強是功能代償?shù)膬仍跈C制，并且BA39-BA19的中心性與p-tau/Aβ42比值呈負相關，與整個AD連續(xù)病程的記憶功能損害有關[7, 27]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，齒狀核功能連接區(qū)域增強與p-tau呈正相關，進一步證實AD臨床前期病理生理中功能補償?shù)纳窠?jīng)機制，但為弱相關，后續(xù)將繼續(xù)擴大樣本量以進一步驗證。

本研究有一定的局限性，首先只單獨分析了齒狀核功能連接的差異，未全面探究齒狀核在AD中的神經(jīng)影像學特征，后續(xù)將通過多模態(tài)神經(jīng)組學研究方法進一步探究。其次，本研究采用橫斷面設計，后期需要進行縱向跟蹤以觀察aMCI進展為AD過程中的腦網(wǎng)絡變化特征。

綜上所述，本研究應用rs-fMRI 技術探究aMCI患者小腦齒狀核功能連接特征，主要表現(xiàn)在顳葉、丘腦及小腦后葉的連接增強，并且功能連接改變與記憶及言語功能具有一定相關性，證實小腦參與aMCI患者的認知調節(jié)過程，并具有一定的代償能力。此外，差異腦區(qū)功能連接強度與腦脊液生物標志物中p-tau值具有一定相關性也表明小腦參與AD病程進展。