基于功能磁共振成像的肝豆狀核變性患者紋狀體亞區(qū)損害及臨床分析

袁年平，王安琴，武紅利，李傳富

(1.安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院影像中心，合肥 230031；2.安徽中醫(yī)藥大學生物醫(yī)學工程教研室，合肥 230031)

肝豆狀核變性(hepatolenticular degeneration)由Wilson在1912年首先描述，故又稱為Wilson病(Wilson disease,WD)，是一種銅代謝異常所致遺傳性疾病[1]，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，基底節(jié)區(qū)損害被廣泛認知[2]，臨床上多表現(xiàn)為錐體外系運動功能障礙及認知、記憶相關(guān)功能障礙。紋狀體作為基底核團重要組成部分，是一個結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)合體，有學者提出將紋狀體分亞區(qū)進行分析[3]。WD患者豆狀核亞區(qū)損害與哪些神經(jīng)功能障礙存在聯(lián)系目前尚不明確。本研究擬通過獨立成分分析(independent component analysis,ICA)對紋狀體進行分區(qū)，通過功能磁共振技術(shù)對各亞區(qū)分別進行功能連接分析，分析各亞區(qū)功能連接異常區(qū)域與臨床癥狀相關(guān)關(guān)系，試圖探索相關(guān)神經(jīng)病理機制。

1 資料與方法

1.1 研究對象

收集2019年1—12月就診于安徽中醫(yī)藥大學第一附屬醫(yī)院腦病中心WD患者29例，無其他任何系統(tǒng)性疾病及神經(jīng)系統(tǒng)癥狀，年齡、性別相匹配的健康志愿者30例?；颊呒爸驹刚呔炇鹬橥鈺?。WD患者的診斷標準為:(1) 家族遺傳史，父母近親婚配，同胞有WD患者或死于原因不明的肝病(21例)；(2) 緩慢進行性震顫、肌肉僵直、吞咽困難及構(gòu)音障礙等錐體外系癥狀和體征(29例)；(3) 肉眼及裂隙燈證實有K-F環(huán)存在(29例)；(4) 血清銅藍蛋白(CP)<200 mg/L或血清銅氧化酶活力<0.2活力單位(29例)；(5) 24 h尿銅排泄量>100 μg(1.56 μmol)(29例)；(6) 肝銅>250 μg/g(干重)。凡完全具備上述1～3項或1及4項者，可確診為臨床顯著型，具備上述3～5項者或3～4項者屬無癥狀型，僅有1～2項或1、3項，應(yīng)懷疑WD，通過第6項確診[4]。排除標準:(1) 有其他神經(jīng)或精神系統(tǒng)疾病及神經(jīng)或精神藥物服用史(3例)；(2) 有磁共振檢查禁忌證(2例幽閉癥)；(3) 非右利手(2例)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 臨床認知功能 采用簡易智能狀態(tài)量表(Mini-Mental State Examination,MMSE)、基于時間的前瞻性記憶量表(Time-Based Prospective Memory,TBPM)以及基于事件的前瞻性記憶量表(Event-Based Pro-spective Memory,EBPM)對患者進行認知功能測試。

1.2.2 MRI數(shù)據(jù) 使用GE公司(Discovery MR750)3.0 T磁共振機器8通道頭顱線圈采集數(shù)據(jù)，包括T2加權(quán)成像、T1-3D BRAVO和BOLD。T2加權(quán)成像采用FSE序列進行掃描，參數(shù):TR=9 000 ms，TE=124 ms，翻轉(zhuǎn)角111°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，層厚5 mm，無層間距，20層，用于排除患者腦部其他器質(zhì)性病變。T1-3D BRAVO序列的參數(shù):TR=8.2 ms，TE=3.2 ms，翻轉(zhuǎn)角12°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1 mm，無層間距，166層。BOLD序列:TR=2 s，TE=30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，矩陣64×64，F(xiàn)OV為220 mm×220 mm，層厚3 mm，36層，185個時間點。所有的圖像均無異物干擾偽影或運動偽影。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 mICA分割 紋狀體是一個異質(zhì)性結(jié)構(gòu)，不同部位的功能不同，基于Oxford-GSK-Imanova紋狀體解剖結(jié)構(gòu)模板[5]，采用mICA工具箱的group ICA功能進行分割，分成8個亞區(qū)進行功能連接分析，包括4個殼核亞區(qū)和4個尾狀核亞區(qū)。分別是:ROI1、ROI2對應(yīng)于左、右側(cè)殼核前部；ROI3、ROI4對應(yīng)于左、右側(cè)殼核后部；ROI5、ROI6對應(yīng)于左、右側(cè)尾狀核前部；ROI7、ROI8對應(yīng)于左、右側(cè)尾狀核中部，見圖1。

圖1 功能連接分析ROIFig.1 Functional connectivity analysis ROI1、2對應(yīng)于左、右側(cè)殼核前部；3、4對應(yīng)于左、右側(cè)殼核后部；5、7對應(yīng)于左側(cè)尾狀核前部、中部，6、8為右側(cè)尾狀核前部、中部

1.3.2 靜息態(tài)功能連接數(shù)據(jù)分析 靜息態(tài)數(shù)據(jù)處理采用AFNI軟件進行處理，網(wǎng)址為(http:∥afni.nimh.nih.gov/afni/)，處理方法如下。(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理:包括去線性漂移、對齊、頭動校正、空域標準化等；(2) 頻 域濾波:將頻率控制在0.01～0.08 Hz；(3) 去除腦白質(zhì)和腦脊液信號；(4) 計算個體數(shù)據(jù)參數(shù)值；(5) 提取個體對比圖；(6) 空間標準化:將對比圖轉(zhuǎn)換到Talairach坐標系；(7) 空域濾波。

1.3.3 統(tǒng)計學處理 利用SPSS 19.0軟件包對性別、年齡進行統(tǒng)計學分析，采用AFNI軟件包中3dttest++程序進行處理，對患者組及健康對照組兩組之間進行組間對比分析，結(jié)果進行FDR校正，(P<0.001)，得出腦功能連接分析結(jié)果，顯示激活區(qū)；同樣采用3dttest++程序加入?yún)f(xié)變量(Covariant)參數(shù)對MMSE、TBPM、EBPM評分結(jié)果值與個體參數(shù)值進行相關(guān)分析。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

2.1 一般情況比較

兩組間性別、年齡差異均無統(tǒng)計學意義(均P>0.05)，見表1。

表1 WD組與對照組基本信息及評分Tab.1 Details of demographic and clinical features of patients and controls

2.2 全腦功能連接組間分析結(jié)果

經(jīng)過FDR校正(P<0.001)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于HC組，WD組ROI7與大腦未發(fā)現(xiàn)功能增強或減弱區(qū)域，余感興趣區(qū)與全腦功能連接不同程度減弱，具體對應(yīng)如下:ROI1與雙側(cè)頂葉、丘腦、小腦、右側(cè)島葉；ROI2與雙側(cè)頂葉、島葉、丘腦、小腦；ROI3與雙側(cè)丘腦、右側(cè)小腦、右側(cè)中葉旁小葉；ROI4與右側(cè)小腦、右側(cè)中葉旁小葉；ROI5與雙側(cè)中央后回、中扣帶回、中央旁小葉、顳葉、雙側(cè)小腦；ROI6雙側(cè)背外側(cè)前額葉(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)、扣帶回、左側(cè)顳葉、額中間回，雙側(cè)小腦；ROI8與雙側(cè)背外側(cè)前額葉、扣帶回，見圖2。

圖2 WD患者與健康對照組功能連接組間比較結(jié)果(FDR校正)Fig.2 Significant differences of brain regions between patients and controls(FDR simulation)圖中～感興趣區(qū)分別是ROI1、ROI2、ROI3、ROI4、ROI5、ROI6、ROI8

2.3 臨床認知功能與腦功能變化區(qū)域的相關(guān)性

相關(guān)分析結(jié)果，WD患者ROI5對應(yīng)于中扣帶回功能連接值與MMSE值呈顯著負相關(guān)(r=-0.47，P=0.009)；ROI6對應(yīng)于中扣帶回功能連接值與MMSE值呈顯著負相關(guān)(r=-0.46，P=0.011)；ROI8對應(yīng)于右側(cè)島葉功能連接值與MMSE值呈顯著負相關(guān)(r=-0.38，P=0.041)；其他差異腦區(qū)的功能連接值與認知評分量表差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)，圖3。

圖3 WD患者紋狀體亞區(qū)功能連接異常腦區(qū)與認知評分量表相關(guān)分析Fig.3 Correlation analysis between abnormal functional connectivity of striatal subregions and cognitive score scale in patients with WD

3 討 論

肝豆狀核變性是一種ATP7B基因突變引起銅代謝異常的遺傳性疾病，由于銅離子代謝紊亂，導(dǎo)致銅在大腦、肝、角膜等器官內(nèi)病理性沉積，從而引起一系列臨床癥狀[6]。在大腦中，銅最容易沉積在豆狀核及紅核、黑質(zhì)，在常規(guī)磁共振圖像上表現(xiàn)為對稱性分布的斑片狀低或混雜信號，尾狀核多表現(xiàn)為高信號影，可能與組織細胞的受損程度不同有關(guān)[7]，在臨床上多表現(xiàn)為錐體外系癥狀，近年來，多位學者發(fā)現(xiàn)WD患者也會出現(xiàn)認知功能障礙[8-9]。

有研究表明基底節(jié)區(qū)的損傷會影響到學習和記憶的過程[10]。本研究采用獨立成分分析將基底節(jié)區(qū)重要組成部分紋狀體分為8個亞區(qū)，并采用功能連接技術(shù)觀察WD患者基底核團各亞區(qū)與全腦功能連接的變化，以及與臨床認知狀態(tài)的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)殼核前部與頂葉、丘腦、小腦及島葉關(guān)系密切，且功能連接減弱，殼核后部與小腦及右側(cè)中央旁小葉關(guān)節(jié)密切且功能連接減弱，尾狀核頭前部與DLPFC、中扣帶回、顳葉及額葉關(guān)系密切且功能減弱，這些結(jié)構(gòu)參與皮質(zhì)-基底節(jié)-丘腦環(huán)路組成[11]。有學者[12]在對有認知缺陷的多發(fā)性硬化患者的研究中也發(fā)現(xiàn)皮質(zhì)-紋狀體-丘腦網(wǎng)絡(luò)、雙側(cè)島葉、扣帶回等灰質(zhì)萎縮。前期研究也發(fā)現(xiàn)雙側(cè)尾狀核頭、豆狀核FA值增高[13]，提示其功能改變及微觀結(jié)構(gòu)變化研究結(jié)果是相符的。

研究表明基底節(jié)區(qū)內(nèi)部間接通路可影響網(wǎng)絡(luò)動態(tài)穩(wěn)定性，促進或抑制皮質(zhì)紋狀體輸出，從而破壞皮質(zhì)-紋狀體回路[14]。在大腦皮層，前額葉幾乎接收所有感官模式中的相關(guān)信息，進行加工處理后形成自我認知意識[15]，有學者[16]通過研究發(fā)現(xiàn)在認知缺陷的患者存在前額葉與殼核之間神經(jīng)元活動減少或不同步，以及阻止能夠促進兩者之間活動增加的神經(jīng)遞質(zhì)產(chǎn)生，導(dǎo)致認知異常。皮質(zhì)-紋狀體-丘腦回路與神經(jīng)認知功能存在相關(guān)性已被廣泛認可[17-18]。皮質(zhì)-紋狀體-丘腦-皮質(zhì)(cortico-striato-thalamo-cortical,CSTC)作為經(jīng)典環(huán)路，主要由DLPFC、扣帶回皮層、額眼區(qū)等額葉區(qū)域投射向尾狀核、殼核、丘腦等基底核團，再由基底核團投射纖維返回皮層而形成環(huán)路[19]。本研究發(fā)現(xiàn)WD患者右側(cè)尾狀核前部及中部與DLPFC之間功能連接減弱，雙側(cè)殼核前部、左側(cè)殼核后部與丘腦之間功能連接減弱，雙側(cè)尾狀核前部與扣帶回功能連接減弱并與MMSE值呈負相關(guān)，這些區(qū)域之間的連接均是構(gòu)成CSTC環(huán)路的組成部分。前期研究也發(fā)現(xiàn)WD患者左側(cè)豆狀核、尾狀核頭和雙側(cè)背側(cè)丘腦的功能連接減弱，右側(cè)顳葉、左側(cè)額葉功能的連接增強[9]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)尾狀核前部及尾狀核中部與雙側(cè)背外側(cè)前額葉連接減弱，雙側(cè)殼核前部及左側(cè)殼核后部與丘腦功能連接減弱，而前殼核與運動控制的高級認知方面有關(guān)，例如學習新動作[20]，而后殼核與熟練動作的執(zhí)行有關(guān)[21]。因此，右側(cè)尾狀核前中部與背外側(cè)前額葉功能連接減弱及雙側(cè)殼核前部與丘腦功能連接減弱，可能導(dǎo)致皮質(zhì)-紋狀體-丘腦回路受阻引起認知功能損害。

本研究不足之處:此項研究收取的病例數(shù)尚少，為增加研究的可重復(fù)性，下一步將增加樣本量；另外在后續(xù)研究中，需進一步完善相關(guān)臨床信息采集，如蒙特利爾認知評估量表(MoCA)，可以更全面的篩查和評估認知功能[22]，漢密爾頓焦慮量表、漢密爾頓抑郁量表、數(shù)字廣度測驗和詞語流暢性測驗，對患者的認知、行為狀態(tài)及學習能力全面的評估，多維度分析與腦功能性改變的相關(guān)關(guān)系。

綜上所述，WD患者紋狀體各亞區(qū)與皮層及丘腦之間功能連接減弱，導(dǎo)致CSTC環(huán)路受阻，從而引起認知功能損害，可能是WD患者認知障礙的神經(jīng)病理機制。