王倩楠，張靜娜，張 曄，李鵬岳，桑林瓊，王 莉，吳春玲，胡 俊，邱明國(guó)*

(1.陸軍軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與影像醫(yī)學(xué)系醫(yī)學(xué)圖像學(xué)教研室，重慶 400038；2.陸軍軍醫(yī)大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，重慶 400038)

肌萎縮側(cè)索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一種致命的神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為肢體、軀干進(jìn)行性神經(jīng)源性肌無(wú)力[1]。目前臨床多參照世界神經(jīng)病學(xué)聯(lián)盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標(biāo)準(zhǔn)[2]，結(jié)合臨床查體、肌電圖等結(jié)果診斷ALS，但早期診斷甚為困難。MRI為早期診斷ALS和監(jiān)測(cè)療效提供了重要手段?；隗w素形態(tài)學(xué)(voxel-based morphometry， VBM)方法是一種定量分析方法，能自動(dòng)計(jì)算大腦灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液的體積，并對(duì)活體腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的體素水平形態(tài)學(xué)研究[3]?；诒砻嫘螒B(tài)計(jì)量學(xué)(surface-based morphometry， SBM)方法是較VBM更加精確的算法，可測(cè)量大腦復(fù)雜結(jié)構(gòu)的灰質(zhì)體積及皮層厚度[4]。本研究采用VBM和SBM技術(shù)，對(duì)T1WI腦結(jié)構(gòu)像進(jìn)行分析，以期為揭示ALS發(fā)病機(jī)制、臨床診斷和治療監(jiān)測(cè)提供客觀的形態(tài)學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2014年5月—2017年3月于陸軍軍醫(yī)大學(xué)附屬第一醫(yī)院臨床確診的27例ALS患者(ALS組)，符合世界神經(jīng)病學(xué)聯(lián)盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標(biāo)準(zhǔn)[2]。以修訂版ALS功能評(píng)分量表(revised ALS functional rating scale, ALSFRS-R)評(píng)價(jià)ALS患者運(yùn)動(dòng)功能；以蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估(Montreal cognitive assessment, MoCA)量表評(píng)價(jià)患者認(rèn)知功能。選取同期年齡、性別、受教育程度與ALS組相匹配的27名健康志愿者為對(duì)照組，男19名，女8名，年齡27～74歲，平均(46.3±9.0)歲，均為右利手。排除標(biāo)準(zhǔn)：藥物或酒精依賴(lài)病史；高血壓、心臟病、糖尿病、腦血管病及其他神經(jīng)系統(tǒng)病變；激素及化療藥物應(yīng)用史；精神疾病史；MR檢查禁忌證。本研究經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學(xué)醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者均知情同意。

1.2儀器與方法 采用Siemens Trio 3.0T MR掃描儀，8通道頭線圈。采用三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波成像(three-dimensional magnetization prepared rapid gradient echo, 3D MPRAGE)序列采集T1W腦結(jié)構(gòu)像，矢位狀掃描，TR 1 900 ms，TE 2. 52 ms，翻轉(zhuǎn)角9°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層間距0，共掃描176層。

1.3圖像處理及分析

1.3.1VBM 于MatlabR2008a平臺(tái)，采用SPM 8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/)軟件VBM 8(http://dbm.neuro.uni-jena.de/vbm/download/)工具包對(duì)T1W結(jié)構(gòu)像進(jìn)行分析。首先進(jìn)行頭動(dòng)校正，然后在原始空間內(nèi)將T1W腦結(jié)構(gòu)像分割成腦灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液圖像，通過(guò)非線性變換與標(biāo)準(zhǔn)模板實(shí)現(xiàn)最佳配準(zhǔn)，再以8 mm半寬高對(duì)灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液進(jìn)行平滑處理。采用SPM 8軟件的雙樣本t檢驗(yàn)比較ALS組與對(duì)照組間的腦灰質(zhì)體積的差異，并應(yīng)用VBM軟件包多元回歸分析方法對(duì)ALS組的腦灰質(zhì)體積與ALSFRS-R、MoCA評(píng)分進(jìn)行相關(guān)分析，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行FDR多重比較校正，以校正后P<0.05、團(tuán)塊相連體素>30個(gè)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的腦區(qū)。

1.3.2SBM 采用FreeSurfer(http://www.freesurfer.net/)軟件對(duì)T1W結(jié)構(gòu)像進(jìn)行分析。首先去除顱骨、頭皮軟組織等結(jié)構(gòu)，然后對(duì)大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分割，獲得腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)局部區(qū)域校正、平滑后重建腦皮層，應(yīng)用Desikan-Killiany圖譜分割等方式最終生成腦部各區(qū)域三維重建圖，并生成各個(gè)區(qū)域皮層厚度參數(shù)文件。利用FreeSurfer的子軟件包Qdec軟件，對(duì)所測(cè)量區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確定位統(tǒng)計(jì)，采用一般線性模型評(píng)估皮層表面的每個(gè)定點(diǎn)，并以受試者性別、年齡為協(xié)變量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，最終獲得皮層厚度差異圖譜，以P<0.05(FDR校正)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，以獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較ALS組與對(duì)照組的年齡，性別比較采用χ2檢驗(yàn)。以Pearson相關(guān)分析評(píng)價(jià)SBM有差異腦區(qū)的皮層厚度和灰質(zhì)體積分別與ALSFRS-R、MoCA評(píng)分的相關(guān)性。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

ALS組與對(duì)照組年齡(t=0.043，P=0.965)和性別構(gòu)成(χ2=1.271，P=0.260)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。ALS組患者ALSFRS-R評(píng)分為(34.19±6.63)分，MoCA評(píng)分為(25.30±2.66)分。

2.1VBM分析結(jié)果 與對(duì)照組比較，ALS患者雙側(cè)中央前回、左側(cè)背側(cè)丘腦、右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、左側(cè)中央溝蓋、雙側(cè)中央后回等運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)灰質(zhì)體積顯著減小，雙側(cè)額葉、顳葉、枕葉及海馬旁回等運(yùn)動(dòng)區(qū)以外腦區(qū)灰質(zhì)體積亦縮小(圖1A)。ALS組右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評(píng)分呈正相關(guān)(P<0.001，F(xiàn)DR校正，圖1B)；雙側(cè)軀體感覺(jué)運(yùn)動(dòng)區(qū)(中央后回)、雙側(cè)運(yùn)動(dòng)語(yǔ)言中樞(額下回)和雙側(cè)顳葉灰質(zhì)體積與MoCA量表評(píng)分呈正相關(guān)(P<0.001，圖1C)。

2.2SBM分析結(jié)果 與對(duì)照組比較，ALS組右側(cè)中央前回灰質(zhì)體積(圖2A)及皮層厚度(圖2B)局灶性減低(P<0.05，F(xiàn)DR校正)。為進(jìn)一步明確右側(cè)中央前回運(yùn)動(dòng)功能區(qū)結(jié)構(gòu)變化的具體區(qū)域，按Brodmann分區(qū)將右側(cè)中央前回分為BA4a、BA4p、BA6區(qū)后，結(jié)果顯示ALS組右側(cè)BA4a、BA4p區(qū)體積顯著減小、皮層厚度顯著降低(P均<0.05，F(xiàn)DR校正)；2組間BA6區(qū)灰質(zhì)體積及皮層厚度差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；見(jiàn)表1。

2.3相關(guān)性分析 ALS組右側(cè)BA4a區(qū)灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評(píng)分呈正相關(guān)(r=0.418，P=0.038)，無(wú)與MoCA量表評(píng)分相關(guān)腦區(qū)(P均>0.05)。

3 討論

目前診斷ALS的依據(jù)多為臨床查體、肌電圖等結(jié)果，早期明確診斷很困難，有必要尋找一種能夠客觀、定量評(píng)價(jià)腦結(jié)構(gòu)損傷的手段。

ALS患者中，初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層萎縮被認(rèn)為是典型的疾病發(fā)展特征[5-6]。本研究VBM分析結(jié)果顯示，ALS患者雙側(cè)中央前回、左側(cè)背側(cè)丘腦、右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、左側(cè)中央溝蓋和雙側(cè)中央后回等運(yùn)動(dòng)相關(guān)區(qū)域灰質(zhì)體積顯著減小，SBM分析結(jié)果表明ALS患者右側(cè)中央前回體積顯著降低，上述2種不同原理的分析方法計(jì)算得到的ALS患者異常腦區(qū)位置基本相同，均位于中央前回。中央前回是軀體運(yùn)動(dòng)中樞，控制身體對(duì)側(cè)的運(yùn)動(dòng)；背側(cè)丘腦作為大腦皮層與小腦、紋狀體、黑質(zhì)之間相互聯(lián)系的樞紐，實(shí)現(xiàn)對(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)；輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)與肌張力、姿勢(shì)、雙手運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)及主動(dòng)運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)有密切關(guān)系[7]。既往研究[8]亦發(fā)現(xiàn)ALS患者以上3個(gè)區(qū)域腦體積有所改變。本研究還發(fā)現(xiàn)ALS患者左側(cè)中央溝蓋和雙側(cè)中央后回體積減小。中央溝蓋也稱(chēng)Rolandic蓋區(qū)，在音韻復(fù)述和言語(yǔ)輸出過(guò)程中起作用[9]；中央后回是軀體感覺(jué)中樞，接受身體對(duì)側(cè)的痛、溫、觸和本體感覺(jué)，并形成相應(yīng)的感覺(jué)。這些區(qū)域體積萎縮與臨床ALS患者上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的癥狀相吻合，提示ALS患者存在運(yùn)動(dòng)區(qū)灰質(zhì)局部變性。本研究相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，ALS患者左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評(píng)分呈顯著正相關(guān)，即左側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)灰質(zhì)體積越小，ALSFRS-R評(píng)分越低，患者的運(yùn)動(dòng)功能越差。

表1 ALS組與對(duì)照組右側(cè)中央前回運(yùn)動(dòng)功能區(qū)各分區(qū)灰質(zhì)體積及皮層厚度比較(±s，n=27)

表1 ALS組與對(duì)照組右側(cè)中央前回運(yùn)動(dòng)功能區(qū)各分區(qū)灰質(zhì)體積及皮層厚度比較(±s，n=27)

組別灰質(zhì)體積(mm3)BA4aBA4pBA6皮層厚度(mm)BA4aBA4pBA6ALS組2 643.68±451.741 349.92±205.3410 552.48±1 364.722.46±0.202.13±0.152.73±0.20對(duì)照組3 007.31±490.241 559.65±228.3511 275.73±1 481.342.62±0.262.27±0.292.71±0.18t值2.7523.4441.8092.4862.151-0.419P值0.0080.0010.0770.0160.0360.677

圖1 VBM分析結(jié)果 A.與對(duì)照組比較，ALS組灰質(zhì)體積減小的腦區(qū)； B.ALS組與ALSFRS-R評(píng)分呈正相關(guān)的腦區(qū)； C.ALS組與MoCA量表評(píng)分呈正相關(guān)的腦區(qū)

圖2 SBM分析結(jié)果 A.與對(duì)照組比較，ALS組右側(cè)中央前回灰質(zhì)體積減?。?B.與對(duì)照組比較，ALS組右側(cè)中央前回皮層厚度降低

高分辨率MRI結(jié)構(gòu)圖像研究[5]結(jié)果顯示ALS患者大腦運(yùn)動(dòng)區(qū)體積變小，運(yùn)動(dòng)區(qū)域以外的其他腦區(qū)也出現(xiàn)萎縮。另一項(xiàng)對(duì)ALS患者的VBM研究[10]顯示，其初級(jí)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層和雙側(cè)額葉的灰質(zhì)體積顯著降低。除運(yùn)動(dòng)障礙外，1/3ALS患者伴有額葉功能障礙[11]，同時(shí)ALS患者運(yùn)動(dòng)區(qū)域以外的皮層形態(tài)也發(fā)生了改變[12]。本研究中，與對(duì)照組比較，ALS患者雙側(cè)額葉及顳葉等與認(rèn)知相關(guān)的腦區(qū)皮層體積同時(shí)縮小。聽(tīng)覺(jué)識(shí)別記憶與左側(cè)額下回和左側(cè)顳極內(nèi)的皮層厚度有關(guān)，而視覺(jué)對(duì)象識(shí)別記憶與右側(cè)顳極內(nèi)的皮層厚度有關(guān)[13]。ALS患者的語(yǔ)言功能障礙程度不一，從亞臨床期到語(yǔ)言不流利、再到失語(yǔ)癥均可出現(xiàn)。本研究中，額葉皮層萎縮主要位于右側(cè)三角部額下回和左側(cè)背外側(cè)額上回。既往研究[14]發(fā)現(xiàn)，約30%ALS患者存在認(rèn)知障礙，8%～14%符合行為變異型額顳葉癡呆標(biāo)準(zhǔn)，后者的認(rèn)知特征包括社交認(rèn)知、言語(yǔ)記憶、流暢性和執(zhí)行功能方面的缺陷，與ALS的認(rèn)知特征相似，故可支持ALS與行為變異型額顳葉癡呆的認(rèn)知存在相關(guān)性的觀點(diǎn)。

大腦皮層為覆蓋于大腦表面呈分層排列的灰質(zhì)部分，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育最為復(fù)雜和完善的部位，為高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，由類(lèi)型復(fù)雜的神經(jīng)元和神經(jīng)纖維組合而成，并含有大量的膠質(zhì)細(xì)胞和血管，且大腦皮層在整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育期均不會(huì)發(fā)生明顯的體積或密度變化。因此，利用FreeSurfer軟件計(jì)算皮層厚度、進(jìn)而獲得軟腦膜表面和白質(zhì)表面之間的距離，可對(duì)大腦皮層部分的神經(jīng)元、膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)纖維的發(fā)育情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究結(jié)果顯示，與對(duì)照組比較，ALS患者右側(cè)BA4a、BA4p區(qū)皮層厚度顯著降低。BA4區(qū)位于中央前回、中央溝的內(nèi)側(cè)面，為初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，是支配對(duì)側(cè)軀體隨意運(yùn)動(dòng)的中樞，主要接受來(lái)自對(duì)側(cè)骨骼肌、肌腱和關(guān)節(jié)的本體感覺(jué)沖動(dòng)，以感受身體的位置、姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)感覺(jué)，并發(fā)出纖維，即錐體束控制對(duì)側(cè)骨骼肌的隨意運(yùn)動(dòng)。ALS患者BA4區(qū)發(fā)生體積萎縮，與臨床ALS患者運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的損傷癥狀相吻合。本研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)BA4a區(qū)皮層厚度及體積與ALSFRS-R評(píng)分呈正相關(guān)，表明右側(cè)BA4a區(qū)皮層越薄，上運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元受累越明顯，疾病越嚴(yán)重。

本研究的局限性：①樣本量較小，下一步還需擴(kuò)大樣本量；②未對(duì)ALS疾病進(jìn)展進(jìn)行縱向觀察，對(duì)ALS疾病的發(fā)展情況有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)；③還需改進(jìn)算法，提高數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，以使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有普適性。

綜上所述，通過(guò)分析ALS患者全腦皮層體積，發(fā)現(xiàn)其與運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的腦區(qū)皮層體積萎縮，包括初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的變薄和額顳葉區(qū)域體積縮小，提示ALS患者運(yùn)動(dòng)功能的損害有其解剖學(xué)改變基礎(chǔ)，BA4a區(qū)的皮層厚度及體積有望作為生物影像學(xué)標(biāo)記物，用于監(jiān)測(cè)ALS疾病進(jìn)展。