王可可 柏同健 田仰華

1安徽醫(yī)科大學(xué)（合肥 230022）；2安徽醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院神經(jīng)病學(xué)教研室（合肥 230022）

阿爾茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）是以記憶、認(rèn)知障礙，適應(yīng)行為受損為臨床特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，其缺乏高效度的診斷生物標(biāo)志物[1]。海馬與大腦皮層及皮層下結(jié)構(gòu)有廣泛的聯(lián)系，其結(jié)構(gòu)和功能的異常在AD病理生理機(jī)制中起到關(guān)鍵作用。靜息態(tài)功能磁共振影像（restingstate functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）相關(guān)研究提示AD大腦在整合和轉(zhuǎn)換信息時(shí)靜息態(tài)功能連接（resting state functional connectivity，RSFC）模式的改變。包括RSFC在海馬和整個(gè)大腦皮層的幾個(gè)區(qū)域間的減少，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（default mode networks，DMN）中的下降，額葉網(wǎng)絡(luò)中的增加[2-4]。但普通RSFC的分析方法是假設(shè)在成像期間（一般是5～15 min）所收集的信號(hào)處于恒定狀態(tài)，簡(jiǎn)單地平均化了不同感興趣區(qū)的血氧依賴水平（blood oxygen level dependent，BOLD）信號(hào)，忽略了大腦內(nèi)在活動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性。而動(dòng)態(tài)靜息態(tài)功能連接（dynamic resting state functional connectivity，dRSFC）的研究方法更接近于大腦動(dòng)態(tài)特性，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于探索神經(jīng)精神疾病的發(fā)病機(jī)制[5-6]。因此，該研究基于rs-fMRI分析AD患者海馬與全腦功能連接的異常動(dòng)態(tài)變化情況，以揭示AD海馬dRSFC的時(shí)間變異特征，從新的視角理解AD的病理生理機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 受試者資料AD組招募2014年1月至2017年12月就診于安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科記憶門診及住院的患者，納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）依據(jù)2011版美國(guó)國(guó)立神經(jīng)病語(yǔ)言障礙卒中研究所和AD相關(guān)疾病學(xué)會(huì)（NINCDS-ADRDA）診斷標(biāo)準(zhǔn)，所有受試符合“很可能AD”標(biāo)準(zhǔn)；（2）受教育年限≥5年；（3）不具有幽閉性恐懼障礙，以及能夠完成約40 min左右核磁共振檢查及簡(jiǎn)明精神狀態(tài)測(cè)試（mini-mental state examination，MMSE）。排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）其他類型的癡呆（血管性癡呆、路易體癡呆、額顳葉癡呆等）；（2）既往存在酗酒或藥物依賴史等；（3）罹患其他神經(jīng)精神系統(tǒng)疾?。ㄈ绲湫湍X血管病、腦白質(zhì)病變）及其他嚴(yán)重軀體性疾病；（4）存在體內(nèi)金屬植入物及其他磁共振掃描禁忌證者；（5）頭顱MRI平掃顯示腦內(nèi)存在異常病灶等。對(duì)照組均來(lái)自于患者家屬或社區(qū)招募的志愿者，年齡、性別與AD組相匹配的健康老人。入組標(biāo)準(zhǔn)：（1）受教育年限≥5年；（2）無(wú)情感障礙、記憶障礙和睡眠障礙等癥狀，MMSE≥26；（3）無(wú)體內(nèi)金屬植入物及其他磁共振掃描禁忌證者；（4）無(wú)腦部外傷史、腦器質(zhì)性疾?。ㄈ绲湫湍X血管病、腦白質(zhì)病變）等其他神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病及嚴(yán)重軀體性疾病。最終入組受試者37例，包括AD組18例，對(duì)照組19例，入組受試者和（或）患者監(jiān)護(hù)人簽署該研究相關(guān)知情同意書(shū)，測(cè)試所有受試者M(jìn)MSE得分進(jìn)行認(rèn)知功能評(píng)估。本研究經(jīng)安徽醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 儀器和方法

1.2.1 磁共振數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)儀器采用安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院核磁共振室GE Signa 3.0T MRI儀。所有受試者均同時(shí)采集3D結(jié)構(gòu)核磁共振及靜息狀態(tài)功能核磁共振數(shù)據(jù)。掃描期間囑受試者閉目、保持清醒、放松無(wú)思維活動(dòng)、保持不動(dòng)，固定頭部。為排除其他腦器質(zhì)性病變，功能核磁共振影像掃描前先采集T1加權(quán)及T2加權(quán)成像。應(yīng)用三維快速自旋回波序列，采集3D結(jié)構(gòu)磁共振數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)為：重復(fù)時(shí)間（repetition time）=7.0 ms，回波時(shí)間（echo time）=2.9 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間=900 ms，視野范圍=240 mm×226 mm，矩陣256×256，層厚1.2 mm。應(yīng)用梯度回波結(jié)合單次激發(fā)回波平面成像序列，采集靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)，設(shè)置參數(shù)為：重復(fù)時(shí)間（repetitiontime）=2 000 ms，回波時(shí)間（echotime）=30 ms，反轉(zhuǎn)角 =90°，視野范圍=240 mm×240 mm，矩陣64×64，層厚3 mm。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理應(yīng)用DPARSF工具包（http：//rfmri.org/DPARSF）進(jìn)行靜息態(tài)功能磁共振圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理，預(yù)處理步驟包括：（1）格式轉(zhuǎn)換：DICOM格式轉(zhuǎn)換為NIFIT格式；（2）剔除前10幀功能圖像以達(dá)到磁場(chǎng)穩(wěn)定且讓受試者適應(yīng)環(huán)境；（3）進(jìn)行時(shí)間校正；（4）頭動(dòng)校正（頭動(dòng)平動(dòng)位移控制＜3 mm，角度旋轉(zhuǎn)＜ 3°之內(nèi)）；（5）回歸去除線性漂移、頭動(dòng)、白質(zhì)以及腦脊液平均全局信號(hào)；（6）空間標(biāo)準(zhǔn)化，利用統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)像分割信息將個(gè)體功能像配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)科學(xué)研究所（Montreal neurological institute，MNI）模板標(biāo)準(zhǔn)空間；（7）采用4 mm的半高全寬高斯平滑核進(jìn)行空間平滑。

1.2.3 計(jì)算動(dòng)態(tài)功能連接基于自動(dòng)解剖（anatomical automatic labeling，AAL）模板，定義感興趣區(qū)為雙側(cè)海馬。進(jìn)一步將感興趣區(qū)以3 mm×3 mm×3 mm分辨率重新采樣。動(dòng)態(tài)功能連接計(jì)算采用DynamicBC軟件包（v1.1，www.restfmri.net/forum/DynamicBC）[7]，采用滑動(dòng)窗方法。在滑動(dòng)窗的分析方法中，窗口長(zhǎng)度是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。以往研究表明，窗口長(zhǎng)度必須兼顧兩個(gè)因素：獲得穩(wěn)定腦區(qū)間連接（較長(zhǎng)的窗口），捕捉功能連接快速變化的特征[5]。根據(jù)以往關(guān)于動(dòng)態(tài)分析推薦[8]，本研究采用50倍重復(fù)時(shí)間（100 s），每次滑動(dòng)5倍重復(fù)時(shí)間（10 s）。在本研究的數(shù)據(jù)中，全部的時(shí)間序列包含230時(shí)間點(diǎn)（460 s），因此每個(gè)被試將有37窗口。針對(duì)每個(gè)窗口，計(jì)算海馬與全腦的其他區(qū)域體素的信號(hào)Pearson相關(guān)系數(shù)。將得到的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行Fisher′s-to-z轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生了每個(gè)滑動(dòng)窗的功能連接圖。對(duì)于每個(gè)被試而言，計(jì)算37個(gè)時(shí)間窗的每個(gè)體素的相關(guān)系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，從而得到動(dòng)態(tài)功能連接圖。為了提高圖像的正態(tài)性，再次將動(dòng)態(tài)功能連接圖進(jìn)行Fisher′s-to-z轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的圖像進(jìn)行后一步的統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)臨床資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。兩組性別比較采用χ2檢驗(yàn)。正態(tài)分布資料以±s表示，以單因素方差分析組間年齡、受教育年限、MMSE評(píng)分差異，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)兩組雙側(cè)海馬與全腦dRSFC進(jìn)行比較，應(yīng)用Dpabi軟件包[9]將獲得的全腦的動(dòng)態(tài)靜息狀態(tài)功能連接圖，以年齡、受教育年限作為協(xié)變量，分別進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，得到統(tǒng)計(jì)圖，采用GRF多重比較，體素水平P＜0.005且團(tuán)塊水平P＜0.05（雙側(cè)）的腦區(qū)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。判斷相關(guān)性，采取將感興趣區(qū)與差異腦區(qū)間動(dòng)態(tài)功能連接的值（z值）與MMSE評(píng)分進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料兩組受試性別、年齡、受教育年限差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），組間MMSE評(píng)分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），AD組評(píng)分明顯低于對(duì)照組（表1）。

表1 AD與對(duì)照組受試者一般資料及MMSE評(píng)分情況Tab.1 General information and MMSE scores of subjects in AD and NC group ±s

表1 AD與對(duì)照組受試者一般資料及MMSE評(píng)分情況Tab.1 General information and MMSE scores of subjects in AD and NC group ±s

項(xiàng)目AD組對(duì)照組t/χ2值P值男/女（例）12/6 12/7 0.05 0.82年齡（歲）71.22±9.93 71.63±4.14-0.16 0.87教育年限（年）10.56±4.84 10.58±3.98-0.16 0.99 MMSE得分（分）16.06±5.13 27.89±1.49-9.43＜0.001

2.2 兩組海馬亞區(qū)與全腦動(dòng)態(tài)靜息狀態(tài)功能連接分析結(jié)果以左側(cè)海馬與全腦做動(dòng)態(tài)功能連接分析，AD組的左側(cè)海馬與右側(cè)尾狀核的動(dòng)態(tài)功能連接顯著高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[團(tuán)塊大小=41體素，峰值點(diǎn)坐標(biāo)（x=15，y=12，z=12），峰值點(diǎn)t=4.877]（GRF多重比較，體素水平P＜0.005團(tuán)塊水平P＜0.05）（圖1）；右側(cè)海馬與全腦動(dòng)態(tài)功能連接在兩組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

2.3 相關(guān)性分析AD患者左側(cè)海馬與右側(cè)尾狀核的動(dòng)態(tài)功能連接值（z值）與患者M(jìn)MSE得分計(jì)算Pearson相關(guān)性（zdFC-MMSE相關(guān)系數(shù)r=0.189，P=0.451），兩者間相關(guān)性無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

3 討論

圖1 左側(cè)海馬與全腦動(dòng)態(tài)功能連接分析Fig.1 Analysis of dynamic functional connectivity between the left hippocampus and the whole brain

神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了對(duì)疾病的病理生理機(jī)制的探索，基于rs-fMRI的大腦多維度通訊研究日益活躍，發(fā)現(xiàn)AD患者包括顳葉海馬、后扣帶回等在內(nèi)DMN的靜息狀態(tài)、血氧水平依賴活動(dòng)相關(guān)性降低的“失連接綜合征”[10-11]；對(duì)癥狀進(jìn)展秩序相對(duì)刻板的典型AD的研究，發(fā)現(xiàn)整個(gè)病程的不同時(shí)段大腦DMN靜息狀態(tài)功能連接呈動(dòng)態(tài)變化的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)故障[12]。傳統(tǒng)RSFC的分析方法簡(jiǎn)單平均化地處理成像期間所收集的信號(hào)，這種通過(guò)整個(gè)掃描持續(xù)時(shí)間的平均連通性的測(cè)量方法可能不足以揭示功能連通性的動(dòng)態(tài)變化，忽略了大腦自發(fā)的動(dòng)態(tài)特性。本研究基于更接近于大腦動(dòng)態(tài)特性的dRSFC的研究方法，以雙側(cè)海馬為感興趣區(qū)，計(jì)算全腦與其他區(qū)域體素的動(dòng)態(tài)功能連接時(shí)間變異值，結(jié)果提示AD患者左側(cè)海馬和右側(cè)尾狀核之間功能連接出現(xiàn)時(shí)間變異性增加，腦區(qū)間信息整合和通訊時(shí)存在動(dòng)態(tài)波動(dòng)。這與近年多個(gè)研究發(fā)現(xiàn)AD患者DMN功能異常一致，JOO等[4]基于種子點(diǎn)相關(guān)分析、獨(dú)立成份分析結(jié)合圖論法，研究了AD患者動(dòng)態(tài)功能連接的群組間差異，發(fā)現(xiàn)與正常對(duì)照組相比DMN的不同子網(wǎng)絡(luò)（即DMN后部、前部、背側(cè)和腹側(cè)）存在駐留時(shí)間的改變。

本研究中發(fā)現(xiàn)左側(cè)海馬與右側(cè)尾狀核dRSFC的時(shí)間變異性增強(qiáng)，這種選擇性的時(shí)間變異性改變可能與特異性的腦區(qū)結(jié)構(gòu)及功能改變有關(guān)。海馬的主要神經(jīng)功能是形成情景記憶，與大腦皮層及皮層下的結(jié)構(gòu)有廣泛的聯(lián)系，組成記憶系統(tǒng)。尾狀核是基底神經(jīng)節(jié)紋狀體的一部分，具有廣泛的傳入和傳出神經(jīng)纖維連接和皮質(zhì)-紋狀體-丘腦網(wǎng)絡(luò)，該區(qū)域具有重要的認(rèn)知和運(yùn)動(dòng)功能。AD的典型病理特征是神經(jīng)纖維纏結(jié)和淀粉樣斑塊沉積，在包括海馬、尾狀核在內(nèi)的幾個(gè)大腦區(qū)域均有發(fā)現(xiàn)。SHIM等[13]的研究進(jìn)一步提示左側(cè)海馬結(jié)構(gòu)完整性是記憶形成的主要神經(jīng)基礎(chǔ)，能夠預(yù)測(cè)AD和輕度認(rèn)知功能障礙的記憶功能。基于左側(cè)海馬亞區(qū)的AD核磁共振結(jié)構(gòu)和功能連接研究[14]發(fā)現(xiàn)，左側(cè)海馬認(rèn)知亞區(qū)與右側(cè)背外側(cè)前額葉靜息狀態(tài)功能連接增強(qiáng)。另有研究[15]發(fā)現(xiàn)在AD的臨床前和臨床階段功能連接和定向連接對(duì)認(rèn)知改變、淀粉樣蛋白沉積和遺傳風(fēng)險(xiǎn)都很敏感，造成AD患者不同疾病階段腦部出現(xiàn)特異性區(qū)域萎縮，引起大腦功能連接的分布和方向性不同。這可能是本研究發(fā)現(xiàn)左側(cè)海馬和右側(cè)尾狀核出現(xiàn)動(dòng)態(tài)功能連接異常的結(jié)構(gòu)性損害基礎(chǔ)，可能是導(dǎo)致該研究中左側(cè)海馬與左側(cè)尾狀核及右側(cè)海馬與全腦動(dòng)態(tài)功能連接差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的原因。

海馬與尾狀核dRSFC增強(qiáng)的時(shí)間變異性，可能與大腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變有關(guān)。記憶和認(rèn)知過(guò)程需要腦網(wǎng)絡(luò)完成大尺度的信息整合和處理。顳葉內(nèi)側(cè)的包括海馬、內(nèi)嗅皮層、乳頭體、丘腦前核、扣帶回和海馬旁回的海馬記憶環(huán)路（Papez環(huán)路），是參與編碼、情景記憶形成和鞏固的DMN重要節(jié)點(diǎn)。ZHOU等[2]研究發(fā)現(xiàn)，在AD組和MCI組中，功能連接強(qiáng)度的變化與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)的變化顯著相關(guān)，這種損害可能導(dǎo)致行為障礙，包括情景記憶和延遲記憶的缺失，基于Rs-MRI以海馬為種子點(diǎn)，比較早期AD患者和對(duì)照組海馬的RSFC時(shí)，發(fā)現(xiàn)丘腦、尾狀核、扣帶回皮層區(qū)域參與了Papez環(huán)路，在涉及學(xué)習(xí)和記憶功能的大腦區(qū)域（包括額葉、扣帶、丘腦和基底神經(jīng)節(jié)區(qū)域、尾狀核）的功能連接明顯下降，與情景記憶表現(xiàn)有顯著相關(guān)性，Papez環(huán)路連接性的變化可以作為AD的早期風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)[16]。隨著探索疾病病理生理機(jī)制的發(fā)展，逐漸認(rèn)識(shí)到AD的發(fā)生發(fā)展與認(rèn)知、記憶相關(guān)的大腦區(qū)域和腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變性、代謝異常及功能障礙密切相關(guān)。

與以往關(guān)于AD患者基于動(dòng)態(tài)靜息狀態(tài)功能連接相關(guān)研究結(jié)果存在差異，本研究中未發(fā)現(xiàn)與海馬動(dòng)態(tài)功能連接時(shí)變性增加以外的其他腦區(qū)，可能原因如下：首先，AD患者存在發(fā)病年齡不同、疾病病程不同，其海馬的神經(jīng)功能存在差別。有研究報(bào)道[17-18]，AD患者不同疾病階段DMN子網(wǎng)絡(luò)具有不同的功能連接模式，包括在結(jié)構(gòu)和功能下降之前的連接過(guò)載，出現(xiàn)功能連接補(bǔ)償現(xiàn)象到負(fù)載解耦轉(zhuǎn)移過(guò)程的短暫補(bǔ)償作用，呈現(xiàn)靜息狀態(tài)功能連接呈動(dòng)態(tài)變化的級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)故障；此外，AD腦中普遍存在微血管病變，主要包括腦白質(zhì)損害、腦淀粉樣血管病變、腦部微出血、腔隙性腦梗死、血-腦脊液屏障的破壞等，這些病理改變是AD患者除了認(rèn)知、記憶障礙，精神行為受損和社會(huì)適應(yīng)能力減退為主要典型臨床特征，還包括語(yǔ)言、視覺(jué)、實(shí)踐或執(zhí)行問(wèn)題等非典型的臨床表現(xiàn)關(guān)聯(lián)因素[19]，不同的臨床表征可能具有特異性的功能連接異常模式。最后，導(dǎo)致未發(fā)現(xiàn)與海馬時(shí)變性增加的其他腦區(qū)的可能原因是本研究納入的樣本量較少。

另外，本研究具有一定的局限性。首先，本研究未對(duì)入組AD患者和受試者血管危險(xiǎn)因素（如高血壓病、糖尿病、血脂水平、體質(zhì)量指數(shù)等）做嚴(yán)格控制，而血管危險(xiǎn)因素與老年人認(rèn)知功能下降程度有明顯相關(guān)性，可能參與AD發(fā)病過(guò)程[20-21]；其次，本研究樣本量較小，可能是導(dǎo)致AD患者左側(cè)海馬與右側(cè)尾狀核的動(dòng)態(tài)功能連接值與反映患者臨床認(rèn)知記憶嚴(yán)重程度指標(biāo)（MMSE評(píng)分）兩者間相關(guān)性無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的原因；另外，本研究采用的是橫斷面設(shè)計(jì)而不是縱向設(shè)計(jì)，因此無(wú)法確定病程與動(dòng)態(tài)功能連接之間的關(guān)系，結(jié)論有一定的局限性。

總之，本研究基于Rs-MRI調(diào)查了AD患者功能連接的動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)AD患者左側(cè)海馬與右側(cè)尾狀核的動(dòng)態(tài)功能連接具有較強(qiáng)的時(shí)間變異性，為理解AD的病理機(jī)制提供了新的視野，為解析海馬功能異常在AD發(fā)病機(jī)制中起著一定的作用。在AD患者中，海馬-尾狀核神經(jīng)活動(dòng)降低，時(shí)間變異性增大，提示記憶、認(rèn)知障礙患者存在靜息狀態(tài)下功能連接調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定性，腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間存在超負(fù)荷代償或無(wú)效率信息交換的病理機(jī)制。這種損傷可能是認(rèn)知、情景記憶障礙的病理基礎(chǔ)。然而，這些聯(lián)系中損害的發(fā)展方式仍然不清楚。還需要針對(duì)大樣本、重要影響因子得到嚴(yán)格控制的進(jìn)一步研究來(lái)闡明dRSFC的變化與疾病進(jìn)程之間的關(guān)系。