張傳鳳，王安琴，武紅利，徐春生，李傳富*

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

肝豆?fàn)詈俗冃杂址Q威爾遜病(Wilson disease, WD)。認(rèn)知障礙在WD患者中已被廣泛認(rèn)識(shí)，然而鮮有研究觀察其中樞病理機(jī)制。海馬與大腦皮質(zhì)和基底核區(qū)有著廣泛聯(lián)系，在認(rèn)知、應(yīng)激和情緒調(diào)節(jié)方面具有重要作用[1]。WD在中樞神經(jīng)系統(tǒng)主要損傷基底核區(qū)與海馬之間的神經(jīng)回路，且與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)[2]。本研究分析WD患者大腦海馬功能連接(functional connectivity, FC)變化及其與認(rèn)知功能障礙的關(guān)系，探討其作用機(jī)制。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集30例于安徽中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院就診的認(rèn)知障礙WD患者，均符合WD診斷標(biāo)準(zhǔn)，右利手，無(wú)心血管及造血系統(tǒng)原發(fā)疾病，無(wú)其他神經(jīng)或精神系統(tǒng)疾病，無(wú)神經(jīng)或精神藥物服用史，亦無(wú)心臟起搏器等MR檢查禁忌證，并能配合研究。另選取年齡、性別和受教育程度相匹配的健康志愿者30名作為對(duì)照組。5例WD患者和4名志愿者配準(zhǔn)失敗而被排除，最終25例WD患者(WD組)和26名志愿者(對(duì)照組)入組，并均于檢查前簽署知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 臨床認(rèn)知功能 對(duì)2組均行簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查(mini-mental state examination, MMSE)、漢密爾頓焦慮量表(Hamilton anxiety scale, HAMA)、漢密爾頓抑郁量表(Hamilton depression scale, HAMD)、數(shù)字廣度測(cè)驗(yàn)(digital span test, DST)和詞語(yǔ)流暢性測(cè)驗(yàn)(verbal fluency test, VFT)。

1.2.2 MRI數(shù)據(jù) 以GE 3.0T MR儀依次行常規(guī)T2W掃描(TR 9 000 ms，TE 124 ms，F(xiàn)A 111°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，層厚5 mm，層間距0，掃描20層)，T1-3D BRAVO成像(參數(shù)：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，F(xiàn)A 12°，矩陣256×256，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，層厚1 mm，層間距0，掃描166層，掃描時(shí)間5 min 36 s)，彌散張量成像[(diffusion tensor imaging, DTI)，參數(shù)：TR 4 800 ms，TE 81.7 ms，F(xiàn)A 12°，矩陣128×128，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚3 mm，層間距0，掃描45層，b值為1 000 s/mm2，掃描64個(gè)方向，掃描時(shí)間7 min]和血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent, BOLD)成像(參數(shù)：TR 2 000 ms，TE Minimum，F(xiàn)A 90°，矩陣64×64，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚3 mm，層間距0，掃描36層，掃描時(shí)間6 min 10 s)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 臨床認(rèn)知功能 采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，以獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較組間MMSE、HAMA、DST和VFT測(cè)值。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.3.2 靜息態(tài)FC及DTI數(shù)據(jù) 采用功能神經(jīng)影像分析(analysis of functional neuroimage, AFNI)軟件(http://afni.nimh.nih.gov/afni/)進(jìn)行分析。具體步驟：①數(shù)據(jù)預(yù)處理；②頻域?yàn)V波；③將頻率控制在0.01～0.08 Hz；④去除腦白質(zhì)和腦脊液信號(hào)；⑤計(jì)算個(gè)體數(shù)據(jù)參數(shù)值，在標(biāo)準(zhǔn)模板MNI152_T1_1mm_brain上提取雙側(cè)海馬作為ROI(圖1)；⑥提取個(gè)體對(duì)比圖；⑦空間標(biāo)準(zhǔn)化；⑧空域?yàn)V波；⑨組間分析，F(xiàn)DR(false discovery rate)校正(P<0.001，α≤0.05)；⑩相關(guān)性分析。

圖1 FC分析ROI

采用腦功能成像軟件包(functional magnetic resonance imaging of the brain software library, FSL)(http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)分析，步驟：①數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；②頭動(dòng)校正和渦流校正；③去除周圍噪聲；④計(jì)算個(gè)體張量參數(shù)，即各向異性分?jǐn)?shù)(fractional anisotropy, FA)；⑤提取靜息態(tài)分析結(jié)果作為種子點(diǎn)，采用FSL軟件對(duì)海馬與種子點(diǎn)之間進(jìn)行纖維束示蹤，以FNIRT程序，采用非線性配準(zhǔn)方法將3D結(jié)構(gòu)像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)模板MNI152_T1_1mm_brain，再將配準(zhǔn)過程中得到的矩陣應(yīng)用于FA，得到配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間的個(gè)體參數(shù)圖，以大腦FC有差異腦區(qū)作為ROI，得出相應(yīng)部位平均FA；⑥統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，利用randomise程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，置換檢驗(yàn)次數(shù)為 5 000次，P=0.05；⑦相關(guān)分析：以MMSE、DST、VFT評(píng)分作為協(xié)變量，與各ROI平均FA進(jìn)行協(xié)變量相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 組間年齡、性別比例差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。WD組MMSE和VFT評(píng)分均低于對(duì)照組(P均<0.05)。見表1。

表1 WD組與對(duì)照組基本信息及評(píng)分

2.2 組間FC分析 WD組左側(cè)豆?fàn)詈?、尾狀核頭和雙側(cè)丘腦FC均較對(duì)照組減弱，右側(cè)顳葉、左側(cè)額葉FC較對(duì)照組增強(qiáng)。圖2示FDR校正后相關(guān)結(jié)果。

圖2 WD組與對(duì)照組FC比較，F(xiàn)DR校正 色帶表示Z值最大范圍

2.3 組間FC激活區(qū)FA比較 WD組丘腦(thalamus,THA)和左側(cè)海馬(left hippocampus, LM)FA低于對(duì)照組(P均<0.05)，左側(cè)基底核區(qū)(left basal ganglia, LB)FA高于對(duì)照組(P<0.05)；組間右側(cè)海馬(right hippocampus, RM)和背外側(cè)前額葉(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見表2。

表2 WD組與對(duì)照組ROI的FA比較(±s)

表2 WD組與對(duì)照組ROI的FA比較(±s)

組別LMRMLBTHADLPFCWD組(n=25)0.325±0.0160.243±0.0120.313±0.0370.220±0.0170.067±0.026對(duì)照組(n=26)0.336±0.0180.253±0.0300.293±0.0160.238±0.0140.074±0.044t值-2.258-1.5692.583-4.330-0.707P值0.0280.1220.014<0.0010.482

2.3 WD臨床認(rèn)知功能與腦功能及大腦微觀結(jié)構(gòu)變化的相關(guān)性 WD組MMSE評(píng)分與右側(cè)額中回、顳橫回及雙側(cè)頂葉FC強(qiáng)度呈正相關(guān)(圖3)，VFT評(píng)分與左側(cè)豆?fàn)詈?、右?cè)額中回及雙側(cè)顳橫回FC強(qiáng)度呈正相關(guān)(圖4)；FA與MMSE分?jǐn)?shù)無(wú)明顯相關(guān)，VFT評(píng)分與雙側(cè)丘腦和雙側(cè)豆?fàn)詈薋A呈負(fù)相關(guān)(圖5)。

圖3 WD組與對(duì)照組MMSE值與全腦功能相關(guān)性(P均<0.05，F(xiàn)DR校正) 色帶表示Z值最大范圍

圖4 WD組與對(duì)照組VFT值與全腦功能相關(guān)性(P均<0.05，F(xiàn)DR校正) 色帶表示Z值最大范圍

3 討論

本研究采用靜息態(tài)功能MRI和DTI技術(shù)觀察WD患者海馬功能及微觀結(jié)構(gòu)變化及其與臨床認(rèn)知功能的關(guān)系。相比對(duì)照組，WD組左側(cè)豆?fàn)詈?、尾狀核頭和雙側(cè)丘腦FC減弱，右側(cè)顳葉、左側(cè)額葉FC增強(qiáng)。WD組THA和LM的FA低于對(duì)照組，LB的FA高于對(duì)照組，反映海馬及相關(guān)腦區(qū)結(jié)構(gòu)及功能發(fā)生改變，為研究WD患者神經(jīng)心理癥狀提供了影像學(xué)依據(jù)。

WD主要神經(jīng)病理基礎(chǔ)在于過量的銅沉積導(dǎo)致細(xì)胞變性、壞死，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要累及基底核區(qū)[3]、中腦、丘腦及處理認(rèn)知信息的相關(guān)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[2,4]。既往研究[5]發(fā)現(xiàn)WD可致雙側(cè)尾狀核頭、豆?fàn)詈思氨硞?cè)丘腦、黑質(zhì)、紅核、右側(cè)齒狀核FA增高以及廣泛的白質(zhì)及雙側(cè)背內(nèi)側(cè)丘腦FA減低，本研究WD組海馬與豆?fàn)詈?、尾狀核頭和內(nèi)側(cè)丘腦FC變化與之相符。上述變化可能與大量的銅沉積導(dǎo)致細(xì)胞毒性水腫、細(xì)胞變性及壞死、膠質(zhì)增生等有關(guān)[6]。海馬與丘腦-皮層網(wǎng)絡(luò)的相互神經(jīng)作用與認(rèn)知功能損害機(jī)制有關(guān)[7]。WINTON-BROWN等[7]發(fā)現(xiàn)海馬-基底核區(qū)及中腦回路變化與認(rèn)知處理能力有關(guān)，是神經(jīng)精神系統(tǒng)疾患形成的基礎(chǔ)，基底核區(qū)損傷也影響學(xué)習(xí)和記憶過程[8]。此外，DLPFC也是涉及認(rèn)知功能和情緒調(diào)節(jié)的重要腦區(qū)[9]，且與海馬存在相互作用[10]。

海馬在記憶和認(rèn)知功能中具有至關(guān)重要的作用[11]。解剖學(xué)上，海馬與額葉、丘腦、基底神經(jīng)節(jié)、海馬旁回及小腦之間存在纖維聯(lián)系[12]。既往研究[13]證實(shí)這些腦區(qū)存在相關(guān)FC。RANGANATH等[14]發(fā)現(xiàn)健康志愿者海馬FC與丘腦、島葉、PFC小腦和感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)有關(guān)。以上研究證實(shí)了皮質(zhì)-紋狀體-丘腦回路與神經(jīng)認(rèn)知功能的相關(guān)性[15]。本研究中WD組患者基底核區(qū)存在損害，且海馬FC減弱、丘腦和基底核區(qū)損害與VFT評(píng)分呈明顯負(fù)相關(guān)；額葉及顳葉與VFT評(píng)分的相關(guān)性增強(qiáng)，表明基底核區(qū)及丘腦損害影響了大腦記憶認(rèn)知功能，同時(shí)出現(xiàn)額葉及顳葉記憶功能代償。這些參與學(xué)習(xí)及記憶的緊湊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能在WD神經(jīng)心理學(xué)發(fā)病機(jī)理中具有重要作用。

存在神經(jīng)系統(tǒng)癥狀的WD患者表現(xiàn)出廣泛的認(rèn)知領(lǐng)域缺陷[16]。本研究發(fā)現(xiàn)VFT得分與PFC得分之間顯著正相關(guān)，VFT評(píng)分與雙側(cè)丘腦和豆?fàn)詈宋⒂^結(jié)構(gòu)變化之間呈顯著負(fù)相關(guān)。既往有學(xué)者[17]指出，在認(rèn)知編碼過程中，海馬與紋狀體之間存在相關(guān)作用。ANG等[18]經(jīng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一些新的大鼠紋狀體邊緣區(qū)、杏仁核及海馬體之間的聯(lián)系，豐富了海馬相關(guān)的學(xué)習(xí)與記憶相關(guān)通路，即神經(jīng)傳遞從紋狀體到杏仁核中央再到海馬，最后回到紋狀體的邊緣。這些功能及結(jié)構(gòu)上的通路為認(rèn)知相關(guān)網(wǎng)絡(luò)增加了新的維度，也為研究WD發(fā)病機(jī)制提供了理論依據(jù)。

本研究存在一定局限性。首先，納入的樣本量較少，可重復(fù)性有待提高；其次，對(duì)海馬功能未能清晰劃分邊界，存在局限性；此外，功能連通性僅能反映大腦區(qū)域活動(dòng)的同步性或一致性，基于ROI分析方法并不能發(fā)現(xiàn)所有與其他區(qū)域存在解剖連接之處。

綜上所述，左側(cè)海馬和雙側(cè)丘腦、左側(cè)豆?fàn)詈思拔矤詈祟^間功能和解剖學(xué)連接性改變可能導(dǎo)致相關(guān)記憶認(rèn)知功能通路連接受阻，最終產(chǎn)生認(rèn)知功能障礙。