功能MRI观察左旋甲状腺素对亚临床甲状腺功能减退空间工作记忆损伤的影响

黄冉冉HUANG Ranran

马树华1,2MA Shuhua

百茹峰3BAI Rufeng

尹晶晶1,2YIN Jingjing

谢 磊1,2XIE Lei

孙宗博1,2SUN Zongbo

功能MRI观察左旋甲状腺素对亚临床甲状腺功能减退空间工作记忆损伤的影响

黄冉冉1,2HUANG Ranran

马树华1,2MA Shuhua

百茹峰3BAI Rufeng

尹晶晶1,2YIN Jingjing

谢 磊1,2XIE Lei

孙宗博1,2SUN Zongbo

目的采用血氧依赖水平功能磁共振成像（BOLD-fMRI）探讨左旋甲状腺素（LT4）替代治疗对亚临床甲状腺功能减退（SCH）患者空间工作记忆的影响。资料与方法16例SCH患者进行LT4治疗6个月前后与对照组16例甲状腺功能正常志愿者分别进行n-back任务负载下fMRI扫描，以AFNI软件对fMRI数据进行定位定量分析。结果在n-back任务负载下，所有受试者共同激活的脑区包括双侧背外侧前额叶（DLPFC）、双侧前运动区（PreMA）、双侧顶叶（PA）、前扣带皮层/辅助运动区及右侧尾状核/丘脑，且表现为右侧大脑半球优势。定量分析发现，对照组以上脑区均表现出与记忆负载相关的负载效应（P＜0.001），而SCH组治疗前仅在左侧DLPFC、左侧PA、双侧PreMA及右侧尾状核/丘脑发现了这种负载效应。经LT4替代治疗6个月后，包括右侧DLPFC、右侧PA及前扣带回/辅助运动区在内的脑感兴趣区均出现与记忆负载相关的BOLD信号变化（P＜0.001）。在n-back任务负载下，SCH组大部分工作记忆相关脑区的激活强度均比对照组小。结论SCH患者存在空间工作记忆损伤，可能与右侧背外侧前额-右顶叶后部网络功能减退有关；LT4替代治疗对SCH患者记忆功能的恢复尤为重要。

甲状腺功能减退症；甲状腺素；磁共振成像；记忆障碍

亚临床甲状腺功能减退症（subclinical hypothyroidism, SCH）是指促甲状腺激素（thyroid-stimulating hormone, TSH）持续增高而血清游离甲状腺素（free thyroxine, FT4）在正常范围内，且临床无明显甲状腺功能减退症状及体征的一种状态，是甲状腺功能减退的早期阶段[1]。SCH患者存在认知功能损害[2]，而工作记忆是一项重要的认知功能，既往研究发现SCH患者存在工作记忆系统损伤[3,4]，但甲状腺素替代治疗能否改善其认知功能损害仍存在争议[5]。因此，本研究采用n-back组块任务结合功能磁共振成像（fMRI）技术探讨SCH患者与空间工作记忆相关的脑区激活情况，以及在甲状腺素替代治疗前后其相关脑区激活情况变化，以揭示甲状腺素替代治疗的必要性。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2009-10～2011-06汕头大学医学院第一附属医院内分泌科16例女性SCH患者，均符合SCH的诊断标准[6]：首次实验室激素水平检测游离三碘甲腺原氨酸（FT3）、FT4水平正常，但TSH＞5.6 mIU/L。所有SCH患者使用左旋甲状腺素（Levothyroxine, LT4）替代治疗6个月：从小剂量开始，初始剂量为0.050～0.075 mg/d，逐渐加量，直至血清TSH达到正常水平。开始治疗后和改变剂量后，每6周检测1次血清TSH，待血清TSH水平恢复正常后再次参加本研究。纳入标准：右利手，视力或矫正视力正常，受教育年限≥8年，年龄＜50岁，无MRI检查禁忌证。排除标准：既往有临床症状性甲状腺功能减退，有神经精神性疾病、全身性疾病及其他可能影响脑结构与功能的疾病，有酗酒等不良生活习惯和药物滥用史。

对照组16例女性志愿者均为汕头大学第一附属医院的后勤工作人员，甲状腺素水平正常，右利手，视力或矫正视力正常，无MRI检查禁忌证，均排除甲状腺疾病、心血管及神经系统疾病，精神状态良好。SCH组和对照组受试者年龄及受教育年限均匹配，均进行神经心理学测试和fMRI扫描。所有受试者均签署知情同意书，本研究经汕头大学医学院第一附属医院伦理委员会审核批准。SCH组与对照组受试者基本资料见表1。

表1 SCH组与对照组受试者基本资料

1.2 研究方法

1.2.1 记忆能力评估 所有受试者记忆能力评估采用韦式记忆量表（Wechsler Memory Scale, WMS）（1989年湖南医科大学龚耀先等中文修订版）[7]，由专业心理医师完成，内容包括经历、定向、心智、图片、再认、再生、联想、触觉、理解和背数分项，量表总分转换成记忆商。

1.2.2 实验范式 采用组块式设计的n-back任务（图1A），共3个任务负载即0-back、1-back、2-back，每个n-back任务开始前有2 s汉语提示：“判断初始”，“判断前一”，“判断前二”；然后呈现1 s注视点“+”号和接下来的10个刺激。每个刺激均包括2 s的位置呈现时间和1 s的注视点呈现，在刺激呈现的3 s内，通过按反应盒左右键来按要求报告，即刺激中小白框的空间位置是否与任务相同或不同，电脑将记录受试者的反应时间（reaction time, RT）和正确率。实验同时包含1个对照组块，分为静息汉语提示“休息”和“+”号的注视点。本实验共分为4个回波平面成像（EPI）序列，每个EPI序列分为2个重复的组块，每个组块均包括3个任务组块（0-back、1-back、2-back）和1个对照组块（静息）（图1B），具体范式参照文献[7]。本研究运用E-prime心理实验软件系统依次播放呈现的刺激，在安装Windows XP系统、分辨率为640×480的计算机上完成。

图1 n-back任务和fMRI实验设计。A. n-back任务刺激呈现，“YES”表示2个刺激间小白框的位置相同，“NO”表示2个刺激间小白框的位置不同；B. fMRI实验设计

1.2.3 MRI数据采集 采用Philips 1.5T超导MRI仪及头部正交线圈采集信号，扫描参数[8]：T1解剖像采用常规SE序列横断面T1WI，参数：TR 505 ms，TE 14 ms，翻转角90°，视野（FOV）230 mm×230 mm，矩阵256×256，层厚6 mm，无间距20层连续轴位扫描以覆盖全脑；功能像采用梯度回波-回波平面成像脉冲序列（GRE-EPI），参数：TR 2000 ms，TE 45 ms，FOV 230 mm×230 mm，翻转角90°，矩阵64×64，在与T1WI同样的层面上进行，层厚6 mm，无间距20层连续轴位扫描以覆盖全脑；三维结构像采用快速低角度射频脉冲序列（FLASH），扫描参数：TR 30 s，TE 3.0 ms，翻转角30°，FOV 250 mm×250 mm，矩阵256×256，层厚1.3 mm，无间距120层连续轴位扫描以覆盖全脑。

1.2.4 fMRI数据预处理 fMRI数据处理采用AFNI软件进行预处理。空间预处理包括去线形漂移、头动校正、标准化，去掉所有头动＞2 mm、转动＞10°的数据，以前联合-后联合（AC-PC）为参照平面，将图像数据配准转换到Tallairach标准脑，然后使用高斯滤波（FWHM=6 mm）进行平滑后连接在一起。

组分析：使用3个任务组块和对照组块对比分析，并进行相关分析，得到各组工作记忆相关的脑区激活图，进而确定各组脑感兴趣区（ROI）。组内及组间比较均采用重复测量方差分析。个体分析：分别在0-back、1-back、2-back 3种不同的任务组块和对照组块的对比进行相关分析，得到被试单个体的脑区激活图，根据组分析所得ROI确定每个受试者的ROI，然后计算出每种任务负载下各个ROI的峰值，使用这些峰值进行分析，以判断该ROI是否出现负载效应。统计阈值概率设定为未校正，P≤0.05，激活体素≥4体素。

1.3 统计学方法 采用SPSS 17.0软件，对照组与SCH组治疗前后血清激素水平、修订韦氏记忆量表成绩、年龄和教育水平比较采用成组t检验，SCH组治疗前后血清激素水平及修订韦氏记忆量表成绩比较采用配对t检验，组内n-back成绩及ROI的负载效应通过一般线性模型的重复测量方差分析进行比较，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 激素水平 SCH组治疗后TSH水平恢复至正常范围内，较治疗前明显降低，差异有统计学意义（t=7.18, P＜0.001）；其FT3、FT4水平仍在正常范围内，但较治疗前有所升高，差异有统计学意义（t=－3.38、－9.28, P＜0.01）。

2.2 记忆能力评估 SCH组治疗前WMS记忆商结果为97.69±4.18，较对照组的103.88±5.29明显降低，差异有统计学意义（t=－3.43, P＜0.01），提示SCH组记忆功能减退；而SCH组治疗后WMS记忆商结果为101.38±4.79，与治疗前比较差异有统计学意义（t=－6.96, P＜0.01），提示记忆功能较治疗前好转；SCH组治疗后与对照组比较，差异无统计学意义（t=－1.11, P＞0.05）。

2.3 n-back任务正确率和RT 本研究纳入评估的受试者具有良好的配合度（以80%正确率为界）。组内分析发现，随着n-back任务负载的增加，RT延长，正确率逐渐下降，RT和正确率差异均有统计学意义（F=86.43、28.51、64.65, P＜0.001）。组间比较发现，0-back、1-back任务负载下，3组间正确率差异无统计学意义（F=2.24、2.85, P＞0.05）；而在2-back任务负载下，SCH组治疗前与对照组正确率差异有统计学意义（t=－6.74, P＜0.001），而SCH组治疗后与对照组正确率差异无统计学意义（t=1.18, P＞0.05）。见表2。

表2 SCH组治疗前后与对照组n-back正确率及RT比较

2.4 fMRI结果

2.4.1 n-back任务负载相关的脑区激活 经AFNI个体分析和组分析发现，所有受试者共同激活的ROI包括大脑皮质的左、右背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC），双侧前运动区（premotor area, PreMA），双侧顶叶（parietal area, PA），前扣带皮层（anterior cingulate cortex, ACC）/辅助运动区（supplementary motor area, SMA），以及大脑皮质下结构右侧尾状核/丘脑，且所激活各脑区呈现明显的右侧大脑半球优势，以顶叶最为显著。上述脑区共同构成WM网络参与任务的执行，将其称为WM相关连脑区，见图2。

图2 感兴趣区。F1：前额叶背外侧皮层；F2：前运动区；F3：辅助运动区/前扣带回；PA：顶叶；C：尾状核。R：右侧；L：左侧

2.4.2 各组n-back任务负载相关的BOLD信号变化对照组双侧DLPFC、PreMA、PA、ACC/SMA及右侧尾状核/丘脑的ROI均表现出与记忆负载相关的BOLD信号变化（P＜0.001），提示这些ROI的负载效应可以用于分析患者数据的指标。而SCH组治疗前仅在左侧DLPFC、左侧PA、双侧PreMA及右侧尾状核/丘脑出现与记忆负载相关的BOLD信号变化（P＜0.001），而在右侧DLPFC、右侧PA及ACC/SMA未发现类似的趋势（P＞0.05）。经甲状腺激素替代治疗后，包括右侧DLPFC、右侧PA及ACC/SMA在内的脑ROI均出现与记忆负载相关的BOLD信号变化（P＜0.001），与对照组一致。见图3。

2.4.3 各组WM网络记忆负载下脑区激活比较 组内分析发现，记忆任务负载与被激活的记忆相关的脑区成正比，即表现出与WM相关的各脑区的激活范围和强度增加。组间比较发现，3种不同任务负载下，对照组部分WM相关脑区激活范围和强度较SCH组治疗前增加。0-back任务下，主要表现为双侧PreMA、SMA/ACC激活增强；1-back任务下，表现为双侧PreMA、SMA及右侧楔前叶激活增强；2-back任务下，双侧DLPFC、双侧PreMA、SMA及右侧楔前叶（BA7）激活增强，且在2-back任务下激活增加的脑区较多，主要表现为双侧DLPFC及右侧楔前叶的激活增多。见图4及表3。

图3 BOLD血流信号变化的负载效应。A～C分别为对照组及SCH组治疗前后在0-back、1-back、2-back任务负载下右侧DLPFC、右侧PA及ACC/SMA的BOLD血流信号变化

3 讨论

3.1 SCH患者空间工作记忆损伤的相关脑区及脑神经机制 通过WMS发现，SCH患者记忆商较正常人明显下降，提示SCH患者存在记忆功能损伤；而SCH患者治疗后记忆商较治疗前明显提高，提示甲状腺素替代治疗能改善SCH引起的记忆功能减退[9]。

图4 3种任务负载下对照组及SCH组治疗前的脑激活图。A、B、C分别为0-back、1-back、2-back任务负载下对照组－SCH组治疗前的激活图，提示SCH患者存在一些脑区激活减低

结合BOLD-fMRI技术，进一步对空间工作记忆相关脑功能损伤区进行定位，并对SCH空间工作记忆能力下降的脑神经机制进行深入探讨。fMRI结果显示激活脑区与既往报道存在类似的工作记忆脑激活区，但本研究进一步发现大脑皮质下结构右侧尾状核/丘脑同样被激活；而且脑区的激活有明显的右侧大脑半球优势，这与既往研究发现的空间信息处理以右半球为主、而非空间以左半球为主的结论一致[10]。DLPFC主要参与空间工作记忆的监控和执行控制[11]，PreMA和SMA主要负责空间信息的复述加工[12]，PA后部是空间信息储存的主要部位[13]。本研究结果显示，纹状体的尾状核及丘脑也在任务中被激活，因此可以认为这些皮层下结构也参与了空间工作记忆，与既往空间工作记忆的研究结果一致[14,15]。由此可见，参与空间工作记忆的并不是单一脑区，大脑皮质及皮质下结构之间的交互作用可能是实现空间工作记忆的神经基础。

表3 n-back任务负载下对照组及SCH组治疗前激活脑区的解剖部位、中心坐标、Broadman分区、激活体积和激活强度

对照组及SCH组治疗前及治疗后在3种不同记忆负载下各ROI的BOLD血流信号的负载效应进一步定量分析发现，对照组及SCH组治疗后相关WM网络均表现出与记忆负载相关的BOLD血流信号变化，表明其工作记忆神经网络功能正常。然而SCH患者仅在左侧PA和左侧DLPFC、双侧PreMA及尾状核/丘脑有类似的变化，但右侧DLPFC、右侧PA及ACC/SMA未出现类似的变化趋势，提示SCH患者空间工作记忆损伤可能与右侧DLPFC、右侧PA及ACC/SMA功能下降有关。前额叶是工作记忆神经机制的整合操作中心，且对空间位置序列信息进行“元加工”[16,17]。DLPFC功能减弱提示SCH患者空间工作记忆下降与空间信息的加工及执行异常有关，右侧DLPFC功能损伤很可能是SCH患者空间工作记忆损伤的基础。SMA和右侧PA功能减弱提示SCH患者工作记忆下降，还与空间信息的复述及存储功能异常有关。SCH患者右侧DLPFC、右侧PA及ACC/SMA功能减弱，提示这些脑区之间的协同作用及其整合环路存在异常。另外，SCH患者空间工作记忆功能损伤区主要在右侧大脑半球，这也与空间工作记忆处理以右侧大脑半球为主的结论一致[12]。

在3种不同任务负载下，对照组部分WM相关脑区激活范围和强度较SCH组治疗前增加。双侧DLPFC主要在2-back激活增加；而PA激活的增强主要为右侧楔前叶激活增加。Diwadkar等[18]利用fMRI发现，动态空间工作记忆中PA和DLPFC协调激活。在SCH组治疗前主要表现为双侧DLPFC及右侧楔前叶功能较对照组减低，提示SCH患者的空间工作记忆能力降低，可能与背外侧前额-顶叶后部网络功能减退有关。

3.2 SCH患者是否需要LT4的替代治疗 本研究通过韦氏记忆量表及n-back行为学测试发现，SCH患者存在记忆力损伤，经LT4替代治疗后，其记忆商及行为学正确率较治疗前提高；经BOLD-fMRI扫描发现经LT4治疗后这些空间工作记忆相关部分脑区（右侧DLPFC、右侧PA、SMA）功能基本恢复正常。由以上行为学及fMRI结果可知，SCH患者及早进行LT4的替代治疗可能对记忆损伤的恢复有很大帮助。

总之，本研究采用韦式记忆量表、n-back实验任务及BOLD-fMRI研究SCH患者的空间工作记忆能力和脑功能区激活特征，发现SCH患者存在空间工作记忆能力减退，且右侧背外侧前额叶-右顶叶后部网络功能减弱，同时经LT4替代治疗后，患者的行为学表现及相关损伤脑区功能均得到改善。因此，应该加强对SCH的认识，对SCH患者应采取早期、积极、规范的替代治疗，可以有助于SCH患者工作记忆脑功能恢复以及预防其向临床甲状腺功能减退症进展。

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（本文编辑 张春辉）

Effect of Levothyroxine on Spatial Working Memory Impairments in Patients with Subclinical Hypothyroidism: Functional MRI Observation

PurposeTo explore the effect of Levothyroxine on spatial working memory in patients with subclinical hypothyroidism (SCH) using blood oxygenation level dependent-functional MRI (BOLD-fMRI).Materials and MethodsSixteen patients with SCH before and after 6 months levothyroxine (LT4) treatment and 16 matched euthyroid volunteers underwent n-back task fMRI scanning. AFNI software was used for localization and quantification.ResultsAll the subjects demonstrated activated areas including bilateral dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), bilateral premotor area (PreMA), supplementary motor area/anterior cingulate cortex, bilateral parietal area (PA) and right caudate nucleus/thalamus, with right hemisphere dominance. Quantitative analysis of regions of interests showed that all these regions had load effect related to memory load in the control group (P＜0.001), whereas only left DLPFC, left PA, bilateral PreMA and right caudate nucleus/thalamus showed the same effect in SCH group. After 6-month treatment with LT4, BOLD signal change was observed in SCH patients within the right DLPFC, right PA and anterior cingulate/supplementary motor cortex (P＜0.001). The activation intensity of working memory related brain regions was lower in SCH group compared with that of the control group.ConclusionSpatial working memory impairments in SCH patients are likely related to decreased right DLPFC and right posterior parietal function. LT4replacement therapy is important to improve and reverse the memory impairment.

Hypothyroidism; Thyroxine; Magnetic resonance imaging; Memory disorders

1.汕头大学医学院第一附属医院放射科 广东汕头 515041

2.广东省医学分子影像重点实验室 广东汕头 515041

3.证据科学教育部重点实验室（中国政法大学）北京 100040

百茹峰

The Key Laboratory of Evidence Science in Ministry of Education (Chinese University of Political Science and Law), Beijing 100040, China

Address Correspondence to: BAI Rufeng

E-mail: brf1000cn@aliyun.com

国家自然科学基金项目（81373745，81072905）；

广东省自然科学基金项目（S2011010005019，10151503102000015）；

广东省科技计划项目（2009B030801323，2010B031600023）；

汕头市科技局课题项目（汕府科[2006]85号，汕府科[2011]46号）。

R581.2；R445.2

2014-03-17

修回日期：2014-07-18

中国医学影像学杂志

2014年 第22卷 第9期：664-669

Chinese Journal of Medical Imaging

2014 Volume 22(9): 664-669

10.3969/j.issn.1005-5185.2014.09.006