肌萎缩侧索硬化患者基于体素的形态学MRI研究

张 愉 张碧云 耿道颖

肌萎缩侧索硬化 (amyotrophic lateral sclerosis，ALS) 是一类选择性累及上运动神经元和下运动神经元的进行性神经元变性类疾病。ALS的诊断主要依靠于临床和肌电图表现，根据El Escorial 标准来进行诊断。传统的神经影像学检查在ALS的诊断过程中仅起辅助作用。因此许多神经影像学研究致力于寻找发现上运动神经元损伤的最佳办法[1]。

基于体素的形态学测量 (voxel-based morphometry，VBM) 技术是目前常用MRI进行脑形态学研究的一种自动的定量方法，不需要任何先验知识。

本研究使用VBM方法对ALS患者MRI高分别率T1WI图像进行全脑体积分析，以探讨其脑形态结构改变的特点，致力于寻找评估ALS患者上运动神经元损伤可能的客观标记物。

图1 与正常对照组比较，ALS患者双侧中央前回、中央后回、运动前回及辅助运动区皮质灰质体积缩小(P＜0.001，uncorrected，k≥701)。图2 ALS患者双侧额叶、颞叶、枕叶皮质灰质体积也显著缩小（P＜0.001，uncorrected， k≥701)。

方 法

1.临床资料

1.1 ALS患者组：为2011年5月至2012年12月在华山医院神经内科“运动神经元疾病”专病门诊就诊或住院的33例临床确诊或拟诊的肌萎缩侧索硬化患者，符合El Escorial修订版标准[2]。其中男性15例，女性18例，年龄范围30～75岁，平均56±11岁，病程3～107个月，平均24.9±19.1个月。确诊病例19例，拟诊病例14 例。发病部位，6例延髓首发，27例肢体首发。所有ALS患者均由修订版ALS功能分级量表 (revised ALS functional rating scale，ALSFRS-R) 进行评价。均为右利手。

1.2 健康对照组：选取健康志愿者33例，与ALS组患者按年龄匹配，其中男11例，女22例，年龄30～68岁，平均52.1±10.2岁，教育程度为初中毕业及以上。均为右利手。

1.3 排除标准：过度饮酒史，高血压、冠心病、糖尿病、脑血管病及其他神经系统病变，头颅外伤史，激素及化疗药物应用史，精神疾病史。MRI T1WI及FLAIR序列图上异常信号。

所有受试者体内均无金属植入物或没有MR检查禁忌证，自愿参加并签署知情同意书。本研究已获得华山医院伦理委员会批准。

2.磁共振成像

图像采集：被试头部用套垫固定，保持整个扫描期间不动。

2.1 检查设备：Siemens Verio 3.0T超导磁共振，8通道线圈。

2.2 结构像：使用矢状面3D T1WI 高分辨磁化准备快速梯度回波序列行全脑扫描。TR=2300ms，TE=2.98ms，f lip angle=9°，层厚=1.0mm，FOV=256mm×256mm，矩阵=256×256，体素=1mm×1mm×1mm。

3. 3D结构像后处理与统计分析

3.1 数据转换：使用MRIcron中的dcm2niigui软件将DICOM数据转换为适合SPM8软件可以应用的NIFIT格式。转换过程中去除受试者个人信息，使文件名匿名化。

3.2 数据预处理：使用SPM8 (SPM，Wellcome Department of Cognitive Neurology，London，UK) 及VBM8（university of Jena，Department of Psychiatry）软件进行分析，在MatLab (Mathworks，Inc.，Sherborn，Mass) 上执行操作。

(1)图像分割（s e g m e n t a t i o n）与标准化（Normalization）：使用VBM8对所有被试3D结构像进行图像切割，分为：灰质、白质及脑脊液，并将所有图像标化到SPM自带模板上。

( 2 )图像调制（modulation）：通过非线性成分对体素进行相乘以调制图像。

( 3 )图像平滑（smoothing）：对所有标准化后灰质图像进行平滑，FWHM=8mm。

( 4 )建模（Masking）：对所有平滑后的灰质图像进行平均，作为本研究的灰质模板。

3.3 统计分析：根据实验设计建立统计模型进行参数估计。使用XJview 8插件，将所得激活区重叠于软件自带的T1均图上，将两组间有统计学差异区域MNI坐标转换为解剖位置，并自动标记团块中心的解剖位置。

(1)组间图像分析：对正常对照组及ALS患者组采用非配对两组间t检验分析，voxel-level：P＜0.001，uncorrected；cluster-level：P＜0.05认为有统计学意义。将被试头动参数、年龄、性别作为协变量。计算每个SPM {Z}统计，同时计算P值。结果呈现在透明脑图上，即采用最大强度投影时SPM{Z}分布在横断位、矢状位及冠状位三个方向。

(2)脑灰质体积与临床行为数据相关分析：将ALS患者组平滑后的脑灰质图与ALSFRS-R评分作相关分析，阈值校正：voxel-level，P＜0.001，uncorrected；cluster-wise，P＜0.05。

结 果

1.行为学分析

ALS患者及正常对照组的年龄、性别、教育程度相匹配（表1，P＞0.05）。

2.脑灰质体积分析

与正常对照组比较，ALS患者双侧初级运动区、运动前回、辅助运动区及躯体感觉区等运动相关区域灰质体积缩小。此外，两侧额叶、颞叶及枕叶等非运动区皮质也发生萎缩 (P＜0.001，uncorrected，k≥701)（表，图1～4）。

3.相关分析

ALS患者右侧运动前回灰质体积与ALSFRS-R评分呈正相关(P＜0.001，uncorrected，k≥76)（表1，图4）。

表1 ALS患者组脑皮质萎缩区分布

图3 ALS患者灰质萎缩脑区分布图覆盖于Xjview软件自带的3D立体脑（双侧中央前回、中央后回、运动前回及左侧辅助运动区、双侧额叶、颞叶、枕叶皮层灰质体积缩小(P＜0.001， uncorrected，k≥701)。图4 ALS患者右侧运动前回皮质体积与ALSFRS-R评分呈显著相关关系(P＜0.001，uncorrected，k≥76)。

讨 论

ALS是一类主要累及上运动神经元和下运动神经元的进行性神经元变性类疾病。本研究发现ALS患者中央前回、运动前回及辅助运动区皮层体积显著缩小。同时躯体感觉区等运动相关区域灰质体积也显著缩小。此外，两侧额叶、颞叶及枕叶等非运动区皮质也发生萎缩。

与既往病理学和形态学研究一致[3]，本研究VBM分析发现ALS患者皮质的萎缩也发生于中央后回。中央后回通常被认为是初级躯体感觉皮质区，然而，在老鼠和灵长类动物中它的神经元直接投射到脊髓或球部运动神经元[4]。因此，这些研究能够解释ALS患者躯体感觉区的神经元萎缩。与本研究结果一致，既往ALS的VBM研究也发现了中央后回的灰质体积的萎缩[5]。尽管ALS主要的病理特征是初级运动区V层的、脊髓前角巨大Betz细胞的丢失和皮质脊髓束的变性，然而其他皮质区域不同程度受到了神经变性的累及[6]。

在本研究中与正常对照组相比，ALS患者双侧颞叶及额叶灰质体积也发生明显减低。大多数神经心理学研究支持ALS患者额叶功能的障碍[7]。本研究中额叶的萎缩部分位于下额叶皮质。下额叶与语言的产生和单词的检索有关，被认为是语言缺陷的基础[8]。ALS患者的语言功能障碍表现范围比较广，从亚临床期到语言不流利，再到失语症。然而本研究中这些部分的功能不良，主要影响的是执行功能，而非语言功能[9]。双侧的下额叶皮质是广泛分布的动作-注意力系统的一部分，这个系统主要维持注意力集中和抑制性控制不想要的冲动[10]。本研究中患者的神经心理学表现似乎证实了这个假设，这些患者有轻微的执行技巧障碍。颞叶区域的皮质萎缩被认为加速了疾病病程的进展。流行病学研究发现[11]，额颞叶痴呆和执行功能受损的同时发生是一个对疾病预后不利的因素，这一发现支持我们的结果。本研究中所有ALS患者没有明显的认知障碍，但是缺乏正式的神经心理学测试，颞叶皮质的萎缩是否伴随亚临床的认知障碍尚不明确。此外，这个结构的异质性具有不同的临床症状，能够提示对神经元变性更敏感的ALS的内在表型。颞叶区域皮质的萎缩也许可以考虑作为临床实验中随机化选择患者的分层物。本研究ALS患者的颞叶萎缩主要在颞下回，这和其他体积研究及组织病理学研究结果一致。但后者显示颞叶不对称损伤或偏右侧化。额颞叶痴呆患者的颞叶受损通常呈现不对称性的颞中回的变性，一项VBM研究也报道了颞叶萎缩的偏右侧化[12]。此外，本研究中发现两侧枕叶皮质也发生体积缩小，这在既往研究中未见报道。枕叶为视觉皮质中枢，枕叶病损时不仅发生视觉障碍，并且出现记忆缺陷和运动知觉障碍等症状。本组ALS患者虽未发生明显的视觉障碍，但对手的运动速度的感觉不灵敏。这个现象也许能解释枕叶皮质的萎缩。

缺乏认知测试是本研究的缺点，另外，我们并未将类似症状的其他疾病患者纳入，这些患者也许能用来与ALS患者进行鉴别诊断。然而，大多数ALS类似病变，如脊髓脊神经根病、多灶性运动神经元萎缩，也许不会表现出初级运动区的皮质显著萎缩。

本研究通过全脑皮质形态分析总结出初级运动皮质的萎缩也许是ALS患者中枢运动神经元变性的有效标记物。此外，运动前区的萎缩与疾病ALSFRS-R评分显著相关，可以用作疾病病程进展的监测。本研究在无明显认知障碍的ALS患者中出现额叶、颞叶、顶叶及枕叶的异常，支持ALS是多系统疾病的假设。