正常脑老化过程中海马头、体、尾部代谢物改变应用研究

常瑞亭 耿左军 朱青峰 宋振虎 王亚韩 学芳 吕焕娣 刘海静

·论著·

正常脑老化过程中海马头、体、尾部代谢物改变应用研究

常瑞亭 耿左军 朱青峰 宋振虎 王亚韩 学芳 吕焕娣 刘海静

目的应用1H-MRS技术，研究正常脑老化过程中双侧海马不同部位物质代谢的变化规律。方法对121名健康右利手志愿者，根据年龄分为青年组(20～44岁，47例)、中年组(45～59岁，40例)和老年组(60～79岁，40例)行颅脑MRI、MRS检查，自动测量并计算出海马区不同部位代谢物浓度比值NAA/Cr、Cho/Cr。分析不同性别、不同侧别、年龄组间各统计指标间的差异。结果双侧海马头部NAA/Cr比值在老年组与青年组、老年组与中年组间比较差异有统计学意义(P＜0.05);双侧海马体1区、左侧海马体2区、左侧海马尾部NAA/Cr比值仅在青年组与老年组间差异有统计学意义(P＜0.05);海马头、体(体1区、体2区)、尾部年龄组间Cho/Cr比值差异无统计学意义(P＞0.05)。双侧海马各部位NAA/Cr、Cho/Cr比值差异无统计学意义(P＞0.05)。海马头、体(体1区、体2区)、尾部NAA/Cr、Cho/Cr比值差异无统计学意义(P＞0.05)。结论双侧海马不同部位NAA/Cr比值存在年龄组间差异，Cho/Cr比值未见差异;双侧海马各部位NAA/Cr、Cho/Cr比值均不存在性别及侧别差异。

氢质子波谱成像;海马;脑老化;物质代谢

正常脑老化是一个复杂的过程，是一种正常的生物老化现象，它普遍伴发多种认知功能下降，在其临床表现中，注意力和记忆力随老化受到的影响最为明显，执行功能、决断力等也出现改变，而高级语言技巧则相对保留。海马是边缘系统的重要组成部分，它与认知功能密切相关，在人类学习、记忆和情感等方面起着重要作用。目前人们对海马的研究已成为生命科学和认知神经科学领域研究的热点之一，且多集中于体积、磁共振波谱(MRS)等的研究［1，2］。本研究应用1H-MRS通过对我国正常成人海马各部位(海马头、体、尾部)组织代谢物的研究，观测年龄、性别、侧别对海马各部位组织代谢物浓度比值的影响，并为海马相关疾病如Alzheimer病(AD)［3］、MCI［4］、癫痫［5］等的鉴别及早期诊断提供临床依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料选取2013年10至12月招募右利手健康志愿者121名，其中男62名，女59名;年龄20～89岁，中位年龄48岁。行颅脑常规MRI、MRS检查，根据世界卫生组织对人类年龄段的最新划分，按年龄将志愿者分为3组:青年(20～44岁)、中年(45～59岁)、老年组(60～89岁)，具体分组情况见表1。纳入标准:(1)右利手;(2)简易精神状态量表检查(the mini-mental state examination，MMSE)评分＞27分;(3)无任何神经系统疾病或精神疾病，如头痛、头晕、嗜睡、瞻望、情感障碍等神经或精神症状;(4)无颅脑手术或外伤史，无高血压(60岁以上老年人血压140/ 90 mm Hg以上者)、糖尿病、心脏病等基础病或慢性病史;(5)无酗酒、吸烟成瘾、长期服用药物、毒品依赖等病史;(6)无MRI检查禁忌证，如体内存在心脏起搏器、神经刺激器、金属动脉夹、不可摘除的假牙等金属植入物等;(7)无抽搐、癫痫、痉挛史，无脑炎或脑膜炎史;(8)无脑乏氧史，如一氧化碳及其他毒物中毒史等;(9)颅脑MRI常规扫描阴性，海马区未见空泡及异常信号者;(10)按照上述标准，对扫描获得的图像评估质量，并进行后处理，去除伪影严重及后处理不理想者。所有志愿者均知情并同意接受检查。见表1。

表1 3组一般情况比较

1.2 仪器与方法采用飞利浦公司Achieva 3.0T超导磁共振设备，标准8通道头颅线圈。脑常规检查包括轴位T1WI:TSE序列:TR 3 056 ms，TE 7.6 ms，TI 860 ms;轴位T2WI:TSE序列:TR 2 000 ms，TE 80 ms;轴位T2FLAIR:T2FLAIR序列:TR 10 002 ms，TE 130.4 ms，TI 2 400 ms。以上序列层厚均为6.0 mm，层间隔为1.0 mm，矩阵:512×256，FOV:240 mm× 240 mm×120 mm(AP×RL×FH)，平均激励次数(NSA)1次;矢状T2WI:TSE序列:TR 2 000ms，TE 80 ms，层厚6.0 mm，层间隔1.0 mm。矩阵:260× 234，FOV:240 mm×240 mm×143 mm(AP×RL× FH)，平均激励次数(NSA)1次。1H-MRS成像:在矢状位T2WI上沿海马长轴进行海马长轴位扫描:T2WI: TSE序列:TR 2 000 ms，TE 80 ms，层间隔0 mm，层厚3 mm;采用多体素2D-PRESS-144序列选择海马轴位层面海马头、体、尾显示最好层面定位，其中海马头、体、尾分区参照Malykhin等［6］及过去垂直于海马长轴斜冠状扫描的分段方法加以改进后进行分段，分别对双侧海马不同区域进行MRS波谱扫描(图1)，尽量避开干扰组织，如颅骨、血管、脂肪、硬膜、脑脊液等。扫描参数:TR 2 000 ms，TE 144 ms，体素大小:10 mm× 10 mm，层厚:10 mm，矩阵:2×4，FOV:20 mm× 40 mm，接收/发射增益调节、扫描过程中体素内匀场、水抑制及无水抑制扫描均由自动预扫描程序完成，匀场效果达到半高全宽(FWHM)小于15 Hz，水抑制达99%水平，左右海马MRS总扫描时间:15 min。

图1 双侧海马区MRS定位图1=海马头，2=海马体1区，3=海马体2区，4=海马尾

1.3 图像处理将MRS原始图像传输至飞利浦EWS后处理工作站，用EWS工作站中MRS特定处理软件进行图像后处理，将得出原始波谱进行高斯、指数倍增(gauss multiply、exponential multiply)，零填充(zero fill)，傅立叶变换(fourier transformation)，频率位移较正(frequency correction)，相位校正(phase correction)，基线校正(baseline correction)，得出相应MRS波谱。对各峰进行单峰分析，记录各代谢物的峰下面积、从而计算出其浓度比值，包括NAA/Cr、Cho/Cr比值。

1.4 统计学分析应用SPSS 13.0统计软件，数据符合正态分布或近似正态分布者，计量资料以±s表示，数据符合偏态分布者，用(中位数，四分位间距)表示。不同年龄组之间海马各部位各参数的分析采用完全随机设计资料的方差分析(analysis of variance，ANOVA)，两两比较采用最小显著差异(least significant difference，LSD)t检验;采用成组t检验分析海马同一部位各参数是否存在性别差异性;采用配对t检验分析海马同一部位各参数的侧别差异，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 海马同一区域不同年龄组间差异双侧海马头部老年组与青年组、中年组间NAA/Cr差异有统计学意义(P＜0.05);双侧海马体1区、左侧海马体2区、左侧海马尾部NAA/Cr与青年组比较，差异有统计学意义(P＜0.05)，青年组与中年组、中年组与老年组比较差异无统计学意义(P＞0.05)。见表2。

2.2 海马各部位性别间差异双侧海马不同部位代谢物浓度比NAA/Cr、Cho/Cr，不存在性别差异(P＞0.05)。见表3。

2.3 海马不同部位侧别间差异性海马头部、体部(体1区、体2区)、尾部代谢物浓度比NAA/Cr、Cho/ Cr差异无统计学意义(P＞0.05)。见表4。

表2 3组海马同一区域NAA/Cr水平比较±s

表2 3组海马同一区域NAA/Cr水平比较±s

注:与青年组比较，*P＜0.05;与中年组比较，#P＜0.05

组别海马头海马体1海马体2海马尾NAA/CrCho/Cr青年组(n=41) NAA/CrCho/Cr NAA/CrCho/Cr NAA/CrCho/Cr 1.54±0.491.14±0.481.58±0.581.29±0.431.45±0.371.04±0.281.28±0.311.08±0.34右1.35±0.401.10±0.421.51±0.371.22±0.231.42±0.411.04±0.321.28±0.401.00±0.35中年组(n=40)左1.43±0.491.36±0.511.41±0.641.32±0.611.37±0.441.06±0.42.12±0.261.10±0.33右1.30±0.421.15±0.441.43±0.411.13±0.281.45±0.421.04±0.331.17±0.280.99±0.36老年组(n=40)左1.10±0.40*#1.30±0.541.30±0.55*1.19±0.361.21±0.32*1.12±0.401.11±0.40*1.01±0.33右1.04±0.42*#1.21±0.331.29±0.27*1.17±0.341.29±0.271.17±0.341.21±0.321.1左4±0.28

表3 海马不同部位性别间差异性结果±s

表3 海马不同部位性别间差异性结果±s

项目海马体1海马头男海马体2女P值男女P值男女P值海马尾男女P值NAA/Cr右1.33±0.501.28±0.420.5551.36±0.331.45±0.390.1791.33±0.401.45±0.380.1371.18±0.311.25±0.390.327左1.17±0.461.29±0.390.1401.45±0.651.46±0.590.9591.32±0.371.36±0.390.1661.18±0.351.17±0.370.514 Cho/Cr右1.27±0.501.26±0.530.5301.18±0.281.16±0.280.9741.03±0.361.14±0.390.5561.05±0.351.03±0.320.157左1.13±0.421.14±0.400.805(1.16，0.58)1.20，0.530.6691.06±0.351.07±0.350.8261.08±0.341.03±0.370.102

表4 海马不同部位侧别间差异性结果±s

表4 海马不同部位侧别间差异性结果±s

项目左右t值P值海马头NAA/Cr1.24±0.431.31±0.461.3580.177 Cho/Cr1.26±0.511.15±0.40-1.9560.053海马体1区NAA/Cr1.45±0.621.41±0.36-0.7720.442 Cho/Cr1.24±0.501.17±0.29-1.3440.182海马体2区NAA/Cr1.34±0.391.41±0.440.9150.167 Cho/Cr1.08±0.371.10±0.400.2840.637海马尾NAA/Cr1.18±0.371.28±0.501.9640.052 Cho/Cr1.08±0.391.08±0.410.0020.999

3 讨论

MRS是目前惟一可无创伤地探测活体组织内代谢物质浓度及其比值变化的化学特性方法［7］。由于在许多疾病中，代谢改变先于病理形态，只要存在神经元缺失和功能异常都可导致MRS的相应波峰及峰值下面积发生改变，MRS对代谢物质变化改变的敏感度明显高于MRI［8］，因此可以早期检测到病变，并监测疾病的发展变化［9］。

MRS是利用磁共振化学位移现象来测定组成物质中分子成分的一种检测方法。目前，应用在医学领域波谱研究的原子核有很多，例如31P、1H、23Na、13C、7Li等，如今在临床和科研中尤以氢质子(1H)波谱技术最为常用［10］。由于1H在不同化合物中的磁共振频率不同，以致它们在MRS的谱线中共振峰的位置不同，从而可以分辨出不同化合物，与此同时共振峰的面积反映了化合物的浓度，因此可以对不同化合物进行定量分析。

NAA主要存在于神经元内，其浓度与神经元的成熟和数量有关，老化过程中大脑存在神经细胞的凋亡，而其根本原因是由于神经元的破坏，神经元数量的减少，因此海马的老化表现在MRS上即为NAA值的降低。过去研究表明:当步入老年以后细胞膜崩解、破坏加重，NAA浓度与比值NAA/Cr降低，此变化基本发生在≥50岁阶段［11］。然本次研究结果显示:双侧海马头部NAA/Cr值在老年组发生明显减低，青年组与中年组相比未见明显变化;双侧海马体1区、左侧海马体2区、左侧海马尾NAA/Cr值仅在老年组与青年组间差异有统计学意义(P＜0.05);3组右侧海马体2区、右侧海马尾NAA/Cr值差异无统计学意义(P＞0.05);双侧海马头、体(体1区、体2区)、尾部Cho/Cr在青、中、老年组差异无统计学意义(P＞0.05)。以上结论与以往国内关于整体海马MRS的研究报道［11，12］仅部分相符。笔者猜想导致这些差异性结果的原因可能是由于入选标准(大小、年龄、病史)，感兴趣区域的选取，数据采集(磁场强度、单体素和多体素的研究中，谱序列，重复时间、回波时间)和数据处理(相对定量、绝对定量、半定量校正因子)等的不同所致。本实验结果也提示我们:双侧海马不同部位代谢物变化在正常脑老化过程中存在差异性，这也让我们在今后研究中可以更精准的提早发现并诊断病变。由于在老化过程中对海马不同部位进行MRS研究本次实属国内首次报道，对于以上猜测尚待进一步研究。

过去蒋莉君等［13］通过应用单体素研究双侧海马MRS仅发现左侧NAA/Cr较右侧高，同时Watanabe等［14］研究结果发现海马区NAA/Cr未见侧别差异性，以上研究结果均与我们得出的结论不相符合。分析这种差异性的原因可能是:(1)人群受教育程度的不同; (2)人群从事工作性质可能不同;(3)人群各年龄组中人数的分配的差异;(4)扫描参数(TE、TR、FOV、体素等)、扫描方式(单体素、多体素)、扫描机型的不同等。

目前普遍认为，性别对人脑功能和代谢影响有关的潜在因素是性激素对于脑的发育所起的作用，最近在基础研究和临床调查中发现，随着年龄变化的雄激素下降可能是导致学习记忆障碍的危险因素，Rosario等［15］通过雄激素替代治疗后，发现认知功能得到不同程度的改善，从侧面也证实雄激素对认知功能有很重要作用。Hatanaka等［16］通过实验发现，在人工脑脊液培养的成年雄性大鼠海马薄片中给予双氢睾酮或者睾酮，将荧光黄注入海马神经元后用激光共聚焦显微镜观察，在2 h时发现双氢睾酮或者睾酮快速促进了大鼠海马CA3区树突棘增加，这也证明雄激素对海马神经元有促进作用，综上所述，因此人们很自然认为男性海马区代谢物NAA浓度应高于女性，导致NAA/Cr比值高于女性，但笔者认为Rosario等［15，16］片面性的忽视了其他激素的作用，如雌激素的神经保护作用，过去国外科学家们通过对更年期女性采用雌激素疗法的方法，发现了雌激素对神经的保护作用。本次研究结果显示双侧海马代谢物比值间均不存在性别差异性，与过去关于海马的MRS研究结果［17-19］一致。所以本作者猜测海马区各部位代谢物浓度比值受性别影响不大。

总之，本次研究通过对海马不同区域分别进行MRS研究，得到了海马不同部位代谢物质的基础数据及变化规律，并为海马相关疾病的诊断及研究提供了重要临床依据。但受各种条件的限制，尚有许多不足之处。(1)在试验设计方面，选择了横向研究方法，这种设计对研究个体和群体间的差异比较敏感，相信通过纵向研究会获得更多有价值的信息。(2)教育程度的差异，年轻志愿者以相对高学历者居多，平均受教育程度明显高于中老年人，本次研究未将受教育程度因素考虑在内，可能对实验结果存在一定影响。(3)在研究正常老化过程中的实验对象是招募的健康志愿者及体检者，其健康情况一般是通过调查问卷形式获得，无法排除存在影响脑萎缩的无明显症状的疾病，如隐匿的血管疾病、未被发现的高血压、糖尿病等。(4) MRS易受脂肪及脑脊液的干扰会对影像数据可靠性产生影响，虽然已尽量避开脑脊液及脂肪，但仍会有极少部分脑脊液处于感兴趣内。

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2Peelle JE，Cusack R，Henson RN.Adjusting for global effects in voxelbased morphometry:Gray matter decline in normal aging.Neuro Image，2012，60:1503-1516.

3Westman E，Wahlund LO，Foy C，et al.Magnetic Resonance Imaging and Magnetic Resonance Spectroscopy for Detection of Early Alzheimer’s Disease.Journal of Alzheimer’s Disease，2011，26:307-319.

4Kantarci K，Weigand SD，Przybelski SA，et al.MRI and MRS predictors of mild cognitive impairment in a population-based sample.Neurology，2013，81:126-133.

5Zhang Q，Li Q，Zhang J，et al.Double inversion recovery magnetic resonance imaging(MRI)in the preoperative evaluation of hippocampal sclerosis:correlation with volumetric measurement and proton magnetic resonance spectroscopy(1H MRS).Comput Assist Tomogr，2011，35: 406-410.

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10Serkova NJ，Niemann CU.Pattern recognition and biomarkerval idation using quantitative 1H-NMR-based metabolomics.Expert Rev Mol Diagn，2006，6:717-731.

11晓臣，王桂芝，王元春，等.正常人不同年龄段脑海马区1H-MRS变化的临床研究.现代中西医结合杂志，2010，19:1965-1966.

12黄海东，顾建文，杨春敏，等.正常人海马质子磁共振波谱研究.四川医学，2008，29:774-776.

13蒋莉君，邓伟，崔立谦，等.中国健康成人额叶白质，海马代谢物比值及其影响因素的氢质子波谱分析研究.华西医学，2008，23:447-449.

14Watanabe T，Shiino A，Akiguchi I，et al.Hippocampal metabolites and memory performances in patients with amnestic mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease.Neurobiology of Learning and Memory，2012，97:289-293.

15Rosario ER，Pike CJ.Androgen regulation of beta-amyloid protein and the risk of Alzheimer’s disease.Brain Res Rev，2008，57:444-453.

16Hatanaka Y，Mukai H，Mitsuhashi K，et al.Androgen rapidly increase dendritic thorns of CA3 neurons in male rate hippocampus.Biochem Biophys Res Commun，2009，381:728-732.

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19Watanabe T，Shiino A，Akiguchi I，et al.Hippocampal metabolites and memory performances in patients with amnestic mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease.Neurobiology of Learning and Memory，2012，97:289-293.

Study on the metabolic changes in hippocampal head，body and tail during normal brain aging by means of 1H-MRS

technique

CHANG Ruiting，GENG Zuojun，ZHU Qingfeng，et al．Department of Radiology，The Second Hospital of Hebei

Medical University，Shijiazhuang 050000，China

ObjectiveTo investigate the regulation of material metabolism changes in different regions of bilateral hippocampus during normal brain aging through proton magnetic resonance spectroscopy(1H-MRS)technique.Methods One hundred and twenty-one right handedness healthy volunteers were enrolled in the study，according to their age who were divided into youth group(age range:20～44yr，n=47)，middle-aged group(age range:45～59yr，n=40)，older age group (age range:60～79yr，n=40)，all the volunteers were examined by MRI and MRS，the concentration ratio of metabolite in different regions of bilateral hippocampus(NAA/Cr and Cho/Cr)was automatically measured.The differences of the parameters in different sex，different side and different age groups were statistically analyzed.ResultsThere was a significant difference in the concentration ratio of NAA/Cr in bilateral hippocampal head between older age group and youth group and between older age group and middle age group(P＜0.05).There was a significant difference in the concentration ratio of NAA/Cr in bilateral hippocampal body-region 1，left hippocampal body-region 2 and left hippocampal body tail between older age group and youth group(P＜0.05)，however，there was no significant difference in the ratio of Cho/Cr in hippocampal head，body(region 1 and region 2)and tail among the three groups(P＞0.05).There was no significant difference in the ratio of NAA/Cr，Cho/Cr in different regions of bilateral hippocampus(P＞0.05).There was no significant difference in the ratio of NAA/Cr，Cho/Cr in hippocampal head，body(region 1 and region 2)and tail among the three groups(P＞0.05). ConclusionThere is significant difference in the ratio of NAA/Cr in different regions of bilateral hippocampus among different age groups，howevere，there is no significant difference in the ratio of NAA/Cr.Moreover there is no significant difference in ratio of NAA/Cr，Cho/Cr in different regions of bilateral hippocampus between males and females and between left side and right side.

proton magnetic resonance spectroscopy;hippocampus;brain aging;material metabolism

R 329.485.2

A

1002-7386(2015)02-0170-04

2014-08-27)

10．3969/j．issn．1002－7386．2015．02．002

050000石家庄市，河北医科大学第二医院医学影像科

耿左军，050000河北医科大学第二医院医学影像科; E-mail:1980756261@qq.com