对主观认知下降人群基于TBSS白质损伤的研究

李红艳，唐振超，盛 灿，孙 宇，李瑜霞，王晓妮，于 洋，李轩宇，陈观群，李坤成，田 捷，刘振宇，韩 璎

（1．首都医科大学宣武医院，北京 100053；2．山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东 威海 264209；3．中国科学院自动化研究所，北京 100190）

对主观认知下降人群基于TBSS白质损伤的研究

李红艳1，唐振超2，盛 灿1，孙 宇1，李瑜霞1，王晓妮1，于 洋1，李轩宇1，陈观群1，李坤成1，田 捷3，刘振宇3，韩 璎1

（1．首都医科大学宣武医院，北京 100053；2．山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东 威海 264209；3．中国科学院自动化研究所，北京 100190）

目的：本研究通过基于纤维束示踪的空间统计方法（Tract-based spatial statistics，TBSS）分析主观认知下降（Subjective cognitive decline，SCD）人群的核磁弥散张量成像（Magnetic resonance diffusion tensor imaging，MR-DTI）的影像数据，观察SCD阶段是否存在脑结构异常。方法：收集27个临床诊断为SCD的患者为SCD组，另选取37个正常老年人为对照组（Normal controls，NC），他们的年龄、性别和教育互相匹配。采用TBSS分析方法对MR-DTI影像数据预处理后SCD组和NC组的各向异性分数（Fractional anisotropy，FA）、平均弥散系数（Mean diffusivity，MD）、径向弥散系数（Radial diffusivity，RD）、轴向弥散系数（Axial diffusivity，AxD）进行基于体素的全脑非参数统计学比较，并且分析与认知功能的相关性。结果：与正常对照组比较，SCD组FA值显著减小及MD、RD增高的纤维束主要位于胼胝体（膝部、体部、压部），双侧放射冠、上下纵束、内囊、额枕上下束、外囊、穹窿，右侧扣带回、丘脑后辐射和左侧钩束，AxD未发现异常。相关性分析发现MD与听觉词语学习测验（Auditory verbal learning test，AVLT）即刻及延迟记忆分数存在显著负相关（P＜0．05），RD与AVLT延迟记忆分数存在负相关（P＜0．05），未发现FA、MD和RD与MMSE和MoCA评分存在相关。结论：在SCD阶段，患者白质纤维损害已经存在，并且分布广泛，MD和RD与记忆功能相关联，提示在SCD阶段已经出现病理改变，并早于临床认知功能减退。

认知；脑损伤；磁共振成像

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是痴呆中最常见的一种类型，发病率较高。到2040年全世界的AD患者将达到8 110万[1]。国际上对于AD的认识已经从AD临床期前移到AD临床前期[2-3]，源于AD的轻度认知障碍（Mild cognitive impairment，MCI）已经被大家广泛接受作为正常认知和AD痴呆的中间状态[3]。MCI前阶段（pre-MCI），患者存在认知下降的主诉，但是客观的神经心理检查没有阳性发现，称之为主观认知下降（Subjective cognitive decline，SCD）[4]，易发展为MCI甚至痴呆[5-6]。然而，SCD是一组临床综合征，可由很多因素如正常老化、焦虑和抑郁状态、神经系统疾病、内科疾病和药物使用等引起[4]，因此需要除外其他原因导致的认知下降后，才能考虑是AD临床前期的SCD。扩散张量成像（Diffusion tensor imaging，DTI）是目前常用研究白质纤维（White matter，WM）的方法，能够反映脑白质微观结构的异常改变。基于纤维束示踪的统计分析方法（Tract based spatial statistics，TBSS）[7]采用纤维骨架化思想，避免了形态学上体积效应带来的误差[8]，增加了检测的敏感度及可靠性。因此，我们采用TBSS对SCD的DTI数据进行分析，希望能够解决以下问题：①SCD组与NC组比较，脑白质微观结构是否存在差异？如果有，其特点是什么？②SCD患者脑白质微观结构改变是否能够反映患者认知功能的改变?

1 资料和方法

1．1 研究对象

本研究招募了64名右利手被试，SCD患者来自2011年1月—2014年12月首都医科大学宣武医院记忆门诊就诊的患者，共27例。健康对照组来自社区招募，共37例。社会人口学的资料详见表1。上述被试均行sMRI、DTI及神经心理学量表检查。

表1 被试社会人口学资料

本研究经过宣武医院伦理委员会批准所有被试及家属均签署知情同意书。

1．1．1 SCD患者

经首都医科大学宣武医院神经内科门诊诊断为SCD，满足以下条件[4]：①自己感觉认知较自己从前正常水平有所下降；②在经过受教育程度调节后的认知检查中表现正常；③排除了其他可以引起认知障碍的疾病，以及急性认知障碍；④临床痴呆评定量表（Clinical dementia rating scales，CDR）评分为 0分；⑤没有痴呆。SCD组27例，男9例，女18例，简易智能精神状态量表 （Mini-mental state examination，MMSE）评分为25～30分，平均（27．6±1．6）分，蒙特利尔认知评估量表 （Montreal cognitive assessment，MoCA）评分为17～30分，平均（26．1±2．8）分。

1．1．2 正常对照

为来自社区的健康老年志愿者。①没有记忆力减退主诉；②经过相关神经心理量表检查认知结果在正常范围内；③排除了可以引起认知下降的神经与精神系统疾病、系统性疾病以及艾滋病、梅毒等；④无痴呆家族史。正常对照组37例，男14例，女23例，MMSE评分为22～30分，平均（27．5±1．9）分，Mo-CA评分为18～30分，平均（26．2±3．0）分。

1．2 研究方法

SCD组和NC组的社会人口学资料如表1所示，两组的年龄、性别、受教育年限均无统计学差异，MMSE和MoCA也没有统计学差异，符合SCD组临床量表无异常的特征。

DTI数据采集：采用德国Siemens公司生产的Trio 3．0T超导型MRI扫描仪进行DTI数据采集。采用12通道头部线圈通过回波平面成像 （EPI）获得DTI数据，每次扫描时间10min，连续扫描3次，取效果最好的一次，重复时间（TR）11 000ms、回波时间（TE）98ms，翻转角度（FA）90°、扫描视野（FOV）为256mm×256mm，矩阵128×128，扫描层厚2mm，扫描60层，b值为0 s/mm2和1 000 s/mm2，从32个方向采集DWI图像。

DTI数据处理：采用英国牛津大学脑功能磁共振成像中心开发的Functional magnetic resonance imaging of the brain software library v5．0（FSL，http: //fsl．fmrib．ox．ac．uk/fsl/fslwiki/）[9-11]进行DTI数据的预处理和TBSS分析。预处理主要步骤：①采用FSL提供的EddyCorrect工具进行头动校正和涡流校正；②使用FSL提供的Brain extraction tool工具对b0像进行去头皮操作，得到脑蒙片（Mask）；③采用Dti工具通过最小二乘法拟合张量模型得到DTI图像导出量。TBSS分析主要步骤：①非线性配准，将每个被试的FA图像非线性配准至1mm×1mm×1mm的MNI标准空间，目标模板为FMRIB58_FA；②创建骨架图，由所有配准后的FA图获得平均FA模板，然后采用垂直于局部纤维束的非最大值抑制法由平均FA模板获得FA骨架图，在以0．2为阈值进行阈值化处理，去除较小的边缘纤维束；③将每个被试标准空间下的FA图映射至FA骨架图，得到每个被试的大脑白质纤维骨架FA图，并获得每个被试的形变矩阵；④采用FSL提供的tbss_non_FA工具，通过FA图映射至骨架的形变矩阵，对MD、AxD、RD进行TBSS分析。

1．3 统计分析

采用FSL的randomise[12]工具包对经过TBSS处理的FA、MD、AxD、RD图进行SCD组和NC组之间的双样本t检验和置换检验，排列值设为5000，P＜0．05 （FWE-corrected）且体素数大于500有统计学意义。

1．4 相关分析

取SCD组和NC组的FA值有统计学差异的区域内的FA均值和峰值，分析其与MMSE、MoCA、听觉词语学习测验 （Auditory verbal learning test，AVLT）即时记忆、AVLT延时记忆和AVLT再认记忆临床指标得分的相关性。相关性分析采用SPSS 18的Pearson偏相关性分析，年龄作为协变量去除，P＜0．05有统计学意义。对其他DTI数据导出量MD、AxD、RD，采用同样的方式分析其与MMSE、MoCA、AVLT即时记忆、AVLT延时记忆和AVLT再认记忆临床指标得分的相关性。

2 结果

TBSS分析发现：与NC组相比，SCD组FA值显著减小的纤维束主要位于胼胝体 （膝部、体部、压部）、放射冠、上下纵束、内囊、额枕上下束、外囊、穹窿、右侧扣带回、丘脑后辐射和钩束。MD显著增加的纤维束主要位于胼胝体（膝部、体部、压部）、放射冠、上下纵束、内囊、额枕上下束、外囊、右侧扣带回、左侧穹窿和丘脑后辐射。RD显著增加的纤维束主要位于胼胝体（膝部、体部、压部）、放射冠、上下纵束、内囊、额枕上下束、外囊、穹窿、右侧扣带回、丘脑后辐射和左侧钩束（图1）。

图1 基于TBSS的双样本t检验结果 （绿色代表平均FA骨架图，红色区域分别代表SCD组和NC组FA值、MD值、RD值出现显著差异的区域，背景采用MNI152图谱模板）。

Figure 1. TBSS analysis results(Green represented the mean white matter skeleton of all subjects．Red represented the regions of significant FA/MD/RD differences between the subjective cognitive decline and normal control．MNI152 template was used to display the results)．

相关性分析发现：胼胝体（膝部、体部、压部）、内囊、外囊、放射冠、右侧丘脑后辐射、右侧扣带回、上纵束、右侧下纵束和右侧额枕上下束等区域内增加的MD均值和更低的AVLT延时记忆得分呈显著负相关（r=-0．261，P=0．021，图2a）；下纵束、额枕下束和外囊等区域内增加的MD均值和更低的AVLT延时记忆得分呈显著负相关 （r=-0．257、P=0．042，图2b）；胼胝体（膝部、体部、压部）、放射冠、上下纵束、内囊、额枕上下束、外囊、穹窿、右侧扣带回、丘脑后辐射和左侧钩束等区域内增加的RD均值和更低的AVLT延时记忆得分呈显著负相关 （r=-0．291，P= 0．02，图2c）；下纵束、额枕下束和外囊等区域内增加的MD峰值和更低的AVLT即时记忆得分呈显著负相关（r=-0．251，P=0．047，图2d）。

3 讨论

我们的研究发现，与Selnes等[13]和Molinuevo等[14]的研究结果一致，并且和我们课题组既往对于MCI人群与正常对照组比较的结果也具有一致性，只是程度较轻[15]。然而，另一篇报道在SCD人群并没有发现白质纤维的损害[16]，其原因可能是因为研究技术和受试选取方法的不同，在这项研究中使用的是1．5T磁场，我们使用的是3．0T磁场，敏感性更高，我们的SCD患者是在宣武医院的记忆门诊中收集的。

图2 相关性分析结果。图2a：胼胝体（膝部、体部、压部）、内囊、外囊、放射冠、后海马辐射、矢状层、扣带、上纵束、额枕上束等区域增加的MD均值和更低的AVLT延时记忆得分呈显著负相关（r=-0．261，P=0．021）。图2b：矢状层和外囊处的MD均值和更低的AVLT延时记忆得分呈显著负相关（r=-0．257，P=0．042）。图2c：胼胝体（膝部、体部、压部）、大脑脚、内囊、外囊、放射冠、后海马辐射、矢状层、扣带、穹窿、上纵束、额枕上束、钩束等区域增加的RD均值和更低的AVLT延时记忆得分呈显著负相关（r=-0．291，P= 0．02）。图2d：矢状层和外囊处的MD峰值和更低的AVLT即时记忆得分呈显著负相关（r=-0．251，P=0．047）。

Figure 2.Correlation results between the diffusion parameters and AVLT．Figure 2a:In the regions of corpus callosum(genu/ body/splenium)，internal capsule，external capsule，corona radiate，posterior hippocampus radiation，sagittal stratum，cingulum，superior longitudinal fasciculus and superior fronto-occipital fasciculus，the increased mean MD values were negatively correlated with lower AVLT(delayed recall)scores(r=-0．261，P=0．021)．Figure 2b:In the regions of sagittal stratum and external capsule，the increased mean MD values were negatively correlated with the lower AVLT(delayed recall)scores(r=-0．257，P=0．042)．Figure 2c:In the regions of corpus callosum(genu/body/splenium)，cerebral peduncle，internal capsule，external capsule，corona radiate，posterior hippocampus radiation，sagittal stratum，cingulum，fornix，superior longitudinal fasciculus，superior fronto-occipital fasciculus and uncinate fasciculus，the increased mean RD values were negatively correlated with lower AVLT(delayed recall)scores(r=-0．291，P= 0．02)．Figure 2d:In the regions of sagittal stratum and external capsule，the MDmax values were negatively correlated with lower AVLT(instant recall)scores(r=-0．251，P=0．047)．

我们发现SCD患者白质广泛受累，包括联合纤维（胼胝体膝部、体部）、联络纤维（左侧钩束、双侧上、下纵束，双侧上、下额枕束）、边缘系统纤维（双侧穹窿、右侧扣带回），其FA值均出现明显下降，且MD及RD升高，这与Reisberg等[17]提出白质退行性改变模型一致。AD病人WM完整性异常主要发生在皮层到皮层联络纤维、联合纤维和边缘系统纤维，这些都是后髓鞘化形成区域，比早髓鞘化形成的纤维在AD中更易受损。Stricker等[18]通过DTI在AD病人中验证了该模型，他们发现AD病人后髓鞘化联络纤维（钩束、上下纵束）、边缘系统纤维（穹窿、扣带回）和联合纤维（胼胝体压部、膝部）出现明显的FA值降低及MD、RD升高。我们在SCD人群中的发现与AD相似，只是程度较弱。同时我们发现SCD人群的FA值减低，MD和RD增高，而AxD（反映轴突损害的弥散指标）并未改变，表明SCD患者主要表现为白质纤维束髓鞘损害，由此我们推测，髓鞘的损害可能是SCD病人白质损伤的主要病理机制。而髓鞘完整性是保证轴突传递功能的结构基础，因此SCD病人也可能存在认知功能受损，只是机体处于代偿期，症状轻微，不易觉察。

相关性分析发现MD与AVLT即刻及延迟记忆分数存在显著负相关（P＜0．05），RD与AVLT延迟记忆分数存在负相关（P＜0．05），之前有研究报道脑白质病变是延迟记忆最显著的结构预测因子[19]，提示SCD人群出现记忆功能损害，更进一步支持我们选取的SCD患者可能是临床前期AD。未发现FA、MD 和RD与MMSE和MoCA评分存在相关，反映出SCD患者总体认知功能保留。与研究报道脑白质病变早于临床出现认知功能减退是一致的[20]。在SCD阶段，DTI检测到的细微结构的变化可以预测记忆力的下降，但由于患者改变轻微，仅仅自己感觉记忆功能减退，而客观神经心理量表评估并没有发现异常，因此不能引起注意，在就诊的过程中容易被医生忽视。因此，如果能够早识别，并对脑白质病变进行干预治疗有可能阻止SCD患者认知能力进一步的减退。

总之，我们发现SCD患者存在广泛非特异性的白质微结构损害，进一步研究需在大样本量随访研究的基础上结合其他模态影像进行分析，发现SCD人群WM损害规律，以期寻找到早期预测疾病进展的影像学标志。我们的研究也表明DTI参数的变化能够预测记忆力功能损害，并不能反映患者总体认知功能。

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Tract-based spatial statistics analysis of white matter changes in subjects w ith subjective cognitive decline

LI Hong-yan1,TANG Zhen-chao2,SHENG Can1,SUN Yu1,LI Yu-xia1,WANG Xiao-ni1,YU Yang1, LI Xuan-yu1,CHEN Guan-qun1,LI Kun-cheng1,TIAN Jie3,LIU Zhen-yu3,HAN Ying1
(1.Xuanwu Hospital of Capital Medical University,Beijing 100053,China; 2.School of Mechanical,Electrical&Information Engineering,Shandong University,Weihai Shandong 264209,China; 3.Key Laboratory of Molecular Imaging,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)

Objective:To analyze the magnetic resonance diffusion tensor imaging(MR-DTI)datas in patients with subjective cognitive decline(SCD)using tract based spatial statistics(TBSS)，to observe brain structural changes in the SCD phase．Methods:Twenty-seven SCD subjects and 37 age-，sex-and education-matched normal controls(NC)were employed in this study．Whole-brain diffusion tensor imaging(DTI)and a battery of neuropsychological tests，including mini-mental state examination(MMSE)，montreal cognitive assessment(MoCA)and auditory verbal learning test(AVLT)，were acquired on every subject．To figure out the white matter impairments regions of SCD，we conducted two sample t-test between SCD and NC by tractbased spatial statistics(TBSS)analysis on fractional anisotropy(FA)maps．Mean and max values of FA in the regions of white matter impairments were also obtained to investigate the relationship with the neuropsychological tests scores．Mean diffusivity (MD)，radial diffusivity(RD)and axial diffusivity were analyzed in the similar manner．Results:Compared with NC，the SCD group showed decreased FA and increased MD and RD and unchanged AxD in corpus callosum，bilateral corona radiata，inferior longitudinal fasciculus，superior longitudinal fasciculus，internal capsule，superior fronto-occipital fasciculus，inferior frontooccipital fasciculus，external capsule，fornix，and right cingulate gyrus，thalamic radiation，and left uncinate fasciculus．MD values were significantly negatively correlated with AVLT learning and delayed recall(P＜0．05)．RD values were negatively correlated with AVLT delayed recall(P＜0．05)．FA，MD and RD were not markedly correlated with MMSE and MoCA．Conclusions:Extensive white matter(WM)damage were observed in SCD．In addition，the MD，RD values were associated with memory function．It might indicated that the SCD subjects had suffered from the pathological changes，while the pathologicalchanges were unable detected by conventional objective neuropsychological tests．

Cognition;Brain injuries;Magnetic resonance imaging

R742；R445．2

A

1008-1062（2015）12-0848-05

2015-05-28；

2015-07-29

李红艳（1976-），女，北京人，主治医师。现工作单位为民航总医院神经内科。

韩璎，首都医科大学宣武医院神经内科，100053。

国家自然科学基金项目（31371007，81430037）；北京市科委首都市民健康培育项目（Z131100006813022）；凯力康医学研究项目（201206006）；国家重点基础研究发展计划（973）2010CB732600；国家科技支撑计划2012BAI10B00。