基于海马亚区的阿尔茨海默病磁共振结构和功能连接研究

田仰华，余永强，汪 凯

阿尔茨海默病( Alzheimer’s disease,AD) 是常见的中枢神经系统退行性病，以进行性认知功能障碍和生活能力下降为主要临床特征[1]。海马结构和功能的改变在AD的发病机制中起着重要的作用[2-3]。近来研究[4-6]显示左侧海马由前向后可细分为情绪亚区、记忆认知亚区以及感知觉亚区3个功能亚区，右侧海马尚缺乏统一的亚区分割标准[7]。该研究拟基于磁共振海马精细分区的方法，探讨AD患者左侧海马不同亚区结构和功能改变，以揭示海马不同亚区结构、功能改变在AD发病中的作用，为将来基于功能连接的物理治疗提供实验基础。

1 材料与方法

1.1病例资料AD组共纳入16例患者，选取2014年1月～ 2017年11月于安徽医科大学第一附属医院神经内科记忆障碍门诊及住院患者，入组标准：① 所有患者均符合美国神经病学、言语障碍和卒中老年性痴呆和相关疾病学会(NINCDS-ADRDA)诊断标准中的很可能诊断为AD者；② 文化程度≥5年；③ 能配合完成40 min磁共振检查和简单认知功能测试。排除标准：① 存在其他神经精神系统疾病；② 存在酗酒史或者药物依赖史等；③ 有磁共振扫描禁忌证者；④ 头颅MRI平扫显示脑内存在异常病灶；⑤ 存在其他严重躯体性疾病等。

对照组共纳入17例健康老人，均为患者家属或来自于社区招募。入组标准：① 文化程度≥5年；无记忆障碍、情绪障碍、睡眠障碍等主诉；② 简明精神状态测试(mini-mental state examination,MMSE)≥26；③ 无磁共振扫描禁忌证；④ 无神经精神系统疾病及其他严重躯体性疾病等。

被试均予以MMSE以评估认知功能，所有被试者或监护人签写知情同意书，本研究经安徽医科大学第一附属医院伦理委员会批准。

1.2方法

1.2.1磁共振数据采集 3D结构及静息态功能磁共振均在医院采用GE Signa 3.0T MRI仪采集。扫描前要求被试保持清醒、闭眼、保持不动。正式扫描前采集T1加权成像及T2加权成像，排除明显器质性病变。

3D结构磁共振采用三维快速自旋回波序列，具体参数如下：重复时间(repetition time)=7.0 ms，回波时间(echo time)=2.9 ms，反转时间=900 ms，视野=240 mm×226 mm，矩阵256×256，层厚1.2 mm。

静息态磁共振采用梯度回波结合单次激发回波平面成像序列，具体参数如下：重复时间(repetition time)=2 000 ms，回波时间(echo time)=30 ms，反转角=90°，视野=240 mm×240 mm，矩阵64×64，层厚3 mm。

1.2.2灰质体积计算 使用DPARSF软件包(http://rfmri.org/DPARSF)将磁共振结构像DICOM数据转换为NIFIT格式，调用SPM软件包对NIFIT文件进行组织识别及分割，生成每位被试的灰质、白质、脑脊液图。将得到灰质图配准到标准空间，体素大小为2 mm×2 mm×2 mm，采用4 mm的半高全宽高斯平滑核将配准的图形进行空间平滑。

1.2.3静息态数据预处理 使用DPARSF软件包(http://rfmri.org/DPARSF)对静息态功能磁共振数据进行预处理，主要包括以下过程：① DICOM格式转换为NIFIT格式；② 去除前10个时间点以达到磁场稳定并且让被试适应扫描环境；③ 时间点校正；④ 头动校正，本研究中，头动大小范围控制在平移<3 mm，旋转<3°之内；⑤ 去除协变量：包括线性趋势、头动、白质信号、脑脊液信号变量；⑥ 空间标准化，利用统一的结构像分割信息将个体功能像配准到标准空间；⑦ 空间平滑：采用4 mm的半高全宽高斯平滑核进行空间平滑。

1.2.4功能连接计算 基于Robinson et al[7]的研究，将左侧海马自前向后分为的情绪、认知和感知觉三个亚区。鉴于Robinson et al[7]的研究中海马的认知亚区与情绪亚区、认知亚区与感知觉亚区存在少许重合区域(图1A)，将重合区域去除后的亚区作为感兴趣区(图1B)。将得到的感兴趣区重采样为3 mm×3 mm×3 mm分辨率，去除0.01～0.1 Hz以外的信号，并提取感兴趣区内的时间序列以进一步与全脑每个体素时间序列进行Pearson相关分析。采用Fisher’s-to-z转换将相关系数r转换为z值，每个体素对应一个z值，z值即是感兴趣区与该体素的功能连接强度。

1.3统计学处理采用SPSS 16.0软件对一般人口学及临床资料进行分析。计数资料采用χ2检验，两组间年龄、受教育年限、MMSE得分值采用独立样本t检验，检验标准为P<0.05。两组间各海马亚区灰质体积比较采用独立样本t检验。采用dpabi软件包[8]对得到的全脑的静息态功能连接图分别进行独立样本t检验，以年龄、受教育年限作为协变量，得到统计图，采用GRF多重比较，体素水平P<0.001并且团块水平P<0.05(双侧)的脑区为差异具有统计学意义。提取感兴趣区与差异脑区间功能连接的强度(z值)与MMSE得分进行相关分析，P<0.05(双侧)为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1一般人口学及临床资料AD组及对照组在年龄、性别、教育年限差异无统计学意义，AD组MMSE得分明显低于对照组得分，差异有统计学意义(P<0.001)，见表1。

2.2两组海马灰质体积分析结果AD组左侧海马各亚区的灰质体积均明显低于HC组，差异有统计学意义(P均<0.001)。见表2。

2.3两组海马亚区与全脑静息态功能连接分析结果

图1 左侧海马各亚区A：左侧海马分为情绪亚区(蓝色)、认知亚区(正红色)及感知觉亚区(绿色)，其中情绪亚区与认知亚区存在重叠区域(品红色)，认知亚区和感知觉亚区存在重叠区域(黄色)；B：去除重叠区域后的海马情绪亚区(蓝色)、认知亚区(正红色)及感知觉亚区(绿色)

表1 两组间人口学及临床资料

表2 两组间各海马亚区的灰质体积

图2 AD组左侧海马认知亚区与右侧背外侧前额叶功能连接增加

以左侧海马3个亚区分别与全脑做静息态功能连接分析，AD组的左侧海马的认知亚区与右侧背外侧前额间的功能连接显著高于对照组[团块大小=36体素，峰值点坐标(x=54,y=42,z=-3)，峰值点t=5.33](图2),左侧海马认知亚区与右侧背外侧前额间的功能连接值与MMSE得分无相关性(P>0.05)；情绪亚区和感知觉亚区与全脑功能连接在两组间差异无统计学意义(P>0.05)。

3 讨论

海马是情景记忆的重要神经基础，其与广泛的皮层及皮层下结构相联系，共同组成记忆系统。作为以情景记忆损害为主的慢性退行性中枢系统疾病，AD的发生发展与海马的结构、功能异常密切相关。研究[9]证实，AD 患者的海马存在着不同程度的萎缩。此外，有研究[10]利用静息态磁共振的分析方法同样提示AD患者海马功能存在异常。通常认为，海马作为一个复杂的结构，其不同的亚区发挥不同的功能。大量动物实验及人体研究[4-5]证实，海马的前部(小鼠的腹侧)主要与情绪相关，而海马的后部(小鼠的背侧)主要与记忆等认知相关。以往关于AD的研究大多仅仅关注整体海马的变化，较少研究从海马认知-情绪亚区的角度分析AD的不同海马亚区变化。

本研究利用灰质体积和功能连接的方法,评估AD患者左侧不同海马亚区的结构和功能改变。海马亚区灰质体积结果显示，AD患者在左侧海马各亚区体积均明显下降。功能连接结果显示，与对照组相比，AD组左侧海马认知亚区与右侧背外侧前额叶间功能连接增强。左侧海马情感亚区、感知觉亚区的功能连接在两组间无明显差异。结果提示，相对于其他海马亚区，海马认知亚区的功能改变与AD更为相关。与本研究结果相似，Hong et al[11]发现AD及轻度认知功能障碍患者海马中部结构异常，而且Shim et al[12]研究提示左侧海马后部结构完整性能预测AD及轻度认知功能障碍的记忆功能。海马记忆认知亚区与海马旁回、前扣带回、前额叶、顶叶等结构相连接，这些脑区在记忆的编码、巩固、提取过程均有显著激活[7]。其中，背外侧前额叶参与记忆的多个过程。很多研究[13]表明背外侧前额叶功能活跃是多种记忆障碍患者的一种认知补偿机制。与此类似，本研究中AD患者海马-背外侧前额叶功能连接增加可能是一种认知补偿机制。与以往研究不同，本研究并未发现与海马认知亚区功能连接下降的脑区，造成这种差异可能有以下几个原因：首先，不同年龄起病的痴呆患者海马功能变化模式不同，研究证实与晚发性AD患者不同，未发现早发性AD患者海马功能连接减弱[14]；此外，不同时期AD其海马功能也有所区别，有研究[15]报道晚期AD患者海马与多个脑区功能连接下降，而轻度认知功能障碍及早期AD患者海马功能基本保留；最后本研究中纳入样本较少，可能也是导致未发现与海马亚区功能连接下降脑区的原因之一。

本研究存在一定的局限性。本研究样本量较小可能是未发现影像学变化与临床评分相关性的原因；由于右侧海马亚区分割国际尚缺乏一致意见，本研究仅针对于左侧海马的亚区进行分析，结论有一定的局限性。

总之，本研究基于海马精细亚区分割的角度分析AD患者的不同海马亚区结构和功能变化，结果显示在结构方面，海马各亚区灰质体积均明显下降，在功能方面，仅发现海马认知亚区功能改变，为解析海马在AD发病机制中起着一定的作用，同时为将来基于功能连接的经颅磁刺激等物理治疗的靶点选择提供实验依据。