磁共振波谱在创伤性脑损伤中的应用

李静，赵璨,2,3，饶家声,2*，杨朝阳，李晓光,2,

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是因为剧烈的外部力量引起大脑结构的损伤从而导致大脑功能受损，常见原因包括交通事故、跌倒、殴打、爆炸伤等。TBI是世界范围内人类死亡和残疾的主要原因[1]，目前在临床上尚无有效的治疗方法。罹患TBI后幸存下来的患者会遗留许多严重的长期后遗症，严重影响患者的生命健康和生活质量。TBI 与神经元的代谢变化有关，损伤初期会有一系列的病理生理变化过程，包括神经元去极化、兴奋性神经递质释放、氧化应激、线粒体功能障碍、水肿及缺氧等，并且会在数小时至数周的时间内展开，其中每一项都会对脑组织损伤有影响。了解损伤后病理生理学的过程，有利于改善TBI 患者的诊断和预后，因此临床上需要能检测损伤后神经生理化学变化的更敏感的非侵入性成像技术。

磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）是表征损伤后代谢反应的一种无创检查技术，它可探测并量化活体脑组织的主要代谢物，评估损伤后代谢物的变化情况，具有识别和量化TBI 后生理变化的潜力。在许多疾病中，微观上代谢物含量的改变要早于宏观上组织结构的变化。因此MRS 的检查对于理解TBI 后脑细胞的代谢物变化及各种形式的神经功能缺损和脑外伤强度很有用，可为临床治疗及预后判断提供重要信息。虽然动物研究的结果不能直接套用到临床研究之中，但也可为临床研究提供一定的理论基础。本文以轻度/中重度TBI 为两条主要线索，综述近年国内外MRS在TBI的临床研究及动物研究中的应用。

1 MRS的基本原理及主要参数

MRS是利用原子核的化学位移和J耦合两种物理现象，其原理在某些方面与磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）相同，将采集到的信号通过傅立叶转换变成波谱。代谢物的波谱数据表示为沿水平谱线的精确位置处的峰，其中共振频率（或化学位移）以百万分率（parts per million，ppm）的等级表示，纵坐标代表代谢物的信号强度单位，峰下面积代表给定化合物的浓度。MRS 在脑组织中常测定的代谢物产物主要包括以下几种：天门冬氨酸（N-acetylaspartate，NAA）、胆碱（choline，Cho）、肌酸（creatine，Cr）、谷氨酸（glutamate，Glu）、谷氨酰胺（glutamine，Gln）、乳酸（lactate，Lac）等[2-5]。

2 MRS在脑损伤研究中的应用

轻度TBI 是最常见的TBI 形式，其症状主要包括头部和颈部疼痛、思维速度下降等，常规MRI无显著变化。患有中度或重度TBI的患者可能头痛不会消失，并出现意识不清，常规MRI 可看到显著的结构改变[6]。在临床诊断中，常按照格拉斯哥昏迷评分（Glasgow coma scale，GCS）标准将患者进行分类，GCS 13～15 分为轻度TBI，GCS 3～12分为中重度TBI。

2.1 NAA

NAA 主要分布在中枢神经系统的神经元及轴突中，由天冬氨酸和乙酰辅酶A经天冬氨酸N-乙酰转移酶作用形成，NAA 被运输到轴突释放，随后被少突胶质细胞吸收，并被分解成醋酸盐和天冬氨酸，其具体作用尚不完全清楚，但与线粒体密切相关[7]。NAA的含量变化反映神经元的功能状态，通常被认为是神经元的生物标志物。

2.1.1 在轻度TBI 中的应用 目前NAA 在轻度TBI中的临床研究主要集中在认知障碍和意识恢复方面。在认知障碍方面，Babikian 等[8]对20 例轻度 TBI 儿童/青少年损伤 4～6 d 时进行 MRS 检查，结果发现NAA与认知评分呈中～强度的正相关性。Sours等[9]在急性轻度TBI患者的丘脑中观察到NAA/Cr 显著降低，同时心理学评估结果显示患者的认知表现降低。Dennis 等[10]使用弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）和 MRS 发现 TBI 儿童长期认知方面的差异与NAA有关。以上研究都显示NAA或NAA/Cr的含量与认知能力的关系。在意识恢复方面，Govind等[11]对29例轻度TBI和GCS 10～15分的受试者在伤后亚急性期间进行的研究显示 NAA 和 NAA/Cr 减少。Sivak 等[12]对 21 例轻度 TBI 患者和22 例对照者进行MRS 研究，发现创伤后无意识患者的额叶和右额叶及上脑干中NAA/Cr 均显著降低。Veeramuthu 等[13]对35 例轻度TBI 患者及13 例对照者的额叶进行MRS 研究，结果显示GCS 与NAA 之间存在正相关。这些研究显示NAA 的变化与TBI后意识恢复情况密切相关。TBI会引起神经元完整性的紊乱，导致线粒体功能障碍和NAA合成扰动，从而导致NAA减少，因此NAA含量降低意味着神经元的缺失或功能障碍，从而导致认知和意识障碍的发生。

2.1.2 在中重度TBI 中的应用 在中重度TBI 的临床研究中，目前的研究主要集中在患者的预后情况。Signoretti等[14]通过测量严重颅脑损伤患者的NAA水平来证明创伤后大脑的神经化学损伤并评估线粒体功能障碍，结果表明，损伤后最初10 d 内NAA/Cho 和NAA/Cr 降低；在损伤后40 d，最初降低的NAA/Cho水平恢复到接近基线的患者预后良好，NAA/Cho水平恢复不佳的患者预后不良。Babikian 等[15]研究2 组中度/重度TBI 患者（年龄12～18 岁）在急性期（伤后5 月，n=10）和慢性期（伤后14.7月，n=8），以及10例年龄匹配的健康对照者胼胝体的MRS，结果发现NAA在TBI急性期降低，慢性期又上升。Tollard等[16]将DTI与MRS相结合，用于研究严重头部创伤约3周时43例患者中成像生物标记物的预测能力，NAA/Cr 在预后良好[格拉斯哥预后评分（Glasgow outcome scale，GOS）4～5 分]、预后不良（GOS 1～3分）和对照受试者之间有显著性差异（P＜0.05），NAA/Cr 在预后不良的患者中最低，在预后良好的患者中处于中间，对照组中最高。Carpentier等[17]也发现持续植物人患者的NAA/Cr低于恢复意识的患者。Yang等[18]使用结构MRI、DTI及MRS评估58 例严重TBI 患者的意识恢复，结果显示，共有33 例患者获得意识恢复，25 例患者未获得意识恢复；未获得意识恢复的患者的脑桥NAA/Cr 显著低于意识恢复组（P=0.037）。这些研究证明中重度TBI后NAA水平的变化是一个动态过程，在预后不良的患者中，整个相关组织的NAA始终保持低水平，而在预后良好的患者中NAA水平会有所恢复，这说明预后良好的患者存在神经元功能恢复。

在动物研究中也有类似发现。Lescot等[19]使用体内MRI和MRS 来评估 TBI 后 24 h、48 h 和 7 d 的成年雄性 SD 大鼠，发现TBI后24 h挫伤皮质T2值高，同一部位TBI后第7天NAA/Cr降低。Xiao 等[20]将35 只TBI 中国兔随机分为对照组、轻度、中度和重度组。在创伤后1、6、24 h进行MRS，结果显示，NAA/Cr与撞击严重程度之间存在显著负相关（r=－0.83，P＜0.01）。Singh等[21]使用体内和体外MRS对照组和TBI组在伤前、伤后4 h、伤后第1 天和第5 天的大鼠海马区域进行分析，结果显示在中度TBI 后4 h 和第1 天NAA 下降。这些研究主要说明中重度TBI造成神经元的损失，从而导致NAA降低。目前的动物研究主要在急性期和亚急性期，关于慢性期NAA是否会和临床研究一样出现NAA的升高，仍有待进一步研究。

2.2 Cho

Cho主要由三种代谢物组成，分别是甘油磷酸胆碱、磷酸胆碱和部分游离的胆碱，因为它们主要参与细胞膜的合成和降解，因此Cho的含量与细胞膜的合成和分解有关，是细胞膜更新的生物标志物。

2.2.1 在轻度TBI 中的应用 在临床研究中，Govind 等[11]对轻度TBI和GCS 10～15分的受试者在伤后亚急性期间进行的研究也发现 Cho 和 Cho/NAA 增加。在动物研究中，Lyons 等[22]在成年小鼠中关于轻度闭合性颅脑损伤与损伤后1月的研究中发现Cho 值先降低后升高，其动态模式取决于伤后时间。Cho 与细胞膜磷脂结合，因其T2太短通常不能被检测到，只有当它在细胞膜更新或细胞产生乙酰胆碱期间释放时才能被检测到，Cho最开始的降低可能说明损伤导致细胞数量减少，紧接着升高，一方面是由于损伤会导致炎症发生，炎症会造成炎细胞浸润，细胞膜的合成导致Cho升高，另一方面，炎症导致更进一步的细胞膜破裂和损伤，细胞膜的分解也导致Cho升高，因此Cho的变化不具有特异性。

2.2.2 在中重度TBI中的应用 在临床研究中，Babikian等[15]在中度/重度TBI 患者急性期和慢性期及健康对照者胼胝体的MRS研究中发现，在TBI组中，急性期的Cho均升高；另一项研究[23]对72例严重TBI患者及30例对照者中进行额叶后部MRS，结果显示，与对照组相比，TBI患者的Cho/Cr较高，这两项研究都表明炎症发生。在动物研究中，Tian 等[24]使用体内MRI 和MRS 评估减压颅骨切除术对受控皮质撞击大鼠模型的疗效，MRS 结果显示颅骨切除术组的皮质和海马的Cho/Cr 明显低于未进行颅骨切除术组，这表明颅骨切除术可降低炎症；Li等[25]使用DTI和MRS来分析重度TBI大鼠在损伤后2周内脑中的微观结构和代谢变化情况，结果显示，海马中Cho在伤后第7天显著增加，作者解释为星形胶质细胞增殖。损伤初期，炎细胞的浸润导致炎细胞大量增殖，随后损伤也导致星型胶质细胞的活化增殖来形成瘢痕，这说明Cho不能被认为是特定代谢物，不能区分损伤情况及预测预后，但Cho可作为损伤初期炎症反应的信号，应用到临床上可用于潜在的新型抗神经炎症治疗药物的开发。

2.3 Cr

Cr峰由肌酸和磷酸肌酸两种代谢物组成，在脑组织中相对较稳定，是细胞能量储存的量度。目前发现Cr有变化的研究主要在轻度TBI中。在临床研究中，Gasparovic等[26]对轻度TBI半急性患者的脑代谢物水平进行了研究，与健康对照组相比，Cr在胼胝体压部和扣带回中的含量升高。在动物研究中，Tang 等[27]使用DTI和MRS对成年雄性SD大鼠进行类似于车载爆炸引起的超加速度（uBIH），结果显示内囊中Cr减少。大脑的代谢活动需要三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）提供能量，TBI后会造成代谢应激反应，从而产生较高的能量需求，ATP是由肌酸产生的，磷酸肌酸可迅速转化为肌酸，再生成ATP，从而提高能量，因此Cr 的升高代表能量需求的提高。随后，损伤导致星形胶质细胞的活化增殖，需要消耗能量，可能会引起Cr减少，因此Cr的变化可以代表TBI后大脑能量需求的变化。

2.4 Glu/Gln

Glu和Gln的峰在波谱上重叠并很难分离，这两种物质经常被合称为Glx。Glu是脑内重要的兴奋性神经递质，存储在神经元囊泡中，释放后，它被神经胶质细胞摄取并转化为Gln，Gln负责控制和调节神经递质的合成。众所周知，神经传递过程通过Glu-Gln周期完成。突触前末梢释放Glu，主要输送到星形胶质细胞，在那里它通过谷氨酰胺合成酶途径转化为Gln，Gln 又被释放回神经元，通过磷酸相关的谷氨酰胺酶、线粒体酶再生成Glu，由此形成神经元和胶质细胞之间的Glu-Gln循环。

2.4.1 在轻度TBI中的应用 在临床研究中，Gasparovic等[26]研究显示轻度TBI受试者的灰质Glx水平显著降低。Yasen等[28]使用MRS对9例轻度TBI患者和9例对照者的两个感兴趣脑区域[初级运动皮质和背外侧前额皮质（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）]在伤后3个不同的时间点（伤后72 h、2周、2月）中获得Glu的浓度。结果显示，在DLPFC中，轻度TBI组的Glu浓度在受伤后72 h低于对照组。这些研究说明这是对Glu兴奋性毒性抑制的一种神经保护作用。

2.4.2 在中重度TBI中的应用 在临床研究中，Xu等[29]发现在损伤后2 h Glu/Cr显著减少，Gln/Cr略微升高。在动物研究中，Fievisohn等[30]对成年雌性小型猪进行平移撞击以及平移和旋转组合撞击两种模式诱导TBI，之后进行MRS 分析，与对照组相比，结果显示，平移组发现损伤后1 h和24 h Gln显著增加，这可能是Glu被转化为Gln，防止Glu兴奋性毒性。而平移和旋转组Glu显著增加，Glu/Gln增加，这可能是Glu兴奋性毒性及Glu降解的一个折中。

TBI 诱导神经元去极化，导致Glu 兴奋性毒性发生，造成Glu的快速产生和过度升高；随后，损伤也会导致星型胶质细胞活化，过量的Glu 被星形胶质细胞摄取转化成Gln，造成Gln 升高，TBI 导致线粒体功能障碍，从而影响谷氨酰胺酶活性，又造成Glu 减少；同时，损伤会导致小胶质细胞神经保护作用（清除Glu）的发生，三者共同作用就使得损伤Glu 可能出现升高或降低两种情况，所以说Glu含量的变化也不具备特异性。

2.5 Lac

Lac被认为是糖酵解的过程，由葡萄糖代谢生成丙酮酸，丙酮酸再生成Lac，一般在正常脑组织中不能测到，当产生无氧代谢的时候才会有Lac的升高。

2.5.1 在轻度TBI 中的应用 在临床研究中，Chen 等[31]使用DTI 和MRS 对 21 例轻度 TBI 患者（12～51 岁）进行研究，发现7例患者额叶Lac增加。在动物研究中，Lescot等[19]使用体内MRI和MRS来评估TBI后SD大鼠，在TBI后第7天发现大鼠损伤皮质的Lac/Cr升高，这都表明氧化代谢受损，提示缺氧。

2.5.2 在中重度TBI中的应用 在临床研究中，对10例创伤后48～72 h TBI患者进行MRS检查，发现5例患者的内侧皮质Lac水平升高，且与初始临床严重程度和短期疾病结果成正比[32]。在动物研究中，Tian等[24]使用体内MRI和MRS评估减压颅骨切除术对受控皮质撞击大鼠模型的疗效，MRS 结果显示，未进行颅骨切除术组的Lac/Cr的比值上升；Xiao等[20]对不同损伤程度以及对照组的TBI兔模型进行MRS，结果显示，重度TBI组Lac/Cr 比率增加最明显；Singh 等[21]对TBI 大鼠海马区域进行MRS分析发现在中度TBI后第5天Lac上升，这些研究都说明能量消耗导致厌氧途径的开始。

TBI 后，大脑可能出现明显的代谢失败、缺氧和神经炎症等，乳酸会因为缺氧、缺血或巨噬细胞浸润而升高[33]，当使用长TE（TE=144 ms）时可以获得，它可表现为1.3 ppm 的特征性双峰，但Lac 的信号实际上可根据核磁共振条件消失[34]，因此Lac并非在所有研究中都能被检测到。

综上所述，无论是在临床研究还是动物研究中，不管是轻度还是中重度TBI，NAA 可能是最具有临床价值的一种代谢物，因为它与患者预后相关，可以区分患者的预后良好和预后不良情况。神经元数量的改变可直接导致NAA 含量的变化，另外，TBI 导致线粒体功能的障碍，从而导致NAA 合成的减少，NAA 又是髓鞘合成过程中乙酸盐的来源，而髓鞘修复需要NAA 增加水解来提供乙酸盐，进而造成NAA 进一步降低，因此，TBI后NAA的减少是由于神经元的数量减少还是由于线粒体功能障碍亦或是髓鞘修复导致的依然值得进一步研究，这将提高我们对TBI患者脑MRS改变的认识。

3 展望

随着社会的发展，脑损伤已经成为危害人类生命健康的重要问题。而医学影像学的发展，使得MRS为脑损伤提供了更为直观科学的影像学资料。可以发现，在传统的影像学表现正常的脑区域仍然存在脑损伤，这些损伤对于患者的病情及治疗或许具有重要的意义。及时和准确地发现这些损伤的范围和程度，从而给患者及时的治疗，对于评估受伤严重性及改善预后有重要的价值。因此MRS 对于理解大脑微观结构和脑细胞死亡的代谢机制及各种形式的神经功能缺损和人类脑外伤强度很有意义。

MRS检查具有无辐射且可多次重复的特点，适合大部分患者，因此在脑损伤的检测方面，MRS 具有一定的优势。随着磁共振硬件及软件的不断进步及其他影像检查方法的发展完善，对于脑损伤各方面的认识会更加深入，对患者的诊治也会取得更大的进步。由于MRS应用于临床的时间尚短，还存在着一些问题，例如扫描时间较长、伤后最佳检查时间点及最佳检查部位的确定等，但是相信随着软硬件技术的发展和在TBI 方面研究的深入，以及MRS 与DTI、动态磁敏感增强灌注成像以及血氧水平依赖功能磁共振成像等序列相结合的多模态的发展研究，MRS 必将会在TBI 的诊断、分期、疗效评估及预后评价等方面发挥更大的作用，并为未来的新疗法评估奠定基础。