基于多模态功能MR技术探索海马在肝豆状核变性患者认知障碍中的作用机制

张传凤，王安琴，武红利，徐春生，李传富*

(1.安徽中医药大学第一附属医院影像中心，安徽 合肥 230031；2.安徽中医药大学生物医学工程教研室，安徽 合肥 230031)

肝豆状核变性又称威尔逊病(Wilson disease, WD)。认知障碍在WD患者中已被广泛认识，然而鲜有研究观察其中枢病理机制。海马与大脑皮质和基底核区有着广泛联系，在认知、应激和情绪调节方面具有重要作用[1]。WD在中枢神经系统主要损伤基底核区与海马之间的神经回路，且与学习和记忆有关[2]。本研究分析WD患者大脑海马功能连接(functional connectivity, FC)变化及其与认知功能障碍的关系，探讨其作用机制。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集30例于安徽中医药大学第一附属医院就诊的认知障碍WD患者，均符合WD诊断标准，右利手，无心血管及造血系统原发疾病，无其他神经或精神系统疾病，无神经或精神药物服用史，亦无心脏起搏器等MR检查禁忌证，并能配合研究。另选取年龄、性别和受教育程度相匹配的健康志愿者30名作为对照组。5例WD患者和4名志愿者配准失败而被排除，最终25例WD患者(WD组)和26名志愿者(对照组)入组，并均于检查前签署知情同意书。

1.2 数据采集

1.2.1 临床认知功能 对2组均行简易精神状态检查(mini-mental state examination, MMSE)、汉密尔顿焦虑量表(Hamilton anxiety scale, HAMA)、汉密尔顿抑郁量表(Hamilton depression scale, HAMD)、数字广度测验(digital span test, DST)和词语流畅性测验(verbal fluency test, VFT)。

1.2.2 MRI数据 以GE 3.0T MR仪依次行常规T2W扫描(TR 9 000 ms，TE 124 ms，FA 111°，矩阵256×256，FOV 250 mm×250 mm，层厚5 mm，层间距0，扫描20层)，T1-3D BRAVO成像(参数：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，FA 12°，矩阵256×256，FOV 256 mm×256 mm，层厚1 mm，层间距0，扫描166层，扫描时间5 min 36 s)，弥散张量成像[(diffusion tensor imaging, DTI)，参数：TR 4 800 ms，TE 81.7 ms，FA 12°，矩阵128×128，FOV 240 mm×240 mm，层厚3 mm，层间距0，扫描45层，b值为1 000 s/mm2，扫描64个方向，扫描时间7 min]和血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent, BOLD)成像(参数：TR 2 000 ms，TE Minimum，FA 90°，矩阵64×64，FOV 240 mm×240 mm，层厚3 mm，层间距0，扫描36层，扫描时间6 min 10 s)。

1.3 数据分析

1.3.1 临床认知功能 采用SPSS 19.0统计分析软件，以独立样本t检验比较组间MMSE、HAMA、DST和VFT测值。P<0.05为差异有统计学意义。

1.3.2 静息态FC及DTI数据 采用功能神经影像分析(analysis of functional neuroimage, AFNI)软件(http://afni.nimh.nih.gov/afni/)进行分析。具体步骤：①数据预处理；②频域滤波；③将频率控制在0.01～0.08 Hz；④去除脑白质和脑脊液信号；⑤计算个体数据参数值，在标准模板MNI152_T1_1mm_brain上提取双侧海马作为ROI(图1)；⑥提取个体对比图；⑦空间标准化；⑧空域滤波；⑨组间分析，FDR(false discovery rate)校正(P<0.001，α≤0.05)；⑩相关性分析。

图1 FC分析ROI

采用脑功能成像软件包(functional magnetic resonance imaging of the brain software library, FSL)(http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/)分析，步骤：①数据格式转换；②头动校正和涡流校正；③去除周围噪声；④计算个体张量参数，即各向异性分数(fractional anisotropy, FA)；⑤提取静息态分析结果作为种子点，采用FSL软件对海马与种子点之间进行纤维束示踪，以FNIRT程序，采用非线性配准方法将3D结构像配准到标准模板MNI152_T1_1mm_brain，再将配准过程中得到的矩阵应用于FA，得到配准到标准空间的个体参数图，以大脑FC有差异脑区作为ROI，得出相应部位平均FA；⑥统计学分析，利用randomise程序进行统计学分析，置换检验次数为 5 000次，P=0.05；⑦相关分析：以MMSE、DST、VFT评分作为协变量，与各ROI平均FA进行协变量相关性分析。

2 结果

2.1 一般资料 组间年龄、性别比例差异均无统计学意义(P均<0.05)。WD组MMSE和VFT评分均低于对照组(P均<0.05)。见表1。

表1 WD组与对照组基本信息及评分

2.2 组间FC分析 WD组左侧豆状核、尾状核头和双侧丘脑FC均较对照组减弱，右侧颞叶、左侧额叶FC较对照组增强。图2示FDR校正后相关结果。

图2 WD组与对照组FC比较，FDR校正 色带表示Z值最大范围

2.3 组间FC激活区FA比较 WD组丘脑(thalamus,THA)和左侧海马(left hippocampus, LM)FA低于对照组(P均<0.05)，左侧基底核区(left basal ganglia, LB)FA高于对照组(P<0.05)；组间右侧海马(right hippocampus, RM)和背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)差异均无统计学意义(P均>0.05)，见表2。

表2 WD组与对照组ROI的FA比较(±s)

表2 WD组与对照组ROI的FA比较(±s)

组别LMRMLBTHADLPFCWD组(n=25)0.325±0.0160.243±0.0120.313±0.0370.220±0.0170.067±0.026对照组(n=26)0.336±0.0180.253±0.0300.293±0.0160.238±0.0140.074±0.044t值-2.258-1.5692.583-4.330-0.707P值0.0280.1220.014<0.0010.482

2.3 WD临床认知功能与脑功能及大脑微观结构变化的相关性 WD组MMSE评分与右侧额中回、颞横回及双侧顶叶FC强度呈正相关(图3)，VFT评分与左侧豆状核、右侧额中回及双侧颞横回FC强度呈正相关(图4)；FA与MMSE分数无明显相关，VFT评分与双侧丘脑和双侧豆状核FA呈负相关(图5)。

图3 WD组与对照组MMSE值与全脑功能相关性(P均<0.05，FDR校正) 色带表示Z值最大范围

图4 WD组与对照组VFT值与全脑功能相关性(P均<0.05，FDR校正) 色带表示Z值最大范围

3 讨论

本研究采用静息态功能MRI和DTI技术观察WD患者海马功能及微观结构变化及其与临床认知功能的关系。相比对照组，WD组左侧豆状核、尾状核头和双侧丘脑FC减弱，右侧颞叶、左侧额叶FC增强。WD组THA和LM的FA低于对照组，LB的FA高于对照组，反映海马及相关脑区结构及功能发生改变，为研究WD患者神经心理症状提供了影像学依据。

WD主要神经病理基础在于过量的铜沉积导致细胞变性、坏死，在中枢神经系统中主要累及基底核区[3]、中脑、丘脑及处理认知信息的相关神经网络[2,4]。既往研究[5]发现WD可致双侧尾状核头、豆状核及背侧丘脑、黑质、红核、右侧齿状核FA增高以及广泛的白质及双侧背内侧丘脑FA减低，本研究WD组海马与豆状核、尾状核头和内侧丘脑FC变化与之相符。上述变化可能与大量的铜沉积导致细胞毒性水肿、细胞变性及坏死、胶质增生等有关[6]。海马与丘脑-皮层网络的相互神经作用与认知功能损害机制有关[7]。WINTON-BROWN等[7]发现海马-基底核区及中脑回路变化与认知处理能力有关，是神经精神系统疾患形成的基础，基底核区损伤也影响学习和记忆过程[8]。此外，DLPFC也是涉及认知功能和情绪调节的重要脑区[9]，且与海马存在相互作用[10]。

海马在记忆和认知功能中具有至关重要的作用[11]。解剖学上，海马与额叶、丘脑、基底神经节、海马旁回及小脑之间存在纤维联系[12]。既往研究[13]证实这些脑区存在相关FC。RANGANATH等[14]发现健康志愿者海马FC与丘脑、岛叶、PFC小脑和感觉运动区有关。以上研究证实了皮质-纹状体-丘脑回路与神经认知功能的相关性[15]。本研究中WD组患者基底核区存在损害，且海马FC减弱、丘脑和基底核区损害与VFT评分呈明显负相关；额叶及颞叶与VFT评分的相关性增强，表明基底核区及丘脑损害影响了大脑记忆认知功能，同时出现额叶及颞叶记忆功能代偿。这些参与学习及记忆的紧凑神经网络可能在WD神经心理学发病机理中具有重要作用。

存在神经系统症状的WD患者表现出广泛的认知领域缺陷[16]。本研究发现VFT得分与PFC得分之间显著正相关，VFT评分与双侧丘脑和豆状核微观结构变化之间呈显著负相关。既往有学者[17]指出，在认知编码过程中，海马与纹状体之间存在相关作用。ANG等[18]经动物实验发现了一些新的大鼠纹状体边缘区、杏仁核及海马体之间的联系，丰富了海马相关的学习与记忆相关通路，即神经传递从纹状体到杏仁核中央再到海马，最后回到纹状体的边缘。这些功能及结构上的通路为认知相关网络增加了新的维度，也为研究WD发病机制提供了理论依据。

本研究存在一定局限性。首先，纳入的样本量较少，可重复性有待提高；其次，对海马功能未能清晰划分边界，存在局限性；此外，功能连通性仅能反映大脑区域活动的同步性或一致性，基于ROI分析方法并不能发现所有与其他区域存在解剖连接之处。

综上所述，左侧海马和双侧丘脑、左侧豆状核及尾状核头间功能和解剖学连接性改变可能导致相关记忆认知功能通路连接受阻，最终产生认知功能障碍。