乳腺癌化疗后脑认知功能损伤静息态功能MRI 研究

周文苏 李晓露 张鹏 李瑗 胡剑峰

乳腺癌是我国女性最常见的恶性肿瘤之一［1］，其发病率在过去20 年内显著增加。乳腺癌术后的辅助化疗能降低乳腺癌的复发风险，提高患者的生存率［2］。然而，在提高生存率的同时，乳腺癌患者化疗后出现的认知功能损伤开始受到公众的关注。化疗相关认知功能损伤（chemotherapy'induced cognitive impairment，CICI）是指化疗期间或化疗结束后出现的认知领域的损伤，包括记忆力、注意力、执行能力、学习推理等方面的能力下降［3］。化疗后的乳腺癌患者出现了脑白质微结构［4］、脑网络功能连接等［5］的改变，而这些改变与认知领域的功能障碍有关。目前，化疗相关认知功能损伤的发病机制尚不清楚，越来越成熟的神经影像可以从脑结构、脑网络等方面对深层次的病理生理机制提供技术支持。

以往对乳腺癌患者的神经影像学研究大多集中于任务态磁共振，目前国内外基于静息状态的功能磁共振对化疗相关认知功能损伤的研究相对较少。静息态功能磁共振（resting'state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）是基于血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）成像原理的可靠的、非侵入性的成像工具，可以反映大脑的自发活动，已经广泛用于多种神经及精神疾病的研究［6'8］。本研究用比率低频振幅和功能连接来探讨化疗相关认知功能损伤的神经机制，比率低频振幅（fractional amplitude of low'frequency fluctuations，fALFF）能反映自发区域神经元活动，基于兴趣区域的功能连接（functional connectivity，FC）则反映了大脑不同脑区的功能连接。本前瞻性研究结合rs-fMRI 和临床指标、神经心理学测试来探讨乳腺癌患者化疗相关认知功能损伤的病理机制，为临床早期干预提供依据。

资料与方法

1.研究对象

所有受试者均来自于江苏省泰州市人民医院门诊及住院部招募的依据美国国立综合癌症网络（National Comprehensive Cancer Network，NCCN）指南进行术后常规剂量化疗的乳腺癌患者，均为女性患者，共31 例，年龄40～66 岁。纳入标准：（1）右利手；（2）术后病理证实为乳腺癌Ⅰ～Ⅲ级，未进行放疗或内分泌治疗；（3）术后经NCCN 指南行标准方案及标准剂量化疗；（4）受教育程度能理解告知内容，一般认知功能正常；（5）无视觉、听觉、语言等功能障碍。排除标准：（1）有焦虑、抑郁或其他精神或神经疾病史、酗酒史；（2）正在服用改善认知功能或影响大脑结构的药物；（3）恶病质或其他部位肿瘤史；（4）磁共振检查禁忌证。

从当地社区招募31 名年龄及教育程度相匹配的健康受检者。纳入标准：（1）女性，一般认知功能正常；（2）能配合磁共振检查及神经心理学测试；（3）头颅CT 或MRI 无异常。

2.化疗方案

所有乳腺癌患者均有病理结果，其中浸润性癌26 例，非浸润性癌5 例，均无远处转移。所有受试者均进行了术后常规化疗，主要有4 种化疗方案，其中4 周期TC（环磷酰胺、多西他赛）方案4例，6 周期FEC'T（5'氟尿嘧啶、表柔比星、环磷酰胺、多西他赛）方案7 例，8 周期EC'T（表柔比星、环磷酰胺、多西他赛）方案19 例，新辅助化疗1 例且在术前接受了4 周期的TC 方案化疗。化疗持续时间约2～6 个月。所有受试者化疗期间或化疗后均未行放疗或内分泌治疗。

3.神经心理学测试

由同一名接受过培训的神经科医生在进行磁共振扫描前对受试者的姓名、年龄等社会人口学及临床资料进行收集。在磁共振扫描前，所有受试者都接受了一系列神经心理学测试，包括简易精神状态量表（Mini Mental State Examination，MMSE）、蒙特利尔认知评估表（北京版）（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）、运动和认知功能疲劳量表（the Fatigue Scale for Motor and Cognitive Functions，FSMC）、数字连接实验A（number connection test'A，NCT'A）、数字符号实验（digital symbol test，DST）、癌症治疗的功能评价'认知功能（the Functional Assessment of Cancer Therapy'Cognitive，FACT'Cog），肿瘤病人生活质量评估、焦虑自评量表（self'rating anxiety scale，SAS）、抑郁自评量表（self'rating depression scale，SDS）等，其中运动和认知功能疲劳量表分为运动疲劳（FSMC'M）和认知疲劳（FSMC'C）两方面，癌症治疗的功能评价'认知功能量表分为感知认知障碍、他人的评价、感知认知能力、对生活质量的影响四个部分。

4.血液生化指标测定

所有受试者均于早上7～9 时采集空腹静脉血进行血液生化指标检测，包括空腹血糖、血红蛋白、胆固醇、甘油三酯等，所有血样均在MRI 扫描前采集完毕，常温储存2 h 内送检。

所有受试者均自愿参加本研究，并签署知情同意书。本项研究获泰州市人民医院伦理委员会的批准。

5.MRI 扫描

检查采用Siemens Skyra 3.0 T MR 扫描仪，8 通道头部线圈。获取3D 高分辨率T1WI（T1magnetization prepared rapid gradient echo，T1'MPRAGE）来获得高分辨率的脑结构图像，扫描参数：TR 2300 ms，TE 2.98 ms，翻转角9°，层数176，层厚1 mm，视野256 mm×256 mm，体素大小1 mm×1 mm×1 mm。由两名经验丰富的影像科医师检查图像以排除颅脑中有器质性病变的受试者。采集平面回波成像（echo planar imaging，EPI）序列 数据，扫 描参数：TR 2160 ms，TE 30.0 ms，翻转角90°，层数40，层厚3 mm，视野256 mm×256 mm，体素大小4 mm×4 mm×3 mm。所有受试者均在同一台MR扫描仪上进行。检查时要求受试者闭上眼睛，头部不动，保持清醒，保持平静，不能睡着。

6.数据处理

数据预处理：在Matlab R2014b 平台，使用RESTplus'V1.2 软件对图像进行预处理。处理过程包括：格式转换；去除前5 个时间点的图像；校正：进行时间层校正、头动校正（化疗组中有2 名因为头动平移大于2 mm，或任意角度旋转大于2°被排除）；空间标准化：应用3 mm×3 mm×3 mm 的采样把所有受试者的fMRI 图像标准化到SPM 标准蒙特利尔神经科学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）空间的EPI 模板上；空间平滑：应用6 mm×6 mm×6 mm 的高斯核对图像进行平滑处理；去线性；回归6 个头动参数、白质信号、脑脊液信号等协变量。

磁共振指标计算：（1）fALFF：在MatlabR 2014b平台，使用RESTplus'V1.2 软件进行功能指标计算。预处理后，通过快速傅里叶变换将每个体素的时间序列变换到频域，得到功率谱。fALFF 是0.01～0.08 Hz 范围内的振幅总和与整个频带的振幅总和之比，低频段被证明不太容易受生理噪声等的影响［9］。为了标准化，每个体素的fALFF 值除以脑内的全局平均fALFF，得到平均低频振幅率（mean fALFF，mfALFF）。（2）FC：在自动解剖标记（automated anatomic labeling，AAL）图谱［10］的90 个区域中，保存化疗后乳腺癌患者中mfALFF 信号异常的区域，并将这些区域设置为Restplus 中的兴趣区（ROIs）。最后，通过RESTplus 分析ROIs 和整个大脑之间的FC，计算每个给定ROI 的平均时间序列，并将其与每个受试者的整个大脑中所有其他体素的时间序列进行关联，得到相关系数，并用Fisher’s r'to'z 变换进行标准化。

7.统计学分析

一般资料：用SPSS 26.0 统计软件包对两组数据进行统计学分析，两组的年龄和受教育程度不符合正态分布，采用Mann'Whitney U 检验，MMSE、MoCA、FSMC'M、FSMC'C、NCT'A、DST、焦虑自评量表、抑郁自评量表符合正态分布，采用独立样本t 检验，P<0.05 认为差异有统计学意义。

影像学数据：在SPM12 中用独立样本t 检验评估两组的mfALFF、FC 的差异，其中统计范围被限制在Explicit Mask（即不含小脑的灰质二值模板：AAL_binary_msk_nocerebellum）。将结果进行多重比较，并进行校正。

相关分析：用SPSS 26.0 软件分析差异脑区的mfALFF 值、FC 值与神经心理学量表、血液指标的相关性，正态分布资料用Pearson 相关分析，非正态分布用Spearman 相关分析。P<0.05 认为差异有统计学意义。

结果

1.一般人口学特征与临床资料（表1）

表1 研究对象的一般资料

本研究最终纳入29 例乳腺癌患者，31 例健康对照组，结果显示两组的年龄、受教育程度、MoCA、NCT'A、焦虑评分和抑郁评分差异无统计学意义（P>0.05）；MMSE 评分差异有统计学意义（P<0.05）。

2.rs-fMRI 结果

mfALFF：BC 组右尾状核和左侧壳核mfALFF降低（Alphsim 校正P<0.01，团块数≥55）；左侧中央后回mfALFF 升高（Alphsim 校正P<0.01，团块数≤55）。mfALFF 结果见图1、表2。

图1 BC 组与HC 组mfALFF 比较结果图。红色（蓝色）表示mfALFF 增高（降低）的脑区（团块水平Alphsim 校正，P<0.01）

表2 乳腺癌患者与正常对照组对比mfALFF有显著差异的脑区

FC：BC 组右侧尾状核与左侧额中回FC 降低（Alphsim 校正P<0.01，团块数≥210），左侧中央后回与左侧枕下回FC 增高（FWE 校正P<0.01，团块数≥415）。FC 结果见图2、3、表3。

图2 以右侧尾状核为种子点，BC 组与HC 组FC 比较结果图。右侧尾状核与左侧额中回功能连接降低（团块水平Alphsim 校正P<0.01）图3 以左侧中央后回为种子点，BC 组与HC 组比较结果图。左侧中央后回与左侧枕下回功能连接增强（团块水平FWE 校正P<0.01）

表3 乳腺癌患者与正常对照组对比FC有显著差异的脑区

相关分析：左侧中央后回与左侧枕下回功能连接改变与胆固醇呈负相关（r='0.412，P=0.036），右侧尾状核与左侧额中回功能连接改变与血红蛋白呈负相关（r='0.534，P=0.005），右侧尾状核mfALFF 与化疗后时间呈负相关（r='0.445，P=0.016）。

讨论

辅助化疗是常用的提高乳腺癌患者生存率的有效手段，但化疗患者常常表示化疗后出现了认知功能损伤，主要表现为记忆力、执行能力、处理速度的降低。rs-fMRI 是常见的用于评估与认知功能相关的内在大脑活动的工具。以往有研究表明辅助化疗会对语言记忆、处理速度等认知功能产生负面影响［11］，但其本质及病理机制尚不明确。本研究采用mfALFF 和FC 在区域和网络水平试图对化疗后认知功能缺陷的病理机制进行探讨。fALFF 是通过使用0.01～0.08 Hz 内的振幅平均值来反映局部脑区自发活动的强度。Shen 等［12］发现，与健康对照组相比，乳腺癌患者枕叶mfALFF降低，额顶叶mfALFF 增高。而本研究中，笔者发现化疗后的乳腺癌患者右侧尾状核和左侧壳核mfALFF 降低，左侧中央后回mfALFF 增高，与前人的研究结果有重叠脑区。以往的研究对尾状核和壳核报道相对较少,有研究发现右侧尾状核在维持认知功能方面至关重要［13］。尾状核和壳核都是基底神经节的重要组成部分，基底神经节包括纹状体（尾状核和壳核）、腹侧纹状体、苍白球、黑质和丘脑底核，而尾状核和壳核是基底神经节的主要输入核团［14］。相关研究表明基底神经节与注意力、记忆力等认知功能调节有关［15］。Li 等［16］也发现纹状体多巴胺通路与记忆、信息处理速度、注意力和执行能力等认知领域有关，尾状核在其中起着重要作用。同时，对两组受试者进行了MMSE和MoCA 测试，MMSE 是目前最常用的筛选痴呆和严重认知功能障碍的工具，得分低于27 分提示一般认知功能异常。结果显示患者组MMSE 得分明显低于正常组，差异有统计学意义。MoCA 能对轻度认知功能异常进行快速筛查，相对于MMSE，MoCA 具有更高的敏感度和检出率［17］，得分低于26 分提示存在轻度认知功能异常。虽然两组得分均在正常范围内，但化疗组得分明显低于健康对照组，且患者常常抱怨化疗后出现记忆力、注意力、反应力等方面能力下降。MMSE 和MoCA 测试结果表明化疗患者认知功能水平较对照组低，提示化疗组可能存在认知功能损伤，而右侧尾状核与左侧壳核的mfALFF 降低可能是其发病机制之一。此外，有研究认为化疗所致的脑结构和功能损伤是可逆的，化疗结束1 年后部分脑区功能逐渐恢复［18］。笔者还将化疗结束后时间与差异脑区进行相关分析发现，右侧尾状核mfALFF 值与化疗结束后时间呈负相关，这可能提示右侧尾状核部分功能正在恢复。

而ALFF 的增高可能跟机体的代偿机制有关。Chen 等［19］发现化疗后的乳腺癌患者除了左侧额上回、左侧额下回、右侧顶上回外，其余脑区的脑血流量都有不同程度的增加。Li 等［20］通过动脉自旋标记成像技术获取静息态局部脑流量图像，发现ALFF 与脑血流量有可靠的相关性，高脑血流的脑区与高ALFF 的脑区明显重叠。以上研究结果表明ALFF 增高可能与化疗所致的脑血流灌注增加有关。本研究中发现左侧中央后回ALFF 增高，而左侧中央后回是额顶网络的一部分。Marek等［21］通过研究发现额顶网络是认知控制中枢，额顶网络的功能整合与整体认知能力呈显著的正相关。猜测左侧中央后回的mfALFF 增高可能是机体认知功能损害后的代偿表现。

此外，笔者还以mfALFF 信号异常的脑区为种子点，与全脑的其他体素进行功能连接分析发现右侧尾状核与左侧额中回FC 降低，左侧中央后回与左侧枕下回FC 增高。Tao 等［22］研究发现，乳腺癌患者化疗后出现后扣带回与右侧额中回功能连接降低，与本实验结果有相似性。Li 等［23］通过基于体素的形态测量分析发现乳腺癌患者仅在化疗几个周期后就出现额叶、梭状回、小脑等脑区灰质密度减低，而额中回的灰质密度在乳腺癌化疗相关执行功能障碍中起中介作用，认为额中叶灰质密度减低可能介导执行功能受损。本研究用NCT'A和DST 量表进行执行功能测试，结果显示化疗组NCT'A 测试用时明显高于正常水平，提示患者组执行功能降低。既往有研究表明前额叶皮层在情绪、工作记忆、决策等领域起着核心作用［24］。额中回属于前额叶皮层的一部分，猜测乳腺癌患者化疗后出现认知功能损伤可能与前额叶皮层结构网络的改变有关。同时，相关性分析发现左侧中央后回与左侧枕下回功能连接改变与血液胆固醇水平呈负相关，右侧尾状核与右侧额中回功能连接改变与血红蛋白水平呈负相关。有研究发现血脂水平是认知衰退的一个重要的风险因素［25］。提示血红蛋白水平、血胆固醇浓度的改变可能是脑网络功能连接变化的潜在影响因素。

在目前已知的研究中，化疗持续时间与认知障碍的关系鲜少被提及。乳腺癌化疗患者通常接受4～8 周期的化疗方案，时间跨度相对较长。Power 等［25］在一篇综述中对评估化疗方案、剂量、持续时间与乳腺癌患者认知功能关系的文献进行总结发现化疗周期数与认知之间不存在相关性。由于相关文献有限，目前的证据不足以评估化疗周期与认知的关系。在今后的研究中，可依据化疗方案及周期进行分层分析，研究疗程与认知变化是否存在相关性。

本研究的局限性：最近有研究发现乳腺癌患者在化疗前就已经存在认知功能损伤［26，27］。目前收集的未接受化疗的乳腺癌患者相对较少，后续将继续收集未接受化疗的术后病例，评估化疗前的认知水平，以排除癌症相关认知功能障碍的影响，更好的探讨化疗相关认知功能损伤的病理机制。此外，本实验样本量相对较少，受试者化疗方案不同有可能导致不同的结果。有研究表明不同的化疗方案对认知能力和脑功能连接的影响不同［28］。在今后的研究中，将继续收集乳腺癌患者病例，根据化疗方案不同进行分层分析，以探讨不同化疗方案对认知功能的影响。

总之，静息态功能磁共振能反映化疗后功能异常的脑区，可用于临床对化疗后认知功能损伤进行初步检测，fALFF 和FC 可作为检测化疗相关认知功能损伤的影像学标志物。