衰老进程中脑氧代谢及灌注参数的变化规律研究

吴迪,朱文珍,张顺,张巨

人类大脑重量约占全身重量的2%,但是氧气消耗量却占全身氧消耗的20%之高[1]。静息状态下,大脑几乎全部依赖葡萄糖有氧代谢以满足其神经活动所需要的能量供应,缺血缺氧数分钟即可导致脑组织发生不可逆的损伤甚至死亡[2]。所以,脑氧代谢率(cerebral metabolic rate of oxygen,CMRO2)是反应脑组织活性和功能的关键指标,其调节对于维持正常认知功能至关重要[3-5]。研究健康人群不同阶段脑氧代谢的变化将有助于我们理解大脑发育、成熟乃至衰老进程中神经活动的自发性改变以及对刺激的反应,对脑血管疾病、精神疾病、神经退行性疾病、颅脑创伤性损伤以及肿瘤等神经系统疾病的脑代谢及脑功能研究具有重要意义[3,5-9]。

CMRO2衡量组织氧摄取以及血液氧供给之间的相互作用关系。在大脑衰老的过程中,针对静息状态下CMRO2的变化,不同研究所持观点不同。部分学者认为CMRO2随年龄增长而降低,其原因与动脉粥样硬化所致持续低灌注和低氧气供给有关,或者与衰老伴随的细胞丢失(表现为灰质体积减少)或细胞功能改变(表现为氧利用率降低)相关[10,11]。也有学者表示,尽管随年龄增长大脑结构进行性萎缩,但脑功能可以相对长时间维持稳定,这表明老年人群的大脑相较于青年人群消耗的能量更多,即CMRO2随年龄增长而上升[1]。通过测量任务态下功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)信号变化,有研究发现信号改变随年龄上升而增加,推测CMRO2的改变也增加,但其他研究则报道工作记忆任务中CMRO2变化分数在体素水平随年龄降低,说明在发育过程中,大脑趋于向“高效节能”状态发展[11,12]。因此,年龄与CMRO2之间的关系有待进一步明确。

CMRO2成像的金标准为正电子发射断层扫描(positron emission tomography,PET)。PET利用静脉注射正电子核素15O标记的H215O定量脑血流量(cerebral blood flow,CBF),以及吸入15O2气体定量脑氧摄取分数(oxygen extraction fraction,OEF)和CMRO2。但该项技术操作复杂且有创,具有较高辐射危害,放射性15O示踪剂制备及保存困难,空间分辨率低及部分容积效应显著,这些特点限制其临床应用。MRI技术的发展使高空间分辨率全脑水平或体素水平的精准CMRO2定量得以实现。氧合血红蛋白和去氧血红蛋白磁化性质的差异是MRI-CMRO2成像的基础。MR信号,通常指横向弛豫时间(transverse relaxation time,T2)受血液中顺磁性去氧血红蛋白浓度的调节。去氧血红蛋白浓度升高,T2缩短,MR信号降低,反之亦然。既往研究中所用到的CMRO2成像技术有基于信号幅度(T2、T2*或T2’)的定量血氧水平依赖(quantitative blood oxygen level dependent,qBOLD)技术、自旋标记T2驰豫(T2-relaxation-under-spin-tagging,TRUST)技术、非对称自旋回波(asymmetric spin echo,ASE)技术等[13-15],也有基于信号相位的磁敏感加权成像(susceptibility weighted imaging,SWI)和定量磁化率成像(quantitative susceptibility mapping,QSM)等[16,17]。结合信号幅度及相位信息,Cho等[18]提出了一种定量体素水平OEF的新方法:基于时间演变聚类分析(cluster analysis of time evolution,CAT)的QSM与qBOLD联合模型(QSM+qBOLD,QQ),下文中均以“CAT-QQ”表示。该方法无需吸入混合气体或呼吸控制进行参数矫正,也克服了单独应用QSM或qBOLD技术时的参数假设,模型准确性在与PET金标准的对比研究中得到了印证,结合灌注成像定量的CBF即可最终获得CMRO2[19,20]。

基于此,本研究旨在利用CAT-QQ技术联合磁共振灌注成像,探究健康人群衰老进程中大脑CMRO2、OEF以及CBF的变化规律,同时探讨性别、灰白质以及不同脑区之间的参数差异,以帮助理解脑氧代谢在衰老和疾病发生发展过程中的作用及意义,并进一步验证CAT-QQ技术的可行性,为其在临床疾病中的应用夯实基础。

材料与方法

1.健康志愿者招募

本研究已通过机构医学伦理委员会的审查及批准,所有志愿者入组前均已知悉研究目的及内容,并签署知情同意书。纳入标准:①20～70周岁;②无磁共振扫描禁忌症,如有支架、心脏起搏器、钢钉钢板等体内金属植入物,幽闭恐惧症等;③既往无重大躯体疾病史,如脑卒中、颅脑损伤、颅脑手术、精神分裂症、癫痫、恶性肿瘤等。排除标准:①磁共振图像质量差,如较大运动伪影、部分图像缺失等;②磁共振图像预处理质量差。

研究队列:本研究共招募123例符合纳入标准的志愿者,9例志愿者的磁共振图像质量差,6例志愿者图像预处理质量差。最终,本研究共纳入108例志愿者,其中男42例,女66例,20～29岁共19例,30～39岁共15例,40～49岁共14例,50～59岁共43例,60～69岁共17例。

2.磁共振图像采集

所有MR图像的采集均由3.0T MR扫描仪(Discovery MR750,GE Healthcare)完成,采用32通道头部线圈,并使用弹性泡沫塑料限制头部运动。告知志愿者检查当天勿剧烈运动、饮茶或饮咖啡。

磁共振序列及参数如下:①扩散加权成像(diffusion-weighted imaging,DWI):自旋回波平面成像,重复时间(repeat time,TR)3000 ms,回波时间(echo time,TE)65.5 ms,b值为0、1000 s/mm2,视野(field of view,FOV)240 mm×240 mm,矩阵160×160,层厚5 mm,层间距1.5 mm,层数20,采集时间42秒。②T2液体衰减反转恢复序列(T2fluid attenuated inversion recovery,T2-FLAIR):自旋回波反转恢复,TR 8000 ms,TE 165 ms,反转时间(inversion time,TI)2100 ms,FOV 240 mm×240 mm,矩阵256×256,层厚5 mm,层间距1.5 mm,层数20,采集时间2分9秒。③三维增强梯度回波T2*加权血管成像(enhanced gradient echo T2star weighted angiography,ESWAN),TR 42.8 ms,8个TE,TE1 4.5 ms,ΔTE 4.9 ms,FOV 240 mm×240 mm,矩阵416×320,层厚2 mm,层间距0 mm,层数70,翻转角20°,采集时间5分59秒。④三维伪连续动脉自旋标记成像(three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling,3D-pCASL):螺旋堆叠快速自旋回波,TR 4787 ms,TE 14.6 ms,标记时间(labeling duration,LD)1500 ms,标记后延迟时间(post-labeling delay,PLD)1525 ms,FOV 240 mm×240 mm,层厚4 mm,层间距0 mm,34对标记相和控制相,采集时间4分38秒。⑤三维T1脑容积成像(three-dimensional T1brain volume,3D-T1BRAVO):扰相梯度回波序列,矢状面扫描,TR 7.1 ms,TE 2.7 ms,TI 450 ms,FOV 240 mm×280 mm,矩阵256×256,层厚1 mm,层间距0 mm,层数172,翻转角12°,采集时间4分16秒。

3.磁共振图像分析

①参数图重建。首先,联合ESWAN数据中的相位信息和幅度信息,基于CAT方法,进行OEF参数图的重建[18,21]。CAT方法的核心思想为:具有相似幅度信号衰减特征的体素也具有相似的组织参数,将这些体素归为一个聚类,可以有效地提升信噪比,K均值聚类方法可以用于识别这些聚类。其次,将3D-pCASL原始数据传入GE AW 4.6工作站,采用FuncTool工具获得CBF参数图。最后,采用牛津大学脑功能磁共振成像中心软件库(FSL)的线性图像配准工具(FLIRT)[22,23]将重建后的CBF参数图配准至OEF参数图,使其具备相同的空间分辨率和空间位置,通过公式:

CMRO2=CBF·OEF·[H]a

(1)

即可获得CMRO2参数图,其中[H]a表示血细胞比容为0.357的动脉血氧合血红蛋白浓度([H]a=7.377)。

②参数值提取。步骤1:序列间图像配准。采用FLIRT将3D-T1BRAVO图像配准至OEF参数图。步骤2:结构像的空间标准化。采用MATLAB中的CAT12工具包[24],对配准后的3D-T1BRAVO图像进行个体原始空间灰质、白质以及脑脊液的分割,得到个体原始空间灰质、白质以及全脑体积,相对体积为灰质(或白质)体积与全脑体积的比值。同时,获得标准空间(MNI空间)的T1图像、全脑灰质及白质概率图,分别提取概率值大于0.7的体素制作全脑灰质及白质模板[25]。步骤3:参数图的空间标准化。采用步骤2中获得的T1到MNI空间的形变场,将CMRO2、OEF、CBF参数图配准至MNI空间。步骤4:基于模板的不同脑区参数值提取。采用ITK-SNAP软件(www.itksnap.org)和步骤2中获取的标准空间全脑灰质及白质模板,提取全脑灰质及白质的CMRO2、OEF、CBF值;利用全脑灰质模板以及标准空间的脑叶模板(额叶、颞叶、顶叶、岛叶、枕叶、小脑),生成只包含灰质区域的脑叶模板,并提取各参数值;利用标准空间的深部灰质核团模板(尾状核、壳核、苍白球、丘脑),提取各参数值。参数值提取流程见图1。

图1 图像处理及参数提取流程。

4.统计分析

统计分析与制图在IBM SPSS Statistics软件(阿蒙克,纽约,美国;www.ibm.com/products/spss-statistics)和GraphPad Prism软件(圣地亚哥,加利福尼亚,美国;www.graphpad.com)中完成。采用Kolmogorov-Smirnov检验及Levene检验进行连续型变量的正态分布及方差齐性检验。连续型变量均用“均值±标准差”表示。CMRO2、OEF、CBF参数值在全脑灰质与白质之间、男女性别之间的差异采用两样本t检验或者Mann-WhitneyU检验进行比较。全脑灰白质相对体积与年龄的相关性、不同脑区各参数值与年龄的相关性、各参数值在脑区之间的相关性利用偏相关或Pearson相关性检验进行分析。相关系数r取绝对值后,0～<0.1为无相关性,0.1～<0.3为弱相关,0.3～<0.5为中等相关,0.5～1.0为强相关[26]。采用Bonferroni多重比较矫正的单因素方差分析比较各参数值在不同年龄段间的差异性脑区。双尾P<0.05表示差异具有统计学意义。

今年，由他研发的APP经过一段时间推行后，使用软件的焊工、技术员比不使用的每天可节约1.5小时。大家看到软件带来的好处后，开始慢慢接受新的理念和管理方式。项目部分阶段取消了纸质版焊材领用卡。很快，两个软件在十建项目现场全面使用，并取得了很好的效果。今年3月份，十建组织各项目部来创新观摩，并将该项目部定为创新基地。

结 果

1.全脑分析

108例健康志愿者的全脑灰质CMRO2、OEF和CBF值分别为(122.22±27.30)μmol/(100g·min)、(27.80±4.09)%和(59.97±10.85)mL/(100g·min),全脑白质CMRO2、OEF和CBF值分别为(106.14±26.38)μmol/(100g·min)、(31.77±5.97)%和(45.49±8.22)mL/(100g·min)。全脑灰质CMRO2和CBF值显著高于全脑白质,而OEF值显著低于全脑白质(P<0.001)。不同年龄段健康志愿者全脑灰质与白质的CMRO2、OEF和CBF参数值见表1。在男女性别差异分析中,女性全脑灰质的CMRO2、CBF以及全脑白质的CMRO2、CBF均显著高于男性(P<0.001),但是灰质与白质的OEF值在不同性别间差异无统计学意义(表2)。

表1 不同年龄段人群全脑灰质与白质CMRO2、OEF及CBF值

表2 不同性别间全脑灰质与白质CMRO2、OEF及CBF值的比较

在控制性别因素后,相对灰质体积(绝对灰质体积与全脑体积的比值)与年龄呈负相关(r=-0.738,P<0.001),相对白质体积与年龄无相关性(P>0.05)。全脑灰质的CMRO2(r=-0.275,P=0.004)和CBF(r=-0.291,P=0.002)均随年龄的增长而逐渐减低,但是OEF随年龄的变化趋势不显著(r=-0.072,P>0.05)。全脑白质的CMRO2、OEF和CBF与年龄均无相关性(P>0.05)。灰白质的相对体积、CMRO2、OEF和CBF与年龄的相关性见图2。

图2 a)全脑灰质和白质的相对体积与年龄的相关性;b)全脑灰质和白质的CMRO2与年龄的相关性;c)全脑灰质和白质的OEF与年龄的相关性;d)全脑灰质和白质的CBF与年龄的相关性。

2.脑叶及深部灰质核团分析

额叶、岛叶、枕叶、顶叶、颞叶、小脑6个脑叶,以及尾状核、壳核、苍白球、丘脑4个深部灰质核团的CMRO2、OEF及CBF参数值见表3。

表3 各个脑区不同参数值

在控制性别因素后,6个脑叶的CMRO2和CBF均与年龄呈弱到中等强度的相关性(P<0.05),OEF与年龄的相关性无统计学意义。尾状核的CMRO2、OEF、CBF,壳核的CMRO2、OEF,以及丘脑的CMRO2、CBF均与年龄呈负相关,且相关性具有统计学意义(P<0.05)。苍白球区域各参数与年龄的相关性无统计学意义(P>0.05)。各个脑区不同参数与年龄的相关性见表4。

表4 各个脑区不同参数与年龄的相关性

在经过Bonferroni多重比较矫正的单因素方差分析中,5个年龄段人群不同参数差异具有统计学意义的脑区如下:20～29岁人群岛叶的CBF显著高于50～59岁人群(P=0.025,图3a)。20～29岁人群壳核的CMRO2显著高于50～59岁人群(P=0.049)和60～69岁人群(P=0.044),见图3b。20～29岁人群尾状核的CMRO2显著高于40～49岁人群(P=0.024)、50～59岁人群(P=0.001)和60～69岁人群(P=0.004),30～39岁人群尾状核的OEF显著高于50～59岁人群(P=0.030),20～29岁人群尾状核的CBF显著高于40～49岁人群(P=0.007)和50～59岁人群(P=0.006),见图3c。

图3 不同年龄段人群脑氧代谢及脑血流参数差异具有统计学意义的脑区。a)岛叶的CBF;b)壳核的CMRO2;c)尾状核的CMRO2、OEF和CBF。*P<0.05;** P<0.01。

讨 论

在本项研究中,笔者利用CAT-QQ模型,探讨了健康人群衰老进程中脑氧代谢的变化规律。研究结果表明,全脑灰质的相对体积、CMRO2和CBF随年龄增长而缓慢减低,但灰质的OEF以及白质的各参数值与年龄无相关性;6个脑叶各参数值呈现与全脑灰质相同的变化特征。CMRO2和CBF在不同性别间显示差异,而OEF仍维持相似水平。

CMRO2为神经元细胞代谢及生物活性的评估提供了直接在体测量工具,反映正常静息状态、激活状态或病理状态下的神经元活动。氧供给与氧代谢之间的平衡调控在正常衰老进程中十分关键。本研究与既往众多研究结果相似,CMRO2与CBF随年龄呈下降趋势,而OEF在各年龄阶段、不同性别以及不同大脑结构间均维持相对稳定[10,11,27]。表明CMRO2与CBF的动态变化密切匹配,OEF则在时间及空间上更为均一[28]。采用T1容积扫描进行大脑体积测量以及灰白质分割,笔者发现灰质相对体积在青春期之后线性下降,白质相对体积与年龄无相关性,说明随年龄增长,大脑出现萎缩,神经元数量减少、活性降低[29,30],进行功能活动所需要的能量减少,进而CMRO2降低、CBF降低。白质结构各参数值在不同年龄段间无显著差异,表明神经胶质细胞较少参与衰老进程。另一方面,本研究纳入的志愿者均无脑血管疾病史,且CBF图像显示左右大脑半球灌注均一对称,故可初步排除动脉粥样硬化所致的CBF减低。在动脉粥样硬化性血管狭窄闭塞疾病中,CBF长期持续下降,OEF将代偿性升高,以维持脑氧代谢需求,即保持CMRO2在同一水平上下波动[6,31,32]。这一现象与本研究结果不符,故最终可排除动脉粥样硬化所致的脑氧代谢及脑血流灌注改变。

CMRO2及CBF的差异也在不同性别人群中有所体现,具体表现为女性全脑灰质和全脑白质CMRO2及CBF均高于男性。Liu等[33]在一项纳入17名21～31岁的健康志愿者的氧代谢定量研究中,发现女性的基线CBF以及吸入高碳酸混合气体后CBF变化量均高于男性。相似的结果在多项PET研究中也有报道[34-36]。Aanerud等[37]发现年轻女性额叶和颞叶的CBF显著高于男性,但这种差异在65岁以后消失。解释其原因,有如下几点:①女性动脉血红蛋白浓度低于男性[38],故携氧能力较男性弱,为维持正常水平的CMRO2,CBF将代偿性升高;②生育期女性体内雌激素水平较高,雌激素增强前列环素的生物活性,而后者可以促进血管对CO2的反应性,表现为血管扩张、CBF升高[39]。当女性绝经后,雌激素和前列环素降至与男性相同水平,则CBF的变化也趋于与男性一致。

在分析不同年龄段志愿者全脑皮层灰质、脑叶及深部灰质核团CMRO2、OEF和CBF指标时,我们发现60～69岁的老年人群CMRO2和CBF值较30～59岁人群高,这可能与血压、动脉粥样硬化有关。血压与脑血流的关系十分复杂,在不同年龄段人群、不同疾病状态下均存在差异。健康状态下,血压在一定范围内波动时,个体在脑血流自动调控机制的作用下产生脑血管的适应性调节,以保持脑血流的相对恒定。随年龄增长,动脉硬化的发生导致收缩压升高、舒张压降低,进而导致脉压升高。而在老年人群中,收缩压与脉压的升高可以帮助克服动脉粥样硬化所致的增大的血管床阻力,维持脑组织的灌注。在一项纳入了2489名平均年龄为79.8岁的老年人的研究中,作者报道了舒张压与收缩压对脑血流的不同影响:更高的舒张压与较低的脑血流相关,相反,更高的收缩压则与更高的脑血流相关[40]。本研究纳入的60～69岁志愿者既往未发生脑血管事件,其升高的CMRO2和CBF可能反应大脑尚具备良好的自我调节功能。

不同年龄阶段脑氧代谢与脑血流的差异主要表现在岛叶、壳核和尾状核。岛叶是边缘系统的重要组成成分,参与感觉、情感处理甚至高级认知功能的调控[41]。壳核和尾状核作为纹状体的组成部分,在维持肌肉正常张力、肌群协调稳定方面起着关键作用,与锥体外系统疾病如帕金森病等的发生发展密切相关[42,43]。这些脑区的氧代谢与血流变化在一定程度上揭示了衰老进程中认知功能下降以及神经退行性疾病的病理生理机制。

文献报道的大脑CMRO2值在(125±15)～(165.84±25.32)μmol/(100g·min)之间变化[38,44],OEF值在(26±2)%～(40.6±5.2)%之间变化[44,45],CBF值在(41.8±9)～(53.67±7.75)mL/(100g·min)之间变化[10,38],本研究各参数值均落在区间范围内,与既往研究一致性较好。

循环与代谢PET研究促进了静息态脑网络的发现与发展,更为fMRI使用BOLD对比奠定了生理学基础。fMRI-BOLD通过检测自发波动(噪声)信号的空间相干模式反映大脑活动,静息状态下不同脑区之间的信号波动高度一致,构成一个脑网络。脑氧代谢成像与基于BOLD的脑功能网络分析有着相似的生理基础和磁共振成像基础,因此脑氧代谢成像也具备研究静息态脑网络的价值,甚至较受血流与氧代谢多因素同时决定的BOLD对比更精细。Yang等[46]利用脉冲序列获得时间分辨率为3秒级别的OEF加权信号,发现部分灰质区域尤其是默认网络的局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和低频波动振幅分数(fractional amplitude of low-frequency fluctuations,fALFF)较其他区域高,且基于OEF对比的ReHo较BOLD-ReHo具有更高的可信度。脑氧代谢和白质结构网络关联性分析方面也已有初步探索[47],未来利用脑氧代谢成像解释脑结构连接、功能连接、效应性连接等特征将对理解健康及患病大脑功能发挥更大作用。

本研究存在以下几点局限性:①未严格控制纳入志愿者的特征,如血管危险因素(高血压、高脂血症、糖尿病、吸烟、饮酒)、学历及社会关系等,这些因素也可导致CMRO2及CBF的变化[10,48]。②只评估了静息状态下脑氧代谢及脑血流的水平,缺乏任务态评估。通过分析执行任务时CMRO2、OEF及CBF的变化规律,有助于进一步理解衰老进程中认知功能的改变与氧代谢参数的关系。未来将通过增加任务态扫描[11]或外在被动刺激如药物刺激、气体刺激、经颅直流电刺激等[16,38],更为深入地探究不同情境下,脑氧代谢的改变,为疾病研究奠定基础。

综上所述,CAT-QQ技术可以应用于健康人群体素水平脑氧代谢参数的重建,结合3D-pCASL技术获得的CBF参数信息,能够精准评估静息状态下大脑CMRO2及OEF随年龄的变化规律。未来该技术将被应用于任务态研究或神经系统疾病如缺血性脑卒中、阿尔茨海默病、肿瘤等的研究中,探索脑氧代谢与认知、疾病的内在关系,明确脑氧代谢变化的病理生理机制,从理论上建立脑氧代谢无创成像体系。