功能磁共振成像技术在糖尿病视网膜病变视觉通路功能评估中的作用

孟祥达 综述 颜华 审校

天津医科大学总医院眼科,天津 300052

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)是糖尿病常见的微血管并发症之一,其在2型糖尿病患者中的患病率高达23%[1]。随着我国及全球范围内糖尿病患病率的不断增长,DR已成为我国50岁以上人群重要的致盲因素[2-4]。DR引起的视觉损伤源于其引起的视网膜微血管病变,包括视网膜微血管瘤、出血、硬性渗出、棉絮斑、视网膜新生血管、视网膜脱离、玻璃体积血、黄斑水肿等。而有研究表明,DR患者视网膜神经病变的发生早于血管病变[5-7]。最近的研究表明,DR引起的视觉损伤也与上游视觉通路的改变相关[8]。目前,DR的评估手段包括使用各种光学方法检测视网膜血管病变以及通过电生理检查手段检测视网膜、视神经的功能。而对于DR患者视觉通路功能的评估方法目前尚处于研究阶段。

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)技术是利用磁共振原理对物体内部结构进行成像的一种技术。传统的MRI,即结构MRI(structural MRI,sMRI)可用于人体内结构观察和人体宏观解剖结构评估,在视觉系统解剖结构方面应用广泛[9]。功能MRI技术(functional MRI,fMRI)则能够反映组织功能。广义的fMRI包括磁共振灌注成像(perfusion-weighted MRI,PWI)、弥散加权成像(diffusion-weighted MRI,DWI)、基于体素的形态学分析(voxel-based morphometry,VBM)、磁共振波谱(magnetic resonance spectrum,MRS)、血氧水平依赖性fMRI(blood oxygen level-dependent fMRI,BOLD-fMRI)等,而狭义的fMRI专指BOLD-fMRI技术。fMRI的出现使MRI技术不仅用于解剖成像,而且成为动态研究正常及病理状态下生物体组织功能活动的重要手段。fMRI在眼科领域,尤其是斜弱视[10]、青光眼[11]领域已有较为深入的研究。为了实现对DR患者视网膜及其上游视觉通路的功能评估,部分研究者尝试应用fMRI进行研究。本文就fMRI在DR视网膜结构和功能及视觉通路功能评估中的应用研究进展进行综述。

1 fMRI技术用于早期DR检测

1.1 锰离子增强磁共振成像用于视网膜活性检测

锰离子增强磁共振成像(manganese-enhanced MRI,MEMRI)是一种以锰离子为探针,动态研究活体组织神经传导通路和大脑功能的成像技术,反映体内钙离子活性。MEMRI可用于研究视网膜明暗适应功能变化,以及DR、青光眼等疾病中钙离子调节异常。Berkowitz等[12]利用MEMRI对DR大鼠视网膜组织进行研究发现,慢性血糖升高会引起大鼠视网膜光感受器及感受器后视网膜组织锰离子摄入减少;正常大鼠在暗环境中,位于外层视网膜内的光感受器细胞发生去极化,钙离子内流,耗氧量和耗糖量增加,表现为MEMRI活性升高;而在明适应环境中,富含丰富血管的内层视网膜神经元兴奋,血流增加,表现为内层视网膜MEMRI活性升高,脉络膜活性无变化;因此大鼠视网膜在MEMRI成像中显示为内层视网膜、外层视网膜及脉络膜3层。基于这一研究结果,研究者还发现在大鼠血糖升高14 d后,外层视网膜MEMRI活性较正常鼠降低,且随着血糖升高时间延长而进一步降低,而内层视网膜及脉络膜MEMRI活性无改变,推测在DR发生的早期,外层视网膜结构,尤其是光感受器细胞可能是最先受累的组织部位[13]。这些MEMRI活性改变都发生在血管组织病理学改变之前,表明利用MEMRI检测视网膜离子的改变可作为DR早期诊断、评价治疗效果的有效手段。

1.2 动脉自旋标记技术用于眼部血流检测

视网膜和脉络膜血流生物学参数的检测对DR的早期诊断非常重要。目前临床上用于检测视网膜和脉络膜血流参数的检查方式包括荧光素眼底血管造影(fluorescein fundus angiography,FFA)、吲哚菁绿血管造影(indocyanine green angiography,ICGA)、光学相干断层扫描血管成像技术(optical coherence tomography angiography,OCTA)、血管多普勒超声等。FFA、ICGA、OCTA等对屈光间质透明度有一定的要求,难以准确检测屈光间质混浊患者视网膜/脉络膜的血流,血管多普勒超声对视网膜小血管及毛细血管的检测不够精确。而fMRI技术可以实现视网膜和脉络膜血管功能相关的血流生物学参数的检测。PWI可用来反映组织的微血管分布和血流灌注情况,是研究视网膜和脉络膜血流动力学信息的有效手段。其中,利用动脉血中的水质子作为内源性示踪剂的动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)技术及伪连续式ASL(pseudo-continuous arterial spin labeling,pCASL)术[14],可用于定量检测组织的血流量、血容量以及其他血流参数。

视网膜在ASL成像中表现为被一个低/无血流信号隔开的2个血流层,其中外层为脉络膜层,内层为视网膜血管层。Peng等[15]应用pCASL技术检测了非麻醉状态下人视网膜血流量,证明了在非麻醉状态下准确检测人视网膜血流的可能性。Maleki等[16]通过二氧化碳激发结合ASL-MRI的方法,实现了脉络膜血流的评估,提出二氧化碳激发结合ASL-MRI可用于研究正常和疾病状态下脉络膜血流反应。Muir等[17]采用ASL方法检测DR模型小鼠眼部血流量,发现DR早期脉络膜血流量降低,视网膜血流量未发生明显改变;随着DR病程发展,视网膜血流量显著降低。Wang等[18]采用pCASL检测DR患者眼部血流量,发现增生性DR(proliferative DR,PDR)患者的眼血流量较非增生性DR(nonproliferative DR,NPDR)患者显著降低,并发现眼部血流量的降低是PDR发展的危险因素。以上研究为ASL无创检测DR视网膜及脉络膜血流变化提供依据。

2 fMRI技术用于DR相关视网膜上游视觉通路病变检测

由于视网膜血管与脑血管具有相似的胚胎来源、解剖和生理特点,DR也被认为是糖尿病脑血管病变的一种表现[19-20]。DR可引起大脑视觉传导通路的微结构及功能的变化,通过fMRI,如VBM、MRS、DWI、BOLD-fMRI等,可实现对这些脑病理生理学改变的检测。

2.1 VBM用于DR脑灰质改变检测

VBM可通过测定MRI中每个体素脑灰质、白质的密度及体积变化来定量分析sMRI中脑组织结构的改变,从而量化分析活体脑形态学异常。Wessels等[21]采用VBM对1型糖尿病DR患者大脑灰质密度进行测量,发现PDR患者右侧额下回、右侧枕叶、左侧小脑及左侧额中回的灰质密度较NPDR患者降低,PDR患者右侧额下回、右侧枕叶灰质密度较健康志愿者降低,NPDR患者与健康志愿者大脑灰质密度未见明显差异,推测此现象与高血糖环境以及灰质微梗死灶有关。Ferreira等[22]发现无DR的2型糖尿病患者大脑枕叶灰质体积较正常人降低,表明大脑枕叶的灰质改变可能在DR临床确诊前就已经出现。但是,不能排除灰质改变可能与DM的其他微血管并发症相关[23]。

2.2 MRS用于DR脑组织细胞生化反应评估

MRS是在体检测某一特定组织或区域化学成分构成的一种MRI技术。较为常用的MRS为氢质子磁共振波谱(proton MRS,1H-MRS),它通过测定N-乙酰天门氡氨酸(N-acetyl-aspartate,NAA)、胆碱、肌酸、肌醇等脑内代谢物质的峰值来反映脑部病变病理过程中的生化信息。NAA存在于神经元内,是公认的神经轴突标记物,可反映神经元的功能及数量[24]。NAA峰值降低常见于神经损伤、认知功能障碍及功能输出障碍[25]。胆碱是神经递质乙酰胆碱和细胞膜中卵磷脂的前体物质,存在于胶质细胞胞膜[26]。肌酸作为细胞的储能物质,存在于肌细胞和神经元胞质中,常作为波谱数据分析时的参照物[9,26]。肌醇是磷脂酰肌醇和二磷酸磷脂酰肌醇的前体物,是脑内胶质细胞的标志,反映胶质细胞活性[27]。研究表明,DR患者视皮层、额叶白质及视辐射区NAA浓度下降,豆状核肌醇浓度降低[28-29],视皮层及视辐射区肌醇/肌酸第2峰升高[27]。这些数据表明DR与脑损伤相关,提示MRS对研究DR的视觉传导通路生化改变有重要研究价值。Lu等[30]研究发现,DR患者双侧大脑海马体NAA浓度显著降低,且其左侧海马体的NAA/肌酸值与大脑认知相关的蒙特利尔认知评估量表评分呈强相关,表明DR与糖尿病认知功能障碍相关,MRS可作为研究DR与糖尿病认知功能障碍关系的新的有效手段。

2.3 DWI用于DR脑损伤评估

DWI是利用水分子的布朗运动原理进行成像的一种研究手段。正常组织和损伤组织中水分子运动弥散能力不同,不同损伤对分子弥散的限制也不同,故DWI成像存在差异,可用于正常组织和损伤组织的鉴别,表观扩散系数(apparent diffusion coefficients,ADC)是其临床应用中的重要参数。Dogan等[31]和Liang等[32]采用DWI测定DR患者的大脑,发现DR患者的视皮层、扣带回及眶额叶皮层处ADC高于无DR的糖尿病患者及健康人群,且随着DR病程的延长、糖化血红蛋白水平的升高,ADC显著升高,表明DR与脑损伤有关。

2.4 BOLD-fMRI用于DR脑神经元活动、脑网络功能检测

BOLD-fMRI利用不同组织中氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白间存在的磁场差异,形成不同的磁共振信号,是反映脑组织活动的一种磁共振技术。研究表明,处于高氧环境中的大鼠视网膜血管收缩程度较脉络膜血管高,视网膜血流降低,使得视网膜层BOLD信号增加程度较脉络膜层低[33];而处于高二氧化碳环境中的大鼠视网膜层BOLD信号增加程度较脉络膜层高[34]。BOLD-fMRI包括任务态和静息态。Wessels等[35]采用fMRI研究1型糖尿病PDR患者认知任务中大脑活动变化,发现PDR患者对低血糖的反应性大脑活动增加,推测可能是大脑对功能损失的代偿性活动增加。然而任务态fMRI的结果会受到任务设计的差异以及受检者任务执行情况的影响,DR患者视功能受损,常常不能很好地配合完成任务,为任务态fMRI在眼病中的应用带来了局限性。静息态fMRI只需要受检者安静地躺在检查床上,在大脑没有明确输入或输出因素影响的情况下研究大脑的自发活动,更加适用于DR患者的研究。目前常用的静息态fMRI研究有低频振荡波幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)、局部一致性(regional homogeneity,ReHo)、功能连接、脑网络图论分析(graph theoretic analysis)以及独立成分分析(independent component analysis,ICA)。

ReHo是利用肯德尔和谐系数计算体素与其周围体素的一致性,可用于估计静息状态下全脑相邻体素间神经活动的一致性。Liao等[36]的研究表明,DR患者多个视觉网络脑区的ReHo值发生改变,提示脑局部一致性改变可能是DR患者视觉通路改变的机制之一。然而,ReHo只能体现脑区内神经活动的一致性,并不能反映神经活动的强度。

ALFF反映静息状态下脑区每个体素的神经自发活动强度。多项静息态fMRI研究结果显示,DR患者在静息状态下存在不同脑区的异常自发活动,而这些异常活动的大脑区域多与认知障碍相关,表明DR患者可能存在与认知障碍相关的大脑活动异常[37-39]。也有研究者利用分数低频振幅技术研究DR患者的静息态脑功能改变,发现多个与认知、视觉、情绪相关的脑区神经元活动异常[40]。这些研究结果都证明了DR对脑功能改变的影响。然而,不同研究所显示的DR患者异常活动脑区定位存在差异,可能与各研究纳入的患者人群不同有关。

功能连接指空间上分离的脑区间的依赖关系,即功能连接脑区、反应脑区间的信息交换。Dai等[41]发现DR患者在视觉和认知网络中存在异常的功能连接,且这些功能连接改变与临床指标(如糖化血红蛋白、糖尿病病程、DR等级等)显著相关。Li等[42]研究发现,DR患者在负责认知、听觉和视觉功能的大脑区域网络连接减少,表明DR患者可能有认知能力下降和视觉功能丧失;同时DR患者在额叶和扣带回功能连接升高,表明DR患者可能存在额叶代偿圈。Yu等[43]研究也发现,PDR患者在视觉信息处理和认知相关的脑区功能连接发生改变,即左侧初级视皮层与右侧额叶中回之间功能连接增加,与楔叶、距状沟、楔前叶之间的功能连接显著降低;右侧初级视皮层与右侧额叶上回之间功能连接增加,与楔叶、距状沟、楔前叶之间的功能连接显著降低。功能连接为探索DR患者不同脑区功能改变之间的关系提供了研究手段。

脑网络图论分析是一种新兴的技术手段,可以通过图形或网络的形式描述组织的解剖和功能。脑网络图论分析可实现各脑区之间的功能连接关系以及视觉网络区域改变的研究。Huang等[44]利用图论分析的方法研究DR患者脑网络的拓扑结构改变,发现DR患者脑网络局部网络效率下降,同时其默认网络、视觉网络、突显网络、感觉运动网络的中心节点以及功能连接异常,这些发现为了解DR患者的视觉损失和认知缺陷的神经生理学机制提供了依据。

ICA是一种用于分析多元数据中独立成分的数据驱动方法,可用于分析识别脑网络及网络间的功能连接强度。Huang等[45]研究发现DR患者感觉网络和高级认知网络存在普遍的功能缺陷,可能伴随着视觉、听觉、认知能力的损伤;脑网络之间也存在功能连接异常改变,这可能反映了脑网络之间代偿的功能重组,为视觉丧失和认知能力下降的中枢神经机制研究提供了重要理论依据。

体素镜像同伦连接是一种新的rs-MRI的技术手段,能够通过分析两侧大脑半球神经元的同步活动性反应,反映脑半球间的信息整合功能。Wan等[46]利用体素镜像同伦连接研究发现DR与听觉网络、视觉网络、默认网络和感觉运动网络的大脑半球间协调的严重损害有关。

2.5 pCASL

ASL技术不仅可以用于DR患眼血流量的检测,也可用于其上游视觉通路血流量的检测。Huang等[47]采用pCASL技术检测DR患者的脑血流量,发现DR患者视觉皮层、尾状核区血流量降低,颞中回和补充运动区血流量增加,提示DR患者可能存在视觉、感觉运动和认知功能障碍。

3 总结与展望

相比于光学和电生理检测方法,fMRI能够直接反映眼部血流情况以及大脑的神经活动,并具有无创、定位精准、可重复性强等优点,能够实现DR的早期筛查,克服屈光间质混浊对检查的影响。然而,fMRI也有其局限性,包括时间分辨率低、价格昂贵,对检查者的技术要求较高等。总之,fMRI用于DR患者视觉通路的研究已有了一定的基础,其在对DR的早期、无创诊断,以及探讨DR患者脑功能改变的病例生理机制方面展现出重要的价值。基于fMRI技术,进一步深入研究患者脑功能的变化,探讨其神经生理机制可能会成为DR研究的一大热点。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突