基于功能MRI的神经血管耦合在中枢神经系统疾病中的研究进展

冉海峰，张体江

0 前言

人脑是维持基本生理活动和调节高级认知功能的核心器官，拥有极度活跃的代谢[1]。维持高代谢需要足够的脑血流量（cerebral blood flow, CBF），神经元活动改变时，可直接或间接调节相应区域脑血流动力学改变，为神经电生理的快速响应提供保障，这种调节CBF 以满足神经活动的机制被称为神经血管耦合（neurovascular coupling, NVC）[2-3]。中枢神经系统疾病包括感染性疾病、脱髓鞘疾病、癫痫及神经退行性病变等，近年来，中枢神经系统疾病发病率逐年上升，给患者及家人带来了沉重的负担，而大部分疾病的病理生理机制未明、临床表现多样，早期诊断和干预面临巨大挑战。功能MRI（function MRI,fMRI）能够无创研究疾病状态脑功能变化，为中枢神经系统疾病的研究提供了有利条件。NVC 失耦合是多种中枢神经系统疾病重要的病理生理机制之一，利用fMRI 无创研究疾病状态NVC 改变，有助于理解疾病病理生理机制、找到关键诊断指标，对于疾病的早诊早治及预后改善有着极大的作用。本文通过综述fMRI 在中枢神经系统疾病中NVC 的研究进展，以期为未来的中枢神经系统疾病研究提供新的视窗。

1 NVC结构基础及功能

NVC的结构基础是神经血管单元（neurovascular unit, NVU），主要由神经元、星形胶质细胞、内皮细胞、周细胞、脑微血管等组成的一个整体，调节神经活动与血流供应平衡的关键枢纽[4]。神经元被称为NVC 的始动因素，具体而言即兴奋性神经递质谷氨酸到达突触前膜引起突触后膜N-甲基-D-天冬氨酸受体和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸受体激活，钙离子内流增加，激活胞内钙离子依赖酶（一氧化氮合酶、环氧合酶-2），释放一氧化氮和前列环素，使小血管扩张，血流量增加[2-4]。星形胶质细胞承担着将神经元活动信号传输到局部脉管系统的任务，它们与突触和局部微血管密切相关，将神经活动与微血管功能紧密联系起来，谷氨酸作用于星形胶质细胞上的受体引起细胞内钙离子浓度增加，激活磷脂酶A2 释放花生四烯酸，分别通过环氧合酶和细胞色素p450 酶途径产生前列腺素E2 和环氧二十碳三烯酸，引起小动脉扩张[5]，另一种可能机制是星形胶质细胞内钙离子浓度迅速增加，激活大电导钙激活钾通道，引起钾离子释放和血管平滑肌舒张[3]。内皮细胞在神经血管信号的逆行传递中发挥重要作用，在血管网络中，下游和上游血管必须协调扩张，以增加流量，同时要避免相邻区域分支血管分流，保证神经元活动区域氧和血糖供应[3]，内皮细胞对于神经活动产生的钾离子浓度变化极其敏感，研究发现钾离子会引起内皮细胞产生强烈的超极化，并将这种信号逆行传播至穿支小动脉，引起血管平滑肌松弛，扩张血管增加血流量，这种钾离子浓度的变化并未引起毛细血管扩张，说明神经活动产生的毛细血管流量增加不是由于对局部毛细血管直径的影响，而是与内皮细胞对神经活动信号的逆行传递有关[6]。平滑肌细胞和周细胞作为血管运动的效应器参与NVC 的实现，神经元、星形胶质细胞及内皮细胞产生的信号到达平滑肌和周细胞后，由其诱导血管舒张，降低血管阻力，增加血流量；平滑肌能够对上游和下游的各种信号做出舒张或收缩的反应，调节血流量，其内在的肌源性反应可以适应血压调节血管张力，对维持NVC的稳定起着重要作用，周细胞在血脑屏障构建中发挥了重要作用，也有研究认为其在毛细血管中参与了血管直径的调节，参与NVC 的实现[7]。目前，NVC 机制研究尚不完全明确，但最近的研究表明，NVC 涉及神经元、星形胶质细胞、内皮细胞、平滑肌细胞及周细胞之间的信息传递[8]，NVU 任何组成部分的损伤都会引起NVC 的改变。尽管目前一般认为NVC 的功能是大脑通过增加血流量，满足神经元的代谢需求，也有一部分学者认为NVC还存在其他潜在功能，如为神经递质合成提供氧气、调节脑温度、向神经元发送信号、稳定和优化脑血管结构等，这些潜在功能还有待进一步研究[9]。

2 fMRI基本原理

2.1 基于血氧水平依赖静息态fMRI基本原理及主要指标

NVC 机制是血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent, BOLD）fMRI 的生理基础[10]，局部神经活动增加，代谢率增加，脑血流量显著增加，氧合血红蛋白/去氧血红蛋白比值的变化造成局部磁化率不均匀，最后依靠这种相应脑区信号强度变化而成像。静息态fMRI可以将脑组织因代谢产生的血红蛋白浓度变化以BOLD信号波动的形式间接反映脑区功能激活[11-12]，这些信号同时发生在大脑的不同区域，因其不需要受试者执行特定的任务，被广泛应用于中枢神经系统疾病脑功能活动研究[癫痫、阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）、帕金森病（Parkinson's disease, PD）等]。静息态fMRI 主要指标包括：低频振幅（amplitude of low-frequency fluctuations, ALFF）、分数低频振幅（fractional amplitude of low frequency fluctuation, fALFF）、局部一致性（regional homogeneity, ReHo）、功能连接（functional connectivity, FC）、度中心性（degree centrality, DC）等，这些指标可反映大脑在疾病状态下神经元活动的改变。

2.2 动脉自旋标记的基本原理

动脉自旋标记（arterial spin labeling, ASL）技术是利用动脉血中的氢质子作为内源性示踪剂，通过射频脉冲和梯度磁场使颈动脉血中的氢质子磁化矢量发生反转对其进行磁性标记,经过一段时间的延迟，标记质子与组织内质子进行交换，引起组织磁化率的变化，被标记的血液流入脑组织，此时采集脑组织区域影像得到标记像，随后在同一层面成像参数相同的情况下采集未标记脑组织区域影像作为标准图像，标记像与标准图像进行剪影消除实质组织的静态信号得到脑灌注信息，可用于获取CBF参数图定量分析和评价CBF[13-14]，反映脑组织血液灌注情况。

3 基于fMRI的NVC在中枢神经系统疾病中的研究

随着功能影像技术的快速发展，LIANG 等[15]首次结合ASL 与BOLD 揭示了正常人大脑中的NVC 及其与工作记忆任务的相关性，该研究基于48 名健康被试的BOLD和ASL数据，ASL表征脑血流灌注，BOLD表征神经元活动，两者跨体素相关的值代表全脑灰质内NVC，而两者的比值代表区域NVC，结果显示，神经元活动与脑血流灌注具有显著跨体素相关性。此外，当工作记忆任务负荷加重时，神经元活动与脑血流灌注的相关性更强，为无创研究疾病状态下NVC的改变及其临床意义提供了基础。多项基于fMRI的研究已经表明中枢神经系统疾病存在神经元活动和脑血流灌注的改变，但这些基于单模态的研究并不能全面、敏感地反映NVC在疾病状态下的改变，因此，利用多模态fMRI 研究中枢神经系统疾病NVC 变化对理解疾病的潜在病理生理机制具有一定意义。

3.1 视神经脊髓炎谱系疾病

视神经脊髓炎谱系疾病（neuromyelitis optica spectrum disorder, NMOSD）是一组自身免疫介导的主要导致视神经和/或脊髓脱髓鞘和轴索损伤为特征的炎症性中枢神经系统综合征，血清水通道蛋白4 免疫球蛋白G 抗体（aquaporin-4 immunoglobulin G autoantibodies, AQP4-IgG）存在是其主要致病因素，也是鉴别NMOSD 与多发性硬化的主要指标[16]。NMOSD 的人群发病率为0.0003%～0.0040%，亚洲人群发病率相对稍高[17]。最初认为NMOSD是仅局限于视神经和脊髓的脱髓鞘疾病,近来的研究表明NMOSD是一种自身免疫性疾病，主要针对星形胶质细胞AQP-4，血清AQP4-IgG 一旦进入中枢神经系统，首先导致星形胶质细胞损伤，然后是粒细胞浸润、少突胶质细胞死亡、神经元细胞死亡[16]，导致NVC 异常。SAVOLDI 等[18]使用FC 分析发现NMOSD 患者显示的异常神经元活动主要涉及与认知功能相关的默认网络和突显网络，提示这些区域的异常神经活动可能是NMOSD 认知功能减退的潜在病理机制。ZHANG等[19]基于ASL分析发现NMOSD 患者多个脑区存在CBF 改变，且变化程度更大的CBF 与更严重的残疾评分相关，提示CBF 变化可能是NMOSD疾病进展的一种生物标记物。GUO等[20]等结合CBF 与ReHo 探索NMOSD 患者NVC 变化，结果显示，NMOSD 患者全脑NVC 降低，且在顶叶、扣带回等涉及认知功能的脑区发现了区域NVC失耦合，研究还发现区域NVC 异常降低和增加都与NMOSD 患者更严重的残疾评分和认知能力下降有关。

联合BOLD、ASL 的脑影像研究无创揭示了NMOSD患者与神经元活动变化及脑血流灌注异常有关的NVC 变化，以灌注和神经元活动减少为基础的早期认知改变可能代表了NMOSD 对血管和神经元系统的早期有害影响，表明多模态NVC分析相较于单模态分析能够更早更敏感地揭示疾病的临床变化，NVC 的神经影像学研究在病变检出、疾病严重程度评估等方面可能更具有临床应用价值，也为评估NMOSD患者的临床残疾和认知障碍提供了潜在的影像标志物。

3.2 PD

PD 是一种与年龄相关的复杂神经退行性疾病，临床特征包括运动症状（如：静止性震颤、运动迟缓）和非运动症状（如：认知功能缺陷），这些临床症状给患者生活造成极大困扰，严重降低患者生活质量[21-22]，每年新发病例在5/10 万至35/10 万之间，在65 岁以上人群和85 岁以上人群中的患病率分别约3%和5%，其发病率随年龄的增长而增加[23-25]；神经病理学研究表明PD 最常累及黑质纹状体通路，造成黑质神经元丢失，从而引起纹状体多巴胺缺乏以及神经元内α-突触核蛋白积累，并进一步影响皮层功能，但PD 的具体病因仍然未知[26]。基础研究证实，神经元的丢失和神经元内α-突触核蛋白积累及清除障碍导致NVU 结构紊乱，并且PD 患者存在脑微血管结构变化，造成大脑区域CBF 灌注不足，进而导致NVC 失耦合[26-27]；神经影像学研究方面，基于fMRI 的荟萃分析发现PD患者小脑区域神经元异常活动与运动症状具有相关性[28]，说明小脑神经元活动变化可能是对基底神经节功能障碍的一种代偿，对于改善PD 患者运动症状的可能发挥关键作用。基于ASL 的研究发现PD患者楔前叶、后扣带回皮层的异常CBF能够用于区分PD 与正常对照[29]，这提示PD 的异常灌注模式可能是一种新的影像生物标志物。SHANG等[30]结合CBF与ReHo分析发现PD患者全脑NVC显著降低，区域NVC异常主要涉及运动、认知控制的脑区，与疾病严重程度、认知功能减退相关，表明NVC 失耦合可能是造成PD 疾病进展的一个重要因素，为PD 的病理机制研究提供了有力支撑。SHANG 等[31]发现CBF/ReHo 相较于CBF、ReHo 具有更好的区分能力，说明基于NVC 的fMRI 研究敏感性和特异性方面更具优势，能够更加有效地利用fMRI 的信息，更好地反映PD 患者脑功能的改变。此外，LI 等[32]对康复治疗前后PD 患者的研究发现，治疗后全脑NVC 降低，右侧额上回区域NVC降低与运动功能改善相关，提示区域NVC改变的脑区可能是PD 治疗的潜在靶点，也说明康复治疗在改善PD患者临床症状、延缓病情进展中发挥了重要作用。

基于BOLD、ASL 以及二者联合利用均能发现PD患者脑功能的异常变化，这些异常变化可能是其运动功能障碍、认知功能减退的一种客观影像标志物，与单独使用BOLD、ASL 的研究相比，基于二者联合的NVC研究能够为PD的早期诊断、预后评估提供更全面的信息。未来仍需加强病因机制探索、fMRI 多模态整合研究，以更好地理解疾病机制，提高早期诊断的准确性，并为临床治疗提供更多依据。

3.3 AD

AD 是一种以进行性认知能力下降和记忆障碍为特征的中枢神经系统退行性疾病，其神经病理学特征包括由过度磷酸化tau 蛋白组成的细胞内神经原纤维缠结，以及由淀粉样蛋白-β（Aβ）形成的细胞外淀粉样斑块[33]。基础研究发现NVC 失耦合在AD 中非常普遍，但是其具体病理生理机制仍有待进一步探索，可能与Aβ 的积聚和血脑屏障破坏有关[34-35]。神经影像学研究为AD的诊断和治疗提供了宝贵的影像生物标记物，基于BOLD-fMRI 的FC 分析发现AD 与大脑活动和网络的中断有关，参与记忆巩固任务的默认网络中的后扣带皮层/楔前叶为主要受累及的脑区[36-37]，这可能为AD 患者早期诊断、早期干预并改善AD临床症状提供关键依据。此外，基于ASL的研究发现AD患者的后扣带回、楔前叶、额叶和眶额皮质以及海马等脑区存在显著的低灌注与认知障碍与疾病进展有关[38]，提示脑灌注异常可能是AD 疾病进展的潜在相关风险因素，探索灌注异常背后的相关机制可能提高对AD 疾病进展的理解。LI 等[39]联合BOLD 与ASL 对不同疾病阶段AD（Aβ 阴性、Aβ 阳性）的NVC 分析发现Aβ 阳性AD 患者左内侧颞回、颞下回的区域NVC 显著减低，且与认知功能、AD 病理负担之间存在相关性，提示AD 的病理进展可能是NVC 失耦合的潜在机制。

研究提示AD患者默认网络功能活动改变可能是其认知功能减退的关键因素，可能为AD 的早期干预提供一定的依据；NVC 的变化与病理进展相关，提示AD 病理进展可能对NVU 的结构/功能造成了损伤，后续的研究需要进一步探索基于fMRI 的NVC 失耦合与Aβ 积聚、血脑屏障功能破坏等AD 病理机制的关联，为疾病机制提供新的理解，并为AD 的早期诊断及干预提供可靠的神经影像依据。

3.4 癫痫

癫痫是脑内异常过度或同步的神经元活动导致神经系统功能紊乱为特征的一种慢性神经系统疾病，是临床常见的神经系统疾病[40-41]。癫痫的发病率呈双峰分布，儿童和老年人发病率较高，癫痫的长期发作对脑的正常结构、功能均有严重影响，影响癫痫患者的生活及社会交往，且癫痫发病年龄越小、症状控制越差的患者预后更差。然而，对于癫痫的神经病理机制仍然不清楚，基础研究证实癫痫反复发作能够破坏NVU 完整性，损害NVC 功能[42-43]，导致脑血流灌注与神经元活动失耦合，而NVC失耦合又会导致癫痫发作阈值减低，使癫痫发作频率增加，这可能是癫痫耐药的机制之一[44-45]。既往研究证实癫痫患者癫痫发作后灌注不足脑区与可能的致痫灶位置一致，而常规磁共振检查并未发现异常[46]，表明CBF 对于致痫灶的检出可能更敏感。对颞叶癫痫的FC研究显示涉及语言和认知功能的脑区存在FC 异常[47]，提示这些脑区的异常神经元活动可能是颞叶癫痫认知功能改变的潜在原因。本研究团队前期联合ASL、静息态fMRI研究特发性全面性癫痫NVC变化[48]，发现特发性全面性癫痫患儿全脑NVC相较于正常对照明显降低，区域NVC 失耦合的脑区主要涉及认知和执行控制功能的脑区，其中右内侧额回的区域NVC异常与癫痫患者操作智商呈负相关，而右侧内侧额回在单模态分析中均未表现出异常，单模态分析异常脑区则在NVC研究中得到很好的复现。表明相比于单模态的BOLD、ASL研究，基于NVC研究能更敏感更全面检测癫痫发作的神经元活动和CBF 变化，区域NVC 失耦合可能是癫痫患儿认知功能改变的潜在相关因素。

基于BOLD、ASL 的癫痫NVC 研究能发现单模态研究无法检测的早期改变，有效促进了癫痫病理生理机制的理解，而目前关于癫痫NVC 的fMRI 研究还很少，未来可以在进行更大样本、更多癫痫亚型多中心研究的同时，加强多模态融合研究，以获得更可靠的影像标志物，验证其在不同亚型患者中的适用性，为个体化治疗提供更多依据。

4 总结与展望

综上所述，虽然基于fMRI 的NVC 在中枢神经系统疾病的研究应用不多，但其在NMOSD、PD、AD以及癫痫等疾病的研究表明，NVC 研究能更早更敏感无创性揭示脑功能异常及其与认知功能相关性。NVC 与各种疾病的病因、发病机制之间的相互关系需要更深入地探索，未来基于fMRI 的NVC 研究应注重机制探究、多模态整合、纵向研究以及个体化研究，以深入了解NVC在中枢神经系统疾病中的作用，为疾病的早诊早治及预后评估提供新的思路和理论依据。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。

作者贡献声明：张体江设计本综述的方案，对稿件重要的智力内容进行了修改，获得了国家自然科学基金、贵州省高等学校智能医学影像工程研究中心项目的基金资助；冉海峰起草和撰写稿件，获取、分析或解释本综述的文献；全体作者都同意最后的修改稿发表，都同意对本综述的所有方面负责，确保本研究的准确性和诚信。