遗忘型轻度认知障碍患者默认网络动态功能连接研究

李芸菲,冯田钰怡,林丽萍,魏春晓,赵小虎

(复旦大学附属上海市第五人民医院放射科,上海 200240)

阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)是一种不可逆转的神经退行性疾病,临床上早期以情景记忆障碍为主要表现。随着疾病进展,产生广泛认知障碍,丧失生活能力。遗忘型轻度认知障碍(am-nestic mild cognitive impairment,aMCI)被认为是AD的前期阶段,约2/3的AD由aMCI转化而来[1],研究aMCI对早期发现AD有重要价值。

静息态功能磁共振技术(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)通过检测脑血液动力学变化,即血氧水平依赖(blood oxygen level dependent,BOLD)信号,间接反映人脑的自发活动。测量不同脑区之间BOLD信号时间相关性,可检测脑区之间的功能连接(functional connectivity,FC)。默认网络(default mode network,DMN)是指静息状态下,脑功能连接较强的某些脑区所构成的网络,与情景记忆、自我意识、认知情感的持续进行以及对周围环境感知等功能相关[2-5]。研究发现,aMCI患者DMN内部功能连接与正常人比存在异常,这种异常与认知功能下降有关[6-8]。

人脑活动是瞬时变化的。既往脑功能研究多基于BOLD信号在整个rs-MRI扫描过程中保持稳定的假设,忽略了脑内信号随时间动态变化的特点。动态功能连接(dynamic functional connectivity,dFC)分析可以反映这种脑功能活动变化,预测神经系统疾病严重程度[9-10],反映认知功能变化[11]。目前aMCI患者DMN动态功能连接研究报道相对较少,其与认知功能的关系尚不明确。本研究基于静息态磁共振技术,研究aMCI患者DMN动态功能连接变化,及其与认知功能关系,探索可能用于早期诊断的生物标记物。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究共纳入同济大学附属同济医院24例aMCI患者,其中男性16例,女性8例,中位年龄73.00(67.50,81.00)岁,均为汉族、右利手。aMCI患者均符合皮尔逊对轻度认知障碍患者诊断标准[1],采用统一简明智能状态检查量表(mini-mental state examination,MMSE)进行认知能力评估。55例正常对照受试者(NC组),其中男性26例,女性29例,中位年龄72.00(66.50,78.00)岁,均为汉族,右利手。入组标准:(1) 受教育时间大于5年;(2) MMSE评分正常;(3) 视力、听力、言语正常;(4) 无重要脏器疾病;(5) 无颅脑疾病;(6) 无精神病史;排除标准包括:(1) 有神经或精神或头部损伤史;(2) 目前使用药物治疗神经系统疾病;(3) 身体、智力残疾;(4) MRI 禁忌证。受试者均经过知情同意,一般资料见表1。

表1 一般资料

1.2 MRI数据采集

所有MRI数据在同济大学附属同济医院放射科西门子3.0 T MRI上采集。rs-fMRI数据采用平面回波成像(EPI)序列,扫描参数为:重复时间(TR)=2 000 ms,回波时间(TE)=30 ms,翻转角(FA)=9°,矩阵=64×64,体素大小=3.44 mm×3.44 mm×4.29 mm,层数=31,层厚=3.8 mm,共扫描230个时间点(共460 s)。MRI扫描前告知受试者在扫描过程中保持安静、尽可能减少头动、避免特异性思维活动,保持清醒,扫描过程中受试者佩戴隔音耳塞减少噪声干扰。

1.3 数据预处理

1.4 确定默认网络节点

默认网络包括后扣带回、前内侧额叶、海马、部分颞叶、后顶叶、楔叶、楔前叶等脑区。本研究根据Kavroulakis等[12]基于AAL模板确定的默认网络,共16个脑区,见图1。

图1 默认网络16个脑区空间分布示意图[12]

1.5 基于滑动时间窗法的动态功能连接分析及动态时间特征提取

根据所得到的状态,提取状态动态时间特征参数:(1) 平均停留时间(mean dwell time,MDT)即在时间分布上连续且被聚类为相同状态的平均窗口数,代表每个状态的持续时间;(2) 时间占比(fraction time,F):指被试某种状态的窗口数在总窗口数中的占例;(3) 状态转换次数(numbers of transitions,NT):扫描期间不同状态间的切换次数;(4) 自身转移概率(probability of transitions,PT):每个状态转移至自身状态的概率。

1.6 统计学处理

2 结 果

2.1 默认网络存在两种动态功能连接模式

aMCI患者和正常对照组DMN存在两种动态功能连接模式,即强连接状态和弱连接状态。前者功能连接模式以强功能连接强度为主(平均功能连接=0.498),后者以弱功能连接强度为主(平均功能连接=0.469),如图2。

图2 默认网络两种动态功能连接模式示意图

2.2 默认网络两种动态功能连接模式组间比较

独立样本t检验检结果,显示aMCI患者和NC组DMN的强连接状态和弱连接状态功能连接模式均差异无统计学意义(P>0.05)。

2.3 aMCI患者与正常人默认网络动态时间特征组间比较

默认网络强连接与弱连接状态之间存在转换,两组被试状态转换次数无统计学差异[aMCI:4.00(2.00,6.00),NC:0.03(0.01,0.06),P=0.106,Z=-1.616]。

强连接状态下,aMCI患者的平均停留时间较正常对照延长[aMCI:35.67(25.88,61.25),NC:21.60(11.75,35.12),P=0.005,Z=-2.820],自身转移概率较对照组增高[aMCI:0.98(0.97,0.99),NC:0.97(0.93,0.98),P=0.008,Z=-2.641]。但时间占比[aMCI:0.50(0.30,0.77),NC:0.40(0.18,0.64),P=0.254,Z=-1.616]组间差异无统计学意义。

弱连接状态下,aMCI患者的平均停留时间[aMCI:34.67(14.58,58.88),NC:29.50(13.83,55.75),P=0.815,Z=-0.235]、时间占比:[aMCI:0.50(0.23,0.70),NC:0.60(0.36,0.82),P=0.254,Z=-1.141]及自身转移概率[aMCI:0.98(0.95,0.99),NC:0.97(0.94,0.99),P=0.423,Z=-0.801]与正常人差异无统计学意义,见图3。

图3 aMCI患者默认网络动态时间特征变化

2.4 aMCI患者默认网络动态时间特征与认知功能相关性分析

aMCI患者DMN状态动态时间特性参数(平均停留时间、时间占比、状态转换次数、自身转移概率)与认知评分(MMSE)相关性分析发现,aMCI患者默认网络强弱状态间转换次数与MMSE评分呈正相关(P=0.034,r=0.433),见图4。

图4 aMCI患者默认网络状态转换次数与MMSE评分的相关性

3 讨 论

本研究基于rs-fMRI技术,分析aMCI患者DMN动态功能连接变化,及其与认知功能的关系。发现DMN动态功能连接存在两种模式:强连接状态、弱连接状态,两种状态随时间动态转换。其中aMCI患者强连接状态居留时间较正常人延长、自身转移概率增加,aMCI患者认知功能与状态转换能力有关。这些结果反映了aMCI患者DMN动态功能连接特征发生改变,并且与认知功能下降有关,这为早期识别和诊断治疗aMCI提供了新的思路。

3.1 默认网络动态功能连接状态

默认网络主要参与情景记忆、自我认可、认知情感的持续进行以及对周围环境的感知等功能[2-5]。有研究发现DMN内部的功能连接越强,认知功能表现越好。aMCI患者进展到AD过程中,DMN功能连接损伤逐步增加,处理信息的效率大幅降低[4]。人脑活动是瞬时变化的,DMN内部FC也随时间动态变化[11]。一项针对老化的动态功能连接研究发现,脑内存在强弱2种动态功能连接模式[15]。然而,也有研究发现了多种脑动态功能连接模式[16],推测这可能与研究对象、动态功能连接分析方法等差异有关。这其中DMN的动态功能连接模式可以归为两大类,即强连接状态和弱连接状态。有研究认为,强连接状态可能代表大脑的高耗能状态[16],而弱连接状态代表了大脑的低耗能状态。Liang等[17]发现DMN为主的强连接状态的分配时间下降与认知功能受损有关,DMN强连接状态分配时间逐渐降低也反映了老化过程中认知功能的再分配[15]。aMCI作为AD的早期阶段,主要表现为以记忆功能受损为主的认知损害,因此推测aMCI患者可能出现与记忆相关的默认网络动态功能连接特性改变。

3.2 aMCI患者默认网络动态时间特征改变

本研究分析了aMCI患者DMN的dFC改变,发现aMCI患者DMN存在两种动态功能连接模式,即强连接状态和弱连接状态,这两种状态随时间动态转换。并且aMCI患者主要出现DMN强连接状态时间特征变化,其居留时间较正常人增加,更容易出现状态内转移。这些结果表明aMCI患者在这种DMN高消耗状态中花费更多时间成本。本课题组既往针对aMCI患者的静态功能连接研究发现aMCI患者出现记忆功能障碍可能导致DMN功能连接增强,认为这是一种代偿现象[18]。结合本研究结果,早期DMN静态FC升高其本质可能是DMN强连接状态的居留时间增加导致的。根据DMN中AD级联网络故障的理论框,早期阶段FC升高可能是由于疾病导致的脑负担增加引起的,当疾病负担逐渐加重,这种负担可能会作为一种补偿策略传播其他区域,导致广泛的脑FC受损[19]。一项关于AD患者全脑动态功能连接模式研究发现,AD患者已发生全脑动态功能连接模式受损,以DMN受损最为严重[20]。值得注意的,本研究分别比较了aMCI患者与正常老人两种默认网络动态功能连接模式,发现两组间没有明显差异。考虑到本研究aMCI患者中位MMSE评分28.00(26.75,29.00),总体处于疾病的早期阶段,病理负担较轻,其动态功能连接模式可能并未破坏,而是以动态时间特征改变为主。

此外,本研究发现aMCI患者默认网络状态转移次数与MMSE评分明显相关(P=0.034,r=0.433),随着状态转移次数下降,其认知能力也呈现下降趋势。状态转移次数可以反映脑神经灵活性。本研究发现aMCI患者默认网络状态转移次数下降,也可能与aMCI患者神经灵活性受损有关[21]。Jones等[19]认为默认网络功能连接的动态变化与认知任务期间的神经灵活性密切相关。Díez-Cirarda等[11]研究帕金森患者动态功能连接时发现,认知功能减退程度会随着全脑状态转换次数下降而增加。结合aMCI患者默认网络强连接状态平均居留时间增加,以及状态转移次数下降,本研究认为,这种动态特征紊乱可能是aMCI患者记忆功能受损的体现。

3.3 本研究的不足与局限性

本研究初步探索aMCI患者DMN动态功能连接变化,对传统DMN静息态功能连接研究做了一定补充。但本研究样本量相对较小,aMCI患者主要处于疾病早期阶段,仅为横断面研究,存在一定局限性。并且对于aMCI患者DMN动态功能连接纵向变化,本研究尚未开展。考虑到本研究局限性,未来工作中会继续扩大样本量,展开纵向随访研究。

综上所述,aMCI患者DMN动态功能连接模式较正常人未发生明显变化,但其动态时间特征发生了明显改变,并且与认知功能受损有关,这为早期发现及诊断aMCI提供了新的视角。