阿尔茨海默病不同频段低频振幅静息态功能磁共振成像研究

肖慧，吴应行，倪萍，付丽媛，李辉，陈自谦

1.南京军区福州总医院 a. 医学影像科，b. 医学工程科，福建 福州350025；2. 遵义医学院附属医学 放射科，贵州 遵义 563000

阿尔茨海默病不同频段低频振幅静息态功能磁共振成像研究

肖慧1a，吴应行2，倪萍1b，付丽媛1a，李辉1a，陈自谦1a

1.南京军区福州总医院 a. 医学影像科，b. 医学工程科，福建 福州350025；2. 遵义医学院附属医学 放射科，贵州 遵义 563000

目的 探讨阿尔茨海默病（AD）患者静息状态下不同频段低频振幅（ALFF）脑功能活动特点。方法 使用3.0T磁共振对20例AD患者及20名正常对照者进行脑静息态功能磁共振检查。采用静息态功能磁共振数据处理助手（DPARSF）和静息态功能磁共振数据分析工具包(REST)进行处理及检验统计分析，主要观察Slow-4和Slow-5频率段AD组的脑功能活动特点，用REST软件呈现结果，确定有统计学意义的脑区解剖位置。结果 与正常对照组相比，AD患者组ALFF值减低的脑区包括：后扣带回、楔前叶、双侧额叶及双侧顶下小叶（P<0.05）；双侧海马旁回和梭状回、右侧额顶叶、右侧小脑后叶和双侧基底节区的ALFF值则明显升高（P<0.05）；双侧基底节区的自发神经活动对Slow-5频率段更敏感，而较高频率的Slow-4频率段更适合检测出双侧海马旁回及梭状回等脑区自发神经活动的异常。结论 AD患者多个脑区自发神经元活动存在异常，且部分脑区的自发神经元活动存在频率依赖性。

阿尔茨海默病；痴呆；静息态功能磁共振；低频振幅

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）又称老年性痴呆，临床表现为记忆和认知功能的减退，是一种不可逆性中枢神经系统退行性疾病。研究表明AD患者在出现明显脑萎缩等结构改变之前的早期阶段，部分大脑区域的生理功能、代谢已发生明显改变[1]。随着医学影像学的发展和影像技术的进步，功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）为AD的早期诊断提供了新的方法，fMRI可从组织功能水平探测疾病早期阶段的信号改变。PET研究早就证实人脑在静息状态下并不是一成不变的，许多脑区在静息状态时的表现存在明显的代谢活性增高，这种活性增高可通过静息态功能磁共振成像（resting state fMRI, RS-fMRI）予以体现。低频振幅法（amplitude of lowfrequency fluctuation，ALFF）是目前应用较多的RS-fMRI研究方法，该方法可通过计算被试者在一段较短时间内脑内的低频振荡信号的平均幅度值，来反映大脑在该段时间内的自发活动强度。目前，许多国内外研究者已经开始采用不同频率的ALFF法研究多种神经系统疾病的神经活动和认知功能的联系[2-3]。然而，AD患者大脑神经活动在不同频率的低频振荡是否异常还不得而知。因此，本研究采用分频率段ALFF法来研究AD患者在不同频率下的大脑自发低频振荡活动发生的改变，旨在探讨其脑功能活动改变是否依赖于频率的改变。

1 材料和方法

1.1 一般资料

选取来自在南京军区福州总医院老年科就诊的AD患者20例，其中男9例，女11例，平均年龄（80.4±6.37）岁，MMSE评分（18.68±4.04）分，CDR评分（1.6±0.76）分，受教育程度为高中以下15例，高中及以上5例，均为右利手。选取与AD组年龄、性别、受教育程度及利手相匹配的正常健康志愿者20例，男10例，女10例，平均年龄为（72.0±6.92）岁，MMSE评分（28.4±0.82）分，CDR评分0分，受教育程度为高中以下14例，高中及以上6例。所有受试者均自愿同意参与本实验研究。本实验经南京军区福州总医院医学伦理委员会批准通过。

AD组纳入标准为：① 符合美国国立神经病学、语言交流障碍和卒中老年性痴呆及相关疾病学（NINCDSADRDA）AD诊断标准；② MMSE 评分： ≤17分(文盲)，≤20分 (小学)，≤24分 (中学及以上)；③ CDR 评分≥0.5分；④ HIS≤4分，以排除血管性痴呆；⑤ 常规MRI排除血管源性痴呆和其他可导致痴呆的神经系统疾病；⑥ 无严重躯体疾病及烟酒等物质滥用情况；⑦ 不符合抑郁症诊断标准。

正常对照组纳入标准为：① MMSE 评分≥28分；②CDR 评分为0分；③ 躯体常规检查和实验室常规检查结果均为正常；④ MRI常规检查已排除神经、精神疾患等器质性病变；⑤ 无严重烟酒等物质滥用情况。

1.2 检查方法

1.2.1 仪器设备及软件

德国Siemens 3.0 T Trio Tim 磁共振扫描仪，12通道相控阵颅脑线圈。静息态功能磁共振数据处理助手（Data Processing Assistant for Resting-State fMRI，DPARSF），北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室开发静息态功能磁共振数据处理工具包V1.8（Resting-State fMRI Data Analysis Toolkit V1.8，REST），神经影像学统计参数图（Statistical Parametric Mapping，SPM8）软件以及统计软件SPSS 16.0。

1.2.2 扫描方法

常规MRI扫描包括横断面T1WI、T2WI、DWI及FLAIR序列扫描。T1WI扫描参数：TR=2000 ms，TE=9.2 ms，扫描野（FOV）=230 mm×230 mm，Flip angle=130°，层厚= 5 mm，层数=20；T2WI扫描参数：TR=3000 ms，TE=98 ms， FOV=23 cm ×23 cm，Flip angle=130°，层厚=5.0 mm，层数=20；DWI扫描参数： TR=5100 ms, TE=90 ms，FOV=23 cm×23 cm，Flip angle=130°，层数=20；FLAIR扫描参数：TR=7000 ms，TE=93 ms，FOV=23 cm×23 cm，Flip angle=130°，层厚= 5 mm，层数=20。矢状位T1WI-3D结构像，覆盖全脑，扫描参数：TR=1900 ms，TE=2.5 ms，FOV=240 mm×240 mm，Flip angle=9°，层厚= 1 mm，层间距=0，Matrix=256×256，NEX=1，Slice=160，体素大小=1 mm×1 mm×1 mm，用于静息态扫描定位。常规扫描显示大脑内无明显异常信号后，嘱受试者闭眼、放松、不要动、尽量不要想任何事情，然后开始行静息态fMRI扫描，静息态fMRI扫描方位平行于前颅底和前后联合，采用EPI（echo-planar imaging，EPI）序列，扫描参数为：TR=2000 ms，TE=30 ms，FOV=24 cm×24 cm，Flip angle=90°，层厚= 4 mm，层间距=0，Matrix=64×64，NEX=1，层数=33，扫描时间488 s，体素大小=3.8 mm×3.8 mm×4.0 mm。

1.3 数据后处理及统计分析

1.3.1 一般资料统计分析

采用SPSS 16.0统计学软件对两组受试者的性别、年龄、受教育程度和神经心理学量表评分进行统计分析；其中性别和受教育程度比较进行χ2检验比较；年龄和神经心理学量表等计量资料采用并采用两独立样本t检验进行统计检验，所有统计检验均采用双侧检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

1.3.2 RS-fMRI数据预处理

所有受试者的RS-fMRI数据进行离线后处理，将数据传入PC机。在MATLAB操作平台下应用的静息态功能磁共振数据处理助手DPARSF软件处理RS-fMRI数据。为了减少患者适应扫描环境及尽量减小初始扫描时磁场不均匀性的影响，前10个时间点的数据被去除，然后利用DPARSF软件对剩余的230个时间点数据进行以下预处理：① 时间校正：位于中间的第33层被选作为参考层，然后将其余层对齐到该层，以消除因采集时间的不同对数据造成的影响；② 头动校正：头动图像中如果出现平动＞ 2.5 mm，转动角度＞2.5°的数据将被舍弃；③ 空间标准化：将头动校正后的图像空间标准化到蒙特利尔神经病学研究所 (MNI）标准头解剖模板上，并以3 mm×3 mm×3 mm大小体素进行重采样；④ 平滑：以全宽半高（FWHM）为4 mm 的高斯核对经过空间标准化后图像做空间平滑处理, 以此来减少图像随机噪声，并且提高信噪比，使所得数据从空间分辨率上更容易于对比；⑤ 去除线性漂移；⑥ 滤波：采用0.01～0.027 Hz和0.027～0.073 Hz频率分别进行滤波，以降低低频漂移和高频噪声。

1.3.3 低频振幅数据提取

ALFF分析方法概括如下：对于一个给定的体素，首先将它的时间序列进行快速傅里叶变换转换到频域，得到其功率谱，然后计算该时间序列功率谱的平方根，将其平方根所得值平均在一个给定的频域范围，功率谱平方根经平均后的值便是该体素ALFF值[4]。根据先前的研究，我们将整个频率段分成四个子频率段：Slow-5(0.01～0.027 Hz)、Slow-4(0.027～0.073 Hz)、Slow-3(0.073～0.198 Hz)、Slow-2(0.198～0.25 Hz)[3]。本研究摒弃了Slow-3及Slow-2两个频率段的信号，因为这两个频段的信号主要反映了白质信号和高频生理噪声；而Slow-4和Slow-5频率段反映的是灰质信号，本研究主要对其进行低频振幅计算和统计分析[5]。

1.3.4 组间分析

ALFF计算结束后，在MATLAB平台上运用REST V1.8软件（http://www.rest fmri. net/forum/index.php）对AD组和正常对照组分别进行统计检验，首先使用两因素水平重复方差分析进行主效应检验，检验水准为P=0.05；其次采用两独立样本t检验分别对Slow-5和Slow-4频率段的AD组和对照组数据进行统计检验，检验水准为P=0.05（Alphasim校正），设定有统计学意义集簇大小为＞54个voxles。结果使用REST软件自带 Slice viewer 工具确定对应的MNI坐标上有明显统计意义脑区的具体解剖位置, 通过报告得出差异脑区的体素，并利用REST软件进行结果呈现。

2 结果

2.1 一般资料结果

20例AD患者及20例健康对照者的性别、年龄、教育程度、MMSE评分及CDR评分的分布情况详见表1，两组受试者间性别、年龄及教育程度差异无系统学意义（P>0.05）；两组间MMSE评分及CDR评分差异有系统学意义（P<0.05）。

2.2 静息态fMRI数据分析结果

2.2.1 两频率段主效应差异

通过频率间主效应比较，本研究发现在两个频率段间许多脑区的ALFF明显不同。在双侧内侧前额叶、双侧基底节区、右侧后扣带回、楔前叶、双侧顶下小叶、枕叶及小脑等脑区，其ALFF值在Slow-5频率段较Slow-4频率段明显增高；而在双侧颞叶、脑干、岛叶及外侧额叶等脑区，Slow-5频率段较Slow-4频率段的ALFF值明显减低（图1）。

2.2.2 Slow-5频率段ALFF差异

AD组较对照组在Slow-5频率段ALFF值升高的脑区有右侧海马旁回、右侧梭状回、右侧小脑后叶、双侧丘脑、右侧岛叶、右侧颞上回、右侧顶上小叶和右侧中央旁小叶（图2、表2）。AD组较对照组在Slow-5频率段ALFF值减低的脑区包括后扣带回、楔前叶、左侧角回、双侧顶下小叶、双侧额上回、左侧额中回和右侧额下回（图3、表3）。通过对AD组上述脑区ALFF值与其MMSE评分做相关性分析，发现AD患者后扣带回（posterior cingulate cortex，PCC）脑区ALFF值与其MMSE评分呈正相关（r=0.43，P=0.059）（图4）。

2.2.3 Slow-4频率段ALFF差异

AD组较对照组在Slow-4频率段ALFF值升高的脑区主要有双侧海马旁回、双侧梭状回、右侧颞上回、双侧顶上小叶、右侧中央旁小叶及右侧尾状核头（图5，表4）。AD组较对照组Slow-4频率段ALFF值减低的脑区主要包括双侧颞中回、后扣带回、双侧额中回、右侧额下回及左侧顶下小叶（图6，表5）。通过AD患者上述脑区ALFF值与其MMSE评分做相关性分析，发现在Slow-4频率段AD患者PCC脑区ALFF值与其MMSE评分呈正相关（r=0.479，P=0.033）（图7）。

3 讨论

ALFF是目前应用较多的RS-fMRI研究方法，该方法可通过计算被试者在一段较短时间内脑内的低频振荡信号的平均幅度值，来反映大脑在该段时间内的自发活动强度。目前关于AD的RS-fMRI研究大多集中在0.01～0.08 Hz频率段的低频振荡信号。目前，许多国内外研究者已经开始采用不同频率的ALFF法研究多种神经系统疾病的神经活动和认知功能的联系[2-3]。国内学者左西年首先将RS-fMRI的低频振荡分解为四个频段研究大脑神经元的低频振荡[5]。尽管如此，AD患者大脑神经活动在不同的频率的低频振荡是否异常还不得而知。

通过Slow-5和Slow-4两频率间主效应的比较，本研究发现AD患者神经元自发活动在两频率间存在显著的不同。在双侧前额叶内侧、双侧基底节区、后扣带回、楔前叶、双侧顶下小叶及枕叶的一些脑区，其ALFF值在Slow-5频率段较Slow-4频率段明显增高；而在双侧颞叶、脑干、岛叶及外侧额叶等脑区，在Slow-5频率段较Slow-4频率段ALFF值明显减低。先前的研究认为较低频率的振幅更适合较大神经元网络的整合，而较高频率的振幅被限制在较小的神经空间[3]。额颞枕叶皮层有相对较大的体积，而且主要参与远距离的连接，形成了一个相对较大的神经网络，因此这些脑区在较低的Slow-5频率段活性较高，此观点与本研究中在Slow-5频率段显示神经元活性较高的脑区的研究结果相似。但本研究中发现处于皮层下较小神经网络的双侧基底节区在Slow-5频率段活性也较高，与上述文献报道不一致，因此关于基底节区的频率依赖性尚需进一步研究。

此外，Buzsaki等[3]还发现处于皮层下的中脑、海马及海马旁回等脑区主要参与局部神经活动，形成相对较小的神经活动网络，故较高频率的Slow-4频率段更适合其进行神经调节，我们的研究也有类似的发现。通过组间及频率间分析，本研究结果表明AD患者自发神经活动存在一定的频率依赖性，Slow-5频率对检测基底节区的神经活动的异常更敏感，而较高频率的Slow-4频率段对双侧海马旁回及梭状回的神经活动异常的检测更敏感。至于不同的频率是否能够应用于AD疾病的诊断，以及能否应用于对其进行病情进展进行实时监测，尚需要更多的研究支持。

本研究结果显示，双侧前额叶、后扣带回/楔前叶及双侧顶下小叶在Slow-5和Slow-4两个不同的频率段均有明显的ALFF减低。这些ALFF减低的脑区和默认网络脑区有高度的重叠性。所有ALFF减低脑区中，后扣带回脑区ALFF减低的体素最大。通过提取AD患者以上两个频率段ALFF减低脑区的ALFF值与其对应的MMSE评分作相关分析，均发现AD患者组后PCC的ALFF值与其MMSE评分呈正相关，提示AD患者存在部分DMN脑区功能减低，且AD病情越重，MMSE得分越低，PCC脑区的大脑自发神经活动就越弱，这表明后扣带回的自发神经活动与AD患者的认知功能改变有明显的关系，并提示可将该脑区作为AD早期诊断的影像标记脑区。楔前叶也是默认网络的重要组成部分，其作用主要与情景记忆的提取密切相关[6]。He等[7]研究者使用局部一致性（Reho）方法研究AD脑功能活动改变时，发现AD患者后扣带回和楔前叶的局部一致性减低。Allen等[8]学者采用海马作为种子点研究AD患者大脑功能连接性，发现后扣带回和楔前叶与脑内许多脑区的功能连接性减低。本实验研究发现AD患者楔前叶在两个频率段均表现为ALFF明显减低，与文献报道相符。

大量研究表明，额叶在人脑的记忆等认知功能中起着重要作用。Rombouuts等[9]通过记忆任务相关的fMRI方法对轻度认知障碍患者和正常对照组进行究，发现正常人在进行记忆任务时额叶处于显著的激活状态，而轻度认知障碍患者在额叶没有检测到明显的激活，因此认为额叶与记忆的处理密切相关。本组资料研究结果显示AD患者与记忆任务相关的双侧额叶在两个频率段的ALFF均呈明显减低，因此，本研究支持额叶在记忆处理过程中的重要作用的观点。

此外，本研究还发现AD患者在顶下小叶、角回及颞中回等脑区同样表现出ALFF减低。顶下小叶是组成后默认网络的主要成分，顶下小叶不仅与工作记忆有关，而且涉及短期记忆存储和语音编码语言材料的提取[10]。结构磁共振研究发现，从轻度认知障碍向AD进展的过程中，已经可以监测到顶下小叶结构的萎缩，并且认为顶下小叶的结构萎缩可以作为监测疾病进展的预防性指标[11]。也有研究报道两侧顶下小叶的作用不尽相同，右侧顶下小叶属于空间复述网络，在疾病早期一般改变不明显；而左侧顶下小叶则参与构成言语信息的存储及提取环路，因此在记忆功能减退的患者，该脑区神经元的活性减低比较明显。本研究发现，AD患者以左侧顶下小叶ALFF值减低明显，更进一步支持先前的研究观点。

通过Slow-5和Slow-4两个频率段组间ALFF值比较，发现AD患者出现广泛ALFF减低的同时，脑内一些脑区的ALFF也显著升高，主要包括双侧海马旁回、双侧梭状回、双侧丘脑、右侧尾状核、右侧岛叶、右侧小脑后叶、右侧颞上回、双侧顶上小叶及右侧中央旁小叶。海马旁回、梭状回、岛叶及颞上回是边缘系统的重要组成部分，Hamalainen等[12]学者采用任务相关的功能磁共振研究轻度认知障碍患者脑功能改变时，发现边缘系统在记忆编码过程中呈明显的高激活状态，其中，海马旁回在记忆信息的编码和提取中的作用尤为重要。Wang等[13]学者也报道了AD患者在双侧梭状回和双侧海马旁回ALFF升高。可能为AD患者出现记忆等认知功能损害时的一种神经补偿机制。

综上所述，本研究证明AD患者脑内神经元活动存在广泛的异常，属于默认网络脑区的后扣带回、楔前叶、额叶及顶下小叶等脑区ALFF值明显减低，而处于边缘系统的海马旁回和梭状回、额顶叶、以及组成小脑和基底节网络的脑区ALFF值明显升高。本研究认为这些脑区的ALFF值升高是AD患者认知功能损害的一种神经补偿机制。通过分频率段研究发现，AD患者部分脑区存在频率依赖性，双侧基底节区的自发神经活动对Slow-5频率段更敏感，而较高频率的Slow-4频率段更适合检测出双侧海马旁回及梭状回脑区自发神经活动的异常。

[1] 刘树良,李坤成,王亮,等.MRI体积测量内嗅皮层萎缩诊断Alzheimer病的价值[J].中华放射学杂志,2000,34(6):374-377.

[2] Knyazev G G.Motivation,emotion,and their inhibitory control mirrored in brain oscillations[J].Neurosci Biobehav Rev, 2007,31(3): 377-395.

[3] Buzsaki G, Draguhn A. Neuronal oscillations in cortical networks [J]. Science, 2004, 304(5679):1926-1929.

[4] Zang Y F, He Y, Zhu C Z, et al. Altered baseline brain activity in children with ADHD revealed by resting-state functional MRI [J]. Brain Dev, 2007,29(2): 83-91.

[5] Zuo XN, Di Martino A,Kelly C,et al.The oscillating brain: Complex and reliable[J]. Neuroimage, 2010, 49(2):1432-1445.

[6] Fransson P, Marrelec G.The precuneus/posterior cingulate cortex plays a pivotal role in the default mode network: Evidence from a partial correlation network analysis[J]. Neuroim age,2008,42(3):1178-1184.

[7] He Y,Wang L, Zang Y,et al. Regional coherence changes in the early stages of Alzheimer’s disease: A combined structural and resting-state functional MRI study[J]. Neuroimage,2007, 35(2): 488-500.

[8] Allen G, Barnard H,McColl R,et al.Reduced hippocampal functional connectivity in Alzheimer disease[J]. Arch Neurol, 2007,64(10):1482-1487.

[9] Rombouts, S.A, Barkhof, F, Goekoop, R, et al. Altered resting state networks in mild cognitive impairment and mild Alzheimer's disease: an fMRI study[J]. Hum. Brain Mapp,2005,26(4):231-239.

[10] Jonides,J, Schumacher, EH Smith, EE,et al.The role of parietal cortex in verbal working memory[J]. Neurosci,1998,18(13):5026-5034.

[11] Greene SJ,Killiany RJ.Subregions of the inferior parietal lobule are affected in the progression to Alzheimer's disease[J]. Neurobiol Aging,2010,31(8):1304-1311.

[12] Hamalainen A, Pihlajamaki M, Tanila H, et al.Increased fMRI responses during Encoding in mild cognitive impairment[J]. Neurobiol Aging,2007,28(12): 1889-1903.

[13] Wang Z,Yan C,Zhao C,et al. Spatial patterns of intrinsic brain activity in mild cognitive impairment and alzheimer's disease: A resting-state functional MRI study[J].Hum Brain Mapp. 2011,32(10):1720-1740.

Resting-State Functional MRI Study on the Low-Frequency Fluctuation within Different Band of Amplitude of Alzheimer’s Disease

XIAO Hui1a, WU Ying-hang2, NI Ping1b, FU Li-yuan1a, LI Hui1a, CHEN Zi-qian1a
1.a. Department of Medical Imaging, b. Department of Medical Engineering, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350025, China;
2. Department of Radiology, Affiliated Hospital of Zunyi Medical School, Zunyi Guizhou 563000, China

Objective To explore the features of brain activity in amplitude of low-frequency fl uctuation (ALFF) within different band of fl uctuation when the Alzheimer’s disease (AD) patients are in restingstate. Methods 20 AD patients and 20 matched healthy controls were examined with Siemens 3.0 T Trio MR scanner. DPARSF (data processing assistant for resting state fMRI) and REST software were used in data processing and statistics, mainly to observe brain activities in frequency bands of Slow-4 and Slow-5. The results were presented by REST software, thus, the anatomical location of brain regions which is of statistical significance was found. Results Compared with healthy controls, AD patients showed significantly decrease of ALFF value in PCC/PCu, bilateral frontal cortex, bilateral inferior parietal cortex. Significantly increased ALFF values were detected in the bilateral parahippocampal gyrus, bilateral fusiform, right frontal-parietal lobe, right cerebellum posterior lobe and basal ganglia. Slow-5 band was more sensitive in detecting abnormalities of spontaneous brain activity in the basal ganglia, while slow-4 band was more sensitive in detecting abnormalities of spontaneous brain activity in the bilateral parahippocampal gyrus and fusiform. Conclusion One or more of AD patients’ brain showed signif i cant differences in the spontaneous neuronal activity compared with healthy controls, and spontaneous neuronal activity in some brain regions is frequency-dependent.

Alzheimer’s disease; dementia; resting-state functional MRI; amplitude of low-frequency fl uctuation

R197.39；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.002

1674-1633(2014)11-0005-06

2014-07-09

福建省社会发展科技重点项目（2012Y0057）：“老年性痴呆患者认知功能改变的多模态神经影像研究”。

陈自谦，南京军区福州总医院医学影像中心主任，教授，博士生导师。

通讯作者邮箱：chenziqianfz@sina.com