单纯脊髓受累型多发性硬化患者脑结构和脑功能的MRI研究

刘 义 LIU Yi 李咏梅 LI Yongmei 曾 春 ZENG Chun 王静杰 WANG Jingjie 熊 华 XIONG Hua

论著

单纯脊髓受累型多发性硬化患者脑结构和脑功能的MRI研究

刘 义 LIU Yi 李咏梅 LI Yongmei 曾 春 ZENG Chun 王静杰 WANG Jingjie 熊 华 XIONG Hua

作者单位 重庆医科大学附属第一医院放射科 重庆 400016

目的 脊髓是多发性硬化（MS）的好发部位之一，严重影响患者生活质量。本文探讨基于体素的形态学（VBM）方法及静息态功能磁共振成像（RS-fMRI）在单纯脊髓受累的多发性硬化（MS-SSCI）患者中的应用价值。资料与方法 20例MS-SSCI患者及对照组20例健康志愿者行3D T1WI及RS-fMRI扫描，通过VBM方法分析脑灰质及白质体积、全脑体积、局部核团体积变化情况，以后扣带回（PCC）作为种子点行全脑静息态功能连接分析并行组间比较，进一步分析MS-SSCI结构、功能变化参数与临床扩展残疾状态量表（EDSS）评分的相关性。结果 ①MS-SSCI组较对照组全脑灰、白质体积、全脑体积未见明显变化（P＞0.05），双侧颞中回、左侧颞下回灰质体积萎缩（P＜0.01）；左侧内侧前额叶、左侧颞下回、左侧尾状核、右侧补充运动区与PCC之间的功能连接（FC）明显升高（双样本t检验，经AlphaSim校正，P＜0.05，体素大小＞40）；②MS-SSCI结构变化参数与EDSS评分均无明显相关性（P＞0.05）；左侧颞下回FC值与EDSS评分呈正相关（r=0.63，P＜0.05）。结论MS-SSCI脑内结构及PCC的FC均发生改变，但仅功能变化参数与临床残疾状况相关，提示功能活动异常较微结构损伤更加敏感。

多发性硬化；脊髓疾病；磁共振成像；静息态；图像处理，计算机辅助；功能网络

多发性硬化（multiple sclerosis，MS）是一种广泛累及的疾病，除大脑、小脑外，脊髓也是MS的好发部位，脊髓病灶可单独发生或先于脑内病灶出现，也可与脑部病变同时存在［1］，严重影响患者的生活质量。MRI研究证实MS患者白质或灰质存在微结构的损害［2-3］。因此，单纯脊髓受累的多发性硬化（multiple sclerosis patients with simple spinal cord involvement，MS-SSCI）在病程发展中脑内也可能存在结构损害和脑活动异常，但上述微损害引起的形态学改变尚未得到明确证实，功能活动异常是功能损伤还是功能重塑尚不明确，特别是早期MS-SSCI脑内功能连接是否发生改变均需深入研究。因此，本研究通过体素的形态学（voxel-based morphology，VBM）和静息态功能磁共振成像（resting-state functional magnetic resonance imaging，RS-fMRI）探测MS-SSCI脑体积和脑功能活动的变化，并探讨其与扩展残疾状态量表（expanded disability states scale，EDSS）评分的关系，为早期诊断MS-SSCI提供影像学依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 选择2012年12月—2014年10月重庆医科大学附属第一医院神经内科收治的20例MS-SSCI患者，其中男8例，女12例；年龄23～52岁；受教育年限（13.8±2.6）年。纳入标准：①所有MS-SSCI患者均符合2010年McDonald临床诊断标准［4］：≥2次临床发作，≥2个脊髓病灶的客观临床证据或1个脊髓病灶的客观临床证据并有1次先前发作的合理证据；②不满足2006年Wingerchuk等［5］制订的视神经脊髓炎（neuromyelitis optica，NMO）诊断标准：18例患者脊髓MRI显示长T2病灶连续节段＜3个椎体节段，2例患者为3～5个椎体节段但血清NMO-IgG阴性，共18例患者进行血清NMO-IgG检查均显示阴性，另2例患者未行血清NMO-IgG检查；③常规MRI检查无脑部可视的MS病灶且无明确的缺血灶、梗死、肿瘤、萎缩等异常。选择20例健康志愿者作为对照组，其中男8例，女12例；年龄24～52岁；受教育年限（14.9±2.2）年，均无神经精神系统疾病史，且神经系统检查正常。所有MS-SSCI由神经科医师进行临床EDSS评分，评分为1.00～7.50分，平均（3.60±1.39）分。本研究经重庆医科大学附属第一医院生物医学伦理委员会批准。所有受试者或家属均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Signa HDxt 3.0T MR系统，使用标准头线圈和脊椎联合线圈。扫描过程中嘱受试者闭眼，不要入睡（扫描完后再次确认受试者是否入睡）。由2名有经验的放射科医师确认受试者常规MRI扫描显示无可视脑内病灶。

脑部MRI：常规轴位T1WI：TR 250 ms，TE 2.86 ms；T2WI：TR 3600 ms，TE 120 ms；液体衰减反转恢复（fluid-attenuated inversion recovery，FLAIR）序列：TR 8000 ms，TE 120 ms；层厚5.0 mm，层数20层。轴位三维快速扰相梯度回波序列3D T1WI：TR 8300 ms，TE 3.3 ms，反转角12°，矩阵256×256，层厚1.0 mm，间隙0，156层；轴位BOLD功能序列：TR 2000 ms，TE 30 ms，反转角90°，矩阵64×64，层厚4.0 mm，间隙0，33层，体素大小3.75 mm×3.75 mm×4.00 mm，扫描时间8 min。脊髓MRI：矢状位T2WI：TR 2200 ms，TE 110 ms；T1WI：TR 500 ms，TE 12 ms；轴位T2WI：TR 2200 ms，TE 110 ms。

1.3 数据处理

1.3.1 结构数据 用基于MATLAB 7.9（R2010a）平台的DPARSF 2.1（http：//www.restfmri.net）软件对3D T1WI数据进行处理：①采用MRIcron软件（http：// www.nitrc.org/projects/mricron）将原始数据转化为SPM8可处理的格式；②将生成的图像分割为灰质、白质、脑脊液；③利用DARTEL算法将上一步生成的文件标准化至蒙特利神经学研究所定义的MNI模板，并对标准化后的图像进行检查（质量和均质性）；④最后进行空间平滑（8 mm全宽半高的高斯核）。平滑后图像分别提取灰质体积（grey matter volume，GMV）、白质体积（white matter volume，WMV）、脑脊液体积（cerebrospinal fluid volume，CSF），并根据公式（1）计算每个个体全脑体积（total intracranial volume，TIV），最后进行组间比较。将两组体积有差异的脑区作为感兴趣区（ROI），采用REST软件分别提取这些脑区的体积。

1.3.2 功能数据 用MATLAB 7.9（R2010a）平台的DPARSF 2.1（http：//www.restfmri.net）软件对RS-fMRI数据进行处理，去除因磁场不均匀及受试者不适应的前10个时相，然后进行时间、头动校正及空间标准化，6 mm全宽半高的高斯核［6-7］空间平滑、去除线性漂移、滤波（0.01～0.08 Hz）等处理。最后以后扣带回（posterior cingulate cortex，PCC）（BA 0、－53、26）为种子点、以6 mm为半径设置ROI作为模板［8-9］，提取该模板内的平均时间序列，与全脑所有体素逐一进行功能连接分析，对相关系数进行Fisher Z转换，Z值绝对值化后行t检验，得到PCC功能连接图。

1.4 统计学方法

1.4.1 结构数据分析 采用双样本t检验比较研究组与对照组GMV、WMV、TIV的差异（P＜0.005，簇阈值为30个相邻体素），以年龄、头动作为协变量进行回归。采用基于MATLAB 7.9（R2010a）平台的REST软件，将两组体积有差异的脑区作为ROI，导入平滑后的结构数据，分别提取这些脑区的体积，分别与EDSS评分行Pearson相关分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

1.4.2 功能数据分析 采用SPSS 17.0软件，组内及组间分析分别采用单样本及双样本t检验，以年龄、头动作为协变量进行回归，结果经AlphaSim校正（P＜0.05）后得出两组间存在明显差异的脑区，提取组间差异脑区的功能连接（functional connectivity，FC）值与EDSS评分行Pearson相关分析，P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 脊髓病变常规MRI特征 20例患者均为单纯脊髓受累型，轴位和矢状位T2WI显示脊髓病灶为下颈髓、上胸髓受累常见，均为长T1长T2信号。以一个椎体节段为参照，累及1～2个椎体节段病灶最多，占65.00%。20例MS-SSCI患者的脊髓病灶分布特点见表1。

表1 20例MS-SSCI患者的脊髓病灶分布特点

2.2 全脑、局部脑体积差异及与EDSS评分的相关性 MS-SSCI组GMV、WMV、TIV比较，差异均无统计学意义（t=0.80、1.04、0.64，P＞0.05），见表2。而与对照组相比，MS-SSCI组双侧颞中回、左侧颞下回灰质体积明显萎缩，差异有统计学意义（P＜0.01），见图1。Pearson相关分析结果显示，MS-SSCI灰质萎缩脑区体积与EDSS评分无明显相关性（r左侧颞中回=0.801，r右侧颞中回=0.763，r左侧颞下回=0.709，P＞0.05）。

表2 MS-SSCI组与对照组脑体积比较（ml，n=20）

2.3 MS-SSCI组与对照组组内默认网络 以PCC为ROI，PCC的静息态网络包括双侧内侧前额叶、楔前叶、颞叶、顶下小叶、海马等许多脑区，MS-SSCI组及对照组的FC图相似，见图2。

图1 MS-SSCI组脑体积。与对照组比较，MS-SSCI组脑灰质体积明显缩小的脑区包括双侧颞中回、左侧颞下回

图2 对照组及MS-SSCI组与PCC明显连接的脑区。以PCC为ROI，对照组（A）和MS-SSCI组（B）显示出相似的功能连接图。PCC的静息态网络主要包括双侧内侧前额叶、楔前叶、颞叶、顶下小叶、海马

2.4 MS-SSCI组与对照组FC比较 与对照组比较，MS-SSCI组左侧内侧前额叶、左侧颞下回、左侧尾状核、右侧补充运动区与PCC的FC明显升高，差异有统计学意义（t=5.21、3.14、5.10、6.03，P＜0.05），见图3及表3。Pearson相关分析结果显示，FC值与EDSS评分存在明显关联的脑区为左侧颞下回（r=0.63，P＜0.05），见图4；其他脑区FC值与EDSS评分无明显相关性（r左侧内侧前额叶=0.35，r左侧尾状核=0.42，r右侧补充运动区=0.25，P＞0.05）。

3 讨论

MS是以累及脑、脊髓、视神经等中枢神经系统为主的炎性脱髓鞘疾病，单纯脊髓受累而无脑部可视MS病灶的患者称为MS-SSCI，亚洲地区MS-SSCI发病率明显高于西方国家。MRI是检测MS病灶最常用的方法，在MS的诊断、治疗、随访等方面具有重要价值，但常规MRI敏感性较差，常出现影像与临床分离现象。先进的MRI技术在诊断隐匿性MS病灶方面尤为重要。MS患者脑部病灶可引起结构和功能改变［10］，但单纯脊髓病灶是否会产生脑结构和功能改变鲜有报道。基于VBM方法可以反映组织微观结构，RS-fMRI能够反映脑的基础活动，PCC是默认网络的重要组成部分［11］。本研究首次对MS-SSCI结构和功能变化进行联合分析。

图3 MS-SSCI与对照组相比与PCC功能连接比较。MS-SSCI组明显升高的区域包括左侧内侧前额叶、左侧颞下回、左侧尾状核头部、右侧补充运动区

表3 MS-SSCI患者FC有明显差异的脑区

图4 EDSS评分与FC值的相关性。两者存在明显相关性的脑区为左侧颞下回

3.1 MS-SSCI局部脑体积改变的脑区分析 本研究结果显示，MS-SSCI组与对照组相比，全脑灰质、白质无明显脑萎缩，分别对各脑区体积变化进行分析，结果发现MS-SSCI组双侧颞中回、左侧颞下回明显萎缩。李郁欣等［2］研究发现MS患者全脑灰质明显萎缩，其中双侧丘脑、双侧壳核、双侧苍白球、左侧尾状核、左侧海马、左侧海马旁回、双侧扣带回前部、右侧颞上回、右侧颞中回、双侧岛叶体积明显缩小，与本研究结果不同，推测不同临床亚型的MS结构改变可能存在差异。颞中回是人脑高级中枢，参与语言和听觉处理等活动。部分MS-SSCI患者有语言、构音障碍等表现，可能与颞中回体积异常有关，观察颞中回体积改变可能为临床研究MS-SSCI提供新的依据，与Parisi等［7］的研究结果一致。通常脑体积减小反映神经退行性改变［12］，本研究结果显示MS-SSCI组左侧颞下回出现明显萎缩，提示MS-SSCI左侧颞下回可能发生神经损伤；而Tinelli等［13］的研究结果显示MS患者双侧颞中回和颞下回体积均减小，与本研究结果略有差异，其原因可能为本研究所选取的是MS-SSCI患者，脑部损害是隐匿性或潜在性的，较MS有明显脑内可视性病灶的脑内损害轻。

3.2 MS-SSCI功能异常脑区分析 本研究发现，MSSSCI组与对照组FC图相似，这些脑区主要包括双侧内侧前额叶、楔前叶、颞叶、顶下小叶、海马，与默认网络系统组成类似，这些脑区在静息状态下活动显著，共同维持静息状态下人脑功能性神经活动［14］，并与人脑的认知、记忆等高级功能活动密切相关。

本研究结果显示，MS-SSCI较对照组左侧内侧前额叶、左侧颞下回、左侧尾状核、右侧补充运动区与PCC的FC升高。左侧内侧前额叶是空间记忆的整合加工中心，前额叶损伤可能导致空间工作记忆障碍。尾状核与大脑深部一系列神经核团共同组成基底核团，与大脑皮质、丘脑、脑干间存在广泛的循环连接［15］，参与记忆、情感等高级认知功能活动。MS-SSCI左侧内侧前额叶左侧尾状核与PCC的FC升高，推测可能与适应性的功能重塑或相关脑区代偿有关。同时内侧前额叶为默认网络系统的组成脑区，其功能异常可能作为默认网络的补偿，起到调节静息态网络活动受损的作用，但这种重塑作用是有限的，随着病程进展损伤超出人脑适应范围则会出现相应的结构改变。形态学研究表明，大脑功能改变常伴随大脑相关区域的萎缩［16］，MS-SSCI左侧颞下回与PCC的FC增强，且左侧颞下回体积也存在明显萎缩，推测该脑区存在神经元损伤。相关性分析结果显示，MS-SSCI左侧颞下回FC值与EDSS评分呈中度正相关（r=0.63，P＜0.05），表明MS-SSCI随着临床症状的加重，神经元损伤更加明显。颞下回在认知学习、情感处理中具有重要作用，并且参与视觉处理及长时记忆相关工作，推测部分MSSSCI可能存在潜在的视觉损伤，有待进一步随访研究。补充运动区与运动计划密切相关，MS-SSCI组右侧补充运动区的FC增高，表明部分患者运动计划能力存在潜在异常，这可能由脊髓病变直接或间接引起，或由脑部常规序列无法显示的隐匿性病变所致。除左侧颞下回外，其他脑区只有功能异常，无明显体积改变，提示这些脑区微损伤均未引起形态学变化，尚未超出人脑适应范围，可通过重塑来补偿轻微损伤。

总之，联合应用VBM和FC方法显示MS-SSCI存在结构和功能异常，可能由脊髓损伤或常规MRI无法显示的隐匿性脑部病变引起，目前尚无定论。此外，MS病灶可累及MS-SSCI脊髓不同节段，在脊髓内的分布概率不尽相同，不同节段病灶是否可导致不同脑区功能改变将作为今后的研究重点。今后可以采用大样本纵向研究，进一步阐述MS-SSCI的病理生理改变机制。

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（本文编辑 张春辉）

MRI of Brain Structure and Function in Multiple Sclerosis with Only Spinal Cord Involved

Purpose Spinal cord is one of the most frequently involved sites of multiple sclerosis （MS），which seriously affects the life quality of patients.In this paper，we investigate the application value of voxel-based morphology （VBM） and resting-state magnetic resonance imaging （RS-fMRI） in multiple sclerosis patients with single spinal cord involvement （MS-SSCI）.Materials and Methods Three-dimensional T1WI data and RS-fMRI data were acquired from 20 patients with MS-SSCI and 20 normal controls，grey matter volume （GMV），changes of white matter volume （WMV），total intracranial volume （TIV） and local nuclei volume were compared between the two groups using VBM，posterior cingulate cortex （PCC） was regarded as the seed point and the functional connectivity about whole brain was compared between the two groups by using restingstate functional connectivity analysis，the relationships between MS-SSCI structure，function change parameters and expanded disability states scale （EDSS） scores were further explored.Results ①Compared with the control group，GMV，WMV，TIV of MSSSCI group were not significantly reduced，only the volume of some regions （bilateral middle temporal gyrus，left inferior temporal gyrus） showed significant atrophy （P＜0.01）；MS-SSCI exhibited increased functional connectivity （FC） in the left medial prefrontal cortex，left inferior temporal gyrus，left caudate nucleus and right supplementary motor area （two-sample t test，after AlphaSim correction，P＜0.01，voxel size ＞40）.②There was no significant correlation （P＞0.05） between MS-SSCI structure change parameters and EDSS； while a significant correlation between EDSS scores and FC was noted in the left inferior temporal gyrus （r=0.633，P＜0.05）.Conclusion Both structural abnormalities and altered FC with PCC can be detected in MS-SSCI，but only functional parameters are associated with clinical abnormalities，which are more sensitive than microstructural changes.

Multiple sclerosis； Spinal cord diseases； Magnetic resonance imaging；Resting state； Image processing，computer-assisted； Function network

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.10.002

李咏梅

Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University，Chongqing 400016，China

Address Correspondence to：LI Yongmei E-mail：lymzhang70@aliyun.com

国家自然科学基金项目（81371523）；重庆市卫生局资助项目（2011-1-031，2012-1-017）；国家临床重点专科建设项目（［2013］544）。

R744.5+1；R445.2

2015-05-27

2015-06-14

中国医学影像学杂志2015年 第23卷10期：725-729

Chinese Journal of Medical Imaging 2015 Volume 23（10）：725-729