静息态功能磁共振和纤维追踪技术在单纯脊髓受累型多发性硬化患者的临床应用

刘义，李咏梅，曾春，王静杰，张小辉，张晓玲，李瑛

重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆 400016

单纯脊髓受累的多发性硬化患者(multiple sclerosis patients with simple spinal cord involvement，MS-SSCI)是多发性硬化(multiple sclerosis，MS)的一种类型，多见于亚洲，其特点是选择性累及脊髓[1]，无常规MRI可见颅内MS病灶。MS-SSCI临床表现多样，多出现肢体障碍、背痛、感觉异常，严重影响患者生活质量。低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation，ALFF)通过计算低频(0.01～0.08 Hz)功率谱的平方根可以反映脑静息态神经活动[2]，纤维追踪技术可以显示脑白质纤维束的形态结构和走行方向。通过计算ALFF，有研究显示MS患者静息态脑功能活动存在异常[3]，扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)研究表明MS患者FA、ADC明显改变[4]。目前，针对单纯脊髓受累的多发性硬化(multiple sclerosis patients with simple spinal cord involvement，MS-SSCI)患者脑功能及白质纤维完整性的研究很少。为证明MS-SSCI脊髓病灶直接对脑部的影响，本研究首次应用RS-fMRI和纤维追踪技术观察MS-SSCI患者脑功能和结构的变化，并探讨其与EDSS评分可能存在的相关性。

1 材料与方法

1.1 一般资料

MS-SSCI组：选取2013年1月至2014年12月间22例患者(由本院神经内科医师诊治)。入选条件：(1)所有MS-SSCI满足2010年McDonald临床诊断标准[5]：≥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[6]制定的NMO诊断标准：20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，总共18例患者进行血清NMO-IgG检查均显示阴性；(3)常规MRI检查无脑部可视的MS病灶；(4)无明确神经、精神系统疾病史。

健康对照组：根据就近原则招募年龄、性别相匹配的健康对照组，具体临床资料见表1，健康对照组均无认知障碍主诉，无神经精神、药物滥用等病史且MRI显示未见明显异常，所有受试者均为右利手。所有受试者均签署知情同意书。

MS-SSCI在做fMRI之前由专门的神经科医师进行临床扩展残疾状态量表(expanded disability states scale，EDSS)测试，平均得分为3.73±1.52(1.00～7.50)。本研究得到重庆医科大学附属第一医院生物医学伦理委员会批准。

表1 MS-SSCI组和健康对照组主要临床资料Tab.1 The main clinical characteristics of MS-SSCI and controls

1.2 成像设备及参数

所有受试者均行脑部和脊髓的MRI扫描，采用GE Signa HDxt 3.0 T MR系统，使用8通道头颈联合线圈。采用MS诊断小组中心指定的标准MRI序列[7]。脑部MRI序列及参数包括：常规轴位T1WI(TR/TE=250 ms/2.86 ms)、T2WI(TR/TE=3600 ms/120 ms)、液体衰减反转恢复(fluidattenuated inversion recovery，FLAIR)序列(TR/TE=8000 ms/120 ms)，层厚均为5.0 mm，层数为20层；轴位BOLD功能序列(TR/TE=2000/30 ms，反转角=90°，矩阵=64×64，层厚/间隙=4.0 mm/0.0 mm，33层，体素尺寸(mm)=3.75×3.75×4.00)；DTI采用单次激发自旋回波平面回波(spin echo echo-planar imaging，SE-EPI)序列(TR/TE=15000/86.8 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩阵=128×128，层厚/间隙=2.4 mm/0.0 mm，53层，b值分别为0和1000 s/mm2，30个不同扩散方向)。脊髓MRI：矢状位T2WI(TR/TE=2200 ms/110 ms)和T1WI(TR/TE=500 ms/12 ms)、轴位T2WI(TR/TE=2200 ms/110 ms)。扫描过程中嘱被试者安静平躺，闭目，不要入睡(扫描完后再次确认受试者是否入睡)。由两位有经验的放射科医生确认受试者常规MRI序列显示没有脑内可视的病灶。

1.3 图像处理

1.3.1 功能数据预处理

使用基于MATLAB7.9(R2010a)平台的DPARSF2.1(http://www.restfmri.net)软件对静息态数据进行处理，剔除因磁场不稳定及受试者对环境不适应的前10个时相，然后进行时间标准化，头动校正，3×3×3 mm3重采样进行空间标准化，空间平滑(全宽半高高斯核为6 mm)，去除线性漂移及低频滤波(0.01～0.08 Hz)。

1.3.2 ALFF分析

滤波后的数据进行快速傅里叶转化(FFT)成频率谱，频率谱与原始时间序列的频率振幅的平方成正比，计算每个体素频率谱在低频(0.01～0.08 Hz)下的平方根，得到平均平方根记做ALFF。为了标准化目的，每个体素的ALFF值除以全脑均值，得到mALFF，用于后续双样本计算。

1.3.3 感兴趣区的选择

功能数据采用REST软件分析，使用双样本t检验探测MS-SSCI与健康对照组间ALFF的差异，结果经线与线连接(rmm=5，体素＞40，体积＞1080 mm3)的AlphaSim校正后得出MS-SSCI与健康对照组间存在明显组间差异的脑区。用REST Viewer分别生成新的Mask，将它们作为感兴趣区(region of interest，ROI)用于下一步纤维追踪，如图1。

1.3.4 纤维追踪

首先采用MRIcroN软件在DTI图像上找到梯度b值，组成梯度方向文件并把原始DICOM格式文件转换成Analyze格式文件，然后用SPM8软件对Analyze格式文件进行标准化，将标准转化的图像读入DTI track纤维追踪软件，最后分别读入完成个体空间转化的ROIs，追踪穿过每个ROI的白质纤维束(最小纤维长度为10 mm，最小FA值设为0.2)，计算每个个体的FA、ADC值。

1.4 统计分析

1.4.1 功能数据统计分析

功能数据统计分析采用REST软件，首先对所测得每组功能数据、临床数据分别进行Kolmgorov-Smirnov正态性检验，在满足正态分布的前提下使用双样本t检验探测MS-SSCI与健康对照组间ALFF的差异，结果经AlphaSim校正后得出组间明显差异的脑区。最后，使用SPSS 17.0软件对MS-SSCI存在明显组间差异区域的ALFF值和EDSS评分行Pearson相关分析(P＜0.05)。

1.4.2 结构数据统计分析

DTI数据使用SPSS 17.0软件行统计分析，首先对所测得每组DTI数据分别进行Kolmgorov-Smirnov正态性检验，在满足正态分布的前提下，对病例组与对照组每个ROI的FA、ADC值分别进行双样本t检验，最后，使用SPSS 17.0软件对MSSSCI每个ROI的FA、ADC值分别与EDSS评分行Pearson相关分析(P＜0.05)。

2 结果

2.1 MS-SSCI组和健康对照组组间ALFF差异

MS-SSCI组与健康对照组相比，MS-SSCI组右侧海马ALFF值明显减低，左侧额中回、左侧后扣带回、右侧枕中回ALFF值明显增高(双样本t检验，经AlphaSim校正，P＜0.01，体素大小＞40，t右侧海马=－5.09，t左侧额中回=7.09，t左侧后扣带回=5.95，t右侧枕中回=4.81)，见图1，表2。

表2 MS-SSCI患者ALFF明显差异的区域Tab.2 Areas showing signifi cantly changed ALFF in MSSSCI

2.2 MS-SSCI差异的脑区的ALFF值和临床数据的相关性

进一步研究有明显差异脑区的ALFF值与EDSS的关系，结果显示ALFF值和EDSS存在明显关联的区域只有左侧后扣带回(r=0.595,P=0.003)，见图2，其它Pearson相关系数 均小于0.46。

2.3 MS-SSCI组和健康对照组在差异脑区的FA、ADC值比较

患者组和健康对照组的差异脑区作为ROIs，分别测量其FA和ADC值，右侧海马的白质纤维束FA值(t右侧海马=2.099，P右侧海马=0.042)、ADC值(t右侧海马=-2.053，P右侧海马=0.047)差异有统计学意义，左侧后扣带回、左侧额中回、右侧枕中回白质纤维束FA值(t左侧后扣带回=1.894,P左侧后扣带回=0.065,t左侧额中回=1.874,P左侧额中回=0.068，t右侧枕中回=1.992，P右侧枕中回=0.053)、ADC值(t左侧后扣带回=-1.937，P左侧额中回=0.073，t左侧额中回=-1.735，P左侧额中回=0.090，t右侧枕中回=-1.409，P右侧枕中回=0.166)差异无统计学意义(图3，表3)。

2.4 MS-SSCI差异的脑区的FA值、ADC值和临床数据的相关性

分别研究右侧海马、左侧后扣带回、左侧额中回、右侧枕中回FA值、ADC值与EDSS的关系，结果显示FA值、ADC值与EDSS均无明显相关性。

图1 MS-SSCI与健康对照组的功能比较。与健康对照组，MS-SSCI右侧海马ALFF值明显减低，左侧额中回、左侧后扣带回、右侧枕中回ALFF值明显增高 图2 EDSS和ALFF值相关性分析。二者存在明显关联的区域只有左侧后扣带回(r=0.595,P=0.003)图3 3A～3J为同一病例，MSSSCI，女，42岁。A、B显示全脑全部纤维束及左侧后扣带回、左侧额中回、右侧海马、右侧枕中回4个脑区；C～F为FA图，显示分别通过左侧后扣带回、左侧额中回、右侧海马、右侧枕中回的白质纤维束，各脑区FA值分别为0.487、0.382、0.371、0.511；G～J为ADC图，显示分别通过左侧后扣带回、左侧额中回、右侧海马、右侧枕中回的白质纤维束，各脑区ADC(×10-4 mm2/s)值分别为8.707、1.225、11.388、1.096Fig.1 Functional comparison in MS-SSCI and controls.Compared with the controls,ALFF significantly decreased in the right hippocampus,but increased in the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe.Fig.2 The relationships between EDSS and ALFF.A signifi cant correlation between EDSS scores and ALFF was noted only in the left posterior cingulate gyrus(r=0.595,P=0.003).Fig.3 A—J from the same patient,MS-SSCI,woman,42 years old.A and B showed all the fi ber in brain,the right hippocampus,the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe; C—F the FA map,showed the white matter fi bers within the right hippocampus,the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe,the FA values of them were 0.487,0.382,0.371,0.511; G—J the ADC map,showed the white matter fi bers within the right hippocampus,the left middle frontal lobe,left posterior cingulate gyrus and right middle occipital lobe,the ADC(×10-4 mm2/s)values of them were 8.707,1.225,11.388,1.096.

3 讨论

脊髓是MS病灶的好发部位，脊髓病变可以单独出现有时甚至早于脑部病变出现。以前的fMRI研究已经显示脑内有病灶的MS患者，脑损伤后可以引起功能变化和结构改变[8-9]，但对只有脊髓病灶的MS患者是否引起脑功能和结构变化的研究却很少，本组研究首次联合应用功能磁共振和纤维追踪技术探测MS-SSCI脑内结构和功能的变化。

基础脑活动是静息态下功能脑损伤的整体反映，本研究应用ALFF方法研究全脑基础脑活动改变，成功探测到MS-SSCI一些脑区存在异常神经活动，与存在脑内病变MS患者的文献报道基本相符[10-11]，但功能异常脑区改变程度较低，该表现可能与病程进展及不同病理生理变化有关。纤维追踪技术能在体显示纤维束的形状、白质结构完整性，FA值反映水分子运动方向的一致性，与纤维束完整性有关[12]，ADC值反映水分子平均扩散幅度，与细胞完整性有关。因此，本研究进一步以功能异常脑区作为研究对象，分别进行纤维追踪、DTI相关参数分析，试图探测MS-SSCI功能异常脑区是否存在纤维束完整性的破坏。

表3 患者组和健康对照组的差异脑区FA值、ADC值比较Tab.3 Comparison of FA and ADC in changed areas of MS-SSCI and controls

3.1 MS-SSCI功能异常脑区分析

ALFF可测量区域活动性幅度，直接判断活动异常的脑区，本研究应用ALFF方法探测全脑静息态下脑功能活动，结果表明与健康对照组相比，MS-SSCI部分脑区存在异常神经活动。右侧海马ALFF值明显减低，左侧额中回、左侧后扣带回、右侧枕中回ALFF值明显增高，异常神经活动可能由脊髓损伤或未能探测到的潜在脑损伤引起。

海马与高级认知活动密切相关，已有研究表明MS患者海马区存在炎性脱髓鞘改变[13]，推测部分MS-SSCI可能存在空间学习、记忆等高级活动的异常。后扣带回是默认网络的重要枢纽，与内侧前额叶、颞叶、海马有着紧密联系，共同组成默认网络系统(default mode network，DMN)。左侧后扣带回ALFF值增高表明MS-SSCI DMN可能存在异常。后扣带回在复杂的任务处理，包括视觉空间图像识别、情景记忆、自我处理中起核心作用[14]，而枕中回可能与识别记忆相关，后扣带回、枕中回功能异常提示MS-SSCI可能存在复杂任务处理障碍。额中回与心理活动维持、复杂任务相关，有研究表明有脑部病变的MS患者额中回存在功能活动改变[4]，而本研究同样表明左侧额中回功能活动异常，这可能与脑功能损伤引起的脑区相互作用异常或相关脑区代偿有关。

此外，左侧后扣带回ALFF值与EDSS评分呈正相关，表明MS-SSCI左侧后扣带回神经活动仍处于代偿阶段，随着临床症状的加重，代偿活动逐渐增加，但这种重塑作用是有限的，随着病程的演变损伤超出人脑适应范围就会引起相应的结构损伤。

3.2 MS-SSCI功能异常脑区FA、ADC值比较

分别以右侧海马、左侧额中回、左侧后扣带回、右侧枕中回为感兴趣区，通过测量对于脱髓鞘及轴索损伤敏感的DTI相关参数进一步探讨MSSSCI脑功能异常区的潜在病理机制及与临床参数的相关性。本组结果显示，MS-SSCI组与健康对照组相比，右侧海马FA值减低，ADC值升高，与以往文献报道一致[15]，病理学研究已经证实MS患者海马区存在脱髓鞘改变[16]，表明MS-SSCI右侧海马区可能发生了隐匿性损伤，DTI对此比较敏感。FA值是反映水分子运动方向性的指标，可以说明纤维束内细胞排列的一致性和结构完整性，FA值的减低可能与细胞内外水分异常及部分区域代偿性改变发生轴索损伤有关。ADC反映水分子平均扩散幅度，某些病理条件下组织结构完整性受到破坏，使水分子通透性发生改变，最终导致ADC值发生变化[17]。有研究表明，MS损伤范围远大于常规MRI显示病灶范围，病理损伤主要包括皮质损伤、灰质萎缩、看似正常脑白质区损伤、看似正常脑灰质区损伤[18]。右侧海马FA值减低，ADC值升高，表明这些区域可能发生髓鞘完整性及树突、轴突数量的改变。此外，反应性小胶质细胞增生也可影响水分子扩散，进而使FA值、ADC值发生变化。MS-SSCI常规MRI检查无脑部可视病灶，且本组研究结果表明，与对照组相比，MS-SSCI右侧海马DTI参数差异虽然有统计意义，但无明显统计学意义。因此，MS-SSCI右侧海马是否发生髓鞘完整性破坏等病理变化尚需进一步加大样本量纵向随访研究。与对照组相比，MS-SSCI组左侧额中回、左侧后扣带回、右侧枕中回有ALFF值变化，FA值、ADC值差异却无统计学意义，这表明脑功能改变可能独立于结构改变，提示功能改变可能比结构变化更加敏感。

相关性研究表明，MS-SSCI右侧海马FA值、ADC值与临床残疾状况无明显相关性，这可能与MS-SSCI组无常规MRI可视病灶，右侧海马DTI参数异常可能由代偿性改变引起有关。因此，推测MS-SSCI结构改变可能由脊髓病变或由脑区间代偿性改变引起，且结构改变与临床残疾状况间是相互独立的。

总之，本组研究联合应用RS-fMRI和纤维追踪技术成功显示MS-SSCI部分脑区存在结构和功能异常，可能与脊髓损伤或常规MRI不能显示的隐匿性脑损伤有关。不同病程阶段也可能导致MS-SSCI脑功能发生改变，因此，今后研究可加大样本量纵向随访研究进一步揭示该疾病的病理机制。

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