孤独症谱系障碍的MRI 研究进展

吴晨青 郑慧 汪登斌*

孤独症谱系障碍(autism spectrum disorder,ASD)是一组病因及发病机制尚不明确的神经发育性障碍， 主要症状包括早期出现的社会交往障碍和重复刻板行为，伴有眼神交流减少、情绪感知不良、言语发育落后等表现[1]。2017 年有研究[2]报道欧美国家中ASD 的发病率达到1.5%。ASD 缺乏可靠的神经病理诊断依据，目前诊断主要基于行为特征，但婴幼儿生长发育快，个体差异大，症状常不典型。ASD 早期诊断困难，易错过最佳治疗时间而预后不良，因此寻找可靠的诊断方法是改善预后的关键[3]。近年来研究表明，ASD 病人会出现全脑体积早期增加速度快、白质纤维束完整性不佳、神经递质紊乱、脑功能网络连接异常等神经病理改变。MRI 能客观、无创地检出上述改变，对于疾病早期诊断，提高诊断准确性， 改善预后等具有良好的临床应用前景。本文就结构MRI、MR 扩散成像、磁共振波谱（MRS）及功能磁共振成像（fMRI）技术在孤独症谱系障碍中的研究进展进行综述。

1 结构MRI

结构MRI 有较好的空间分辨力，能直观反映脑解剖形态。基于体素的形态学分析及基于表层的形态学分析是结构MRI 常用的分析方法[4]。

基于体素的形态学分析法可分析ASD 病人额颞叶及小脑灰白质体积改变。额颞叶与大脑默认模式网络（default mode network,DMN）部分重叠，该网络主要参与情景记忆、自我感知，可能导致ASD 症状。结构MRI 能检出病人额颞叶脑回灰质体积增大，Liu 等[5]研究发现儿童ASD 病人左侧额上回、额中回、右侧颞下回以及角回灰质体积增大，右侧角回灰质体积与重复行为评分存在相关性； Retico 等[6]对2~7 岁ASD 病人进行性别相关的脑灰质体积分析后发现，病人双侧额上回、颞上回灰质体积增大且存在性别差异，男性病人右侧颞上回体积增大显著，而女性病人主要是双侧额叶增大显著。但由于一些研究中，病例组主要为或仅为男性病人，女性病人数据不足或缺失易造成结果偏倚。小脑在认知过程中发挥重要作用，特别在早期脑发育过程中，小脑同时处理内部生成与外部感知的双重信息， 有助于发育过程中建立成熟的脑皮质环路， 因此小脑体积灰质体积缩小可造成脑皮质环路发育落后。结构MRI 还能准确检出病人小脑灰质体积减小，D’Mello 等[7]发现学龄期病人小脑CrusⅠ和CrusⅡ区灰质体积减小，且CrusⅠ区灰质体积减小程度与病人社会交往障碍、重复行为的症状严重程度相关。Riva 等[8]发现幼儿及儿童期低功能ASD 病人的双侧小脑CrusⅡ区域和小脑蚓部灰质体积减小， 且小脑灰质体积与症状严重程度相关。

基于表层的形态学分析侧重于反映脑表面褶皱、弯曲等微结构改变。Khundrakpam 等[9]对266 例6~35 岁ASD 病人研究发现， 病人早期脑皮质厚度增加明显快于对照组，10 岁时达到顶峰， 青春期后组间差别减小。这一研究结论与Liu 等[5]、Retico 等[6]报道的病人早期灰质体积增大一致。Broca 区作为运动性语言区，皮质结构异常可引起语言表达障碍、社会交流障碍等症状：Brun 等[10]对59 例患ASD 病的儿童研究发现位于Broca 区的外侧裂皮层褶皱深度较浅，且褶皱深度与病人社会交流能力评分相关。Libero 等[11]报道同样位于Broca 区的额下回岛盖部位皮质厚度增加。

2 MR 扩散成像

当病变破坏白质纤维束完整性、连续性时，水分子扩散性质会发生改变[12]。扩散张量成像(DTI)基于生物组织内的水分子自由扩散， 能够测定3 个相互垂直轴向的水分子扩散， 从而反映扩散的三维空间分布， 直观显示大脑联合纤维和联络纤维结构。平均扩散率 （mean diffusion, MD） 和各向异性分数（fractional anisotropy,FA）是DTI 中反映水分子扩散分布特征的主要参数，前者体现水分子平均扩散率，后者反映水分子扩散一致性[12]。胼胝体、上纵束结构异常会影响所连接区域的功能， 如Jung 等[13]和Nickel 等[14]分别研究青少年和成人病人均发现胼胝体体部、压部FA 值降低，提示病人两侧大脑半球之间的联络功能受损。Fingher 等[15]研究发现低龄（小于2 岁6 个月） 患儿两侧枕叶及颞叶间胼胝体纤维束的MD、轴向和径向扩散率均明显降低。上纵束作为联络纤维中最长的纤维束，与额叶、颞叶、顶叶及枕叶均存在广泛连接，承担着社会认知、情绪感知等功 能[16]。Libero 等[17]、Itahashi 等[18]报 道 病 人 上 纵 束FA 值降低。Lo 等[19]研究发现男性青少年病人上纵束Ⅲ区FA 值下降与病人社会交往障碍程度相关。髓鞘化不良、 神经纤维分布稀疏或炎症损伤等多种病理改变均可破坏纤维束完整性、 连续性， 从而造成FA 值降低，但相关病理机制仍待进一步研究。

扩散峰度成像 （diffusion kurtosis imaging,DKI）同样利用生物组织内水分子扩散进行成像反映脑白质纤维束结构，比DTI 角度误差更低[20]。Lazar 等[21]对16 例高功能孤独症病人进行DKI 扫描发现，病人胼胝体、上纵束、下纵束以及皮质脊髓束的轴突水含量（axonal water fraction, AWF）降低，反映轴突直径和密度下降， 与DTI 所反映的白质纤维束连续性、完整性异常基本一致。

3 MRS

MRS 能定量分析组织器官内生物化学物质含量，间接反映活体组织器官代谢情况，其中应用最为广泛的是1H-MRS[22]。1H-MRS 主要检测N-乙酰天冬氨酸（N-acetyl aspartate,NAA）、谷氨酸（glutamate,Glu）、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid,GABA）等物质变化[23]。GABA、Glu 分别是中枢神经系统重要的抑制性和兴奋性神经递质，大脑抑制性/兴奋性神经递质比例异常会导致脑细胞功能代谢异常， 包括神经元形成、细胞迁移、细胞凋亡和突触活动等，进一步引起脑结构和功能改变引发ASD 症状。ASD 病人脑组织GABA 含量减少、Glu 增加[23]。Cochran 等[24]发现青少年病人扣带回前部GABA 降低而Glu 无明显异常，同时GABA 水平与社会认知和智力评分相关。Puts 等[25]报道儿童病人大脑感觉运动区GABA含量明显降低，且GABA 含量与触觉感知阈值有相关性。Ford 等[26]在成年病人中研究发现孤独症倾向评分与右侧大脑半球GABA 含量呈负相关，与Glu/GABA 比值呈正相关。

NAA 仅存在于中枢神经系统的神经元中，因此NAA 浓度可以反映大脑神经元结构、功能，含量减少提示神经元损伤[23]。Hegarty 等[27]和Goji 等[28]分别报道了ASD 病人丘脑、扣带回前部NAA 浓度下降，且丘脑部位NAA 含量与社会交往障碍、重复刻板行为症状严重性一致， 反映疾病症状可能与神经元损伤有关。

4 fMRI

大多数fMRI 采用血氧水平依赖(BOLD)成像,通过测定局部组织血管内氧含量变化引起的MR 信号改变来间接了解组织代谢水平，即组织活动情况[29]。fMRI 可直观反映静息状态或任务态的脑功能活动状态。

大量文献报道ASD 病人额叶功能活动减少。Kim 等[30]采用fMRI 研究发现，对日常用语理解不准确的病人在理解过程中右侧额下回活动较正常对照组显著减少，推测与额下回理解、模仿他人情绪的功能有关。Murphy 等[31]研究报道ASD 病人在注意力测试中反应慢，额中回、额下回和双侧小脑外侧区域功能活动显著下降， 且左侧额下回活动与交流评分相关。在延迟满足实验中，病人右侧额叶前部腹外侧、背外侧、腹中部和小脑区域活动减少，伴有延迟满足能力缺陷[32]。

此外，MRI 能够反映脑部功能网络的连接情况。Zhou 等[33]和Laidi 等[34]分别报道成年病人前扣带回内部功能连接减弱、皮质厚度减小，前扣带回位于感觉运动网络， 因此推测成年病人感觉运动网络连接减弱。而Bi 等[35]发现8～18 岁病人感觉运动网络连接增强。Puts 等[25]通过MRS 研究发现儿童病人大脑感觉运动区抑制性神经递质GABA 含量降低。以上研究提示感觉运动网络连接状态与年龄相关。Nomi 等[36]研究支持病人脑功能网络连接状态随年龄增长发生改变， 即低龄病人脑部功能网络内部连接增强， 不同功能网络之间的连接减弱， 而青少年ASD 病人(11～18 岁)仅表现出不同功能网络之间的连接减弱。不同脑功能网络之间通过白质纤维束连接， 因此病人功能网络间的连接减弱与脑结构研究所报道的白质纤维束连续性、完整性异常一致。

5 小结

多种MRI 技术用于ASD 病人脑部神经病理改变的研究包括对结构形态、 物质代谢和功能状态等的研究已见诸多报道。结构MRI 通过高空间分辨力显示脑部结构形态，提示ASD 病人脑灰白质、小脑等体积改变。扩散成像利用水分子自由扩散显示额叶、颞叶的脑白质纤维束以及胼胝体、上纵束结构异常。MRS 借助化学位移现象反映病人不同部位GABA、Glu 和NAA 等代谢物质含量改变。fMRI 依赖于血氧水平变化间接反映病人感觉运动网络连接异常。上述各项研究成果一致性较好， 但由于目前神经病理改变与ASD 临床症状、基因学相关性研究不足， 目前研究的参数都是诊断ASD 的间接指标，MRI 尚不能作为可靠的神经病理诊断依据。随着影像组学、 基因组学及人工智能在这一研究领域综合应用，未来有希望发现可靠的神经病理诊断依据，有助于ASD 早期诊断和早期干预。