化疗对乳腺癌患者静息态局部脑活动和认知功能的影响

2019-06-03刘伟宋晨张喜友刘亚洁沙琳秦冬雪杨超伍建林

磁共振成像 2019年3期

刘伟，宋晨，张喜友，刘亚洁，沙琳，秦冬雪，杨超，伍建林

化疗相关认知功能损伤(chemotherapy-related cognitive impairment，CRCI)或称认知功能减退(cognitive decline)，是指肿瘤患者在接受辅助化疗后出现的认知功能异常，表现为注意、记忆、执行功能减低，学习和推理能力、信息处理速度减低，即熟称的“化疗脑”(chemobrain)。乳腺癌是目前研究“化疗脑”效应的主要模型。CRCI的病理生理学机制较为复杂，尚有许多未知领域有待于深入探索与研究，不断发展进步和成熟的神经影像学不但可以从脑形态、结构、代谢方面，还可以从脑功能活动与脑网络等方面对“化疗脑”的深层次病理生理改变提供更好的技术支持并有助于更早期揭示其大脑微结构与微信息改变。

静息态功能MRI (resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)是可靠的、非侵袭性fMRI方法之一，可反映人脑静息状态时发生的神经元活动及其规律。国内外学者基于rs-fMRI平台进行乳腺癌患者化疗后局部脑区神经活动变化的研究较少。因此笔者采用rs-fMRI技术的低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation，ALFF)算法对乳腺癌患者化疗前、后局部脑区自发活动的变化进行前瞻性纵向研究，同时采用临床上系列神经心理测试对乳腺癌患者化疗前、后的认知功能进行评估与检测，旨在探讨乳腺癌化疗患者哪些脑区是否存在自发神经活动的异常改变以及这些改变与临床认知功能是否具有相关性，为该类患者的及早临床干预提供重要的生物学信息和依据。

1 材料与方法

1.1 受试对象

所有受试对象均来自大连医科大学第二临床学院，并得到大连医科大学第二临床学院伦理委员会批准。纳入标准：(1)临床手术病理证实的早期乳腺癌患者，术后3～4周；(2)未进行放疗及辅助化疗，拟入院进行辅助化疗者；(3)右利手；(4)受教育年限≥6年。排除标准：(1)糖尿病及其它代谢性疾病；(2)肿瘤、手术、外伤、卒中等颅脑疾病者；(3)服用对神经及精神有影响的药物者；(4)精神疾病患者(如抑郁或焦虑症患者、酒精成瘾者)；(5)具有核磁共振检查禁忌证者。本研究所有受试对象对整个试验的流程与内容均知晓并接受，同时签署书面知情同意书。

1.2 化疗方案

本研究中，21例乳腺癌患者的化疗过程持续约3～6个月，共有3种化疗方案：其中(1) AC方案(6例)，即表柔比星、环磷酰胺治疗4～6周期；(2) TC方案(4例)，即多西他赛、环磷酰胺治疗4～6周期；(3) AC-T方案(11例)，即表柔比星、环磷酰胺治疗4周期，加多西他赛治疗4周期。上述各化疗方案中的药物依据美国国立综合癌症网络(National Comprehensive Cancer Network，NCCN)指南常规剂量给药。

1.3 神经心理认知测试

本研究对受试对象进行测试分为两个时间点：即术后3～4周入院进行辅助化疗前为基点(t1)，化疗结束后1个月为研究点(t2)。由同一名具有心理测试经验的高年资临床女医生在安静房间内完成全部测试。共进行6个领域神经心理认知测试：(1)连线测试A部分；(2)数字广度测试顺背和倒背两部分；(3) Stroop颜色测试、Stroop字测试和Stroop干扰测试，以上项目主要针对执行注意功能进行测试；(4)数字符号测试，对处理速度进行测试；(5)听觉词语学习即刻及延迟5 min测试，主要对记忆能力进行测试；(6)蒙特利尔认知评估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)北京版，主要检查受试对象的总体认知功能。上述各项认知心理测试总时长约35 min。

1.4 MRI设备与成像参数

所有受试对象的t1、t2两个时间点的MRI检查和数据采集均在大连医科大学第二临床学院放射科磁共振室完成。使用的设备为临床型德国西门子(Siemens，German) 3.0 T Verio超导型 MRI扫描仪，采用8通道高分辨标准头线圈。(1)常规横轴位T2加权液体衰减反转恢复(fluid attenuated inversion recovery，T2-FLAIR)序列，主要用以筛查病灶，扫描参数：TR 4000 ms，TE 77 ms，反转时间1537 ms，翻转角150°，FOV 227 mm×250 mm，层数20，层厚5.0 mm，矩阵256×256，体素1.0 mm ×1.0 mm×5.0 mm，扫描时间56 s。(2)静息态功能磁共振成像(rs-fMRI)采用平面回波成像血氧水平依赖(echo planar imaging-blood oxygen level dependent，EPI-Bold)技术，嘱受试者闭眼、放松、静止不动，并避免任何有结构的思维活动。扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，翻转角90°，FOV 244 mm×244 mm，层厚3.5 mm，层数31，矩阵64×64，体素4.0 mm×4.0 mm×3.5 mm，扫描范围包括全脑，共采集240个时间点，扫描时间8 min 6 s。

1.5 静息态BOLD-fMRI数据处理

采用北京师范大学神经认知实验室开发的基于MATLAB R2012b平台，采用DPARSF软件包DPARSF(Data Processing Assistant for Resting-state fMRI)V2.1Advance Edition 软件(http://www.restmri.net/forum/DPARSF)对本研究中EPI采集的原始数据进行处理分析。处理步骤：(1)数据转换：将所有受试对象的DICOM格式数据转换成NIFTI格式。(2)去除每个受试对象的前10个时间点的fMRI数据，处理剩下的230个时间点的数据。(3)时间序列校正(slice timing)：以每次扫描的中心层(第31层)为参考层对每个受试对象的数据进行时间序列校正。(4)头动校正(realignment)：在x、y、z三个方向上平动超过2 mm，在x、y、z轴方向上旋转超过2度的数据被剔除。(5)空间标准化(normalization)：采用加拿大蒙特利尔神经病学研究所(Montreal Nneurological Institute，MNI)标准头部解剖模版为模版，以体素大小3 mm×3 mm×3 mm对数据进行重采样。(6)去线性漂移(linear detrends)。(7)去除协变量(covariates)：去除头动参数、全脑平均信号、白质及脑脊液信号的混杂影响。(8) ALLF分析：采用平滑后未滤波数据，对0.01～0.08 Hz下信号的功率谱进行开方计算，得到低频振荡幅度值，将其除以全脑均值，得到标准化的ALLF值。对化疗前后数据进行两样本t检验(P＜0.05，连续体素＞10个)，得到有改变的脑区。

1.6 统计学分析

采用SPSS 17.0统计学软件包，对采集的神经心理测试评分数据进行配对t检验(paired-ttest)，神经心理测试评分与ALLF值相关性采用pearson相关分析，上述统计学分析结果以P＜0.05视为差异有统计学意义。

2 结果

研究开始时间为2016年11月，按照受试对象纳入和排除标准，截至2017年11月，共有21例乳腺癌患者(Ⅰ期9例，Ⅱ期6例，Ⅲ期6例)完成t1、t2两个时间点各项神经心理测试和MRI影像数据采集，均为女性，年龄范围为29～70岁，平均年龄(50.14±13.12)岁，受教育年限6～16年，平均年限(10.43±3.04)年。月经状态：绝经前10例，绝经后11例。

2.1 乳腺癌患者化疗前、后认知功能测试比较

本研究结果显示，21例乳腺癌患者Stroop字测试、Stroop干扰测试、数字广度倒背测试、听觉词语学习延迟5 min记忆评分在t1、t2两个时间点差异具有统计学意义。MoCA评分、连线测试A部分、数字广度顺背测试、Stroop颜色测试、听觉词语学习即刻记忆评分在t1、t2两个时间点的差异均无统计学意义。具体测试结果详见表1所示。

2.2 乳腺癌患者化疗前、后ALFF值差异脑区

本研究显示，乳腺癌患者化疗前、后的ALLF增加的脑区包括：左侧颞下回(Temporal-inf-L)、右侧颞中回(Temporal-Mid-R)、左侧颞中、上回(Temporal-Midsup-L)、双侧楔前叶(Precuneus-R/L)；本组病例未见ALLF减低的脑区。详见表2、图1所示。

2.3 神经心理认知测试评分与ALFF值相关性分析

本组分别将乳腺癌患者化疗后1个月时自发性脑神经活动有显著变化的脑区ALFF值与临床神经心理认知测试评分有显著变化者进行相关性分析，结果显示ALFF值与各项认知评分无相关性。

3 讨论

人类大脑具有复杂的结构和功能网络，以较低的能量成本实现高效的局部信息处理能力和全脑信息整合能力[1]。Raichle[2]研究发现，大脑不同脑区静息态下自发神经元活动的高低与其在任务态下活动的强弱密切相关，内在神经元的活动可反映大脑对外部信息的反应能力，是维持人脑功能活动的基础。在大脑没有外来任务命令的情况下，默认网络(default mode network，DMN)激活。在人类、高级灵长类、猫和啮齿类动物，脑DMN由分离的双侧对称性皮质区域组成，包括顶叶内、外侧、额叶内侧、颞叶内外侧皮质[3]，与内在引导或自我概括的想法，如意识漫游、未来构想、视角选取、精神刺激等认知过程有关。

表2 乳腺癌患者化疗前、后ALFF有差异的脑区Tab.2 ALFF Paired-t test statistically signifiant for patients at t2 versus t1

图1 乳腺癌化疗前、后ALFF有显著差异脑区的功能彩图。图右侧标准色条显示各颜色所代表的t值；图中红色为ALFF升高脑区，主要包括：左侧颞下回、右侧颞中回、左侧颞中、上回及双侧楔前叶Fig.1 Brain areas with significant changes of ALFF values after chemotherapy with paired-t test.Warm colors indicate increased ALFF values at P＜0.05,including left inf-temporal gyri, right mid-temporal gyri, left mid-sup-temporal gyri and bilateral precuneus lobe.

3.1 乳腺癌患者化疗前、后局部脑活动的变化及分析

ALFF是通过使用0.01～0.08 Hz这一低频段内所有频率点上幅值的平均值来反映一个体素的自发性活动强弱，从而实现了从能量角度反映各个体素静息状态下自发活动水平[4]。本研究通过ALFF方法显示化疗对乳腺癌患者静息态下局部脑神经活动确实产生了影响，使几个脑区的活动增高。ALFF增高的脑区见于双侧楔前叶、右侧颞中回、左侧颞中上回、颞下回，这些脑区也是DMN的构成脑区，意味着化疗后1个月静息态下这些脑区神经元活动增加。一方面可以用化疗后可能出现的脑血流灌注增加来解释。Zou等[5]将健康人群静息态fMRI脑活动增强的脑区与动脉自旋标记(aterial spin labeling，ASL)技术获得的静息态下脑灌注图像进行对比，结果显示静息态脑血流量高的脑区倾向于ALFF和ReHo也相应增高，这些增高的脑区符合DMN的构成脑区。这项研究提示ALFF增高，脑血流灌注增加是一个贡献因素。有关化疗后脑血流灌注的变化已有研究：Chen等[6]研究显示乳腺癌患者化疗结束1个月左侧后扣带回、左侧枕中回、双侧中央前回、顶下回、缘上回、角回、楔前叶、楔叶、枕上回、距回和颞回的脑血流灌注较化疗前及健康对照组增加，伴随警觉和执行控制注意认知功能减低；Nudelman等[7]利用脉冲动脉自旋标记MRI灌注研究乳腺癌化疗患者治疗结束1个月后静息态脑灰质灌注与认知功能改变的关系，结果显示乳腺癌化疗患者较化疗前脑灰质灌注增加，较非化疗组和健康对照组右中央前回灌注明显增加，灌注增加与认知心理行为变化呈负相关。这两项研究证实化疗引起了局部脑区血流灌注增加，可以解释本研究中出现脑区的ALFF增高，并且本研究中出现的ALFF增高的脑区有很大一部分与Chen等报道的灌注增高脑区相互重叠。另一方面可能是脑网络适应不良(maladaptive)，即对化疗引起的病理损伤过程，神经网络试图代偿原有的功能失败，导致网络的兴奋-抑制平衡失衡[8]。DMN对老龄化和药物毒性及疾病状态尤其易感，化疗与几个生理效应包括炎症反应和氧化应激的增加，被认为增加了对DMN的毒性作用[9]。Miao等[10]研究发现乳腺癌化疗患者在化疗后1月内较健康对照组的前额叶背内侧皮质和颞叶内侧皮质的DMN连接强度减低，反映了脑区间活动同步性的下降，且与注意功能下降有关。本研究则进一步证实了化疗结束1个月乳腺癌患者DMN的部分构成脑区神经元的自发活动增高，由此推测化疗可能导致了DMN的网络失衡，出现了部分脑区的活动增高。有关乳腺癌化疗后DMN部分脑区ALFF增高的机理尚待进一步研究。

3.2 ALFF值变化的脑区与认知功能

ALFF值具有显著变化的脑区有：双侧楔前叶、右侧颞中回、左侧颞中上回、颞下回。其中楔前叶位于顶叶上部大脑半球的内侧面，是高级认知功能一个关键脑区，在视空间整合、记忆、视觉想象、自我意识等方面起作用[11-12]。楔前叶同时参与DMN和额顶执行网络(frontoparietal executive networks)，也是DMN中的主要节点，根据个体所处的环境和认知任务状态水平不同而发挥不同的作用[13]。有研究显示，楔前叶在人类静息状态下的DMN中保持着较高的代谢率，较其它脑区需要更多的葡萄糖(大约多出35%)来维持这种高代谢状态[14]。当楔前叶脑区的脑活动异常时则表明或导致人脑的记忆、执行功能的减退。在本研究中，神经心理认知测试结果显示了化疗结束1个月时乳腺癌患者出现记忆和执行功能的减退，即听觉词语学习延迟5 min记忆功能减低和Stroop字测试和干扰测试用时延长，但ALFF变化图显示楔前叶是脑活动增强的脑区。Kesler等[15]也报道了乳腺癌患者化疗后平均3.3年较健康对照组在执行语言陈述记忆任务时，前额叶皮质活动减低，而包括双侧楔前叶、右侧颞上回在内的多个脑区的活动增高，伴随执行功能的减低。综上所述，化疗后患者部分脑区活动增高可能是对认知功能减低的一种代偿性反应。