阿尔茨海默病海马与全脑功能连接的时间变异性研究

王可可 柏同健 田仰华

1安徽医科大学（合肥 230022）；2安徽医科大学附属第一医院神经病学教研室（合肥 230022）

阿尔茨海默病（Alzheimer′s disease，AD）是以记忆、认知障碍，适应行为受损为临床特征的中枢神经系统退行性疾病，其缺乏高效度的诊断生物标志物[1]。海马与大脑皮层及皮层下结构有广泛的联系，其结构和功能的异常在AD病理生理机制中起到关键作用。静息态功能磁共振影像（restingstate functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）相关研究提示AD大脑在整合和转换信息时静息态功能连接（resting state functional connectivity，RSFC）模式的改变。包括RSFC在海马和整个大脑皮层的几个区域间的减少，默认网络（default mode networks，DMN）中的下降，额叶网络中的增加[2-4]。但普通RSFC的分析方法是假设在成像期间（一般是5～15 min）所收集的信号处于恒定状态，简单地平均化了不同感兴趣区的血氧依赖水平（blood oxygen level dependent，BOLD）信号，忽略了大脑内在活动的动态特性。而动态静息态功能连接（dynamic resting state functional connectivity，dRSFC）的研究方法更接近于大脑动态特性，近年来广泛应用于探索神经精神疾病的发病机制[5-6]。因此，该研究基于rs-fMRI分析AD患者海马与全脑功能连接的异常动态变化情况，以揭示AD海马dRSFC的时间变异特征，从新的视角理解AD的病理生理机制。

1 资料与方法

1.1 受试者资料AD组招募2014年1月至2017年12月就诊于安徽医科大学第一附属医院神经内科记忆门诊及住院的患者，纳入标准：（1）依据2011版美国国立神经病语言障碍卒中研究所和AD相关疾病学会（NINCDS-ADRDA）诊断标准，所有受试符合“很可能AD”标准；（2）受教育年限≥5年；（3）不具有幽闭性恐惧障碍，以及能够完成约40 min左右核磁共振检查及简明精神状态测试（mini-mental state examination，MMSE）。排除标准：（1）其他类型的痴呆（血管性痴呆、路易体痴呆、额颞叶痴呆等）；（2）既往存在酗酒或药物依赖史等；（3）罹患其他神经精神系统疾病（如典型脑血管病、脑白质病变）及其他严重躯体性疾病；（4）存在体内金属植入物及其他磁共振扫描禁忌证者；（5）头颅MRI平扫显示脑内存在异常病灶等。对照组均来自于患者家属或社区招募的志愿者，年龄、性别与AD组相匹配的健康老人。入组标准：（1）受教育年限≥5年；（2）无情感障碍、记忆障碍和睡眠障碍等症状，MMSE≥26；（3）无体内金属植入物及其他磁共振扫描禁忌证者；（4）无脑部外伤史、脑器质性疾病（如典型脑血管病、脑白质病变）等其他神经精神系统疾病及严重躯体性疾病。最终入组受试者37例，包括AD组18例，对照组19例，入组受试者和（或）患者监护人签署该研究相关知情同意书，测试所有受试者MMSE得分进行认知功能评估。本研究经安徽医科大学附属第一医院伦理委员会批准。

1.2 仪器和方法

1.2.1 磁共振数据采集实验仪器采用安徽医科大学第一附属医院核磁共振室GE Signa 3.0T MRI仪。所有受试者均同时采集3D结构核磁共振及静息状态功能核磁共振数据。扫描期间嘱受试者闭目、保持清醒、放松无思维活动、保持不动，固定头部。为排除其他脑器质性病变，功能核磁共振影像扫描前先采集T1加权及T2加权成像。应用三维快速自旋回波序列，采集3D结构磁共振数据，设置参数为：重复时间（repetition time）=7.0 ms，回波时间（echo time）=2.9 ms，反转时间=900 ms，视野范围=240 mm×226 mm，矩阵256×256，层厚1.2 mm。应用梯度回波结合单次激发回波平面成像序列，采集静息态功能磁共振数据，设置参数为：重复时间（repetitiontime）=2 000 ms，回波时间（echotime）=30 ms，反转角 =90°，视野范围=240 mm×240 mm，矩阵64×64，层厚3 mm。

1.2.2 数据预处理应用DPARSF工具包（http：//rfmri.org/DPARSF）进行静息态功能磁共振图像数据预处理，预处理步骤包括：（1）格式转换：DICOM格式转换为NIFIT格式；（2）剔除前10帧功能图像以达到磁场稳定且让受试者适应环境；（3）进行时间校正；（4）头动校正（头动平动位移控制＜3 mm，角度旋转＜ 3°之内）；（5）回归去除线性漂移、头动、白质以及脑脊液平均全局信号；（6）空间标准化，利用统一的结构像分割信息将个体功能像配准到蒙特利尔神经科学研究所（Montreal neurological institute，MNI）模板标准空间；（7）采用4 mm的半高全宽高斯平滑核进行空间平滑。

1.2.3 计算动态功能连接基于自动解剖（anatomical automatic labeling，AAL）模板，定义感兴趣区为双侧海马。进一步将感兴趣区以3 mm×3 mm×3 mm分辨率重新采样。动态功能连接计算采用DynamicBC软件包（v1.1，www.restfmri.net/forum/DynamicBC）[7]，采用滑动窗方法。在滑动窗的分析方法中，窗口长度是一个至关重要的参数。以往研究表明，窗口长度必须兼顾两个因素：获得稳定脑区间连接（较长的窗口），捕捉功能连接快速变化的特征[5]。根据以往关于动态分析推荐[8]，本研究采用50倍重复时间（100 s），每次滑动5倍重复时间（10 s）。在本研究的数据中，全部的时间序列包含230时间点（460 s），因此每个被试将有37窗口。针对每个窗口，计算海马与全脑的其他区域体素的信号Pearson相关系数。将得到的相关系数进行Fisher′s-to-z转换，产生了每个滑动窗的功能连接图。对于每个被试而言，计算37个时间窗的每个体素的相关系数的标准差，从而得到动态功能连接图。为了提高图像的正态性，再次将动态功能连接图进行Fisher′s-to-z转换，将转换后的图像进行后一步的统计分析。

1.3 统计学方法采用SPSS 16.0统计分析软件对临床资料进行统计分析。两组性别比较采用χ2检验。正态分布资料以±s表示，以单因素方差分析组间年龄、受教育年限、MMSE评分差异，采用独立样本t检验，P＜0.05为差异有统计学意义。采用独立样本t检验对两组双侧海马与全脑dRSFC进行比较，应用Dpabi软件包[9]将获得的全脑的动态静息状态功能连接图，以年龄、受教育年限作为协变量，分别进行独立样本t检验，得到统计图，采用GRF多重比较，体素水平P＜0.005且团块水平P＜0.05（双侧）的脑区为差异有统计学意义。判断相关性，采取将感兴趣区与差异脑区间动态功能连接的值（z值）与MMSE评分进行Pearson相关分析，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床资料两组受试性别、年龄、受教育年限差异均无统计学意义（均P＞0.05），组间MMSE评分差异有统计学意义（P＜0.001），AD组评分明显低于对照组（表1）。

表1 AD与对照组受试者一般资料及MMSE评分情况Tab.1 General information and MMSE scores of subjects in AD and NC group ±s

表1 AD与对照组受试者一般资料及MMSE评分情况Tab.1 General information and MMSE scores of subjects in AD and NC group ±s

项目AD组对照组t/χ2值P值男/女（例）12/6 12/7 0.05 0.82年龄（岁）71.22±9.93 71.63±4.14-0.16 0.87教育年限（年）10.56±4.84 10.58±3.98-0.16 0.99 MMSE得分（分）16.06±5.13 27.89±1.49-9.43＜0.001

2.2 两组海马亚区与全脑动态静息状态功能连接分析结果以左侧海马与全脑做动态功能连接分析，AD组的左侧海马与右侧尾状核的动态功能连接显著高于对照组，差异有统计学意义[团块大小=41体素，峰值点坐标（x=15，y=12，z=12），峰值点t=4.877]（GRF多重比较，体素水平P＜0.005团块水平P＜0.05）（图1）；右侧海马与全脑动态功能连接在两组间差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.3 相关性分析AD患者左侧海马与右侧尾状核的动态功能连接值（z值）与患者MMSE得分计算Pearson相关性（zdFC-MMSE相关系数r=0.189，P=0.451），两者间相关性无统计学意义（P＞0.05）。

3 讨论

图1 左侧海马与全脑动态功能连接分析Fig.1 Analysis of dynamic functional connectivity between the left hippocampus and the whole brain

神经影像学的发展促进了对疾病的病理生理机制的探索，基于rs-fMRI的大脑多维度通讯研究日益活跃，发现AD患者包括颞叶海马、后扣带回等在内DMN的静息状态、血氧水平依赖活动相关性降低的“失连接综合征”[10-11]；对症状进展秩序相对刻板的典型AD的研究，发现整个病程的不同时段大脑DMN静息状态功能连接呈动态变化的级联网络故障[12]。传统RSFC的分析方法简单平均化地处理成像期间所收集的信号，这种通过整个扫描持续时间的平均连通性的测量方法可能不足以揭示功能连通性的动态变化，忽略了大脑自发的动态特性。本研究基于更接近于大脑动态特性的dRSFC的研究方法，以双侧海马为感兴趣区，计算全脑与其他区域体素的动态功能连接时间变异值，结果提示AD患者左侧海马和右侧尾状核之间功能连接出现时间变异性增加，脑区间信息整合和通讯时存在动态波动。这与近年多个研究发现AD患者DMN功能异常一致，JOO等[4]基于种子点相关分析、独立成份分析结合图论法，研究了AD患者动态功能连接的群组间差异，发现与正常对照组相比DMN的不同子网络（即DMN后部、前部、背侧和腹侧）存在驻留时间的改变。

本研究中发现左侧海马与右侧尾状核dRSFC的时间变异性增强，这种选择性的时间变异性改变可能与特异性的脑区结构及功能改变有关。海马的主要神经功能是形成情景记忆，与大脑皮层及皮层下的结构有广泛的联系，组成记忆系统。尾状核是基底神经节纹状体的一部分，具有广泛的传入和传出神经纤维连接和皮质-纹状体-丘脑网络，该区域具有重要的认知和运动功能。AD的典型病理特征是神经纤维缠结和淀粉样斑块沉积，在包括海马、尾状核在内的几个大脑区域均有发现。SHIM等[13]的研究进一步提示左侧海马结构完整性是记忆形成的主要神经基础，能够预测AD和轻度认知功能障碍的记忆功能。基于左侧海马亚区的AD核磁共振结构和功能连接研究[14]发现，左侧海马认知亚区与右侧背外侧前额叶静息状态功能连接增强。另有研究[15]发现在AD的临床前和临床阶段功能连接和定向连接对认知改变、淀粉样蛋白沉积和遗传风险都很敏感，造成AD患者不同疾病阶段脑部出现特异性区域萎缩，引起大脑功能连接的分布和方向性不同。这可能是本研究发现左侧海马和右侧尾状核出现动态功能连接异常的结构性损害基础，可能是导致该研究中左侧海马与左侧尾状核及右侧海马与全脑动态功能连接差异无统计学意义的原因。

海马与尾状核dRSFC增强的时间变异性，可能与大脑网络拓扑结构改变有关。记忆和认知过程需要脑网络完成大尺度的信息整合和处理。颞叶内侧的包括海马、内嗅皮层、乳头体、丘脑前核、扣带回和海马旁回的海马记忆环路（Papez环路），是参与编码、情景记忆形成和巩固的DMN重要节点。ZHOU等[2]研究发现，在AD组和MCI组中，功能连接强度的变化与疾病严重程度相关的变化显著相关，这种损害可能导致行为障碍，包括情景记忆和延迟记忆的缺失，基于Rs-MRI以海马为种子点，比较早期AD患者和对照组海马的RSFC时，发现丘脑、尾状核、扣带回皮层区域参与了Papez环路，在涉及学习和记忆功能的大脑区域（包括额叶、扣带、丘脑和基底神经节区域、尾状核）的功能连接明显下降，与情景记忆表现有显著相关性，Papez环路连接性的变化可以作为AD的早期风险检测[16]。随着探索疾病病理生理机制的发展，逐渐认识到AD的发生发展与认知、记忆相关的大脑区域和脑网络的结构变性、代谢异常及功能障碍密切相关。

与以往关于AD患者基于动态静息状态功能连接相关研究结果存在差异，本研究中未发现与海马动态功能连接时变性增加以外的其他脑区，可能原因如下：首先，AD患者存在发病年龄不同、疾病病程不同，其海马的神经功能存在差别。有研究报道[17-18]，AD患者不同疾病阶段DMN子网络具有不同的功能连接模式，包括在结构和功能下降之前的连接过载，出现功能连接补偿现象到负载解耦转移过程的短暂补偿作用，呈现静息状态功能连接呈动态变化的级联网络故障；此外，AD脑中普遍存在微血管病变，主要包括脑白质损害、脑淀粉样血管病变、脑部微出血、腔隙性脑梗死、血-脑脊液屏障的破坏等，这些病理改变是AD患者除了认知、记忆障碍，精神行为受损和社会适应能力减退为主要典型临床特征，还包括语言、视觉、实践或执行问题等非典型的临床表现关联因素[19]，不同的临床表征可能具有特异性的功能连接异常模式。最后，导致未发现与海马时变性增加的其他脑区的可能原因是本研究纳入的样本量较少。

另外，本研究具有一定的局限性。首先，本研究未对入组AD患者和受试者血管危险因素（如高血压病、糖尿病、血脂水平、体质量指数等）做严格控制，而血管危险因素与老年人认知功能下降程度有明显相关性，可能参与AD发病过程[20-21]；其次，本研究样本量较小，可能是导致AD患者左侧海马与右侧尾状核的动态功能连接值与反映患者临床认知记忆严重程度指标（MMSE评分）两者间相关性无统计学意义的原因；另外，本研究采用的是横断面设计而不是纵向设计，因此无法确定病程与动态功能连接之间的关系，结论有一定的局限性。

总之，本研究基于Rs-MRI调查了AD患者功能连接的动态特性，发现AD患者左侧海马与右侧尾状核的动态功能连接具有较强的时间变异性，为理解AD的病理机制提供了新的视野，为解析海马功能异常在AD发病机制中起着一定的作用。在AD患者中，海马-尾状核神经活动降低，时间变异性增大，提示记忆、认知障碍患者存在静息状态下功能连接调节的不稳定性，脑网络内和网络间存在超负荷代偿或无效率信息交换的病理机制。这种损伤可能是认知、情景记忆障碍的病理基础。然而，这些联系中损害的发展方式仍然不清楚。还需要针对大样本、重要影响因子得到严格控制的进一步研究来阐明dRSFC的变化与疾病进程之间的关系。