NF1患者大脑活动特征的PET-CT研究

王兴朝 赵晓斌 吴琼 李仕维 王博 杨智君 赵赋 李朋王振民 张晶 艾林 刘丕楠

Ⅰ型神经纤维瘤病（neurofibromatosis type 1，NF1）是一种罕见的由NF1肿瘤抑制基因突变引起的常染色体显性遗传疾病，发病率约为0.03%，其累及的细胞类型可来源于所有胚层，表型多样[1]。高级脑认知功能障碍是NF1在中枢神经系统引起的唯一症状，约有70%的患者会表现出不同程度的认知活动异常。对于NF1这一长期存活的良性多发肿瘤综合征人群，认知障碍严重制约了其自主生活、学习工作以及参与社会活动的能力，成为最主要的疾病负担之一[2,3]。明确认知活动的神经机制是实现脑功能解析和开展脑疾病诊疗的基础，但认知包含的成分复杂，影响因素繁多，相关研究尚无突破。以脑活动变化为切入点，借助活体无创脑功能成像分析NF1全脑的活动特征，采用正电子断层扫描技术分析关键脑区的代谢信息，将深入对NF1发病机制的理解，突破该罕见疾病的治疗困境，同时从一个独特角度揭示认知异常的神经科学基础，为其他伴随认知障碍的脑疾病研究提供科学依据。本研究通过采集NF1患者的18氟标记脱氧葡萄糖（18Ffluorodeoxyglucose，18F-FDG）正电子发射断层扫描/X射线计算机断层成像（positron emission tomography/X-ray computed tomography，PET-CT）数据，评估NF1患者在疾病稳定状态下的全脑神经活动，以阐明其大脑功能活动特点，为进一步探究NF1认知障碍的的神经活动基础提供参考。

资料与方法

一、研究对象

选取首都医科大学附属北京天坛医院神经外科自2018年1月至7月就诊的34例NF1患者。所有患者躯干、四肢均存在多发皮下结节，行全身及头部PET-CT检查全身其他器官、内脏是否存在占位病变并明确多发结节性质。为减少体部病变及相关治疗对脑活动的潜在干预，制定纳入与排除标准。

纳入标准：（1）符合美国国立卫生研究院的NF1临床诊断标准；（2）疾病状态稳定；（3）临床信息清晰，具有可追溯的既往治疗过程等临床信息。排除标准：（1）接受过手术治疗（任何类型的外科干预，活检除外）；（2）存在严重影响生活质量的病情（如脊柱侧弯等）；（3）接受过药物或其他非物理治疗的患者；（4）头部数据质量不满足后期分析需要；（5）拒绝参加研究者。

二、患者分组

本研究共纳入NF1患者11例，为NF1组，其中男性5例，女性6例，年龄范围18～32岁，年龄（25.3±4.7）岁；NF1组患者一般情况稳定，无严重限制日常活动的病情，处于NF1疾病的稳定阶段。筛选同时期我院行健康体检的10例体检者为健康对照组，其中男性2例，女性8例，年龄范围22～35岁，年龄（30.6±4.4）岁。NF1组与健康对照组的性别、年龄差异均无统计学意义（P＜0.05）。

三、图像采集

NF1组与健康对照组均采用相同标准的PETCT扫描流程，采用GE Discovery elite机型。检查前受试者空腹6 h以上,并控制血糖（＜11.1 mmol/L）。按公斤体质量0.10～0.15 mCi静脉注射PET示踪剂18F-FDG后，患者在温暖、黑暗的房间安静休息，40～60 min后行脑PET-CT全身扫描：图像采集10 min，CT扫描管电压120 kV，管电流380 mA。采用三维OSEM重建图像，重建半全宽（代表空间分辨率）为5 mm,CT层厚为3 mm。

四、数据分析

数据分析采用基于MATLAB的PET数据处理软件SPM12。每例检查者被试进行头动校正，衰减校正将每个个体的图像按照其灰质和白质所构成的模板按比例缩放，将图像映射到一个2 mm×2 mm×2 mm的Talairach空间中的MNI模板内进行标准化，由半高宽为8 mm的高斯滤波器进行空间平滑[4,5]。感兴趣区域（region of interest，ROI）分析基于解剖结构模板所标记的丘脑完成，将双侧丘脑的信号提取出来进行统计检验[5]。为了探索NF1组与健康对照组在其他脑区可能存在的差异，采用全脑分析的方法对比NF1组与健康对照组在代谢特征上的差异。

五、统计学分析

采用软件SPSS25.0进行统计学分析，ROI分析结果采用非参数Mann-Whitney U检验，2组影像数据之间的差异比较采用独立样本t检验，采用的检验阈限为单尾α=0.05。全脑探索性分析采用检验阈值为未校正体素水平α=0.05。以P＜0.05为差异具有统计学意义。

结果

一、常规PET-CT扫描结果

所有NF1患者被试均没有明显的自觉认知或智力障碍，临床症状主要为多发皮下结节。其脑部PET-CT成像未发现颅内占位病变或显著的结构异常，葡萄糖代谢相对较正常被试无特异性表现，个别患者在丘脑、颞叶内侧存在局灶高代谢区，无特殊临床诊断意义。

二、脑影像数据ROI分析结果

与健康对照组比较，NF1组在双侧丘脑区域的葡萄糖代谢差异有统计学意义（U=23，P=0.042）（图1A）。NF1组与健康对照组在双侧丘脑ROI的信号提取后，采用独立样本t检验比较，发现NF1组在双侧丘脑的代谢活动明显低于健康对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05，单尾）（图1B）。

三、全脑探索性分析结果

NF1组与健康对照组在额叶、颞叶、后枕叶等区域存在分散的不同的代谢特征（图2A～B）。全脑分析结果显示，NF1组患者相较于健康对照组，在右侧颞上回后部、中央区、额上回、额中回、双侧的颞叶内侧面、顶叶视觉区等脑区出现了异常的脑代谢表现（未矫正体素P＜0.05）（图2C）。

讨论

单基因突变与认知障碍并存的特点使得NF1成为了研究脑功能及脑活动变化过程的一个独特模型。随着认知神经科学和影像学技术的兴起，越来越多的研究者对NF1相关脑功能变化及其形成原因进行了探索，展现出NF1所包含的丰富脑科学内涵[6]。然而，以往对于NF1患者的相关脑功能及认知改变的研究多源自观察性描述，多采用自我报告或监护人评分等方式进行，不可避免的包含较强的主观判断偏移，因此亟待客观、准确的试验证据来分析NF1患者的脑活动特点。此外，由于NF1为罕见病，患者较为分散，缺乏对于NF1全脑代谢特点的客观评定和准确理解，对脑功能异常产生的原因尚无系统研究和科学认识。本研究采用无创的PET-CT成像技术，检测了NF1的脑部代谢特征，客观反映出NF1患者的脑活动特点，为阐述其脑认知活动动态发展规律和影响因素提供了新的视角。

图1 NF1组与健康对照组感兴趣区域分析结果图

图2 NF1组与健康对照组全脑PET-CT代谢特征

在以往的研究中，儿童NF1患者的脑活动功能缺陷最先受到重视。一部分NF1患儿在智力水平测试中表现出缺陷，也常出现复杂感知能力的缺陷，包括空间视觉障碍、抽象信息获取障碍，进而引起学习困难，成为患儿的主要病症[7,8]。同时，在40%的患儿中会出现类似注意力缺陷多动症的表现，并出现执行控制力障碍、规划选择能力缺陷、学习能力缺陷等表现，严重影响儿童正常发育及受教育的能力[9,10]。近年来，随着认知神经科学技术的进步和对于NF1研究的深入，越来越多的研究注意到各种不同类型和程度的脑活动异常和认知功能下降广泛存在于NF1人群中：成年患者中，大脑认知功能失调造成的运动能力减退、行动迟缓等症状提示NF1可能对大脑信息加工的多个阶段都产生了影响；老年NF1患者中，发现其全脑认知状态，尤其是短期记忆出现了显著减退，证实了高级脑功能障碍在NF1疾病的发展过程中具有持续性并会不断演进[11]。此外，NF1患者还具有较强的自我封闭性和较小的社会抵抗性，缺乏相应的社会交往能力，造成情感障碍和社会认知改变[12]。

目前推测，引起NF1认知功能障碍的可能由于局部脑活动和全脑网络活动异常因素，究其原因可能为：人类对于外在世界的认识和对自身状态控制是通过局部脑活动以及全脑网络连接而形成的整体概念，这些复杂的认知脑活动，一方面需要前扣带回、岛叶等脑区发挥其特定的认知功能，另一方面，复杂的认知信息由于竞争相同大脑区域的共同通路会产生相互影响，岛叶等皮质作为负责汇集这些认知信息的大脑区域必须动态调整多个系统的整合信息，以实现完整连续的认知加工。在近期采用神经影像学新技术进行的大脑功能状态及精细结构评估中发现，NF1即有大脑默认网络脑区域连接增强和视觉处理脑区激活异常等皮层活动的改变，又有包括丘脑底节等区域纤维束各项异性分数降低和颞上回灰质体积萎缩等皮层结构的异常，提示NF1引起了大脑皮层网络结构及其活动模态上的复杂改变[13-17]。

上述广泛的认知异常和对应的脑活动改变与本研究具有一定的参考作用。对于NF1患者而言，一方面，其基因突变对大脑的先天功能和结构造成了潜在影响，是引起认知障碍的潜在重要原因；另一方面，后天成长过程中为了适应异常认知过程的变化，神经电活动及皮层细胞结构会通过不同形式的调整形成最高效且适宜处理当下信息模式的脑网路架构，即后天的大脑活动重塑。这两个因素共同形成了NF1认知障碍的脑活动表现。在正常人群中，多种认知过程的脑区可能拥有共同的神经结构，并且会由于竞争相同解剖区域的神经资源而产生相互影响。负责整合处理这些信息的大脑区域必须将这多个系统结合起来，以实现完整连续的大脑功能，这样的区域也就成为了脑功能节点。因此笔者推测NF1可能对这些核心脑区的活动及功能产生影响，从而干扰了相应区域和网络的神经活动。

然而，本研究并没有发现岛叶、前额叶、扣带回等高级认知区域的代谢异常，这与先前行为学及问卷观察研究的结果并不完全一致，仅发现了感知觉初级皮层，如颞上回后部等位置的代谢异常，同时在涉及视觉加工的区域，如楔叶、梭状回等枕叶皮层也出现了散在的代谢异常，这些结果部分解释了NF1患者空间加工障碍的神经基础，也表明了NF1患者的认知异常可能比前期的研究更为隐蔽和复杂。笔者推测，当患者被试处于相对安静状态，未进行特定的认知活动时，由于多发皮下结节等外周神经感知异常，导致相应脑区的代谢出现变化，但高级认知脑区的代谢活动未出现显著的变化；另一方面，NF1患者在双侧丘脑的代谢降低是本研究的一个显著结果，为探索NF1疾病异常的脑代谢基础提供了新的指导。既往有文献也曾发现双侧丘脑葡萄糖代谢活动的异常，并认为其可能是NF1治疗的潜在靶点和重要特征之一[20-22]。笔者推测，NF1疾病造成的脑部活动变化可能发生在信息传入大脑的早期阶段，由于外周神经系统的病变，造成外界信息感知及加工传递方式的改变，后续高级整合处理之前就已经引起了脑活动的变化，例如感知觉初级中枢的丘脑代谢降低。值得注意的是，由于造成疾病发生的基因突变在胚胎发育时就已经存在，这种丘脑代谢的特点很可能是在神经发育过程中就已形成，因此双侧丘脑葡萄糖代谢降低会在患病的儿童、成年阶段稳定出现[20,21]。

本研究以NF1脑活动作为突破口，直观的研究其大脑活动功能变化情况，一方面深入对NF1发病机制的理解，完善了对NF1认知障碍的脑科学认识，可以作为指导疾病诊疗的参考，帮助突破该类复杂疾病的治疗困境；另一方面，结合NF1鲜明的遗传学特征和脑活动的联系，为将来进一步的基础研究阐明复杂认知活动的脑活动特点，为诸多存在认知障碍的脑重大疾病研究提供科学依据[18,19]。

本研究尚有不足之处：现阶段，由于缺乏准确的认知神经科学范式来测定NF1认知障碍的表现形式，针对NF1认知障碍的研究多局限于单纯的观察性描述，对NF1认知障碍缺乏认知神经科学水平的系统评定，阻碍了对NF1认知障碍潜在神经机制的科学认识。由于PET-CT成像原理及研究过程的特点，目前鲜有相关报道。本研究样本量较小，但目前得到的神经影像结果可对后续进一步开展脑功能深入研究提供宝贵的指导。

综上所述，双侧丘脑葡萄糖代谢活动的降低可能是NF1患者的一个特征性改变，这些功能代谢的异常对于预测NF1患者的认知特征具有重要的指导意义。