终末期肾病患者大脑自发神经活动异常的静息态MR 成像

胡润月 吴宝林 陈佩娜 徐海波

终末期肾病（end-stage renal disease，ESRD）患者有较高的认知障碍风险，尤其是维持性血液透析的患者，其认知障碍的发生率高达30%～60%［1］，且主要涉及整体认知、注意力、视觉空间记忆和执行功能［2］。目前的研究认为ESRD 相关的认知障碍可能是体内多种因素共同作用导致的，且具体发病机制尚不清楚。在ESRD 患者中症状性或无症状性缺血脑血管病变发生率较高，而且传统心血管疾病的危险因素很常见；再加上一些由肾损伤导致的非传统血管危险因素如慢性炎症状态、贫血、钙磷代谢紊乱及继发性高甲状旁腺激素等，也可加速了血管损伤及动脉粥样硬化［3］。ESRD 患者血液内较高浓度的尿毒素，部分可穿越或破坏血脑屏障，引起神经系统结构及功能的改变，最终导致相关并发症［4］。透析治疗过程中血流动力学不稳定、动脉血氧含量减少、电解质波动可引起脑组织损害［3］。但是以上只能部分解释ESRD 患者认知功能障碍的高发病率和病理生理改变。随着人类预期寿命和生活质量要求的提高，研究其神经机制并早期发现和诊断仍然是痴呆防治的关键。

静息态功能磁共振通过无创地测量局部脑区血液氧合程度改变来反映脑自发活动，近年来已经逐渐运用到ESRD 的认知障碍的研究中，并可为ESRD 患者认知障碍的神经机制提供支撑［5］。本研究采用静息态磁共振观察ESRD 患者大脑自发性神经活动改变，探讨其与认知障碍之间的关系。

资料与方法

1.一般资料

2017 年6 月～2018 年12 月期间，从武汉大学中南医院肾内科一共招募40 例ESRD 患者（ESRD组），男23 例，女17 例，平均47 岁。纳入标准如下：年龄为18～65 岁的临床诊断为ESRD 的患者（eGFR 小于或等于15 ml/min/1.73 m2），病因为慢性肾小球肾炎，并均经规律性血液透析治疗；可完成颅脑MRI 检查；MRI 前完善实验室检查包括血常规、肝功能及肾功能等：右利手。排除标准如下：神经精神疾病；脑部严重病变（如脑肿瘤、外伤、急性缺血性脑血管病等）；其他系统严重疾病，如急性心血管疾病、动脉栓塞、心功能衰竭、心肌梗死、肝硬化、急性感染或伴有其他系统恶性肿瘤；其他病因导致的ESRD（如高血压肾病及糖尿病肾病；滥用毒品或酒精，吸烟等个人史）；磁共振检查禁忌证。另外从武汉大学中南医院附近小区招募40例与ESRD 组年龄性别及教育年限均匹配的健康对照（healthy control，HC）组，男23 例，女17 例，平均47 岁。纳入标准：年龄为18～65 岁，均为右利手；无器质性疾病、神经精神疾病及传染病；无MRI 检查禁忌证。本研究获得武汉大学中南医院伦理委员会的批准，所有受试者在参加试验前均签署知情同意书。

MR 检查前24 h 内采集的临床资料包括：患者及健康对照组的年龄、性别、体重指数（BMI）、教育年限、神经心理学量表，包括蒙特利尔认知评估量表（Montreal cognitive assessment scale，MoCA）、最小精神状态测试（mini-mental state examination，MMSE）、连线A（trail making test A，TMTA）、连线B（trail making test B，TMTB）、数字符号转换试验（symbol digit modalities test，SDMT） 及数字广度试验（digit span task，DST）；患者组于颅脑MRI 检查前24 h内采集透析治疗时长、血压、胆固醇、甘油三酯、空腹血糖、白细胞、红细胞、血红蛋白、血比容、预估肾小球滤过率（eGFR）、血清尿素氮、尿酸、肌酐、血钙、甲状旁腺激素等数据。

2.仪器与方法

采用Siemens Prisma 3.0 T MR 扫描仪和64 通道EPI 功能头线圈进行脑功能数据采集。扫描过程中，嘱受试者戴耳塞安静仰卧，尽量不动，以泡沫垫固定头部，嘱受试者闭眼但不能入睡。首先进行常规头颅MR 扫描以排除器质性病变。以3D 高分辨T1-MPRAGE（T1magnetization prepared rapid gradient echo）序列采集解剖像：TR 2000 ms，TE 2.30 ms，矩阵256×256，翻转角8°，正中矢状位扫描176 层，层厚1.0 mm。血氧水平依赖（blood oxygenation-dependent，BOLD）功 能MRI 数据采集由梯度回波-平面回波成像（gradient-recalled echo-planar imaging，GRE-EPI）序列获得，其基本参数如下：TR 2000 ms，TE 30 ms，矩阵64×64，层厚4 mm，翻转角78°，每个受试者均需要用时8 min从而获得240 个DICOM 格式文件。

3.图像处理与分析方法

在MATLAB 2012a 系统内应用DPABI［data processing&analysis for（resting-state）brain imaging］对静息态功能磁共振成像数据进行预处理，主要包括以下步骤：去除前十个时间点的图像，以防磁场不均匀及受试者不适应；层时间校正；头动校正，排除头动大于3°或3 mm 的病人；配准，将功能像与EPI 模板对准；标准化：将功能像标准化至来自蒙特利尔神经病学研究所（Montréal neurological institute，MNI）的标准立体脑空间，配准后图像的体素大小为3 mm×3 mm×3 mm；采用全宽半高值为6 mm 的高斯核进行空间平滑处理以过滤噪声，提高图像信噪比；去线性飘移；带通滤波，得到频率在0.01～0.1 Hz 的低频滤波并获得低频振幅（amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF）。

应用SPM 8 软件对ESRD 组及HC 组ALFF值进行两样本t 检验，经FWE（family wise error rate）校正，P<0.05 则认为结果有统计学差异。应用XJview 软件呈现有统计学差异的团块，并制作掩膜。应用REST 1.4 软件提取ESRD 组的差异性团块所对应的平均ALFF 值。

采用SPSS 21.0 软件对受试者一般资料及临床资料进行分析。对两组性别进行卡方检验，对年龄、教育年限、体重指数、神经心理学量表（MoCA、MMSE、TMTA、TMTB、SDMT、DST）进行两样本t 检验。双侧P 值小于0.05 认为有统计学差异。对上述提取的ESRD组的差异性团块平均ALFF 值及临床资料（神经心理学量表、血压、胆固醇、甘油三酯、空腹葡萄糖、透析时长、白细胞、红细胞、血红蛋白、血比容、eGFR、血清尿素氮、尿酸、肌酐、血钙、甲状旁腺激素等） 进行Pearson 相关性分析。所有双侧P<0.01 认为有统计学显著性差异。

结果

对所有受试者一般资料及临床特征分析表明；两组试验者均为男23例，女17 例，对两组性别进行卡方检验显示未见明显统计学差异（χ2值=0.000，P=1.000）；对两组下列变量进行两样本t 检验发现年龄（t=0.068，P=0.946）、教育年限（t=-1.073，P=0.287）、体重指数（t=-1.319，P=0.191）及MMSE（t=-1.963，P=0.053） 未见明显统计学差异。对两组的MoCA（t=-3.872，P<0.001）、SDMT（t=-3.040，P=0.003）；顺向数字广度实验（FDST）（t=-4.697，P<0.001）及反向数字广度实验（BDST）（t=-2.835，P=0.006）存在显著统计学差异，且ESRD 组较HC组得分低；TMTA （t=3.328，P=0.001） 及TMTB （t=2.889，P=0.005）存在显著统计学差异，且ESRD组较HC 组用时较长，表现较差；所以两组MoCA、TMTA、TMTB、SDMT、FDST 及BDST 均有显著统计学差异（P 均<0.01）且ESRD 组较HC 组在上述神经心理学量表表现较差，提示ESRD 患者认知功能下降。具体结果见表1。

ESRD 组患者均为规律性血液透析治疗患者。ESRD 组其他临床资料以平均值±标准差表示：透析时长（7.85±5.76）个月、收缩压（141.95±17.48）mmHg、舒张压（84.28±11.01） mmHg、eGFR（8.83±6.19）ml/min/1.73 m2、白细胞（6.62±2.25）1012/L、红细胞（2.93±0.78）1012/L、血红蛋白（88.65±22.32）g/L、血比容（27.22.±7.25）%、血尿素氮（19.81±10.12）mmol/L、血清肌酐（687.06±299.57）μmol/L、血尿酸（429.73±117.18）μmol/L、血 钙（2.01±0.32）mmol/L、甘 油 三酯（1.97±1.25）mmol/L、胆固醇（4.18±0.97）mmol/L、空腹葡萄糖（5.59±2.07）mmol/L、甲状旁腺激素（433.16±336.01）pg/ml（表1）。

与HC 组相比，ESRD 组ALFF 值减低的脑区包括左楔前叶、右楔前叶、左中央后回、左颞极：颞上回、左楔叶、右补充活动区、左距状裂及周围皮层；ESRD 组ALFF 值升高脑区在双侧小脑8 区（P均小于0.05，FWE 校正）（表2，图1）。

进一步进行Pearson 相关分析结果显示，右楔前叶与红细胞（r=0.477，P=0.002）、血红蛋白（r=0.516，P＜0.001）、红细胞比容（r=0.557，P＜0.001）呈正相关；左楔前叶与红细胞（r=0.508，P=0.009）、血红蛋白（r=0.469，P=0.002）、红细胞比容（r=0.471，P=0.002）呈正相关；同时结果显示eGFR、血清尿素氮、尿酸、肌酐等与差异性脑区之间未见明显相关性（P＞0.01）（图2）。控制本实验涉及的所有临床变量后发现右侧小脑8 区与TMTA （r=0.597,P=0.003）及TMTB（r=0.555，P=0.007）呈正相关；左侧中央后回与FDST 呈正相关（r=0.552，P=0.008）。

表2 ESRD 与HC 组ALFF 值比较结果（P＜0.05，FWE 校正）

图1 ESRD 组较HC 组ALFF 值减低（t 值小于0）及升高的脑区（t 值大于0）。a)～d)ESRD 组与HC 组间ALFF 值存在统计学差异的脑区在T1 模板上的轴位观，Z 为该横截面对应z 轴坐标；e)～h)矢状位观，X 为该矢状位对应x 轴坐标；i)～l)冠状位观，Y 值为该冠状位对应y轴坐标。暖色调代表t 值为正值，表示ESRD 组较HC 组ALFF 值升高；冷色调代表t 值为负值，表示ESRD 组较HC 组ALFF 值降低

图2 ESRD 组ALFF 值与红细胞、血红蛋白及红细胞比容的相关性（P＜0.01）。a)～c)ESRD 组右侧楔前叶ALFF 值与红细胞、血红蛋白及红细胞比容等分别相关性分析图；d)矢状位示右侧楔前叶位置，X 为矢状位图对应x 轴坐标；e)～g)ESRD 组左楔前叶ALFF 值与红细胞、血红蛋白及红细胞比容等分别相关性分析图；h)矢状位示左楔前叶位置，X 为矢状位图对应x 轴坐标

讨论

本研究首先使用MoCA、DST、SDMT、TMTA 及TMTB 等神经心理学量表评估，发现ESRD 患者在整体认知功能、工作记忆、处理速度等方面能力下降；进一步采用静息态功能MRI 成像经处理后发现ESRD 患者的大脑多发区域自发活动异常，主要在双侧楔前叶、左中央后回及左颞极：颞上回降低，而在双侧小脑8 区升高；而且双侧楔前叶平均ALFF 值与红细胞、血红蛋白及红细胞比容水平呈正相关，提示贫血可能影响ESRD 患者的大脑自发活动。控制本实验涉及的所有临床变量后发现右侧小脑8 区与TMTA 及TMTB 呈正相关，左中央后回与FDST 呈正相关，表明ESRD 患者在右侧小脑8 区及左中央后回的异常自发活动与认知障碍有关，可能是ESRD 患者早期认知障碍的影像学标记。

ESRD 组较HC 组认知功能，主要包括整体认知水平（MoCA）、工作记忆（DST）、处理速度（SDMT、TMTA 及TMTB）明显下降，与Dong 等［6］的研究结果一致。ESRD 患者双侧楔前叶、左颞极：颞上回ALFF 值较HC 组显著下降。楔前叶及左颞极：颞上回均属于默认网络，楔前叶是默认网络的核心节点，主要参与视觉空间图像，情景记忆检索和自我处理操作等执行功能［7］。左侧颞上回参与面部认知，主要包括面部信息处理、情绪识别处理［8,9］。Luo 等［5］通过对ESRD 患者的rs-fMRI 中ALFF 研究发现左楔前叶及左颞上回的ALFF 值显著减少，且双侧楔前叶的ALFF 值与血红蛋白水平及SDMT得分呈正相关。李朋等［10］对ESRD 患者的ALFF 研究亦发现ESRD 患者较正常对照双侧楔前叶的ALFF 值显著减少。Chen 等［11］通过对ESRD 患者的rs-fMRI 研究发现双侧颞上回及楔前叶功能活动的局部一致性减低，且左颞上回局部一致性与认知功能有相关性。Li 等［12］对22 例ESRD 患者及29 例健康对照组rs-fMRI 研究发现，ESRD 患者全脑功能网络内在的失连接，尤其是在左顶下小叶和右颞上回（默认网络的重要组成部分）。且Ni 等［13］通过对ESRD 患者的默认网络功能连接研究发现楔前叶功能连接显著下降，且与血清肌酐呈负相关。另外本研究还发现ESRD 患者在左中央后回的ALFF 值减低，且左中央后回与FDST 呈正相关。左中央后回主要参与躯体感觉，属于感觉运动网络［14］。Chen 等［15］通过一项关于肾移植前后ESRD 患者脑网络改变的研究发现，肾移植前ESRD 患者较HC 组在双侧中央后回及双侧楔前叶的功能连接强度较其他脑区的功能连接明显减弱伴有认知功能下降，且肾移植后中央后回及较其他脑网络功能连接恢复较慢且伴随着认知功能逐渐恢复。不仅功能上，Chou 等［16］研究长期血液透析治疗的ESRD 患者脑结构网络发现，ESRD 患者的中央后回结构连接性、节点强度、节点度及节点局部效率显着降低，且白质纤维破坏与ESRD患者的神经并发症有关。数字广度试验（顺背）即FDST，主要测试瞬时记忆力及注意力，测验分数为正确回答的最高位数，因此中央后回功能活动的异常对反映ESRD 患者在测试瞬时记忆力及注意力等认知功能改变较为敏感。本研究还发现ESRD 组较HC 组在双侧小脑8 区ALFF 值升高，右侧小脑8 区与TMTA 及TMTB 呈正相关。双侧小脑8 区主要参与躯体感觉及运动［17］。Zhang 等［18］还发现双侧小脑灰质体积减少。因此ESRD 患者双侧小脑8 区ALFF 升高可能涉及灰质丢失后的功能代偿。TMTA 及TMTB 则通过记录受试者执行连线任务的时间来测试精神运动速度，时间越长表示性能越差。本研究发现ESRD 患者TMTA 及TMTB 均较HC 组用时长表明精神运动速度方面认知功能下降，而右侧小脑8 区的ALFF 值增加与TMTA 及TMTB 用时增加相关，表明右侧小脑8 区自发活动增加可反映ESRD 患者认知功能下降。

相关性分析发现ESRD 患者红细胞、血红蛋白及红细胞比容水平与双侧楔前叶ALFF 值呈正相关，这与Luo 等［5］对ESRD 患者的ALFF 研究结果一致。终末期肾病患者由于肾脏结构破坏、功能下降，促红细胞生成素合成减少，易导致肾性贫血。而贫血可以增加ESRD 患者及一般人群认知功能下降及痴呆风险-因为较低的血红蛋白浓度及红细胞比容使脑组织血氧供应能力降低及血管调节功能障碍，易导致局部缺血［19,20］。用促红细胞生成素改善终末期肾病患者的认知功能［21］。Liu等［22］对慢性肾病的年轻患者基于动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）序列的脑灌注研究发现，贫血引起广泛脑血流过度灌注，引起脑血管损伤及功能障碍，尤其是在默认网络脑区（双侧楔前叶等）。Jiang 等［23］研究血液透析治疗的ESRD 患者存在广泛的脑血流过度灌注，并与血红蛋白水平下降及认知障碍有关。因此贫血可能影响大脑局部神经功能活动，进而导致认知障碍。

之前许多对ESRD 患者的脑功能成像方面的研究表明肾功能下降与大脑功能参数异常相关，例如Chen 等［11］对ESRD 患者的局部大脑神经活动一致性研究发现双侧额叶，顶叶和颞叶局部活动一致性降低，且默认网络脑区局部一致性与血清肌酐和尿素水平和透析时间相关。Ma 等［24］发现默认网络内部及其与其他网络核心节点间功能连接损伤在ESRD 患者发展成认知障碍机制中发挥核心作用，且与肾功能下降有关。但本研究中eGFR、血清尿素氮、尿酸、肌酐等与差异性脑区间未见明显相关性。可能是因为本研究纳入的仅为慢性肾小球肾炎的血透患者，而既往研究采用的患者涉及多种病因；而且本研究只是将两组间ALFF 值有显著差异的脑区与临床变量做相关-本研究的FWE 校正水平更为严格，因此与其他研究部分有所不同。

本研究还存在一定的局限性：（1）本实验为横断面研究。（2）虽然本研究仅发现贫血与双侧楔前叶神经活动的相关性，但终末期肾病患者认知障碍是多因素共同作用的结果，所以不可否认其他因素是否有影响。（3）本研究使用的量表只能测试整体或部分认知功能，未来需细化具体认知功能，准确评估。

本研究发现终末期肾病患者认知功能下降伴随着大脑自发神经活动显著改变，主要在双侧楔前叶、左中央后回及左颞极：颞上回显著减低，双侧小脑8 区显著升高，表明ESRD 患者认知障碍伴随着脑功能的改变，且大脑自发神经活动异常可作为早期发现和诊断ESRD 患者认知障碍的潜在影像学标记。