基于DTI数据分析轻度认知功能障碍患者脑结构网络

胡绮莉，王湘彬，李芸菲，宋英杰，孟凡华，张思斯，赵小虎*

(1.复旦大学附属上海市第五人民医院放射科，上海 200240；2.同济大学附属同济医院放射科，上海 200065)

阿尔茨海默病(Alzheimer's diseases, AD)是世界范围内严重危害人类健康的疾病之一，目前对其发病机制尚不明确，亦缺乏早期诊断方法及有效治疗措施[1]。轻度认知障碍(mild cognitive impairment, MCI)被认为是AD临床前期，已成为衰老和认知障碍领域的研究重点[2]。基于脑网络角度研究MCI可为探索其发病机制提供新视角。人脑网络可分为结构网络和功能网络。既往研究[3-4]多关注于MCI患者的脑功能网络变化，对其脑结构网络相关研究较少，且结果不一致[5-7]。本研究基于DTI数据构建脑结构网络，探索MCI患者脑结构网络是否具有小世界属性及其特征性改变。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2013年1月—2014年6月于同济大学附属同济医院就诊的26例MCI患者(MCI组)，男18例，女8例，年龄60～83岁，平均(73.8±7.4)岁；同时收集27名健康老年人为对照(NC组)，男19名，女8名，年龄61～85岁，平均(74.3±6.4)岁。MCI组纳入标准：①主诉或代诉记忆减退，病程超过3个月；②认知能力评价：根据不同受教育程度，以简易智能精神状态检查量表(mini-mental state examination, MMSE)对患者进行评分，文盲17分、小学≥21分、中学及以上≥24分；③存在记忆受损客观证据；④日常活动能力无显著缺损或轻微受损；⑤未达痴呆标准。排除标准：①其他痴呆核心症状或显著特征，如帕金森病、额颞叶痴呆等；②明确卒中史；③头颅MRI提示存在广泛或多发脑梗死、严重白质病变、肿瘤、脑出血等器质性病变；④其他引起进行性记忆和认知功能损害疾病或药物过量或滥用；⑤重大系统性疾病或不稳定医疗状况；⑥抑郁症；⑦MRI禁忌证。本研究经同济大学附属同济医院伦理委员会批准[批准号：LL(H)0-12-36]，受试者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Seimens Verio 3.0T超导型MRI系统行颅脑MR检查，配备标准头部线圈，以泡沫垫固定头部；扫描参数：轴位DTI，TR 13 100 ms，TE 92 mm，层厚2 mm，层间距 0 mm，矩阵128×128，层数70，Direction 30，激励次数NEX 2，b值0、1 000 s/mm2。

图1 构建二值化脑结构网络示意图 A～B.MCI组(A)及NC组(B)全脑白质纤维束图； C.大脑结构网络节点图； D～E.MCI组(D)及NC组(E)结构网络90×90加权矩阵图

1.3 认知能力评估 由2名具有10年精神科工作经验的经过专门培训的主治医师对所有受试者进行MMSE测试及Mattis痴呆评定量表(Dementia rating scale, DRS)中文版测试，评价其认知能力等。

1.4 统计学分析 采用SPSS 17.0统计分析软件。计量资料以±s表示。采用两样本t检验比较2组间年龄、MMSE评分及不同T值脑结构网络特征参数的差异。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2组受试者认知能力 2组间年龄差异无统计学意义(t=0.22，P=0.83)。MCI组DRS评分(132.30±5.00)显著大于NC组(112.00±4.90，t=14.93，P<0.01)，MMSE分数(27.35±1.55)显著低于NC组(28.33±1.33，t=2.47，P=0.02)。见图2。

图2 2组DRS(A)和MMSE(B)分值柱状图

2.2 2组受试者大脑结构网络小世界性差异 1≤T≤5时，MCI组γ=4.41±0.60，λ=1.13±0.02，σ=3.87±0.47；NC组γ=4.31±0.65，λ=1.13±0.01，σ=3.80±0.53；2组受试者大脑结构网络均同时满足γ>1和λ≈1且σ=γ/λ>1(图3)，即大脑结构网络均具有小世界特性。

图3 不同T值时MCI组与NC组的γ、λ、σ值线图 A.γ值； B.λ值； C.σ值

MCI组Cp=0.41±0.03，Lp=2.62±0.25，Elocal=0.58±0.07，Eglobal=0.39±0.04；NC组Cp=0.41±0.03，Lp=2.50±0.23，Elocal=0.60±0.06，Eglobal=0.40±0.04。T=1、2、3、4、5时，MCI组Cp与NC组差异均无统计学意义(t=0.05、0.82、1.03、0.04、1.15，P均>0.05)；MCI组Lp均显著大于NC组(t=2.12、2.06、2.56、2.29、2.43，P均<0.05)；T=2时，MCI组Elocal低于NC组(t=2.32，P<0.05)，T=1、2、3、4时，MCI组Eglobal均低于NC组(t=2.06、2.43、2.32、2.29，P均<0.05)。见图4。

图4 不同T值时MCI组与NC组小世界参数CP、LP、Elocal、Eglobal的线图 A.Cp值； B.Lp值； C.Elocal值； D.Elocal值 注：*组间比较P<0.05

3 讨论

人脑网络大致可分为结构网络和功能网络，基于MRI研究发现人脑结构网络主要与脑区体积、皮层厚度、白质FN等相关[10-11]。ZHANG等[6]测量遗忘型MCI(amnesia-MCI,a-MCI)患者脑区平均弥散率(mean diffusivity, MD)并构建皮层网络，发现其脑结构网络具有小世界特性。BAI等[5]基于DTI数据以FN为阈值构建aMCI患者的脑结构网络，发现其存在小世界属性。本研究结果显示MCI组及NC组脑结构网络均具有小世界属性。前期研究[2]还发现MCI患者的大脑fMRI网络同样具有小世界特性，且较正常老年人增强，为MCI患者大脑网络具有小世界特性提供了支持。

本研究比较MCI组与NC组大脑结构网络小世界参数变化，发现MCI组的小世界属性本质相比NC组未见改变，但其内部网络特征发生了改变，MCI组LP高于NC组，而Eglobal、Elocal降低，提示MCI患者脑结构网络局部信息传递能力和脑区之间信息整合能力受损，这对从网络角度研究MCI病理机制具有重要意义。Lp和Eglobal度量全局网络信息传输能力；Lp越短，Eglobal越高，远距离脑区间信息传输效率越高[12]。SHU等[7]发现多领域型aMCI患者脑结构网络Lp显著增加。DAIANU 等[13]认为MCI患者Eglobal相比正常受试者显著降低，本研究结果与之相符，可能由于MCI患者白质纤维束受损，远距离脑区间信息整合、传递能力下降。Elocal反映网络局部信息传递及处理能力[14]。BAI 等[5]基于DTI观察MCI患者脑结构网络，发现其额顶叶内部分区域Elocal显著下降，本研究结果与之相符。MCI患者脑功能网络Elocal较正常老年人显著增高[3]，与结构网络结果相反，提示MCI患者结构网络局部信息处理能力受损，但功能上出现了补偿机制。ZHANG等[6]发现MCI患者Lp下降；SHU等[7]观察到多领域型aMCI患者CP升高；BAI等[5]指出MCI患者额顶叶部分区域CP显著下降。本组结果与上述研究不尽一致，原因可能为：①大脑损害程度在疾病不同阶段有所不同[15]；②网络构建方法不同，文献[6]以MD值构建网络，而本研究采用FN值构建网络；文献[5]虽亦以FN为阈值，但只观察了FN=3的结构网络；③样本量较小。

综上所述，MCI患者大脑结构网络具有小世界特性，但其小世界特性受损。