遗忘型轻度认知功能障碍患者齿状核静息态功能连接改变及其与认知功能的相关性

汤凡宇， 林兴建， 祝东林， 马文颖， 石静萍

(南京医科大学附属脑科医院神经内科， 江苏 南京 210029)

遗忘型轻度认知功能障碍(amnesic mild cognitive impairment ,aMCI)是阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)的临床前期阶段，患者表现为认知功能轻度下降，但日常生活并不受影响[1-3]。目前我国60岁及以上人群中大约有1 507万人患有痴呆，其中AD约为983万[4]。美国老年及衰老协会指南推荐，宜对AD患者进行早期诊断和早期干预，aMCI阶段是延缓病情发展和治疗的关键时期[2]。小脑对大脑认知功能网络有一定的影响，而齿状核作为最大的小脑核团在小脑与大脑网络连接中起着中继站的重要作用[5]。目前，关于aMCI的影像学研究主要针对海马、内侧颞叶、双侧扣带后皮质、楔前叶和颞顶外侧叶等大脑皮层区域，而小脑齿状核和大脑之间的功能连接差异特征尚不清楚。因此，本研究运用静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging, rs-fMRI)技术探究aMCI患者双侧齿状核功能连接改变特征及其与认知功能的相关性。

1 病例与方法

1.1 研究对象

选择2018年1月至2020年12月就诊于南京脑科医院神经内科34例aMCI患者作为观察组，所有患者符合美国国家衰老研究所及阿尔茨海默病协会(National Institute on Aging-Alzheimer′s Association，NIA-AA)联合推出的MCI临床诊断标准[2]。纳入标准：患者主诉为记忆力下降并由家属或知情者证实；认知功能减退呈单域或多域；正常的日常生活不受影响；临床痴呆评定表(CDR)分值0.5。另选择同期与观察组年龄、性别、学历匹配的34例健康者作为对照组。纳入标准：无其他严重神经系统或精神疾病；体格检查未见神经系统异常体征；无记忆力下降主诉；CDR分值0。排除标准：排除其他原因所致痴呆，如路易体痴呆、额颞叶痴呆、血管性痴呆、严重精神类疾病、脑血管病、肿瘤、中毒和代谢感染疾病等；MRI检查禁忌证(幽闭恐惧症、心脏起搏器植入等)。所有受试者均给予研究解释并签署知情同意书。

1.2 神经心理学量表评估

所有受试者均接受专业的认知评估，包括简易智能精神状态量表(MMSE)，蒙特利尔认知评估量表(MOCA)评估总体认知情况，听觉词语学习测验(AVLT)评估记忆功能，画钟试验评估视空间能力，数字符号转换测试(SDMT)、数字广度测试(DST)用来评估注意力，波士顿命名测试(BNT)检测词语命名能力，言语流畅性测试(VFT)评估言语流畅性，连线测试用来检测执行力及注意力。

1.3 脑脊液生物标志物检测

脑脊液中的β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein, Aβ1-42、Aβ1-40)、总tau蛋白(total tau, t-tau)和磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau, p-tau)采用INNO-BIA AlzBio3免疫分析试剂盒(比利时根特公司)测定。研究中，34例aMCI受试者采集脑脊液样本，由于腰椎穿刺术是一种侵入性操作，对照组未采集脑脊液样本。

1.4 磁共振数据采集

采用西门子3.0 T singer扫描仪(德国西门子公司)与8通道射频线圈采集扫描相关数据。受试者取仰卧位，头部用专用海绵衬垫固定以减少头部活动，戴上耳塞以减小噪音干扰。受试者尽可能地保持静止，闭上双眼，保持清醒，尽量不要思考。三维T1加权图像在矢状方向采用3D-SPGR序列获得，参数如下：重复时间=3 ms；回声时间=2 530 ms；翻转角=7°；128个时间点；1.3 mm层厚；视野=256 mm×256 mm。rs-fMRI采集应用单次回波激发成像。扫描参数：240个时间点；重复时间=30 ms；回声时间=2 000 ms；视野=240 mm×240 mm；矩阵=64×64；翻转角=90°；36个轴向片；3.0 mm厚度；切片间隙=0 mm。每个受试者的成像时间约为14 min。

1.5 数据图像预处理

rs-fMRI的数据预处理使用软件DPARSF(http://www.est.restfmri.net)[6]。首先，去除每个数据前10个时间点，将剩余图像进行时间层及运动校正(所有受试者头动最大位移<3 mm，每个轴的旋转角度<3°)，接着进行配准，图像分割，使用蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)回波平面成像模板将图像进行空间标准化，重采样成3 mm×3 mm×3 mm空间分辨率，并用4 mm半高全宽平滑核进行空间平滑处理。然后对fMRI数据进行时间带通滤波(0.01～0.08 Hz)，以去除低频漂移和生理高频噪声。为进一步减少混杂因素的影响，采用线性回归方法从数据中剔除线性漂移、6个运动参数和全脑内所有白质和脑脊液信号的平均时间序列。

1.6 全脑数据功能连接分析

由WFU Pick Atlas (http://www.ansir.wfubmc.edu)提取双侧齿状核作为感兴趣区，并重新配准到MNI空间。提取感兴趣区内的血氧水平依赖性时间序列，生成每个感兴趣区的参考时间序列，利用体素-体素的方式通过计算每个感兴趣区时间序列与全脑其他脑区体素的时间序列之间的相关系数，之后利用Fisherz转换得到相关系数，来提高其正态性。所有受试者得到2个z值图，即2个齿状核的静息态功能连接图。如图1。

蓝色为右侧齿状核，红色为左侧齿状核图1 WFU Pick Atlas软件提取感兴趣区

1.7 统计学方法

2 结果

2.1 人口学资料和临床量表评估

两组间神经心理学量表及年龄、性别、受教育程度等比较，差异均无统计学意义(P> 0.05 )。观察组量表得分均明显低于对照组(P均< 0.05)。见表1。

表1 两组受试者人口学特征和神经心理学量表评分比较

2.2 两组齿状核与全脑功能连接差异

与对照组相比，观察组左侧齿状核与左侧颞下回、右侧丘脑功能连接增强，右侧齿状核与左额叶、左颞上回均有功能连接显著增强，此外，在右侧齿状核和同侧小脑后叶之间有一个功能连接增强区域。见表2。图2显示左侧和右侧齿状核显著变化的功能连接区域。

A：左侧齿状核功能连接差异图；B：右侧齿状核功能连接差异图；红色表示观察组齿状核-脑功能连接性较对照组增强区域，蓝色表示观察组齿状-脑功能连接性较对照组减弱区域，经AlphaSim校正，P<0.05图2 观察组和对照组相比齿状核功能连接差异图

表2 观察组双侧齿状核功能连接显著差异的区域

2.3 神经心理学量表评分及脑脊液生物标志物与功能连接差异区域的相关性

如图3所示，MMSE评分与观察组左侧齿状核和右侧丘脑之间的功能连接值呈正相关(r=0.399，P=0.026)，AVLT-再认评分与右侧齿状核和左侧颞上回之间的功能连接值呈负相关(r=-0.552，P=0.001)。VFT评分与观察组左侧齿状核和右侧丘脑的功能连接值呈正相关(r=0.383，P=0.025)。p-tau值与观察组右侧齿状核和左侧颞上回之间的功能连接值呈正相关(r=0.357，P=0.045)，而Aβ1-42、Aβ1-40、t-tau值与功能连接差异脑区未发现显著相关性(P均>0.05)。

图3 aMCI患者齿状核功能连接差异脑区与认知功能评分及生物标志物水平之间的相关性

3 讨论

AD是一种常见的神经退行性疾病，以情景记忆障碍为最突出的临床表现，先前的研究主要在最易受到损伤内侧颞叶系统[7]。最近几项关于AD小脑改变的神经病理学和MRI研究发现，小脑广泛参与调节高级认知功能[8-11]。齿状核是最大的小脑核团，是位于小脑半球深层白质中的一组兴奋性神经元，也是小脑与大脑进行信息输出的主要通道之一[12]。本研究结果发现，相比于对照组，aMCI患者齿状核功能连接存在异常增高，包括颞叶、丘脑和小脑后叶，且相关分析证实功能连接增强与认知功能评分相关。

既往对于AD患者的齿状核进行功能连接特征的研究发现，齿状核与对侧颞叶及枕叶区域存在选择性功能连接增高特征[13]，本研究结果与其一致；不同的是，本研究发现齿状核与丘脑之间的功能连接也有增强现象。小脑与大脑之间的连接主要通过两个环路，分别是小脑-丘脑-大脑环路以及小脑-脑桥-大脑环路[14]，而齿状核是两条环路的重要位置，由此猜测，齿状核与丘脑之间的功能连接增强可能是一种代偿机制。由于大脑神经元损伤导致的连接减弱，小脑为代偿激活了大脑-小脑环路以在AD患者临床前期尽量维持其认知水平。随着疾病的发展，AD阶段齿状核与大脑功能连接增强区域较aMCI区域增多，这可能与疾病进展有一定的关系。AD患者中最早受影响也是最严重的区域为内侧颞叶系统，随着病情加重，皮层受累范围更广，aMCI阶段萎缩不明显，但海马/内嗅区与涉及记忆处理和大脑的特定新皮质/皮质下区域出现高连通性[15-16]。

小脑萎缩是散发性AD的另一个特征，最初影响与默认模式网络相连的部分小脑区域；默认模式网络是一组与认知有关的高度相互作用的脑区(包括角回、颞中回、楔前和额背内侧前额叶皮质)，并受到神经变性的广泛影响[17-18]，但在aMCI阶段萎缩速度较AD缓慢[19]。人类小脑存在认知控制的功能处理层次结构，自身包含一个平行但独立的层级组织，特别是其后叶与背外侧前额叶皮层共同支持复杂的认知过程[20]。而AD小脑萎缩相对大脑稍晚，也具有与脑灰质相一致的萎缩模式[10,21-22]。小脑后叶相对较早受累[8]，这也与AD由认知相关区域向非认知相关区域萎缩模式相一致。本研究结果发现，aMCI患者齿状核与同侧小脑后叶的功能连接较对照组增强，可能代表一种针对认知障碍发展的代偿机制。

此外，本研究结果显示，两组间齿状核和丘脑功能连接增强区域与MMSE评分及VFT评分呈弱相关，可能原因首先是颞上回相较于丘脑，与高级认知功能的关系更密切，其次可能因为研究对象数量较少，存在部分混杂因素，有待于进一步收集数据进行分析。本研究结果证实，齿状核和丘脑的功能连接显著差异区域与言语流畅性测试呈一定相关性。既往研究对健康者进行言语任务态测试显示，小脑后叶对言语有提取和序列的预测能力[23]。特别是小脑小叶Ⅵ/CRUⅠ，是言语工作记忆的关键调节部位[24]。不仅如此，小脑还在言语短期记忆、词汇生成中起到不同的作用[25]。结合研究结果，本研究发现齿状核功能连接显著增强区域与患者记忆评分AVLT之间呈一定相关性，进一步证明功能性过度连接是齿状核和颞叶大脑区域之间功能相互作用改变的病理表现，并且与认知能力密切相关。

AD病理生理学沉积的两种主要蛋白质为淀粉样蛋白(Aβ42，Aβ40)和tau蛋白，tau蛋白在内侧颞叶中的聚集是AD的第一阶段，可以在Aβ存在下转化和扩散，与大脑萎缩、代谢不足和认知损伤有关[26]。前期研究表明，AD临床前阶段的功能障碍主要发生在AD易感区域(如海马、小脑Ⅵ/CRUⅠ、视皮层、额叶)，后扣带回皮质与小脑之间的耦联增强是功能代偿的内在机制，并且BA39-BA19的中心性与p-tau/Aβ42比值呈负相关，与整个AD连续病程的记忆功能损害有关[7, 27]。本研究结果发现，齿状核功能连接区域增强与p-tau呈正相关，进一步证实AD临床前期病理生理中功能补偿的神经机制，但为弱相关，后续将继续扩大样本量以进一步验证。

本研究有一定的局限性，首先只单独分析了齿状核功能连接的差异，未全面探究齿状核在AD中的神经影像学特征，后续将通过多模态神经组学研究方法进一步探究。其次，本研究采用横断面设计，后期需要进行纵向跟踪以观察aMCI进展为AD过程中的脑网络变化特征。

综上所述，本研究应用rs-fMRI 技术探究aMCI患者小脑齿状核功能连接特征，主要表现在颞叶、丘脑及小脑后叶的连接增强，并且功能连接改变与记忆及言语功能具有一定相关性，证实小脑参与aMCI患者的认知调节过程，并具有一定的代偿能力。此外，差异脑区功能连接强度与脑脊液生物标志物中p-tau值具有一定相关性也表明小脑参与AD病程进展。