脑白质高信号患者认知障碍与海马亚区萎缩的相关性研究

朱立文，黄丽丽，徐运，

脑白质高信号（white matter hyperintensity，WMH）是高龄相关性脑结构改变的重要表现和脑小血管病常见的影像标志物，也是血管性认知功能障碍的重要原因，在60岁以上人群中发病率高达72%～96%[1]。额叶-皮层下环路的破坏可能是WMH相关认知障碍的病理机制，同时，额叶-皮层下环路损伤也影响灰质的完整性，可导致内侧颞叶及海马的萎缩[2-4]。海马萎缩显著影响记忆功能，是持续性认知功能损害和痴呆进展可靠的影像学标志物[5]。即使没有阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）神经病理学证据的情况下，部分小血管病患者也已经出现大量的海马神经元的丢失，表明海马在血管性痴呆患者中同样可能发挥重要作用[3]。病理学研究发现海马是由多个亚区构成的C字形结构，这些亚区组成完整的内部环路共同调节海马的功能[6-7]。本研究拟探讨WMH疾病进程中海马亚区的受累情况，并进一步探究是否存在影响WMH患者认知域功能障碍的海马萎缩亚区，以寻找早期诊断WMH认知功能障碍相关的影像标志物。

1 对象与方法

1.1 研究对象 前瞻性纳入南京大学医学院附属鼓楼医院神经内科2017年1月-2019年12月连续收治的WMH患者。纳入标准：①年龄＞45岁；②头颅MRI的FLAIR序列上WMH分级达Fazekas≥2级；③无MRI禁忌证，可配合完成成套的神经认知功能评估。排除标准：①陈旧性脑梗死病灶＞1.5 cm或有心源性栓塞病史；②既往有脑出血、蛛网膜下腔出血病史；③颅内外大动脉狭窄>50%；④其他疾病导致的脱髓鞘病变如免疫介导的炎症性脱髓鞘病变，代谢性脑白质营养不良等；⑤其他神经退行性疾病，如AD、帕金森病（Parkinson’s disease，PD）等；⑥其他系统性疾病，如肿瘤、休克等。同期从门诊纳入认知功能正常且头颅MRI上无明显WMH的健康志愿者作为对照组。本研究经南京大学医学院附属鼓楼医院道德伦理委员会审核批准，所有受试者均签署知情同意书。

1.2.1 认知功能评定指标及标准 认知功能的评定包括对患者总体认知功能和不同认知域（信息处理速度、执行功能、记忆功能和语言功能）进行量表评价，由一位神经心理医师专人评定。

总体认知功能的评定采用MMSE和MoCA量表。MMSE≤19分（文盲）、≤22分（受教育年限1～6年）、≤26分（受教育年限＞6年）被认为存在认知功能障碍。若MMSE评分在正常范围，则以MoCA≤13分（文盲）、≤19分（受教育年限1～6年）、≤24分（受教育年限7～12年）、≤25分（受教育年限＞12年）为存在认知功能障碍[8]。根据上述标准将WMH患者分为无认知障碍（MMH without cognitive impairment，WMH-NCI）组和认知障碍（MMH with cognitive impairment，WMHCI）组。

采用韦氏记忆量表中的视觉再现-长延迟回忆部分（visual reproduction–longdelayed recall portion of the Wechsler memory scale，WMS-VR-DR）和听觉言语学习测验-延迟回忆（auditory verbal learning test-delayed recall，AVLT-DR）来评估情景记忆功能；Stroop色词测试（Stroop color and word tests，SCWT）及连线测试（trail making test，TMT）来评估处理速度和执行能力，其中SCWT分A、B、C三部分，TMT分A、B两部分；采用分类语言流畅度（category verbal fluency，CVF）和波士顿命名测试（Boston naming test，BNT）对语言功能进行评估。

将每个测试的原始分数转换为z分数，其计算公式如下：

其中χ是原始分数，是原始分数的平均值，s是标准差。

各认知域的评估采用相应神经心理测试z分数的均值。此外，TMT和SCWT的结果为时间，因此对其值进行了反向转换以保持趋势的一致性。

1.2.2 影像学指标采集和评价 头颅MRI影像学评定包括CSVD相关影像标志物和海马体积测量。

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使用飞利浦3.0T MRI扫描仪采集3D-T1WI、T2WI、3D-FLAIR、SWI序列。3D-T1WI和T2WI序列参数：重复时间9.8 ms，回波时间4.6 ms，翻转角8°，层数192层，视野250 mm×250 mm，采集矩阵256×256，层厚1.0 mm；3D-FLAIR序列参数：重复时间4500 ms，回波时间333 ms，反转时间1600 ms，层数200层，体素大小为0.95 mm×0.95 mm×0.95 mm，采集矩阵为270×260；SWI序列参数：重复时间31 ms，回波时间7.2 ms，翻转角17°，矩阵480×480，视野230 mm×230 mm，层数162层。

由一位影像学医师专人盲法对患者头颅MRI结果进行评定。CSVD影像学标志物包括WMH、腔隙性脑梗死（lacunar infarction，LI）和脑微出血（cerebral microbleeds，CMBs），其中WMH分别测定室周、深部和总WMH体积。

LI为圆形或卵圆形直径为3～15 mm的空腔，在T2-FLAIR序列上中心呈脑脊液样低信号，周边围绕高信号环。CMB定义为SWI序列上的直径2～10 mm的圆形或卵圆形、边界清晰均质性低信号灶[9]。WMH为T2WI或T2-FLAIR序列高信号，T1WI序列等信号或低信号，其内无空腔的病灶，其中呈“帽状”位于额叶或枕叶脚，边缘沿侧脑室横切面如薄圈的为室周WMH，而皮层下白质的点状病灶则是深部WMH。利用Wisconsin白质高信号分割工具包（版本1.3，Wisconsin老年痴呆症研究中心，https://sourceforge.net/projects/w2mhs）基于3D-FLAIR序列进行半自动化WMH体积的定量，可获得室周、深部和总WMH体积[1]。除测定WMH病变体积外，还对WMH进行Fazekas分级[10]。

采用FreeSurfer图像分析软件包（版本6.0.0，https://www.freesurfer.net/）对3D-T1WI序列进行处理，获得左右侧海马总体积、各海马亚区的体积定量及估计的颅内总体积（estimated total intracranial volume，eTIV）。FreeSurfer的核心命令recon-all可完成以下处理步骤：头动校正、去除非脑组织、Talairach标准空间配准、白质分割、信号标准化、拓扑校正/概率图谱结构分割等[11]。根据内置的图谱，海马一共被划分成12个亚区：海马尾、下托、CA1、海马裂、前下托、旁下托、分子层、齿状回、CA3、CA4、海马伞及海马杏仁核过渡区[12]。颅内总体积=灰质体积+白质体积+脑脊液体积。

1.3 统计学方法 采用SPSS 22.0软件进行统计分析，计数资料以例数和率表示，组间比较采用χ2检验（当有>20%单元格的理论频数<5时，采用Fisher’s确切概率法）。计量资料行Kolmogorov-Smirnov正态性检验，满足正态分布的变量以表示，组间比较采用单因素方差分析或协方差分析，对于三组间有统计学差异的变量再进行两两事后分析，采用Bonferroni多重比较校正；不符合正态分布的变量以M（P25～P75）表示，组间比较采用Kruskal-Wallis检验，三组间有差异的变量再进行两两比较，采用Bonferroni多重比较校正。

采用偏相关分析在WMH-CI组中分析海马亚区体积与各个认知域功能障碍的相关性。基于既往研究提示年龄、性别、教育年限、eTIV对海马萎缩及认知障碍有影响，此外LI、WMH、CMB在组间有统计学差异，为了避免上述变量的影响，在偏相关分析中将上述因素作为协变量进行校正。同样采用偏相关分析在全部WMH患者中分析三组间有差异的海马亚区体积与WMH体积的相关性（校正年龄、性别、教育年限、eTIV、LI、CMB等因素）。为避免多次相关分析增加一类错误，所有相关分析同样采用Bonferroni多重比较校正。

2 结果

2.1 人口统计学、临床资料及认知功能评估比较结果 本研究共纳入253例研究对象，年龄47～87岁，平均65.49±7.66岁，男性133例（52.6%）。对照组85例，WMH组168例，WMH组中WMH-NCI组79例，WMH-CI组89例。对照组、WMH-NCI组及WMH-CI组在年龄、性别、教育年限及血管危险因素上差异无统计学意义。三组LI、CMBs、WMH等脑小血管病影像学标志物的差异有统计学意义，进一步两两分析显示，WMH-NCI组及WMHCI组的LI及CMBs发生率均高于对照组（均P＜0.001），WMH-NCI组和WMH-CI组间LI（P=0.279）和CMBs（P=0.123）差异无统计学意义。WMH-NCI组及WMH-CI组室周、深部和总WMH体积均高于对照组（均P＜0.001），此外，WMH-CI组的室周（P=0.016）、深部（P=0.013）和总（P=0.010）WMH体积高于WMH-NCI组（表1）。

表1 人口统计学及临床资料评估

三组间认知功能比较显示，总体认知功能及各认知域评分差异均有统计学意义。两两比较显示，WMH-CI组与其他两组相比表现为广泛的认知域功能障碍，包括总体认知功能、信息处理速度、执行功能、记忆功能及语言功能，差异均有统计学意义（除在WMS-VR-DR指标上与WMH-NCI组相比，P=0.001外，其余指标比较的P值均＜0.001），而WMH-NCI组患者则仅在连线测试B评分上低于对照组（P=0.040）（表2）。

表2 认知功能评估结果

2.2 海马总体积及海马亚区体积的比较结果 比较三组间海马总体积的差异，仅发现右侧海马总体体积差异有统计学意义（P=0.024）（表3）;进一步进行海马亚区体积比较发现双侧海马伞（左侧P=0.012，右侧P=0.003）、右侧下托（P=0.033）、右侧分子层（P=0.012）、右侧齿状回（P=0.002）、右侧CA3（P=0.019）及右侧CA4（P=0.011）亚区体积在三组间差异均有统计学意义。进一步两两分析发现，与对照组相比，WMHNCI组出现右侧齿状回（P=0.006）、右侧CA3（P=0.006）和右侧CA4（P=0.020）海马亚区的萎缩，而WMH-CI组与对照组相比，则出现左侧海马伞（P=0.004）、右侧下托（P=0.022）、右侧分子层（P=0.003）、右侧齿状回（P=0.001）、右侧CA3（P=0.039）、右侧CA4（P=0.003）和右侧海马伞（P=0.020）亚区体积降低；与WMH-NCI组相比，WMH-CI组右侧下托（P=0.026）和右侧海马伞（P=0.001）体积下降。经Bonferroni多重比较校正后，WMH-CI组与对照组在右侧分子层、右侧齿状回及右侧CA4亚区体积的差异仍然有统计学意义（P<0.05/12）；WMH-CI组与WMH-NCI组间在右侧海马伞亚区的体积差异也仍然有统计学意义（P<0.05/12）。

表3 海马及各亚区体积比较结果

2.3 海马亚区体积与WMH体积的相关性分析 在WMH人群中，总WMH体积与右侧齿状回（r=-0.134，P=0.035）和右侧CA3区（r=-0.149，P=0.020）的海马亚区体积呈负相关；进一步将WMH分成室周和深部分析时发现，右侧齿状回（r=-0.128，P=0.045）及右侧CA3区（r=-0.139，P=0.029）的海马亚区体积随着室周WMH体积的增加而减小，但与深部WMH体积的变化无相关性。

2.4 海马亚区体积与认知域功能的相关性分析 经Bonferroni多重比较校正后，WMHCI组中患者的总体认知功能（r=0.315，P=0.004）及语言功能（r=0.318，P=0.006）与右侧下托体积呈正相关；执行功能与右侧分子层（r=0.300，P=0.006）、右侧齿状回（r=0.333，P=0.002）和右侧CA4（r=0.323，P=0.003）的体积呈正相关（图1）。

图1 有认知障碍的脑白质高信号患者认知域功能与海马亚区体积的偏相关分析

3 讨论

海马是学习和记忆的关键脑区，易受到血管性因素的影响[4，13]。WMH是脑小血管病的重要影像标志物，可引起以信息处理速度及执行功能障碍为主的认知损害，而其认知障碍的发生发展过程中，海马的结构异常同样发挥重要作用。既往研究已发现WMH对海马萎缩有一定的影响[13-15]，而较少关注WMH与海马亚区萎缩的关系。海马呈C字形结构，横跨了内侧颞叶中心部位，由CA1～CA4区、齿状回等多个亚区构成，各个海马亚区是分离又功能连接的整体[6]。本研究团队推测不同海马亚区在WMH发展中受累的情况可能存在不同，故利用FreeSurfer 6.0的海马亚区分割定量算法探究了WMH人群中海马亚区体积的萎缩模式及其与WMH体积定量及认知功能障碍间的关系。本研究结果发现：①WMH患者表现为非对称性海马萎缩，以右侧半球分子层、齿状回、CA4、海马伞的亚区萎缩为主；②海马亚区的萎缩随WMH，特别是室周WMH负荷的增加而加重；③WMH患者执行功能与右侧分子层、齿状回及CA4区海马亚区体积相关，而总体认知功能和语言功能则明显受右侧下托萎缩的影响。

本研究比较了海马总体积的差异，发现WMH-CI组患者与对照组相比，仅右侧海马总体积存在显著的萎缩；进一步比较海马亚区体积时可以发现，左侧半球仅左侧海马伞在WMH-CI患者出现显著的萎缩，但经过多重比较校正后这种差异不再显著；而右侧半球中右侧下托、分子层、齿状回、CA3、CA4、海马伞均表现为显著的亚区萎缩，且经多重比较校正后，右侧分子层、齿状回、CA4的差异仍然显著。既往研究者基于体素的分析同样提出了WMH患者右侧海马萎缩的非对称萎缩现象[13]，本研究则进一步证实在海马亚区萎缩中这种模式同样存在。这些发现提示小血管病的发病机制可能与海马亚区的萎缩相关，这可能涉及了穿支动脉闭塞和神经炎症反应等[16-17]。有研究提示上述海马亚区的萎缩与血管病变有关，提示在痴呆列队中CA区、下托、齿状回、分子层亚区的萎缩情况可用于鉴别血管性痴呆和AD相关痴呆[18]。在动物模型中，上述区域也被发现更易发生缺血，可能是由于其构成成分特点（如下托的糖皮质激素密度较高）或天然的神经元丢失易感性（如CA4、齿状回等）[17]。

本研究发现海马亚区的萎缩随WMH，特别是室周WMH负荷的增加而加重，WMH和灰质包括海马的萎缩常常是一种共存的模式，共同促进认知功能障碍发展。本研究发现右侧齿状回和CA3亚区的体积随着WMH特别是室周WMH的增加而减小。WMH是脑小血管病的影像标志物，其与海马萎缩的关系提示了血管病理及缺血缺氧对脑萎缩的加剧效应[19]。其可能的机制是WMH通过皮层-皮层下失连接间接引起海马的萎缩，特别是与海马相连的纤维束区域的WMH可能通过Wallerian变性引起轴突的丢失及随后的海马萎缩[14]。

此外，本研究还发现多个海马亚区体积萎缩与WMH认知功能障碍之间具有相关性。WMH最易受累的认知域是执行功能，本研究中患者的执行功能受到右侧分子层、齿状回及CA4区亚区萎缩的影响，且这种影响独立于WMH体积、LI等脑小血管病常见的影像标志物。此外，WMH总体认知和语言功能受右侧下托萎缩影响。动物研究发现，CA区、下托、齿状回等海马亚区对缺血、炎症和反应性胶质增生的血管变化敏感[17，20]。海马内部神经环路的信息输入起源于内嗅皮层神经元，穿过下托至齿状回，再延伸至CA3区，CA3区的部分纤维可投射至海马伞；输出通路则主要包括CA1-4区或下托，最终可投射至后扣带皮质、杏仁核、前额叶等[21]。CA4位于齿状回内部，可接收大脑皮质兴奋，故这两个区域神经突触的丢失影响海马的信息输入，推测齿状回和CA4亚区可能是WMH执行障碍发病机制的重要位点[21]。下托则被发现与广泛的认知任务相关，这可能与它在功能环路中的解剖位置相关，既是海马投射至外部的输出要塞，又是亚区间联络的枢纽[5]。

虽然海马是AD患者记忆功能的神经解剖学基础，但在血管性认知障碍患者相关的横断面和纵向研究中均发现，严重WMH患者的大脑皮质和皮质下萎缩与执行能力的相关性更强，但在记忆能力方面没有发现相互作用[22-23]。这可能也是本研究未发现对记忆有显著影响的海马亚区的原因。

本研究尚存在以下局限性：首先，本研究是一个横断面研究，在因果关系的推断上存在一定的局限性，还需要大型的纵向研究来验证本研究的结论；其次，本研究是一个单中心研究，可能存在样本偏倚，且纳入样本量仍不足，导致结果存在误差，如本研究一些相关关系仅表现为弱相关，尚需多中心的大样本研究来进一步证实。本研究发现多个影响WMH患者认知域功能障碍的海马亚区，尚需长程研究来验证海马亚区萎缩在WMH患者认知功能障碍中的早期诊断和预测价值。

【点睛】本研究基于头颅MRI对WMH患者认知功能障碍与海马及其各亚区萎缩情况进行了分析，结果显示WMH患者右侧海马萎缩更明显，海马右侧分子层、齿状回及CA4区亚区影响WMH患者执行功能而右侧下托的萎缩与患者的总体认知和语言功能下降有关。