功能磁共振成像技术在轻微肝性脑病应用中的研究进展

葛岩松，王培源

肝性脑病(hepatic encephalopathy，HE)是继发于急性或慢性肝病以及严重肝功能损伤和(或)门体分流的神经精神综合征，是肝硬化失代偿期常见且较严重的并发症之一。临床上根据肝性脑病患者的精神状态程度将肝性脑病分为轻微肝性脑病(minimal hepatic encephalopathy，MHE)及显性肝性脑病(overt hepatic encephalopathy，OHE)[1]。MHE是指没有典型的临床表现及体征，但在某些认知领域已经发生异常的一种HE 亚型。对生活质量产生严重影响，并且随着病情的进展，很多患者会出现典型临床症状，发展为OHE[2]。因此，MHE 的早期检测和及时干预对改善预后至关重要。然而，MHE 因其缺乏诊断“金标准”，在临床上诊断往往较为困难。通常采用神经心理学(neuropsychological，NP)测试量表进行认知评估从而协助诊断[2]，主要包括数字连接试验-A (number connection test-A，NCT-A)及数字符号试验(digit-symbol test，DST)，但是其往往受患者自身年龄、文化水平等因素的影响，缺乏一定的客观性[3]。随着磁共振成像技术(magnetic resonance imaging，MRI)，尤其是功能磁共振成像技术(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的不断发展，可以从形态学及功能学两方面来早期诊断MHE。笔者对目前fMRI 在MHE 的应用进展进行综述。

1 磁共振波谱(magnetic resonance spectroscopy)

MRS是一种无创性观察活体组织生化及代谢改变的技术，目前在诊断许多代谢性疾病上具有很大的价值，并逐步用于研究HE 及MHE 的病理生理学过程。MHE 患者因肝衰竭导致体内氨代谢受阻，引发脑内氨水平升高，经过脑内唯一具有氨解毒作用的星形胶质细胞代谢，其产物谷氨酸或(和)谷氨酰胺水平升高[4-5]，同时作为渗透压调节剂的胆碱及肌醇会被排出至细胞外后被清除，二者水平下降，从而维持细胞稳态[5-6]。因此MHE 患者经典的1H-MRS 表现为胆碱复合物(Cho/Cr)及肌醇(mi/Cr)明显降低，谷氨酰胺(Gln/Cr)、谷氨酸(Glu/Cr)有所增高，表明MHE 患者已出现氨的代谢紊乱[7]。然而在经典的1H-MRS 表现中，N-乙酰天冬氨酸(NAA/Cr)基本未见明显变化，Chen 等[5]认为NAA 主要位于神经元内，为神经元的生物学标志物，此结果表明神经元具有完整性，患者未发生神经元损伤及脑白质微细结构的改变。Oeltzschner 等[8]发现MHE 及HE 1 级患者视觉区γ-氨基丁酸/肌酸(GABA/Cr)比值明显降低，并与血氨水平、mi/Cr 和Gln/Cr 呈显著正相关，然而感觉运动区却无此相关性，推测GABA 能神经递质改变具有区域性的特点。黄天宇等[9]认为在所有代谢物指标中，Glu 浓度为评价肝硬化患者MHE 严重程度的最敏感指标。Lu 等[10]发现HE及NHE 肝硬化患者后扣带回(sterior cingulate cortex，PCC)中的代谢活动和功能偶联之间存在相关性，表明代谢异常为患者功能失调的基础。Jain 等[11]发现用乳果糖对MHE 患者进行3 个月的治疗后，MRS 异常的指标部分得到改善及恢复，提示MHE中代谢及生化的改变是可逆的。

2 磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)、磁共振扩散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)

DWI、DTI是非侵入性功能成像技术，以组织内水分子布朗运动为基础，定量分析组织内水分子的弥散特性，不仅可以区分细胞毒性水肿以及血管源性水肿，而且能反映组织微观结构的完整性及状态的情况。在中枢神经系统疾病的诊断上具有较强的优势，其最常用的参数为ADC、部分各向异性(fractional anisotropy，FA)和平均扩散率(mean diffusivity，MD)等[12]。Razek 等[13]认为ADC 值是定量MHE 患者低度水肿的可靠参数，发现MHE 患者ADC 值显著增高且与NP 测试密切相关，推测ADC 值增高是由于星形胶质细胞合成谷氨酸增加或血氨升高引起血脑屏障通透性增加，大分子向细胞外迁移，继而细胞外积水所致。同样水分子向细胞外间隙扩散能力增强、组织内所含自由水分子增多也是导致MD 值增大的可靠因素。Srivastava 等[14]认为额叶脑白质MD 值是预测MHE 的最佳指标，其诊断MHE的可靠性远高于血氨与炎性介质水平，且MD值升高的脑区数量和MD值与HE的严重程度密切相关；另外发现MHE患者FA值未发生显著变化。FA值常反映白质纤维束的排列以及微结构是否发生异常，然而国内外对此在MHE 的患者中是否发生改变报道不一。刘梅红等[15]通过研究发现由正常对照组、单纯肝硬化(no MHE，NMHE)组至MHE 组胼胝体膝部及压部的FA 值逐渐降低，提示脑白质纤维细微结构可能存在着损害。Rudler等[16]研究发现行TIPSS术后产生HE并发症的肝硬化患者FA值术前较未发生HE并发症的患者明显减低，认为FA 值在筛选手术高风险患者中起到关键作用，有效预防并发症的发生。因此FA值在MHE患者中的变化情况还需要进一步研究来明确。

对于DTI的分析，有学者通过选定与MHE相关指标变化有关的脑区作为感兴趣区研究，分析其DTI 参数的改变，但主观性较强，无法进行全面评估。对此部分学者采用基于体素分析(voxel based analysis，VBA)方法与基于纤维束示踪的空间统计分析(tract-based spatial statistics，TBSS)的方法来进行研究[17]，这是全面、无创且具有客观性的分析方法，可针对全脑白质进行研究，其中TBSS分析利用骨架化算法，无需标准化及平滑，解决了VBA分析存在的问题[18]，成为研究的热点。

DKI是以DTI为基础，与其不同的是，DKI是一种非高斯扩散成像技术，在观察细微组织结构改变方面有着显著优势，其参数不仅包括FA、MD、轴向扩散张量(axial diffusion，AD)和径向扩散张量(radical diffusion，RD)等传统扩散张量参数，也包括平均峰度(mean kurtosis，MK)、轴向峰度(axial kurtosis，AK)、径向峰度(radical kurtosis，RK)、峰度分数各向异性(kurtosis anisotropy，KA)及扩散峰度各向异性(diffusional kurtosis anisotropy，DKA)等特异性参数。Li 等[19]通过研究发现MHE 患者在某些不同的脑质内FA、MK、RK、AK 值降低，MD 值增高，AD、RD 和MD 的改变与认知评分密切相关，ROC 曲线显示AD 对肝硬化患者的MHE 预测性能最高(曲线下面积为0.801，敏感度为77.05%，特异度为74.55%)。Sato等[20]发现MHE患者脑白质MK值广泛降低，其中尾状核、壳核、苍白球和(或)丘脑的MK值降低较为显著。ROC曲线显示壳核MK 值区分MHE 及NMHE 患者的诊断效果最好(敏感度为89%；特异度为86%)，可作为诊断MHE的标记。

3 血氧水平依赖功能磁共振成像(blood oxygenation-level dependent fMRI，BOLD-fMRI)

BOLD-fMRI是将内源性血红蛋白作为对比剂，利用磁场激发脑神经元活动时血氧饱和度的改变来实现成像，从而了解组织的代谢情况，获得其他检查无法提供的信息[21-22]。目前研究的热点主要是分析局部脑区神经活动以及脑功能连接(functional connection，FC)的改变。

3.1 局部脑区神经

局部脑区神经活动的改变主要通过分析低频波动幅度(amplitude of low-frequency fluctuations，ALFF)、区域同质性(regional homogeneity，ReHo)的变化来实现。ALFF为每个体素在低频(0.01～0.08 Hz) BOLD 信号中的平均振荡强度[23]，Reho 为某一给定体素簇中相邻体素在同一时间内非参数的相似性或一致性[24]，二者均可以反映患者的自发性神经元活动，对病情进行评估和分析。典型的表现为部分脑区ALFF 及Reho 降低，提示存在功能障碍；同时另有部分脑区ALFF 及Reho 增高，有学者认为这是代偿机制的一种反映，部分脑区更高的神经活动可以补偿患者因局部脑区神经活动降低而造成的功能缺损[25-26]，这与Zhong 等[27]的研究结果基本一致，其中右侧楔前叶(precuneus，PCUN)和左侧前额叶内侧皮层中自发神经元异常而造成的损害可能在MHE 中起重要作用，ALFF 和低频振幅率(fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF)的变化可作为诊断MHE 的潜在标志物。Chen 等[28]分析发现ALFF 区分NHE 与MHE 患者的准确率为80.6% (敏感度为81.3%，特异度为80.0%)，并且在大脑的默认网络(deflult-mode network，DMN)、视觉皮层和初级感觉运动皮层中最具有区分性。Zhang 等[29]发现肝硬化患者ReHo 呈频率依赖性变化，在慢5 和慢4 波段观察到HE 和NMHE之间存在显著差异，表明选择合适频率在临床监测HE 中有着重要意义。

3.2 脑功能连接

FC 可以无创性反映不同脑区之间的相互关系，通过分析大脑有效FC 的改变，进而揭示中枢神经系统相关疾病的特征，成为诊断MHE 潜在的生物标志物[30]。García-García 等[31]运用独立成分分析法(independent component analysis，ICA)得到MHE 患者认知能力下降与脑网络FC 降低和灰质体积(grey matter，GM)萎缩有关的结论，ROC 曲线显示RS-FC 在DMN、突显网络(salience network，SN)和基底神经节网络(basal ganglia network，BGN)诊断MHE 中具有良好的特异性和敏感性。杨旭等[32]选取DMN 部分脑区作为种子点以及通过ROC曲线分析研究发现MHE患者DMN部分脑区FC下降，其中额前内侧回(medial prefrontal cortex，MPFC)的功能连接性改变对于诊断MHE 的可靠性最高(敏感度81.5%，特异度70.4%)。同样，Zhan 等[33]通过全脑功能网络分析方法，认为DMN内部以及DMN与几个网络(如躯体感觉网络和语言网络)之间的连接性降低是MHE发生的潜在机制，DMN功能障碍可能是MHE 病理生理学的核心问题之一。Tsai 等[34]研究指出MHE 患者在认知控制网络(cognitive control network，CCN)内相关脑区存在异常的Fc，并与认知功能障碍和血氨及炎性细胞因子等生化特征有关，提示这些可能参与了异常连接的发生。Lin等[35]发现MHE患者海马萎缩，双侧海马连接网络的平均FC强度明显降低，与认知能力下降显著相关，并且随着HE 的进展而加重，提示海马的结构和功能异常是导致认知能力下降的重要因素之一。Sun等[36]通过联合Reho以及基于ROI的FC，认为NMHE及MHE患者脑功能异常是部分脑网络及丘脑局部一致性和功能连接性综合改变的结果。脑区FC 的研究方法除上述外还有格莱杰因果分析(Granger causality analysis，GCA)和双侧大脑半球间体素镜像同伦(voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC)等，对了解MHE的病理生理基础及发病机制起到重要的作用。

HE 及MHE 不仅仅与某些单一脑区的FC 有关，其通常与更大规模的网络结构密切相关，然而脑网络具有显著复杂性。为了寻找与MHE 相关的异常子网络，Zhang 等[37]提出了一种基于频繁子图的子网络挖掘方法，不仅可以识别出与疾病相关的子网络，而且可以用于MHE 分类，从而更好地用于研究MHE的病理生理学。

4 磁化传递成像技术(magnetization transfer imaging，MTI)

MTI是一种特殊的磁共振技术，通过选择性抑制结合在大分子上的质子信号，评价患者脑内水成分的改变，其量化指标常用的是磁化传递率(magnetization transfer ratio，MTR)。MHE患者由于存在脑水肿、细胞膜通透性及细胞质结构的改变，MTR 值整体降低[12]，且MTI 可以较敏感地监测常规TIWI、T2WI 中难以发现的脑水肿。Rai 等[38]通过研究发现MHE患者及NMHE 患者部分脑区MTR 值下降，与血氨及炎症标志物水平呈相关性；用乳果糖和利福昔明治疗数周后患者部分脑区MTR 值较前升高，反映出肝硬化所致脑水肿是可逆性的。轴突丧失以及脱髓鞘亦可导致MTR 的降低[39]，但Grover 等[40]认为这与1H-MRS 中的NAA/Cr 以及DTI 中FA 值无明显改变的结果相反，提示MHE 患者轴突未发生异常，同时也无脱髓鞘的病变，故此观点还需进一步研究与探讨。

5 磁共振脑血流灌注成像技术

脑血流灌注与脑微循环密切相关，可以反映脑内毛细血管的血流灌注情况，对疾病的早期监测和预防起到显著作用[41]。磁共振脑血流灌注成像技术主要包括动脉自旋标记(arterial spin labeling，ASL)、动态磁敏感对比增强(dynamic susceptibility contrast-enhanced，DSC)和 对 比 增 强 MRI(contrast-enhanced MRI，CE-MRI)等，其相关参数主要有脑血容量(cerebral blood volume，CBV)、脑血流量(cerebral blood flow，CBF)和平均通过时间(mean transit time，MTT)等。汪楠等[42]推测患者脑内通过谷氨酸盐介导的神经元一氧化氮合成酶活化及一氧化氮(NO)增多，从而导致血管扩张，CBF 升高[43]。Felipo 等[44]认为小脑是对CBF 变化最敏感的部位，其CBF值的升高可出现在患者NP测试改变之前，并根据实验推测NO-cGMP 系统与小脑CBF 的变化密切相关。Li 等[45]结合FC 研究发现神经节-丘脑-皮质环路所致的连接障碍可能在MHE 患者的神经认知功能损害中起重要作用，其中右侧壳核CBF 诊断MHE 的准确性最高(敏感度为85.7%，特异度为89.4%)，可作为检测MHE 的潜在生物标志物。与其他磁共振脑血流灌注技术不同的是，ASL是通过利用内源性血液中的水分子作为对比剂进行成像，具有无创性的特点[45]。杨炯等[41]利用ASL技术研究发现MHE患者较对照组基底节区各部位CBF值及其与白质CBF 比值均增加，表明患者基底节区血流灌注增加是由于血流从皮质到基底节的重新分配所造成的，这与Li等[46]通过DSC技术研究所得到的结论相符合，并提出MHE对患者的优势半球会产生更大影响的观点。

小结与展望：fMRI具有无创性的特点，在显示形态学结构的同时更好地了解脑功能及代谢情况，在临床及基础实验中得到广泛地应用，对于MHE的早期诊断具有积极作用，同时为研究MHE 发生发展的病理生理学机制提供了影像学层面的可靠依据。相信随着fMRI的不断发展，必将能更加客观、准确的早期诊断MHE，并在MHE的预防以及疾病的监测中取得更大的进展。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。