磁共振NODDI技术对阿尔兹海默病和遗忘型轻度认知障碍海马体微观结构的研究

韦志豪，王红，琚超，刘莹

作者单位：新疆医科大学第二附属医院影像中心，乌鲁木齐 830063

阿尔兹海默病[1](Alzheimer's disease，AD)作为神经系统最常见的不可逆退行性疾病之一，是引起痴呆症最常见的病因，主要临床表现为认知功能障碍、记忆力减退、行为异常等。轻度认知障碍(mild cognitive impairment，MCI)是指患者具有一定认知障碍但严重程度不足以构成痴呆症的一个阶段，是介于正常衰老和极早期AD 之间的过渡状态，其发展为AD的年转化率约为12%[2]，5年转化率为72%[3]，明显高于正常人，故临床上将MCI 视为AD 的危险因素。根据其临床表现不同可分为不同亚型，其中遗忘型轻 度 认 知 障 碍 (amnestic mild cognitive impairment，aMCI)风险最高[4]。目前对AD 尚无有效治疗手段，但有研究表明[5]，如果在MCI阶段采取合理干预措施，将能有效控制甚至是逆转认知损伤，强化执行功能。所以，探究新方法以提高对MCI和极早期AD 的诊断率极为重要。神经突方向离散度和密度成像(neurite direction dispersion and density imaging，NODDI)技术[6]在总结了扩散张量成像和扩散峰度成像(diffusion kurtosis imaging，DKI)的技术缺点后，在受阻与受限复合扩散模型的基础上加入脑脊液隔室，建立了以三室扩散模型为基础的新型扩散成像技术，从而获取更高敏感性和特异性的脑组织微观结构量化参数。目前，有很多学者也在致力于AD 和MCI 的脑组织结构的研究，并取得了不错成果，但多数都聚焦于脑组织的宏观结构改变，并没有进一步分析其微观结构的变化[7-8]。本研究利用NODDI 技术对脑组织微观结构的高敏感性和高特异性进一步探究aMCI 和AD 的海马微观结构变化，探讨NODDI技术对aMCI和AD的临床价值。

1 材料和方法

1.1 研究对象

经我院伦理委员会批准( 批准文号：20200531-11)，前 瞻 性 纳 入2020 年10 月 至2021 年6 月来我院就诊的aMCI 患者和AD 患者，根据预先设定的纳入和排除标准，纳入15 例aMCI 患者进入aMCI组，20例AD患者进入AD组，同时招募20例年龄、性别和受教育程度与aMCI 组和AD 组相匹配的健康志愿者作为正常对照组(normal-control，NC)。所有受试者检查前均已签署对本研究的知情同意书。AD 组入组标准：(1)满足2011 版美国国立老化研究所与阿尔兹海默病协会关于AD 的诊断标准；(2)根据中华医学会老年医学分会老年神经病学组关于老年人认知障碍诊治流程的建议，简易智能状态评分量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)评分：文盲组≤17 分、小学组≤20 分、中学及以上组≤24 分；(3)根据2018 年中国痴呆与认知障碍诊治指南(五)规定，蒙特利尔认知评估量表(Montreal Cognitive Assessment，MoCA)评分≤24 分。排除标准：(1)严重脑血管疾病；(2)海马体钙化和占位病变；(3)精神病史；(4)影响认知的用药史；(5)左利手。aMCI 组入组标准：(1)满足2003 版Petersen 诊断标准[2]；(2) MMSE评分：文盲组＞17 分、小学组＞20 分、中学及以上组＞24 分；(3) MoCA 评分：文盲组13 分、小学组≤19 分、中学及以上组≤24 分。排除标准与AD 组一致。NC 组入组标准：(1)无认知损伤的证据；(2) MMSE评分≥27 分；(3) MoCA 评分≥26 分。排除标准与AD组一致。

1.2 扫描技术

应用荷兰PHILIPS Achieva TX 3.0 T 磁共振扫描仪和自带的32通道高分辨率头颅线圈。采用高分辨SE-EPI-DWI序列，沿32个各向同性扩散梯度方向扫描。每个方向上都获取3 个b 值(0 s/m²，1000 s/m²，2000 s/m²) 扩散加权图像。具体参数：层厚2.43 mm，层间距3 mm，TR 3000 ms，TE 90 ms，矩阵128×128，FOV 200 mm×231 mm×119 mm，总 扫 描 时 间 约6 min，扫描后自动生成DKI 序列。扫描范围覆盖双侧海马体。

1.3 数据处理

利用英国诺丁汉大学开发的MRIcro V4.0 版中自带dcm2niigui 插件，将DICOM 格式原始数据转化成NIFTI 格式，然后用美国MathWorks 公司的Matlab-R 2013a 版软件对数据进行分析，获取神经突密度指数(neurite density index，NDI)图、神经突方向离散度指数(orientation dispersion index，ODI)图、各向同性水分子体积分数(volume fraction of isotropic water molecule，Viso)图，然后再用MRIcro-V4.0版测量各参数图中双侧海马区参数值。

1.4 感兴趣区

双侧海马范围由两名从事MR诊断的高年资主治医师共同商议，并且达成一致意见后选取，他们对患者的疾病状态完全不知情。在同一层面的NDI 图(图1A、2A、3A)、ODI 图(图1B、2B、3B)、Viso 图(图1C、2C、3C)中的双侧对称区域勾画出海马体，并在此区域测量获取相应数据。

1.5 统计学分析

采用美国IBM 公司的统计软件SPSS 23.0 对临床资料和影像参数进行统计分析，符合正态分布的计量资料用均数±标准差表示，三组比较采用单因素方差分析，同时采用LSD 检验进行组间两两比较；不符合正态分布的计量资料用中位数和四分位间距(P25-P75)表示，三组间比较采用K-W检验；性别用构成比来描述，三组间比较采用卡方检验。所有统计结果以P＜0.05 表示差异具有统计学意义。差异有统计学意义的影像参数，分别分析其与MMSE 评分和MoCA 评分的相关性，满足正态分布的差异参数用Pearson 相关，不满足正态分布的采用Spearman 相关，得到相关系数r。

2 结果

2.1 基本资料统计结果

研究对象临床资料分析结果见表1，aMCI 组、AD组和NC 组性别构成(P=0.636)、年龄(P=0.756)和受教育程度(P=0.819)差异无统计学意义。三组间MMSE评分(P＜0.001)和MoCA 评分(P＜0.001)差异具有统计学意义。

表1 受试者人口基本资料和认知测评结果Tab.1 Basic demographic information and cognitive evaluation results of subjects

2.2 NODDI参数分析结果

三组双侧海马区NDI值、ODI值、Viso值见表2，差异性比较发现：aMCI(图2)组和AD组(图3)双侧ODI值、NDI 值低于NC 组(图1)，差异具有统计学意义(P＜0.001)，但aMCI组和AD组的ODI值和NDI值差异无统计学意义(P＞0.05)。同时，aMCI 组和AD 组的Viso 值高于NC 组，差异具有统计学意义(P＜0.001)，并且AD组也高于aMCI组，差异也具有统计学意义(P＜0.001)。

表2 AD组、aMCI组和NC组NODDI参数及差异性分析Tab.2 NODDI parameters and differences analysis of AD group,aMCI group and NC group

图1 正常志愿者，男，62 岁，常规体检，MMSE 评 分29 分，MoCA 评 分29 分。 图2 aMCI 患者，男，60 岁，记忆力进行性减退2年余，MMSE评分25 分，MoCA 评分24 分。 图3 AD患者，男，65 岁，记忆力持续减退并行为 异 常4 年 余，MMSE 评 分18 分，MoCA 评分15 分。A：双侧海马NDI图，AD组(3A)和aMCI组(2A)较NC组(1A)明显减低，但AD 组和aMCI 组差异无统计学意义；B：双侧海马ODI图，AD组(3B)和aMCI组(2B)较NC组(1B)明显减低，但AD 组和aMCI 组差异无统计学意义；C：双侧海马Viso 图，AD组(3C)和aMCI 组(2C)较NC 组(1C)明显增大，AD组也明显高于aMCI组，且各组差异均有统计学意义。Fig. 1 Normal volunteer, male,62 years old, routine physical examination, MMSE score 29 points,MoCA score 29 points. Fig. 2 aMCI patient, male, 60 years old, progressive memory loss for more than 2 years,MMSE score 25 points, MoCA score 24 points. Fig. 3 AD patient, male,65 years old, with persistent memory loss and abnormal behavior for more than 4 years, MMSE score 18 points,MoCA score 15 points. A: NDI of bilateral hippocampus, the AD group(3A) and aMCI group (2A) were significantly lower than the NC group(1A), but there was no statistical difference between the AD group and aMCI group; B: Bilateral hippocampal ODI map, AD group (3B) and aMCI group (2B) were significantly lower than NC group (1B), but there was no statistical difference between AD groupstatistical difference between AD group and aMCI group; C: In the bilateral hippocampal Viso chart, the AD group (3C) and aMCI group (2C) were significantly larger than the NC group(1C),and the AD group was also significantly higher than the aMCI group,and the differences in each group were statistically significant.

2.3 相关性分析

病例组(AD 组＋aMCI 组)双侧海马差异参数分别于MMSE 评分和MoCA 评分进行Spearman 相关性分析(表3)，左侧NDI 值(r=0.656，P＜0.001)与MMSE 评分正相关性最强，左侧Viso 值(r=-0.690，P＜0.001)与MMSE 评分负相关性最强；左侧NDI 值(r=0.632，P＜0.001)与MoCA 评分正相关性最强，左侧Viso 值(r=-0.629，P＜0.001)与MoCA评分负相关性最强。

表3 病例组(AD组＋aMCI组)NODDI参数与认知评分相关性分析Tab.3 Analysis of the correlation between NODDI parameters and cognitive scores in the case group(AD group+aMCI group)

3 讨论

本研究采用NODDI技术对aMCI和AD患者微观结构分析，比较双侧海马区NDI 值、ODI 值、Viso 值及其与认知评分的相关性，结果发现NODDI技术可以精确识别aMCI 和AD 脑组织微观结构差异，相比于传统的宏观结构分析，所得参数可以为探究AD 的发病机制提供更详尽的依据。同时，双侧海马Viso 值甚至有可能成为评估认知损害的有价值指标。

3.1 双侧海马不同认知阶段萎缩程度差异

海马作为边缘系统重要组成，在记忆功能中起着核心作用，并且还是神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFT)最早累及的部位[9-10]，而记忆障碍又是aMCI 和AD 早期症状的标志[11]，可见海马对研究AD和aMCI 的重要性。但目前临床应用的内侧颞叶萎缩(medial temporal lobe atrophy，MTA)评分对评价认知损害存在明显缺陷。Martensson等[12]研究发现，MTA 评分需要8 年以上的时间才能提高1分，这表明MTA评分敏感性太低，不利于早期发现和短时间内评估认知损害情况。同时，正常衰老也会出现不同程度的海马萎缩，所以MTA评分的特异性并不高。而且，MTA 评分主要靠医生用视觉对海马宏观体积评级量化，具有很强的主观性，这不利于保证结果的客观公正。另外，van de Mortel 等[8]的研究发现，相较于正常检查者，MCI 患者双侧海马灰质体积并没有明显减少，而MCI 进展到AD 后双侧海马灰质体积才明显减少。但根据Vogt 等[13]利用NODDI 技术对MCI 和AD 皮层微结构的检测，发现在脑组织宏观结构发生变化和明显临床痴呆之前，其皮层微观结构就已经发生明显退化。而本研究也是从神经微观结构出发，发现在aMCI阶段双侧海马区NDI值已经较NC组明显降低，提示神经突体积减小，此结果与Parker等[14]和Vogt 等[13]的试验结果一致。同时，aMCI 组和AD 组进行组间比较，发现两组NDI 值并无明显差异，此结果与van de Mortel等的结论也有所不同，分析其原因有二：(1)根据Zhou 等[15]的研究结果显示，MCI阶段神经纤维的退化主要发生在白质区，还未累及到灰质区，所以MCI 阶段海马灰质体积并未明显减小，但考虑到NODDI 技术对灰白质都有较高敏感性，NDI 减小提示灰白质神经纤维体积均有下降，所以此原因可能性较小；(2)结合目前接受度较高的AD 发病机制相关学说，神经纤维在发生退化的过程中，β 淀粉样蛋白大量沉积在细胞外、小胶质细胞过度增殖[1]，这些都使得神经纤维周围间隙内其他物质增多，弥补了神经纤突起体积缩小造成的海马宏观体积的萎缩，从而使得测量的海马灰质宏观体积没有明显减少，此结论可以通过病理切片明确证实。

3.2 双侧海马不同认知阶段神经突离散程度差异

本研究发现，AD 组和aMCI 组双侧海马的ODI 值均低于NC 组，ODI 值降低说明神经突起离散度降低，而神经突起的方向分布与大脑发育相关，其方向离散度增加表明发育增长，减少则提示大脑退化，所以ODI值降低符合AD的疾病特征。根据Xu等[16]在AD小鼠模型上的发现，海马CA1 区神经元树突长度变短，交叉点变少，该发现与本研究结果高度一致。但根据目前主流的AD 发病机制学说[17]，各种因素引起神经纤维发生变性后，组织微观结构应该变得更加混杂，而本研究所测的ODI 值减低，其原因可能是因为神经纤维发生变性具有选择性[18]，其主要影响交叉纤维中次要方向的纤维，对主要方向的纤维影响较小，从而使得神经纤维排列反而因为退变而变得更加整齐，复杂程度降低，交叉点减少。

之前有相关研究发现[10,19]，痴呆的严重程度与NFT的数量成正比，随着NFT的数量进行性增加，认知损害也逐渐加重，而神经组织微观结构的破坏也应该随着NFT 的沉积而加重，但本研究中aMCI 组和AD组的NDI 值、ODI 值并无显著差异，这一点与NFT 的沉积不完全一致，但结合盖新亭等[20]的研究结果，在AD疾病进程中，tau 蛋白病变的出现可能早于体积的变化,而海马作为AD 疾病进程中是最易受损也是最早发生病变的区域，可能在认知损害极早期就有大量tau 蛋白沉积，使得海马神经元变性在MCI 阶段就已达到顶峰，而后期tau 蛋白和β 淀粉样蛋白继续沉积可能对神经突已无进一步损害，所以aMCI 阶段和AD阶段NDI 值和ODI 值并无明显差异，这一点我们还需进一步探究。

3.3 NODDI技术对于探究aMCI和AD的临床价值

通过分析三组间NDI 值和ODI 值得变化，为研究AD 的发病机制提供了更多的数据来印证各种假说。同时，三组间Viso 值差异也具有统计学意义，且AD组也明显高于aMCI 组，由此可见Viso 值对于鉴别aMCI和AD具有重要临床意义。现有研究把双侧海马宏观体积的萎缩可作为aMCI 进展到AD 的神经解剖学标志物[21-22]，但这种方法评价认知损害缺乏特异性和敏感性[23]，因为海马体积的减小可以是微结构多方面的改变所导致的，NDI 值、ODI 值、Viso 值的改变都可以对海马体积产生影响，而且本实验证实aMCI 和AD的NDI值和ODI值并无差异，只有Viso值呈持续增大的趋势，而且各组间Viso 值的差异都具有统计学意义，所以，将双侧海马Viso值作为评估认知损害的解剖学标志物可能更具有说服力、更具有临床意义。

3.4 NODDI参数与认知评分的相关性

双侧海马NDI值、ODI值与MMSE评分和MoCA评分呈正相关，Viso 值与MMSE 评分和MoCA 评分呈负相关，而且左侧海马体NDI 值、左侧Viso 值及右侧ODI值与MMSE 评分相关性最强，同时左侧NDI 值和左侧Viso 值与MoCA 评分相关性最强，由此表明双侧海马的NODDI 参数对反映患者的认知状态具有重要临床价值。根据Balestrieri 等[24]的研究结果显示，认知损害的加重与海马宏观体积的减小具有很强的相关性，这和本实验结果高度一致，因此，采用NODDI技术来探究认知损害的病理机制以及病程随访是可行的。

本研究仍存在以下不足之处需要改进：(1)由于aMCI症状较轻，患者不太容易察觉，而AD部分患者对检查的配合度较差，所以短时间内搜集的aMCI 组和AD 组样本量较小，后期将进一步采集样本以提高该研究结果的可靠性；(2) aMCI 组和AD 组是同时期分别采集的独立样本，虽然aMCI 与AD 具有很强的相关性，但并不是所有的aMCI患者都会进展为AD，所以这两个独立样本比较结果会有一定的误差，后期可以通过继续随访aMCI 患者，当其进展成AD 后重新获取AD组数据进行分析。

综上所述，aMCI和AD双侧海马神经突数量、体积和排列复杂程度存在显著下降，为探究AD 的发病机制提供了更多的参考数据。而Viso 值进行性加大，并且aMCI 组和AD 组有显著差异，所以，双侧海马Viso 值有可能成为评估aMCI 进展到AD 的重要参数，这对aMCI 的鉴别、随访和预后评估具有重要临床价值。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。