基于血氧水平依赖信号fMRI的轻微型肝性脑病研究进展

刘杨 综述 张涛 审校

肝性脑病(hepatic encephalopathy，HE)是以代谢紊乱为基础的神经心理异常综合征，临床表现为人格改变、意识改变、时间和空间上的渐进性定向障碍、嗜睡、昏迷等，常由急、慢性肝功能障碍或各种门静脉-体循环分流的异常导致，是终末期HBV相关性肝硬化最常见的神经精神疾病并发症及死亡原因之一[1-2]。轻微型肝性脑病(minimal hepatic encephalopathy,MHE)为HE的早期阶段，定义为由肝病引起而无明显临床症状及生化异常、仅出现神经心理学或神经生理学的表现异常[3]，不同于显性肝性脑病(overt hepatic encephalopathy,OHE)患者表现出从神志不清到昏迷不等的明显神经功能障碍，MHE表现轻微、常无明显临床症状，仅表现为个体的注意力、信息处理速度、执行控制、运动能力和协调能力上的偏差，且通过专门的心理测量和神经生理学测试才能检测到，隐蔽性极强[4]。然而，MHE发生OHE、安全风险及其他肝硬化门脉高压症并发症的风险高，与不良预后相关。此外，轻度的神经心理学和神经生理学改变也会降低患者的生活质量，甚至与跌倒发生率和死亡率增加有关[4-7]。目前，国际上常用数字连接试验A、数字符号试验两项测试方法阳性即可诊断MHE，2014年我国指南认为应至少使用2种测试(包括神经心理学测试和神经生理学测试)进行诊断，采取何种方法取决于当地人口标准和可用性[2]。早期发现并治疗可逆转MHE，有助于提高患者的生活质量。近年来，在诸多神经系统疾病的认知、感觉等功能定位及病理生理机制方面，国内外学者应用功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)技术进行研究取得了一定成功，MHE的早期发现也成为fMRI新的研究热点，得到了广泛关注。

血氧水平依赖功能磁共振(blood oxygenation level dependent-functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)是一种安全无创的检查方式，可以间接反映脑区间脑激活的差异，较PET有更高的时间分辨力。相比于神经活动本身，BOLD信号与突触活动相关性更高，提供的信息也是神经突触水平的处理信息。在过去的十年中，BOLD-fMRI主要包括任务态和静息态两种[8]。任务态fMRI主要是基于受试者执行特定的任务来识别完成任务时异常活动的脑区和脑区域间的连接。由于需要进行相关任务设计，对检查者及被检查者均有一定的要求，患者在执行任务的能力方面也存在差异性，可能会造成结果上的差异。静息态功能磁共振(resting-state functional magnetic resonance imagin,rs-fMRI)由于患者不用接收任何明确的任务指示，仅需要保持清醒、静躺在扫描检查床上，易于操作，并可得到较稳定的研究结果，因而更广泛应用于针对各类神经异常活动及脑功能的大样本研究中，但无法刻画大脑功能连接随时间变化的变化特征[9]。两者各有优缺点。

目前对HE患者神经认知功能损害的病理生理机制还不清楚，并且尚无有效的生物标志物。包括氨中毒学说、γ-氨基丁酸/苯二氮卓受体学说、假性神经递质学说、神经甾体作用、炎症和氧化应激反应、脑血流量改变、脑能量代谢、锰中毒学说在内的诸多假说均无法完全解释其病理生理机制。MHE是HE的临床前阶段，发病机制与HE相似[10]。氨在MHE的发病机制中起着核心作用，高血氨症是各种假说的共同通路，氨堆积使得星形胶质细胞中大量谷氨酸转化成谷氨酰胺而引起的低度细胞毒性水肿，被认为是HE患者神经系统(运动和认知)改变的主要诱因。但也有动物研究表明，MHE大鼠的运动和认知改变与脑水肿无关，推测MHE运动和认知改变可能并不是星形胶质细胞肿胀或脑水肿的结果[11]。促炎细胞因子的积累和血脑屏障通透性的增加也会诱导星形胶质细胞和小胶质细胞的活化[12]。越来越多的证据表明，多种复杂因素相互协同，互为因果，相互依赖共同加重脑水肿和氧化应激，导致认知功能的快速恶化从而促进了MHE的发生和发展。细胞外间隙及细胞内的脑水肿引起脑白质纤维束损害，神经炎也被认为是突触可塑性过程、神经传递和神经元网络功能破坏的基础[13]，这些都影响了神经元传递及通路功能改变，导致不同脑区网络连接的结构和功能异常，为fMRI揭示MHE认知损伤的病理生理机制提供了新的思路，从而实现脑功能影像对MHE从微观到宏观、从结构到功能的全面探讨。本文就MHE基于血氧水平依赖信号(BOLD)的fMRI影像研究进展展开综述。

静息态脑功能成像默认功能网络异常

在过去的几年中，基于静止态功能磁共振成像(rs-fMRI)依旧被广泛用作对大脑功能连接体进行无偏分析的技术。研究发现，与任务态fMRI相比，rs-fMRI允许同时研究不同的网络，提高了发现神经疾病相关连接异常的概率。其常用分析方法包括低频振荡振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)分析方法、局部一致性(regional homogeneity,ReHo)分析方法、基于种子点的功能连通性分析方法、独立成分分析方法(Independent Component Analysis,ICA)和小世界网络分析方法等。

1.基于静息状态的低频振荡振幅分析

ALFF是通过计算低频段下BOLD信号的功能谱平方根得到，其变化与脑区基于血氧合水平依赖信号强度的变化呈正相关，ALFF值减低即提示该脑区神经元自发活动减少。由于ALFF易受噪声影响，后又提出fALFF的分析方法，可以估计单个体素的自发神经活动的幅度，从而消除脑室高信号的影响，提高检测的敏感性和特异性，更准确地评价脑功能改变。

早先Qi等[14-15]研究发现在HE的发展过程中可能存在默认模式网络(Default Mode Network,DMN)的持续损害和脑岛的代偿作用，同时也证明了ALFF值在监测肝硬化患者TIPS术后自发性脑活动变化中的作用。Chen等[16]试图探讨局部ALFF值的改变是否可以作为肝硬化患者MHE检测的生物标志物，采用留一法交叉验证法评估ALFF值区分MHE与无肝性脑病(non-hepatic encephalopathy,NHE)肝硬化患者的效能，结果显示该方法的准确率为80.6%(敏感度为81.3%，特异度为80.0%)，包括双侧内侧额叶皮质/前扣带回皮质、后扣带回皮质/楔前叶、左中央前叶中央后回、右舌回、额中回、顶下/顶上小叶的六个脑区最具辨别力，肝硬化患者这些脑区的ALFF值也与肝性脑病心理测量评分(Psychometric hepatic encephalopathy score,PHES) 相关。姬将等[17]也发现与健康对照组(heathly control,HC )相比，MHE组患者右侧中央后回、双侧楔叶、左侧枕中回、左侧盖部额下回的ALFF值均明显减低，右侧丘脑、左侧海马旁回及脑室周围(双侧尾状核头部)的ALFF值均明显增高。多个脑区的ALFF值增高或减低可能与其认知功能障碍的发生有关。Chen等[18]认为丘脑是MHE的关键病理节点，其功能障碍可能是MHE认知障碍的机制，通过磁共振波谱结合rs-fMRI测定丘脑代谢物比值和ALFF值，结果发现与HC组比较，MHE组Glx/Cr升高，Cho/Cr和ml/Cr降低，并从NHE到MHE逐渐加重。Cho/Cr和mI/Cr与特定频段(0.01～0.027 Hz)的局部ALFF值和PHES呈正相关。孟静等[19]采用磁共振波谱结合rs-fMRI得到NHE、MHE及OHE三组静息状态下的ALFF值及脑代谢物情况，发现3组在额叶、顶叶、颞叶等脑区的ALFF有差异，姜晓萍等[20]也进行了类似的研究，发现HE越严重其静息态默认网络区和小脑区内的ALFF降低，颞中回内、额中回和脑室旁白质区的ALFF明显升高，认为患者部分脑区的fALFF值可以作为HE病程进展监测的有效手段，磁共振波谱成像所得到的脑代谢物Cr、NAA、Cho、mI等峰值下面积的比值也有助于进一步判断疾病病程。

2.基于静息状态的局部一致性分析

ReHo分析是基于体素的度量，表达了给定体素的时间序列与其最近邻居的时间序列之间的相似性。ReHo值越高，表示区域脑部活动的连贯性和中心性越高。较高的连贯性和中心性通常与(但不一定)与高活动相同[21]。王飘等[22]用局部一致性(ReHo)方法观察基于非酒精性肝硬化的MHE患者神经元功能活动的改变情况，发现MHE患者组在右侧额中回、右侧楔前叶、双侧侧楔叶等多个脑区的ReHo值与健康对照组相比存在差异。高玉岭等[23]也进行了类似的研究，他们的研究结果显示ReHo可以发现MHE局部脑区功能连接异常改变，体素镜像同伦连接(voxel-mirrored homotopic connectivity,VMHC)可以分析双侧大脑半球对称脑区等位体素之间神经活动的同步性，基于此可以对MHE患者脑功能的改变情况进行早期评估，为解释其临床表现、研究病理生理学改变和探索发病机制提供影像学层面的理论依据。

近些年随着人工智能的出现，基于机器学习的支持向量机(support vector machine，SVM)也被用于MHE的诊断。Chen等[24]利用采用留一法交叉验证的支持向量机分类器对MHE患者的ReHo数据进行判定，优化后的判别模型对MHE的诊断准确率为82.9%，敏感度为81.3%，这也为MHE的检测提供了新的思路。

3.功能连接研究与功能连接密度

功能连接研究的主要分析方法包括基本种子的功能连接分析和独立成分分析(ICA)。ICA自2004年成功应用于rs-fMRI数据的RSFC网络提取至今，其已经被证明能够稳定地提取出多个脑功能网络并应用于基础和临床研究。FC表示的是空间上有一定距离的神经生理活动之间的相关性，通常用ICA检测出的功能网络中各个脑区作为感兴趣区(region of interest,ROI)，考察ROI之间或ROI与全体素之间的线性相关程度，由此判断是否与ROI在功能上有较高相似性，即有无功能连接。

戚荣丰等[25]利用ROC曲线分析差异脑区连接在鉴别MHE与无MHE的肝硬化患者中的价值，发现MHE患者的调节精细运动能力下降可能与双侧壳核间的功能失调有关，左侧海马-右侧杏仁核间的功能连接异常可较好地区分MHE与NHE的肝硬化患者，提高MHE的诊断准确性。Min等[26]通过乙肝相关肝硬化患者(含MHE)与健康对照者的半球间同位FC和胼胝体体积测量，证实MHE患者双侧楔脑、中央后回、顶下小叶和颞上回的半球间同位FC明显减弱，且大脑半球间同源功能受损部分介导了胼胝体变性。类似地，Lin等[27]评估MHE患者海马体积和FC改变及其与认知下降的关系，发现MHE存在海马体积减少及与主要参与默认模式网络区域的连接性降低，暗示存在功能性连接中断综合征。这与Zhan等[28]的研究结论相符，后者实验发现MHE患者双侧扣带回后回、双侧额叶内侧前皮质、双侧海马及海马旁回、双侧角回、左侧颞叶等亚网内FC阳性表达明显减少，认为默认模式网络功能障碍(双侧扣带回、额叶内侧皮质和角回)可能是MHE病理生理学的核心问题之一。此外，Wang等[29]发现肝硬化患者在视觉相关的大脑区域的灰质减少最多，且大脑功能网络【主要视觉网络(PVN)，高级视觉网络(HVN)，视觉空间网络(VSN)】之间的功能连通性降低。Tsai等[30]认为MHE患者认知控制网络改变与心理测量和生化特征相关，氨和促炎细胞因子可能参与了异常连接的发生，认知控制网络(The cognitive control network,CCN)内FC受损可作为胆碱酯酶的补充生物标志物。

默认网络(default-mode network，DMN)作为HE中一个关键的、被广泛研究的静息状态脑子网络，在静息状态下有不稳定的高代谢活动，而在执行各种认知要求高的任务时，它的代谢活动受到抑制。Zhang等[31]利用ICA发现HE患者的右侧额叶和左侧后扣带回的功能连接显著减低，提示HE患者DMN的损伤。Chen等[32]进一步使用ICA对不同程度的HE患者与健康对照组的DMN进行比较，发现DMN内静息状态FC降低与MHE及既往OHE临床缓解后的神经认知损害有关。近来新提出的稳定ICA算法(Subject Order-Independent GICA，SOI-GICA)较好地解决了先前群组ICA(Group ICA，GICA)算法在rs-fMRI中存在变异性和不稳定性的问题，在大样本量研究中更具可靠性和稳定性，可为MHE的治疗策略制定提供更加丰富的信息。

功能连接密度(Functional Connectivity Density,FCD)是功能连接性的最基本度量，可以衡量大脑每个位点(体素)与其他位点(体素)之间的功能联系，同时可以获取区域内和区域间的自发神经元活动和功能连接的信息。FCD值与神经元活动息息相关，是描述网络节点重要性的指标，细胞凋亡、发育、重塑、退变均会引起其变化。Zhang等[33]利用FCD指标来研究肝硬化患者脑区间功能连接的改变，发现左侧顶下叶、海马下回和海马旁回的FCD降低，且与认知能力及血氨水平有显著相关性。因此，分析FCD对HE的诊断和严重程度评估可能具有重要的临床意义。

4.复杂脑网络研究

越来越多的rs-fMRI研究证据表明肝性脑病中的神经认知功能缺陷与内在大脑网络内部和之间的连通性受损密切相关。大脑功能连接具有高度动态性，促进了不同时间尺度上的功能整合、协调和对内外刺激的反应。包括默认模式网络(DMN)、中央执行网络(central executive network,CEN)、显著网络(salience network,SN)和丘脑皮质回路的多个大脑网络都已被发现存在与MHE相关的功能连接减弱[28,32-35]。 Jiang等[36]对肝硬化患者动态功能网络连接(functional network connectivity,FNC)的差异及其与神经认知改变的关系进行研究，发现了不同状态下不同网络连接的改变，认为动态FNC改变可能是肝硬化患者神经认知损害的潜在机制，可被进一步用于研究肝硬化相关的神经病理过程。

大脑网络的图形理论网络分析亦称“小世界”网络分析方法，它是通过边缘连接的节点集来量化区域之间大脑连通性的一般结构特征。图论是一种有前途的数学方法，可用于建模随机变量之间的相互依存关系，该方法已应用于神经生理学和神经影像学数据，能够阐明神经疾病中脑网络结构的各个方面。Gou等[37]采用图论的方法分析MHE在全局、模块和局部水平上的拓扑组织和可能存在的脑结构网络损伤，发现中央后皮质区的异常与意识缺乏和注意力缩短有关，在MHE的疾病发展过程中起着重要作用。

任务态fMRI在轻微型肝性脑病脑功能网络的研究

任务态fMRI可通过探测大脑在不同刺激及任务下神经活动的生理变化而进一步探究对应行为状态时脑功能网络的变化。对于HE的研究，其扫描方法多为组块设计与非重复事件相关设计，不仅可获得执行任务时脑区的实时成像数据，还能通过改变任务设计的刺激强度获得信噪比较强的血氧水平依赖。但任务态fMR由于对症状较重的HE患者不适用，且个体水平差异大，推广应用受到限制。

尽管急性肝衰竭中脑水肿对MHE的作用是毋庸置疑的[38]，但对于轻度脑水肿的存在和放大的炎症通路的作用[39]、神经类固醇介导的GABA能高张[40,41]或循环氨基酸的相对比例失调，对于导致神经递质失衡的作用主导仍存在争议。Mcphail等[42]利用高度简化的视觉运动任务结合多模态影像对22例MHE患者治疗相关的局部脑体积变化和神经激活变化进行了评估，发现L-鸟氨酸、L-门冬氨酸口服治疗前后临床、生化状态、基底节磁共振波谱及局部脑体积(brain volume,BV)无明显变化，但认知药物研究评分(cognitive drug research score,CDRS)和心理测量学肝性脑病评分(Psychometric Hepatic Encephalopathy Score,PHES)均有明显改善，扣带回和前额叶腹侧皮质这两个构成大脑结构和代谢核心区域的血液氧合水平依赖激活发生变化。研究结果暗示与星形胶质细胞体积调节无关的机制参与了认知能力的显著改善，进一步强调了DMN对于MHE认知改善和神经激活的变化。同时研究发现伴随着心理测验表现改善，视觉皮层也有激活，与Zafiris等[43]发现的肝硬化患者存在视觉注意皮层功能障碍相符，因为与视觉判断相关的下顶叶皮层被激活的程度较低。此外，Ahluwalia等[44]利用N-back任务试验和抑制控制试验发现利福昔明疗法也可通过调节额顶和皮层下的激活来增强执行相应认知任务的能力以治疗MHE。

国内学者Liao等[45]采用BOLD-fMRI技术联合n-back记忆负载测验的模块设计研究了3种工作负荷下MHE患者空间工作记忆相关脑区的激活情况，结果显示由双侧前额叶(prefrontal cortex,PFC)、双侧运动前区(premotor area,PRE-MA)、辅助运动区(supplementary motor area,SMA)和双侧顶区(parietal area,PA)组成的皮层网络在n-back任务中被激活，这与之前关于各种n-back任务中工作记忆的报道是一致的，其中PFC和SMA占主导地位，说明PFC损伤可能是构成MHE空间工作记忆障碍的神经基础。Zhang等[46]采用改良的汉字Stroop任务作为目标刺激发现肝硬化患者在完成不协调的单词阅读任务时，双侧前额叶皮质和顶叶皮质的激活程度较HC组更高，完成不协调的颜色命名任务时，前扣带回(anterior cingulate cortex,ACC)、双侧前额叶(PFC)、顶叶和颞梭形回(the fusiform gyrus,TFG)的激活减少，提示ACC-PFC-顶叶-TFG脑网络异常可能是肝硬化患者认知控制障碍的神经基础。

不足与展望

目前对于MHE患者脑区功能分离方面的研究已成熟充足，将ALFF和ReHo两者进行整合可以得到更多的信息。对于脑网络功能整合的分析即不同脑区之间的功能连接分析仍是未来的趋势。脑连通性网络作为大脑相互作用的一种简单表征，也已被广泛应用于各种神经疾病的分析。然而，目前相关研究主要集中在寻找与疾病相关的脑区之间的异常连通性上，但一些脑部疾病常与大脑连通性网络(即子网)的局部结构有关，而不是仅仅与某些单一的脑区或连通性有关。近年来也有学者提出了新的挖掘与疾病相关的子网络方法可用于MHE分类[47]，有助于深入了解MHE患者脑网络的内部拓扑结构，但还需要扩大样本进一步验证，更多关于子网络的研究也亟待开展。同样，BOLD-fMRI影像学特征对MHE的诊断仍然缺乏可靠、统一的标准以及较大的多中心研究，目前仍需多中心、大样本的高质量研究进一步验证其诊断效能。相信随着研究人员对复杂脑网络研究方法和其背后生理意义理解的加深，未来会诞生出更高阶段的数据挖掘和更多相关影像学探索。