静息态fMRI在终末期肾病患者认知功能障碍方面的研究进展

李松林,熊世红,高玉军

终末期肾病(end stage renal disease,ESRD)是指慢性肾脏病发展到最严重的阶段,肾小球滤过率持续低于15 mL/(min·1.73m2),患者需要长期透析治疗或进行肾脏移植才能维持生命。慢性肾脏病在我国已然是一个严重的公共卫生问题,2019年的一项流行病学研究表明,我国农村地区成年人口中慢性肾脏病的发病率已达16.4%[1],据发表于《Lancet》的流行病学调查报告,慢性肾脏病在中国的发病率超过10.8%,而终末期肾病的发病率为0.03%[2]。ESRD患者常伴有多器官功能的衰退,其中认知功能受损是ESRD患者最常见的神经系统并发症。已有研究表明认知功能障碍的进展将会明显影响患者的生活质量和接受治疗的依从性,最终导致患者生存时间的下降[3]。因此了解ESRD患者认知功能障碍的潜在危险因素对指导终末期肾病的治疗并预防进一步的认知受损十分重要。近年来MRI技术越来越多地应用于ESRD患者脑功能研究,为探究ESRD患者认知功能受损的危险因素提供了客观和可靠的研究手段。本文主要阐述ESRD患者合并认知功能障碍的潜在机制和静息态功能磁共振成像(resting-state functional MRI,rs-fMRI)在此领域的研究进展。

ESRD患者合并认知功能障碍的研究现状

国内外文献报道的ESRD患者认知功能障碍的发生率存在较大差异,如Kurella等[4]总结1994-2010年的文献得到的发病率为16%～38%;近期Murray等[5]的一项研究结果却显示其发生率高达87%;在2017年发表于柳叶刀上的一篇流行病学调查中其发生率为30%～60%[4,6]。产生这种差异的原因可能是既往临床工作者并没有对ESRD患者继发认知功能衰退有足够的认识和重视,导致临床发现率较低;此外,也可能是由于不同的研究中对认知功能障碍(cognitive impaiment,CI)的定义存在差异。

随着研究的深入,维持性血液透析患者的认知功能状态正逐渐受到临床工作者的重视。认知功能损害将直接降低患者的生活质量,延长患者的住院周期,增加患者家庭的经济负担,最终严重影响患者的预后,甚至可能导致患者的死亡率增高。目前临床上主要采用蒙特利尔认知量表(Montreal Cognitive Assessment,MoCA)从视空间执行能力、辨别命名能力、记忆、计算和注意力等方面综合评估ESRD患者的认知功能,一般认为MoCA量表得分低于26分的患者存在认知功能的降低。MoCA量表具有敏感性高、覆盖主要的认知领域、测试时间较短和适合临床运用等优势,但也存在受患者文化背景及受教育程度的影响、受检查者主观因素的影响以及非常依赖于患者的有效配合等不足之处。rs-fMRI技术有望为ESRD患者的认知功能评估提供更为客观的依据,同时也有助于我们探究影响ESRD患者认知功能的危险因素。

ESRD患者认知功能受损的机制

ESRD患者合并CI可能与脑血管因素、同型半胱氨酸水平升高、氧化应激及炎性反应、贫血、继发甲旁亢、尿毒症毒素潴留和抑郁等多种因素有关[7-12],其具体发病机制目前尚不完全清楚。目前对其发生机制的阐述主要有两大假说:血管性假说和神经退行性假说。

血管性假说:ESRD患者脑血管性病变(如脑梗死、脑动脉粥样硬化、脑白质变性等)的发病率明显升高,这与导致肾衰竭的基础病变有关,如糖尿病和原发性高血压病等[13],也与肾衰竭后的贫血状态、体内毒素堆积及电解质代谢紊乱等因素有关。同时透析过程中血流动力学不稳定和电解质波动等因素可能也是潜在的危险因素[14-15]。脑血管病变是现在公认的导致老年人认知障碍的主要因素,而ESRD患者发生脑血管病的风险更是明显升高[12]。脑血管病变直接影响了ESRD患者的脑灌注水平,进而导致其认知功能下降[16]。

神经退行性病变假说:ESRD患者存在的毒素蓄积很可能对脑实质产生直接或间接的损伤,许多尿毒症毒素(尿酸、硫酸吲哚酚、对甲酚硫酸盐、白细胞介素1β、白介素-6和肿瘤坏死因子α等)对神经有直接毒性作用,可导致脑功能下降[17]。有文献报道,近半数ESRD患者处于微炎症状态,其C反应蛋白水平可达健康人群的8～10倍,究其原因可归纳为以下几方面。①肾衰竭本身可造成促炎症因子及其产物的堆积;②透析状态下氧化应激活跃;③透析膜、透析液质量及透析技术的影响;④感染及其它因素的影响[18]。已有研究表明炎症因子与认知功下降具有相关性[19]。同时也有研究表明胱氨酸蛋白酶抑制剂(CysC)、同型半胱氨酸(Hcy)、甲状旁腺素(PTH)和尿酸等均在ESRD患者认知功能衰退中发挥了一定的作用[20-22]。

rs-fMRI在ESRD患者认知功能方面的研究进展

rs-fMRI是在受试者平静状态下利用大脑血氧水平信号的自发波动结合多种不同的算法评估各脑区活跃程度及连接水平的新兴成像技术[23]。自从1995年rs-fMRI被提出并应用于脑功能研究后,其图像信号的计算和分析方法历经多次迭代,并衍生出许多具有独特功能的算法。rs-fMRI的算法大致可分为功能整合和功能分离两大类。功能分离类算法主要包括区域一致性(regional homogeneity,ReHo)、低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation,ALFF)及其衍生的比例低频振幅(fractional amplitude of low-frequency fluctuation,fALFF)法、百分比振幅(percent amplitude of fluctuation,PerAF)等算法,这类算法侧重于分析单个脑区内的连接情况和活跃程度;功能整合类算法包括基于种子分析种子点分析法、感兴趣脑区(region of interest analysis,ROI)分析、独立成分分析(independent component analysis,ICA)、图论法和度中心性(degree centrality,DC)算法等,这类算法侧重于研究不同脑区的相互连接形成的神经网络[24]。

1.功能分离类算法

ReHo算法:于2004年提出,通过计算一个脑区内体素之间的肯德尔和谐系数,得到脑区的ReHo值,以此评估脑区内部的连接同步水平[25]。几项应用ReHo算法的研究发现ESRD患者右侧颞中回、右侧下顶叶、内侧额叶皮层、和左侧楔前叶 的ReHo值显着降低,但ReHo值与血液透析持续时间之间无显著相关性[26-27]。李朋等[28]利用ReHo法发现ESRD患者的左侧额中回、双侧扣带回、左侧海马的ReHo值下降。额中回在长期记忆、情绪功能和个性特征等方面发挥着重要作用[29];前扣带与注意力和决策有关[30];中扣带则参与到负面情绪、疼痛、认知控制的过程中[31];而海马在记忆过程中起着重要的作用[32],其功能的受损可能是ESRD患者记忆力下降的重要原因。

ALFF法:由中国学者在2008年首先提出[33],并已有一系列研究证实了其在评估自发性脑活动改变方面的作用[35-37]。此方法通过计算单个体素水平的脑活动强度即ALFF值来反映局部脑神经元自发活动的强弱[34]。Chen等[35]利用ALFF法发现ESRD患者双侧楔前叶和顶下小叶的ALFF值降低,这些脑区都属于默认模式网络(default mode network,DMN),与多种大脑功能有关,包括记忆、视觉和听觉注意、运动表现和语言处理[36]。同时该研究还发现血红蛋白水平降低与腹膜透析患者脑区ALFF值下降呈正相关,这与胡润月等[37]对ESRD患者的研究结果基本相同。这些研究结果均表明肾性贫血是ESRD患者认知功能受损的重要危险因素。为了更好地凸现出各脑区相对整个大脑的活跃程度,目前的多数研究中采用mALFF值(以单个脑区的ALFF值除以全脑ALFF的平均值)来评价脑区活跃度。有研究发现背外侧前额叶皮层和楔前叶的mALFF值在透析过程中显著增加,这可能表明透析可以降低患者体内毒素水平、改善电解质紊乱,从而使患者的部分脑区的活跃水平有所恢复。

ALFF法是一种经典的fMRI算法,已有研究者将其与结构MRI相结合用于研究ESRD患者的脑功能变化。北京友谊医院的Jin等[38]将ALFF法与动脉自旋标记(arterial spin labeling,ASL)成像相结合,通过分析ESRD患者不同脑区的血流量和神经活跃度,并计算二者的比值,来探究ESRD患者的神经耦合情况。其研究结果显示:与健康对照组相比,ESRD患者双侧DMN相关区域的脑血流量(cerebral blood flow,CBF)和ALFF值降低,双侧丘脑的CBF值增加,杏仁核的ALFF值降低;而且,ESRD患者的整体神经血管耦合的跨体素相关性降低,表明ESRD患者的整体神经血管耦合存在不同程度的解耦。笔者认为此研究方法同样有助于我们探究在ESRD患者认知功能受损的过程中,血管性因素和神经退行性因素作用的先后性及因果关系。Guo等[39]将ALFF法与DTI相结合来研究 ERSD 患者神经纤维束损伤和脑功能衰退的关系,结果显示额内侧回、顶叶、缘上回、顶下回和颞中回的FA值明显低于健康对照组,并且ESRD患者额内侧回、顶叶、顶下回和海马旁回的ALFF值显著降低,但双侧额上回的ALFF值升高。上述结果表明ESRD患者脑组织的微观结构和静息状态下的脑功能均存在异常。这印证了ESRD患者认知功能受损并非单纯的功能受损,而是伴有明确的器质性损害。

fALFF法和PerAF法:fALFF法即比例低频振幅法,其利用fALFF值(特定频段与整个频段上ALFF值的比值)评估患者神经元活动性,降低了ALFF法受到脑室及血流噪声影响的程度[40]。PerAF近几年用于脑功能的研究,是计算每个时间点的BOLD信号强度相对于平均信号强度的波动百分比,ALFF结果会受到BOLD信号的标度的影响,而PerAF法是ALFF值的标准化方式[41]。青岛大学附属医院的马驰等[42]利用ALFF、fALFF和PerAF三种不同的低频振幅算法研究维持性血液透析患者的脑活动变化,发现ESRD患者双侧楔前叶、扣带回、双侧顶下小叶/颞顶交界区等DMN的重要组成部位均出现不同程度的功能活动水平下降。同时该研究还发现ESRD组与健康对照组之间fALFF值的差异无统计学意义,这可能是fALFF算法在消除噪声影响的同时降低了敏感性。而ALFF法和PerAF算法得到的结果大致相同,但PerAF算法表现出更好的敏感性。同时也有重测信度研究表明PerAF算法可靠性略高于ALFF,远高于fAFLL[41,43]。当前运用fALFF法和PerAF法研究ESRD患者认知功能的报道还较少,同时PerAF较传统的ALFF法敏感度更高,fALFF法在降低生理性噪声方面具有独特的优势,未来这两种方法或许会在ESRD患者认知功能的研究中起到更重要的作用。

2.功能整合类算法

种子点分析/ROI分析:种子点分析是选取单个脑区作为种子点,再计算种子点与其他脑区基于时间序列的相关性系数;ROI分析是选取多个感兴趣脑区作为种子点,然后计算各个种子点之间的基于时间序列的相关性系数[44]。种子点分析和ROI分析都用于评估大脑的功能连接(functional connectivity,FC)水平,两者的区别在于前者侧重于种子点与整个脑区的功能连接,而后者关注各个ROI之间的连接情况[45]。选择不同的种子区域会得出相差很大的结果,所以选择合适的种子区域对于这一分析方法来说至关重要,往往研究者会充分结合既往的研究来确定自己的脑种子区域ROI。有学者在ESRS患者中选取了11个位于DMN直径约5mm近似球体的ROI进行基于ROI的FC分析,发现ESRD患者前内侧前额叶皮层(anteromedial prefrontal cortex,aMPFC)和后扣带回皮层(posterior cingulate cortex,PCC)之间的FC值与肌酐和尿素水平呈正相关,同时aMPFC和PCC也表现出连接功能的下降,这表明这两个区域可能是ESRD患者较早受损的脑区。

独立成分分析:ICA分析包括经包括空间独立成分分析(spatial independent component analysis,SICA)和时间独立成分分析(temporal independent component analysis,TICA)。该分析法假设静息态BOLD信号各成分进程的时间序列为周期性,且功能成分之间相互独立,通过计算将包括各功能网络系统信号以及生理、系统噪声等在内的原始信号多个成分逐个分离并提取出来,定位于解剖结构上,从而分离出比较合理的功能连接模式,即SICA和TICA。Lu等[46]利用ICA研究伴有轻度认知功能障碍的ESRD患者扣带回皮层和楔前叶(precuneus,Pcu)以及内侧前额叶皮层的DMN功能连接性显着降低,同时MPFC和PCC/PCU的功能连接减少与血红蛋白水平呈正相关;MPFC功能连接的减少与MoCA量表得分呈正相关。Ni等[44]的研究发现MPFC脑区功能连接与神经心理发育检查量表分数呈正相关;且认知损伤的ESRD患者较无认知损伤患者的MPFC功能连接进一步减低。

3.图论法、度中心性法

图论本身是应用数学的一个分支,其可以用来表征复杂网络的的拓扑关系,是研究网络中不同节点、不同连边及网络整体特性的重要手段。人脑是由860亿个神经元组成、通过150万亿突触连接的复杂网络,在过去十年中已有大量研究将图论运用于评估脑网络。节点中心性、介数中心度(小世界性)、特征路径长度等指标在脑网络研究中已经被长期使用且具有固定的研究方法。度中心性方法是基于图论法改进的功能连接算法,其将每个体素作为一个节点,然后计算连接到其余节点的节点数量,直接连接的节点数越多时,则节点的中心性更高,间接反映了大脑网络中节点位置和重要性。可以评估脑区在功能网络中的中心性。图论法和度中心性法在ESRD患者方面的研究目前仅有极少的报道,Zheng等[47]使用图论分析计算了ESRD患者脑组织的拓扑特性,发现ESRD患者脑功能网络表现出较低的局部效率和小世界性的改变,ESRD 患者的额上回、左后扣带回、左角回和右楔前叶的节点中心性显着降低。在ESRD患者CI组中,双侧额上回、左后扣带回和右楔前叶内侧部分的节点中心性改变与认知水平相关。Chen等[48]利用度中心性发现ESRD患者整个大脑的DC值明显下降,下降程度最显著的区域主要位于边缘网络、躯体运动网络和额叶顶叶网络,其使用MoCA量表筛选出合并CI的ESRD患者,发现伴有CI的ESRD患者的脑边缘网络的功能连接强度下降。

ALFF和ReHo方法分别被用于研究不同脑区自发活动和连接同步水平。ALFF和ReHo作为功能分离类算法,其侧重于研究不同脑区自身的功能水平,对探究ESRD患者认知功能下降过程中起主要决定因素的脑区具有较大意义。ALFF法又衍生出mALFF、fALFF和PerAF等算法;mALFF可以更好表现各脑区相对整个大脑的活跃程度;fALFF算法可消除脑室及血流噪声的影响,但消除噪声影响的同时也降低了其对异常信号的敏感性;PerAF法是利用数学工具对传统ALFF法的标准化,具有更好的可靠性。种子点分析/ROI分析需要选取特定的感兴趣脑区,并且选取过程存在较大的主观性,可能导致较大的实验误差。独立成分分析首先要确定特定成分及个数再进行评估,但面对复杂的人脑网络要保证各特定成分之间的独立性是较困难的。图论法在表征复杂脑网络系统方面具有突出的能力,其衍生出的度中心性法在研究脑功能连接时无需事先选取特定脑区,避免了主观选择脑区产生的实验误差。度中心性是目前研究全脑功能连接水平的较优方法。其可用于探究ESRD患者整体脑网络连接功能及网络中心节点性的改变。

基于以往将rs-fMRI应用于ESRD患者认知功能的研究,DMN功能的减退很可能是ESRD患者认知功能受损的直接体现,并且贫血水平与DMN功能减退具有较强的相关性,这意味着在未来对ESRD患者的认知功能评估及危险因素探究中我们将具有更加敏感且客观的研究手段。既往在对ESRD患者认知功能受损的研究过程中,对早期认知功能受损患者的筛选存在着诸多困难,尤其是缺乏客观的定性标准。当前多种静息态fMRI算法和分析方法相结合的研究方式正逐步被应用到ESRD患者的认知功能研究中,这将推动我们对ESRD认知功能受损机制的认识,但是目前这方面的研究基本都为横断面研究,缺乏纵观患者整个病程发展的纵向研究,同时仍有很多新颖、复杂的分析方法尚未被更深入地应用于该领域。