应用DTI-ALPS指数分析慢性失眠患者脑类淋巴系统功能

郑秀梅,张治,梁晓,黄素华,吴麟,周福庆

2012年,lliff等[1]首次应用示踪剂追踪方法在小鼠中枢神经系统中发现了具有类似淋巴系统功能的结构,称为类淋巴系统。来自蛛网膜下腔的脑脊液沿动脉血管周围间隙流入该系统,并在水通道蛋白4的促进下进入脑实质[2],在脑脊液-间质液混合作用下,通过静脉血管周围间隙流出,并最终引流至脑膜淋巴管和颈深部淋巴结[3-4],以实现清除代谢废物的作用[5-6]。失眠是指睡眠量不正常以及睡眠过程中出现异常行为的状态,已有动物研究发现非快速动眼睡眠期能够有效地促进类淋巴流体的运输,而在清醒时此过程被抑制。在针对啮齿动物和人类的研究中发现,睡眠障碍会加速淀粉样蛋白β在大脑间质液的沉积。上述研究结果表明慢性失眠患者可能存在类淋巴功能障碍。2017年Taoka等[7]提出一种非侵入性可定量评估类淋巴系统功能的成像方法——沿血管周围空间扩散张量成像(diffusion tensor imaging along perivascular space,DTI-ALPS)。有研究结果显示该方法具有较高的可重复性及可信度,与鞘内注射钆对比剂MRI具有较高的一致性[8]。许多疾病存在类淋巴功能障碍,如阿尔兹海默症、创伤性脑损伤、帕金森病和脑小血管疾病等[9-14]。因此,本研究中假设慢性失眠患者存在类淋巴功能障碍,并利用DTI-ALPS方法来评估和对比慢性失眠患者与健康受试者类淋巴功能的差异,并分析DTI-ALPS指数与睡眠状态和焦虑抑郁量表评分的关系。

材料与方法

1.一般资料

将2012年5月-2013年7月在本院经临床诊断为慢性失眠且符合研究要求的21例患者及32例健康志愿者(正常对照组)纳入研究。纳入标准:①每周出现入睡困难超过3天、症状持续超过1年,符合《精神疾病诊断与统计手册》中慢性失眠的诊断标准[15];②年龄25～65岁;③常规颅脑MRI检查未见脑卒中、感染、肿瘤及外伤等影像学改变。排除标准:①有任何原因所致的继发性睡眠障碍或睡眠-觉醒节律障碍;②有高血压、心脏病、呼吸系统疾病和糖尿病;③近1个月内服用过治疗失眠的相关药物;④有精神系统疾病的病史;⑤有MRI禁忌证;⑥DTI图像上患者头动大于2 mm或旋转角度大于2°。所有受试者和(或)家属签署了知情同意书。

所有受试者均为右利手。在MRI扫描前对所有受试者进行了多项临床量表的评估,包括评估睡眠质量的匹兹堡睡眠质量指数(pittsburgh sleep quality index,PSQI),评估焦虑和抑郁状态的状态焦虑量表(state anxiety inventory,STAI-s)、状态特质焦虑量表(state-trait anxiety inventory,STAI-t)和贝克抑郁自评量表(Beck depression inventory,BDI)。

2.MRI数据采集和预处理

使用Siemens Trio Tim 3.0T磁共振仪和8通道标准头部线圈。DTI扫描采用平面回波成像序列横轴面扫描,扫描参数:TR 7200 ms,TE 104 ms,层厚2.5 mm,矩阵128×128,视野230 mm×230 mm,30个扩散方向,b=0、1000 s/mm2。

使用DSI studio 2021(http://dsi-studio.labso-lver.org)软件对DTI数据进行后处理,主要步骤和方法:①读取DICOM文件并进行图像质量检查;②设置掩码以过滤掉背景区域,提高重建效果,并促进进一步可视化;③使用DTI方法进行重建,以表征纤维的主要扩散方向;④打开软件中的纤维追踪程序,在原始扩散彩色编码各向异性分数图像中选取侧脑室所在层面,在左侧的投射纤维区和联络纤维区分别勾画正方形ROI,ROI的边长约为3个体素约5.4 mm(图1),获取ROI内沿X、Y、Z轴方向的扩散率(diffusivity,D)。ALPS指数的计算公式:

图1 ROI绘制示意图。左侧扩散彩色编码各向异性分数图像显示了两种纤维的走行方向,投射纤维为Z轴方向(蓝色),联合纤维(绿色)为Y轴方向,在这两种纤维内分别放置1个直径为5.4mm的ROI来测量其扩散系数。右侧坐标表示在血管周围间隙中两种神经纤维的走向,血管周围间隙垂直于投射纤维和联络纤维。

(1)

投射DX和联络DX分别为投射纤维沿X轴的扩散率,投射DY为投射纤维沿Y轴的扩散率,联络DZ为联络纤维沿Z轴的扩散率。由于所有受试者都是右利手,且左侧联络纤维厚度可更好容纳ROI[7],因此在勾画ROI时选择左侧侧脑室。

为了检验ALPS测量的可重复性,研究者在相隔六个月的两个时间点(A、B组)分别进行一次ROI的勾画,获取投射纤维和联络纤维沿X、Y、Z轴的D值后计算ALPS指数值,采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)分析2次获得的ALPS指数值的相关性,ICC=0.749(P<0.001),表明2次测量值具有较高的一致性,后续统计分析时均采用B组数据。

3.统计分析

使用IBM SPSS 21.0软件进行统计学分析。分类变量(如性别)的组间比较采用卡方检验。符合正态分布的计量资料,以均数±标准差表示,再进行方差齐性检验,方差齐者组间比较采用两独立样本t检验;非正态分布的计量资料,以中位数和四分位间距表示,组间比较采用Mann-WhitneyU非参数检验。在控制年龄和性别的情况下,采用Pearson相关分析对ALPS指数与临床参数的相关性进行评估。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.临床资料的比较

慢性失眠组和正常对照组临床资料的比较结果见表1。两组之间年龄和性别构成的差异无统计学意义(P>0.05)。慢性失眠组的STAI-s评分、STAI-t评分、BDI评分以及PSQI值均高于对照组,且差异均有统计学意义(P<0.05)。

表1 两组临床资料的比较

2.DTI-ALPS指数的组间比较

两组中各纤维的扩散率、DTI-ALPS指数值及其组间比较结果见表2。慢性失眠组的ALPS指数值显著低于正常对照组(图2),差异有统计学意义(P<0.05)。慢性失眠组中DTI-ALPS值与失眠年限呈负相关(r=-0.449,P=0.041;图3),与年龄、受教育年限、BDI评分、STAI-t评分、STAI-s评分和PSQI值均无显著相关性(P>0.05)。

表2 两组的投射和联络纤维的扩散率及ALPS指数值的比较

图2 慢性失眠组和正常对照组的ALPS指数值的箱线图,显示失眠组的ALPS值显著低于正常对照组。

3.扩散指标对慢性失眠的诊断价值

使用ROC曲线评价纤维束扩散指标对慢性失眠患者的诊断价值,结果详见表3和图4。各指标中以ALPS指数的AUC值最大,为0.811,表明该指标对失眠患者具有较好的诊断效能,最优截断值为1.630,相应的诊断敏感度为0.810、特异度为0.719。

表3 纤维束扩散指标对慢性失眠的诊断价值

讨 论

大脑类淋巴系统主体通道是小血管及穿支血管周围间隙,以心动周期及动脉搏动为动力,脑脊液经动脉血管周围间隙流入,在脑实质内与组织间液进行交换,以整体流的形式将代谢物质流向静脉血管周围间隙,经静脉血管周围间隙通道流出和排泄[16]。类淋巴系统排泄障碍可致血管周围间隙瘀堵,形态学表现通道间隙增宽。深髓静脉垂直侧脑室水平,且毗邻的投射、联络纤维束与深髓静脉(及血管周围间隙)垂直走行,髓静脉周围间隙增宽可影响细胞外水分子运动方向。利用水分子扩散的各向异性特点。计算平行于髓静脉扩散值与垂直于纤维束扩散值的比值,即DTI-ALPS指数,可反映大脑类淋巴系统流出功能[6,8]。本研究中同一位医师前后2次勾画ROI,测量投射和联络纤维的扩散率,2次计算获得的ALPS指数值的组内相关系数值较高,表明本研究方法具有较高的重测信度。

本研究使用DTI-ALPS指数探讨了慢性失眠患者的脑类淋巴系统功能,结果显示慢性失眠患者的DTI-ALPS指数显著低于正常对照组,表明慢性失眠患者存在脑类淋巴系统功能障碍。近年来的研究结果表明类淋巴系统具有清除废物和维持脑实质间质液体平衡的作用[17]。睡眠对少突胶质细胞功能和髓鞘形成起到保护性作用,慢性失眠导致少突胶质细胞和髓鞘形成发生改变,轴突完整性下降。以及引起血管周围间隙内液体流向间质液的阀门(水通道蛋白4)异常,影响类淋巴系统的正常运输[18]。研究在慢波睡眠时的脑脊液及脑电图研究发现,当被试进入深度睡眠阶段,脑脊液经特定脑区过滤后周期性地进入大脑,环绕整个大脑流动,反复上演着“清洗”工作;觉醒状态时该过程明显减慢[19]。上述研究结果均与本研究中所观察到的结果相吻合。本研究中还发现代表类淋巴循环功能的DTI-ALPS指数有助于区分慢性失眠患者与健康人群,且具有较高的诊断效能。

此外,本研究结果显示DTI-ALPS指数与患者的失眠年限呈负相关,即失眠年限越长、类淋巴功能下降越明显。有研究表明,血清5-羟色胺和多巴胺作为神经递质参与睡眠过程[20],而类淋巴系统功能的障碍很有可能会影响5-羟色胺及多巴胺的代谢,随着失眠时间的延长进而引起或加重睡眠节律紊乱。但睡眠障碍与类淋巴系统功能下降的因果关系有待进一步研究。本研究中并未发现DTI-ALPS指数与STAI-s、STAI-t和BDI评分及PSQI之间存在显著相关性。有研究结果表明,高PSQI值与类淋巴功能之间无显著相关性,这与我们的研究结果相似,笔者认为其原因是DTI-ALPS指数对与失眠相关的白质变化不敏感[21],未来可通过增加样本量和结合随访资料来进一步研究。

本研究的局限性:①本研究中部分患者缺少磁敏感序列,磁敏感序列较常规MR图像更易观察垂直侧脑室的髓静脉,将其与DTI序列进行配准,更有助于绘制感兴趣区时的准确定位,未来可开展前瞻性研究来考虑其可能的影响。②本研究中的样本量较小,未来应扩大样本量并对患者进行随诊,进一步对慢性失眠不同亚型的患者进行细分,观察不同类型睡眠障碍患者类淋巴功能的改变,可为慢性失眠的诊疗开辟新视野。

综上所述,慢性失眠患者存在类淋巴功能障碍,并且其与失眠年限呈负相关,表征大脑类淋巴系统功能的DTI-ALPS指数对区分慢性失眠患者与健康人群具有较高的诊断效能。未来应采用多模态MRI技术进一步探讨慢性失眠患者脑类淋巴功能障碍及其与临床功能的相关性。