肝豆状核变性伴认知损害的尾状核静息态功能连接改变的fMRI研究
2024-04-30刘军平王安琴卞国清徐春生
刘军平 王安琴 卞国清 徐春生
［摘要］ 目的：利用靜息态fMRI分析肝豆状核变性（WD）伴认知损害患者的尾状核功能连接改变。方法：选取19例WD患者（WD组）及24例健康志愿者（对照组）为研究对象，并行静息态fMRI检查；采用简明智力状态量表（MMSE）、言语流畅性测验（VFT）、数字广度测验（DST）、前瞻记忆（PM）测试法评估患者认知功能；利用AFNI软件，分别以双侧尾状核为种子点（ROI），与全脑其他体素行功能连接分析，得到2组功能连接的差异脑区，对差异脑区的功能连接强度值与基于事件的前瞻性记忆（EBPM）评分及基于时间的前瞻性记忆（TBPM）评分行相关性分析。结果：WD组的MMSE评分、VFT评分、DST评分、TBPM评分和EBPM评分均较对照组低，差异均有统计学意义（均P<0.05）。与对照组相比，WD组左侧尾状核与双侧丘脑、双侧额上回、右侧额中回功能连接减低，右侧尾状核与小脑蚓部、双侧豆状核、双侧丘脑、双侧额上回、右侧角回功能连接减低。WD组右侧尾状核和右侧额上回间的功能连接强度值与EBPM评分呈正相关（r=0.508，P=0.028）；右侧尾状核和右侧丘脑间的功能连接强度值与TBPM评分呈正相关（r=0.473，P=0.041）；左侧尾状核和左侧丘脑间的功能连接强度值与TBPM评分呈正相关（r=0.462，P=0.047）。结论：WD患者认知障碍与纹状体-丘脑-皮质连接受损有关，尤其是尾状核与丘脑及额上回的功能连接减低有关。fMRI可作为WD患者脑功能障碍的重要研究手段。
［关键词］ 磁共振成像；肝豆状核变性；尾状核；全脑功能连接；认知功能
A resting-state fMRI study of altered functional connectivity of caudate nucleus in Wilsons disease patients with cognitive impairment
［Abstract］ Objective：To analyze the functional connectivity changes in the caudate nucleus in patients with Wilsons disease （WD） and cognitive impairment by using resting-state fMRI. Methods：19 patients with WD （WD group） and 24 normal healthy volunteers （the control group） were recruited，all of them underwent resting-state fMRI. Multiple methods，including the mini-mental status examination （MMSE），the verbal fluency test （VFT），the digit span test （DST） and the prospective memory （PM） test，were used to evaluate the cognitive function. Using AFNI software，the functional connectivity between the bilateral caudate nucleus and the other voxels in the whole brain was analyzed. In addition，the brain regions with different functional connectivity between the two groups were analyzed. Then，the correlations between the abnormal functional connectivity brain regions and the prospective memory scores （EBPM and TBPM scores） were analyzed. Results：The MMSE，VFT，DST，TBPM and EBPM scores in WD group were significantly lower than the control group （all P<0.05）. Compared with the control group，the functional connectivity between the left caudate nucleus and bilateral thalamus，bilateral superior frontal gyrus，right middle frontal gyrus were decreased in WD group，and the functional connectivity between the right caudate nucleus and cerebellar vermis，bilateral lenticular nucleus，bilateral thalamus，bilateral superior frontal gyrus，right angular gyrus decreased as well. The value of the functional connectivity in WD group between the right caudate nucleus and right superior frontal gyrus was positively correlated with EBPM score （r=0.508，P=0.028），and that between the right caudate nucleus and right thalamus was positively correlated with TBPM score （r=0.473，P=0.041）. The value of the functional connectivity between the left caudate nucleus and left thalamus was positively correlated with TBPM score （r=0.462，P=0.047）. Conclusions：Cognitive impairment in WD patients is closely related to impaired striatum-thalamus-cortex connectivity，especially the decreased functional connectivity between the caudate nucleus and thalamus，superior frontal gyrus. And fMRI can be used as an important research method for assessing brain dysfunction in WD patients.
［Key words］ Magnetic resonance imaging；Wilsons disease；Caudate nucleus；Whole brain functional connectivity；Cognitive function
肝豆状核变性，又称威尔逊病（Wilsons disease，WD），是一种罕见的铜代谢障碍性遗传性疾病，可累及多个器官，包括肝脏、脑、角膜、肾脏等，临床上以神经系统损伤症状为主的称为脑型WD［1］，fMRI能有效显示此类患者大脑皮质功能的损伤情况。脑型WD患者的颅内病变主要发生在基底节区（豆状核、尾状核）、丘脑、中脑、小脑及大脑白质区［2］。基底节区不仅涉及人的精神、运动、情绪、认知状态，还与皮质区的神经元有复杂连接，皮质-基底核-丘脑环路异常可影响患者的认知功能［3］。本研究主要是从大脑功能状态变化的角度，探究WD患者基底节区尾状核部位全脑功能连接改变与认知损害的关系。
1 资料与方法
1.1 一般资料
选取2018年1月至2020年12月我院收治的19例脑型WD患者为WD组，男12例，女7例；年龄10～36岁，平均（23.00±4.00）岁；受教育时间7～12年，平均（8.84±0.50）年；其中肝功能异常4例。临床诊断标准参照《肝豆状核变性的诊断与治疗指南》［1］：①有锥体外系症状（包括进行性震颤、肌僵直、构语障碍等）；②查体见角膜K-F环阳性；③实验室检查血清铜蓝蛋白<200 mg/L，尿铜>100 μg/24 h。排除标准：①有严重精神或沟通障碍；②临床资料不完善；③存在视力障碍、听力障碍及肢体严重功能障碍导致测试无法完成；④伴严重心、肝、肾及肺功能不全。
同时招募24例健康志愿者为对照组，其中男13例，女11例；年龄17～27岁，平均（22.58±1.00）岁；受教育时间7～16年，平均（9.29±3.50）年。纳入标准：简明智力状态量表（mini-mental state examination，MMSE）评分
2组性别、年龄及受教育时间比较，差异均无统计学意义（均P>0.05），具有可比性。本研究经医院医学伦理委员会批准，受试者均签署知情同意书。
1.2 仪器与方法
采用3.0 T MRI（Discovery MR750，GE）和8通道高分辨力头部线圈进行扫描。受试者静息仰卧于检查床上，闭眼并保持意识清醒，固定头部，佩戴耳塞，保持制动。扫描序列与参数：常规T2WI，TR 8 500 ms，TE 120 ms，翻转角108°，矩阵251×251，视野245 mm×245 mm，层厚5 mm，层距1 mm，层数18层；3D-T1WI，TR 8.0 ms，TE 3.1 ms，翻转角11°，矩阵256×256，视野256 mm×256 mm，层厚1 mm，无间隔，层数166层；fMRI扫描采用EPI序列，TR 2 000 ms，TE 30 ms，翻转角90°，矩阵64×64，视野220 mm×220 mm，层厚3 mm，层数36层，共采集185个时间点。
1.3 数据处理
采用AFNI分析软件（https：//afni.nimh.nih.gov/afni/）对fMRI图像进行处理，主要包括时间校正（排除前10个时间图像），头动校正（排除头动角度>2 mm/>2°的图像），空间标准化，平滑处理（采用6 mm全宽半高高斯平滑核进行平滑），通过0.01～0.1 Hz的带通滤波过滤掉高频信号（神经信号以外的噪声信号），最后行线性回归分析去除头动、脑白质和脑脊液信号的干扰。提取标准模板图像的双侧尾状核为ROI，获取双侧尾状核时间序列平均值，并与全脑各体素行功能连接分析。
1.4 临床认知功能评估
采用MMSE评分评估总体认知功能，应用神经心理学成套测验［5］，对2组词语流畅性测验（verbal fluency test，VFT）及数字广度测验（digital span test，DST）等临床认知情况进一步评估。其中MMSE共11项，总分30分，根据受教育时间和年龄进行评判，分值与受教育时间不符时为认知功能损害或障碍；DST共14个测题，包括顺背和倒背两部分，顺背和倒背的最高位数相加即为最终得分；VFT要求受试者就某一范畴在有限的时间内（通常为1 min）列举尽可能多的例子，包括语义、语音及动作流畅性，总分9分。
使用前瞻记忆（prospective memory，PM）试验方法测定基于事件的前瞻性记忆（event-based prospective memory，EBPM）评分及基于时间的前瞻性记忆（time-based prospective memory，TBPM）评分。EBPM评分：将多个动物类的词汇作为目标事件，当每个目标事件出现时敲桌子计1分，试验结束时说出自己的联系电话计2分，总分8分。TBPM评分：以5、10、15 min为目标时间点，在每个目标时间点敲击桌子，根据响应时间计分，在前后10 s计2分，前后10～30 s计1分，>30 s计0分，总分6分。评分越高，说明记忆能力越强［6］。
1.5 统计学分析
使用SPSS 22.0软件行数据分析。连续变量以x±s表示，组间比较行独立样本t检验。采用Fisher转换得到每一受试者的Z值图像，对2组Z值图行独立样本t检验，采用Monte Carlo模擬阈值校正（3dClustSim，http：//afni.nimh.nih.gov）（P<0.001，体素数目≥20），得到功能连接的异常脑区。对WD组的EBPM评分及TBPM评分与存在显著异常脑区的功能连接强度值行相关性分析，连续性变量行Pearson相关检验，非连续变量行Spearman相关检验。以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 2组认知功能比较
MMSE评分WD组（20.8±0.91）分，对照组（27.5±1.18）分；DST评分WD组（16.4±0.66）分，对照组（18.9±2.16）分；VFT评分WD组（15.2±2.35）分，对照组（19.5±2.31）分；TBPM评分WD组（8.3±1.63）分，对照组（12.7±1.75）分；EBPM评分WD组（9.1±1.39）分，对照组（13.2±0.98）分；2組差异均有统计学意义（均P<0.05）。
2.2 WD组常规影像学表现
颅脑MRI常规平扫发现，患者颅脑内有1个或多个部位出现异常信号影，以T1WI低信号、T2WI高信号为主，其中出现在豆状核（包括苍白球及壳核）16例、尾状核10例、丘脑13例、脑干5例、小脑半球2例、额叶4例，且无明显软化灶，位于豆状核、尾状核及丘脑的异常信号均呈对称性分布。另外3例的豆状核呈T1WI等或稍高信号、T2WI低信号改变。
2.3 WD组静息态功能连接情况
与对照组相比，WD组左侧尾状核与双侧丘脑、双侧额上回、右侧额中回功能连接减低，无功能连接增高区域（表1，图1）；右侧尾状核与小脑蚓部、双侧豆状核、双侧丘脑、双侧额上回、左侧角回功能连接减低，无功能连接增高区域（表2，图2）。
2.4 相关性分析
相关性分析显示，WD组右侧尾状核和右侧额上回间的功能连接强度值与EBPM评分呈正相关（r=0.508，P=0.028）；右侧尾状核和右侧丘脑间的功能连接强度值与TBPM评分呈正相关（r=0.473，P=0.041）；左侧尾状核和左侧丘脑间的功能连接强度值与TBPM评分呈正相关（r=0.462，P=0.047）（图3）。
3 讨论
研究显示，70%～100%的WD患者伴精神症状，以情感障碍、认知障碍、社会功能减退等表现为主，对日常生活造成极大的影响［7］。基于此，本研究采用fMRI技术研究WD伴认知损害患者尾状核与全脑功能连接的改变，及其与认知功能的相关性。通过MMSE、VFT、DST、TBPM及EBPM检测发现，WD组MMSE评分、VFT评分、DST评分、TBPM评分及EBPM评分均低于对照组，表明WD患者存在一定的认知功能障碍。
基底核与认知功能障碍关系密切，卒中后认知功能障碍患者多存在基底核的损伤［8］。基底核主要由尾状核与豆状核组成，豆状核是锥体外系的组成部分，苍白球如受损害可出现肌张力升高、震颤、运动迟缓困难、面部表情呆板等锥体外系症状［9］。笔者既往对WD的苍白球脑功能连接状态的研究揭示了小脑-丘脑-皮质环路及突显网络等功能异常与其运动及认知障碍症状密切相关［10-11］；壳核损害时的症状与尾状核相似，而尾状核的生理功能与重复刻板行为密切相关，尾状核异常可引起一系列的运动、精神障碍疾患［12-13］。基于此，本研究以尾状核为种子点，分析全脑功能连接情况，结果显示，WD患者左侧尾状核与双侧额上回、右侧额中回、双侧丘脑功能连接减低；右侧尾状核与双侧额上回、双侧丘脑、双侧豆状核、小脑蚓部（Ⅱ～Ⅲ）、左侧角回功能连接减低。
大脑中神经纤维的发出途径为尾状核—苍白球—丘脑，而丘脑属于各种感觉传导的皮质下中枢，是运动、感觉、大脑皮质等活动的中继站［14］。额上回属于执行控制网络，是掌控运动、工作记忆、静息态和认知等多项功能的重要区域［15］。近些年，有研究提出，小脑与认知功能存在一定联系［16］。默认网络与认知功能也密切相关，而在与认知有关的试验中，后扣带回、内侧前额叶皮质及角回处的脑氧提取分数明显降低［17］。额中回作为锥体外系皮质区，发出纤维至丘脑、基底神经节、红核、黑质，与联合运动和姿势动作协调有关［18］。因此，本研究中尾状核与上述区域功能连接的减弱，可能是导致患者认知功能异常的一个重要原因。
本研究发现，右侧尾状核和右侧额上回间的功能连接强度值与EBPM评分呈正相关，右侧尾状核和右侧丘脑间的功能连接强度值与TBPM评分呈正相关，左侧尾状核、左侧丘脑的功能连接强度值与TBPM评分呈正相关。TBPM和EBPM评分反映了受试者的时间感知能力和空间感知能力。额上回位于前额叶皮质上部，参与了多种神经功能，外侧前额叶及前扣带回参与执行控制网络。对脑成像研究的元分析显示，前扣带回在执行控制中起到重要作用，内侧额叶皮质和外侧前额叶共同支持和参与了执行控制［19-20］。Cockburn［21］发现在EBPM的神经心理过程中，前额叶皮质参与了信息的自发提取过程，这支持了本研究结果。注意力是最高级的认知处理，注意网络主要由顶叶、额叶及视觉皮质组成，也包括丘脑等皮质下结构，丘脑区域参与了注意的选择和控制［22］。在一项丘脑卒中的研究中患者出现了PM（尤其是TBPM）损害的现象，揭示了丘脑在参与PM的神经心理过程中起到不可替代的作用。以往研究发现，丘脑与回顾性记忆的损害有关，且时间感知的神经机制研究也发现皮质-纹状体-丘脑-皮质这一神经通路参与时间感知的监控及执行［23］。既往有关强迫症等精神类疾病的神经影像学研究显示在异常的大脑皮质-纹状体-丘脑-皮质环路中，纹状体（尤其是尾状核）是原发的病理脑区，其功能异常会使丘脑的门控功能出现缺陷，导致前额叶皮质高度激活，影响患者的认知、情感和行为［24］，这与本研究结果一致，表明WD患者的认知障碍与纹状体-丘脑-皮质连接受损有关，尤其是尾状核与丘脑及额上回的功能连接减低有关，从而导致患者空间记忆和执行功能受到影响。
综上所述，WD患者纹状体-丘脑-皮质连接受损与其认知功能障碍相关，这有助于更深入地理解该病的发病机制，为临床治疗提供科学依据。但是，本研究样本量相对较小，需扩大样本量，提高研究的可靠性。
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