静息态全脑体素水平功能连接分析对脑小血管病相关轻度认知障碍患者认知水平的预测作用

2024-05-20梁秀琴刘擘吴江李璇

磁共振成像 2024年4期

梁秀琴，刘擘，吴江*，李璇

作者单位 1.山西省心血管病医院磁共振室，太原 030024；2.山西医科大学医学影像学院，太原 030001

0 引言

血管性轻度认知障碍是血管性痴呆的早期阶段，而后者被认为是继阿尔茨海默病之后引起痴呆的第二大常见原因[1]。在血管性认知障碍涉及的多种机制中，脑小血管病（cerebral small vessel disease,CSVD）可能是最常见的一种[2-3]。CSVD 指各种病因引起脑小动脉、微动脉、毛细血管、小静脉及微静脉损伤，进而导致一系列病理、影像及临床综合征[4]。CSVD 相关轻度认知障碍（mild cognitive impairment associated with CSVD, CSVD-MCI）约占血管性认知障碍的50%～70%，导致了25%的卒中、36%～67%的痴呆，严重影响患者的生活质量[5-6]。随着疾病进展，CSVD 对认知的损伤加重，然而，目前尚无特异性治疗方法，因此CSVD-MCI 的早期诊断和预防至关重要。本研究主要探讨CSVD-MCI 的神经影像学机制，为临床早期诊断提供精准的影像学依据。

目前，越来越多的影像学技术应用于CSVD-MCI的研究。一项基于ALE 的Meta 分析[7]显示，岛叶/颞上回/屏状核灰质体积减小、尾状核头和前扣带回神经元功能活动下降，与CSVD-MCI 有关。一项三维动脉自旋标记评估脑血流量（cerebral blood flow,CBF）改变的研究表明[8]，额颞叶、海马、丘脑和岛叶脑灌注缺损与CSVD-MCI相关。

CSVD 典型的影像学特征包括白质高信号（white matter hyperintensity, WMH）、腔隙、脑微出血（cerebral microbleed, CMB）、扩大的血管周围间隙（enlarged perivascular space, EPVS）、新发小的皮质下梗死和脑萎缩。这些影像学标志有叠加效应，量化CSVD 总负荷比单一影像学标志能更敏感、高效地评估CSVD 患者认知改变，提高诊断特异性[9]。相比于常规MRI 序列，静息态功能MRI（resting state functional MRI, rs-fMRI）不仅可以反映局部脑区的自发神经活动，而且可以对相聚较远的脑功能区进行功能连接（functional connection, FC）分析，因此，在CSVD-MCI 患者研究领域中的应用越来越广。度中心度（degree centrality, DC）是一种基于图论的方法，能够在体素水平上计算某个体素与全脑其他体素之间脑FC 数量，反映某个节点在全脑网络节点中的重要性[10-11]。FC 是在空间上相互分离脑区之间的时间序列相关性，反映不同感兴趣区间结构和功能上的联系和相互协调作用[12-13]。

目前已经有很多CSVD 和血管性认知障碍相关的研究，探讨脑小血管结构损伤和FC 如何相互作用影响认知，但是CSVD-MCI的神经病理学机制至今尚未明确。本文旨在分析大脑不同区域间的脑网络联系，探讨DC和FC联合应用对CSVD-MCI患者认知水平的预测作用。本研究采用常规MRI 序列联合蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment,MoCA）评分筛选CSVD-MCI患者，探究其CSVD 评分及DC、FC值与临床神经心理学评分的相关性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究招募了2021 年8 月至2022 年8 月就诊于山西省心血管病医院的CSVD-MCI 患者21 例（男9例，女12例）和年龄、性别及受教育年限相匹配的健康对照20例（男9例，女11例）。本研究遵循《脑小血管病相关认知功能障碍中国诊疗指南（2019）》和《中国脑小血管病诊治专家共识2021》。所有被试都接受了标准的神经心理学评估，包括MoCA、日常生活能力（Activity Of Daily Living, ADL）、临床痴呆量表（Clinical Dementia Rating, CDR）评分，评分由2 名受过认知培训且有3 年以上工作经验的神经内科主治医师完成。2 名有5 年以上工作经验的MRI 主治医师根据MRI 检查结果进行筛选。该研究遵守《赫尔辛基宣言》，经山西省心血管病医院伦理委员会批准（批准文号：2021613）。所有受试者都签署了知情同意书。

CSVD-MCI组纳入标准：（1）入组年龄≥50岁，且为右利手；（2）至少存在一个认知域的认知功能减退，且ADL 评分≤16 分，认知障碍尚未影响日常生活能力，CDR 评分=0.5；（3）有CSVD 的标志性MRI 影像表现，包括血管源性脑白质高信号、腔隙、微出血灶、扩大的血管周围间隙、新发小的皮质下梗死和脑萎缩，且确定CSVD 为引起认知功能障碍的主要因素；（4）MoCA量表（北京版）得分＜26分。

健康对照组纳入标准：（1）神经系统查体无认知功能障碍，MoCA评分≥26分，ADL评分≤16分；（2）无精神障碍史；（3）常规MRI 检查无脑血管疾病相关证据。

所有受试者排除标准：（1）影响认知的神经或精神疾病病史；（2）严重听力、视力及身体运动障碍，不能很好地配合认知测试；（3）植入心脏起搏器及幽闭恐惧症等MRI检查禁忌证。

1.2 MRI扫描参数

所有MRI 数据通过德国SIEMENS Skyra 3.0 T超导型磁共振仪获取，扫描采用8通道头颅线圈。为减少头动，用海绵垫固定被试头部，嘱患者扫描过程中保持不动、闭眼、保持清醒，且避免做主动思维活动。各扫描序列参数见表1。

1.3 数据处理与分析

本研究CSVD 病灶包括WMH、CMB、EPVS3 个MRI 标志物。WMH 严重程度根据Fazekas 评分，范围从0～3，皮层下深部WMH 评分为2 或3，或脑室周围WMH 评分为3 分，计1 分；腔隙≥1 个计1 分；基底节区EPVS＞10 个计1 分。CSVD 总负荷评分共3 分，分值越高，病变越严重。CSVD 评分由2 名有5 年以上工作经验的MRI主治医师完成。

使用基于MATLAB 2013b 平台的SPM12 及RESTplus1.2工具包对rs-fMRI和高分辨T1加权结构像的原始数据进行预处理。流程如下：（1）将DICOM 数据格式转换为NIFTI 格式；（2）剔除前10 个时间点；（3）时间层校正；（4）头动校正（排除头动平移＞2 mm，旋转＞2°的受试者）；（5）空间标准化（重采样体素大小为3 mm×3 mm×3 mm）；（6）平滑（平滑核的半高宽为6 mm，DC 分析前不进行平滑）；（7）去线性漂移；（8）去除协变量（头动、脑脊液及脑白质信号）；（9）使用0.01～0.08 Hz的频段进行滤波从而减少低频和高频噪声对图像的干扰。

滤波之后，计算全脑DC 值，然后进行平滑处理。本研究DC 值计算采用二值化的度中心度方法，在体素水平上计算体素与mask内所有其他体素之间的时间相关性，将Pearson 相关系数矩阵设置为阈值r＞0.25。

FC 分析以两组DC 值有显著差异团块的峰值MNI 坐标作为种子点，本研究仅以左侧前扣带回所在团块的峰值MNI 坐标为种子点，与全脑其他体素进行FC 分析，获得的FC 值在两组之间差异有统计学意义。以左侧前扣带回所在团块的峰值MNI坐标（-27，18，42）为球心，半径6 mm，以此为感兴趣区，将该区域体素与全脑其他体素逐个进行分析，获得全脑FC值，即Pearson相关系数r，然后经过Fisher'sZ转化，将r值转换为z值，最后进行统计分析。

1.4 统计学分析

采用SPSS 22.0 软件对两组被试的一般资料及相关临床量表进行统计学分析。定量资料采用正态性检验（Shapiro-Wilktest 检验），符合正态分布的定量资料采用（±s）表示，组间差异比较采用两独立样本t检验，相关性分析采用Pearson 相关。计数资料用例数或百分比表示，组间比较采用卡方检验。两组被试的性别、吸烟史、饮酒史、高血压、糖尿病采用卡方检验，年龄、受教育年限、MoCA评分采用两独立样本t检验。吸烟史定义为每日吸烟≥10 支，持续5年以上；饮酒史定义为每日摄入酒精≥20克，饮酒时间超过5 年。不符合正态分布的相关性分析采用Spearman 相关分析。采用组内相关系数（intraclass correlation coefficient, ICC）来衡量2名医师评分一致性，大于0.75表示信度良好。

采用SPM 12 工具包对两组DC 值差异显著团块与全脑FC 值进行两独立样本t检验，以年龄、性别及受教育年限作为协变量，得到两组间的DC 值及FC值差异脑区。为了控制Ⅰ类错误，同时尽可能地保留更多的阳性结果，提高试验的发现率，执行团簇水平的错误发现率（false discovery rate, FDR）校正进行多重比较校正，团簇水平阈限设定为P＜0.05，此时满足体素水平P＜0.005 且团块大小＞100 个体素。通过Xjview 软件参照自动解剖图谱分区来记录相关差异脑区及对应的MNI 坐标、体素大小及t值，使用BrainNet Viewer 软件呈现MNI 坐标上差异有统计学意义的脑区，并将差异脑区DC 值及FC 值分别与MoCA评分进行Pearson相关分析。采用Spearman相关分析分析各项CSVD 评分与MoCA 评分、CSVD 总负荷评分与MoCA各认知域评分的相关性，差异显著的用热图呈现。P＜0.05认为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 评分结果一致性分析

分别由2 名神经内科主治医师和2 名MRI 主治医师评估的MoCA、ADL 和CSVD 总负荷评分ICC值分别为0.805、0.853、0.837，说明结果一致性良好。

2.2 人口学和神经心理学结果

所有被试的人口统计学特征和神经心理测试分数详见表2。两组在年龄、性别及受教育年限方面没有显著差异；两组饮酒史、高血压、糖尿病差异有统计学意义（P＜0.05），CSVD-MCI组MoCA评分显著低于HC组（P＜0.001），其他资料差异无统计学意义。

表2 CSVD-MCI组与HC组临床资料比较Tab.2 Comparison of clinical data between CSVD-MCI group and HC group

2.3 DC值结果

与HC 组相比，CSVD-MCI 组左侧内侧额上回/左侧前扣带回、左侧角回/左侧缘上回、右侧内侧额上回/右侧额中回、左侧小脑及右侧小脑DC 值减低（表3，图1A）。

图1 CSVD-MCI 组与HC 组DC 及FC 值差异显著脑区。1A：与HC 组相比，CSVD-MCI组左侧内侧额上回/左侧前扣带回、左侧角回/左侧缘上回、右侧内侧额上回/右侧额中回、左侧小脑及右侧小脑DC 值减低；1B：与HC 组相比，CSVD-MCI 组左侧前扣带回与左侧颞中下回、双侧楔前叶、双侧中扣带回FC 值减低。CSVD-MCI：脑小血管病相关轻度认知障碍；HC：健康对照；DC：度中心度；FC：功能连接。Fig.1 Significant differences of brain regions in degree centrality (DC)and functional connection (FC) values between the mild cognitive impairment associated with cerebral small vessel disease (CSVD-MCI)group and healthy control (HC) group.1A: Compared with the HC group,the DC value of the left medial superior frontal gyrus/left anterior cingulate gyrus, left angular gyrus/left supramarginal gyrus, right medial superior frontal gyrus/right middle frontal gyrus, left cerebellum and right cerebellum DC values in the CSVD-MCI group decreas.1B: Compared with HC group, FC values of left anterior cingulate gyrus, left middle inferior temporal gyrus, bilateral precuneus and bilateral middle cingulate gyrus in CSVD-MCI group decreas.

表3 CSVD-MCI组与HC组相比DC值有显著减低的脑区Tab.3 Brain areas with significantly lower DC values in the CSVD-MCI group compared with HC group

2.4 FC值结果

与HC 组相比，CSVD-MCI 组仅左侧前扣带回与左侧颞中下回、双侧楔前叶、双侧中扣带回FC 值减低（表4，图1B）。

表4 CSVD-MCI组与HC组相比FC值有显著减低的脑区Tab.4 Brain areas with significantly reduced functional connectivity values in the CSVD-MCI group compared with HC group

2.5 相关性分析

提取两组差异显著脑区所在团块的DC 及FC值。结果显示，CSVD-MCI 患者左侧前扣带回-右侧楔前叶FC 值与MoCA 评分呈显著正相关（r=0.565，P=0.018）（图2A）。

图2 CSVD-MCI组，左侧前扣带回与右侧楔前叶FC 值、CSVD 总负荷评分及白质高信号评分与MoCA 评分的相关性散点图。2A：左侧前扣带回与右侧楔前叶FC 值与MoCA 评分呈显著正相关；2B、2C：CSVD 总负荷评分、白质高信号评分与MoCA 评分呈显著负相关；2D：CSVD 总负荷评分与视空间和执行功能认知域评分呈负相关。CSVD-MCI：脑小血管病相关轻度认知障碍；FC：功能连接；CSVD：脑小血管病；MoCA：蒙特利尔认知评估量表。Fig.2 Scatter diagram of correlation between left anterior cingulate gyrus and right precuneus functional connection (FC) values, cerebral small vessel disease(CSVD) total load score and white matter high signal score, and Montreal Cognitive Assessment (MoCA) score of mild cognitive impairment associated with CSVD(CSVD-MCI) group.FC values of left anterior cingulate cortex and right precuneus are significantly positively correlated with MoCA scores (2A); 2B and 2C show a significant negative correlation between the total load score of CSVD, white matter high signal score, and MoCA score; and there is a negative correlation between the total load score of CSVD and the cognitive domain scores of visual space and executive function (2D).

CSVD 总负荷评分、脑白质高信号评分与MoCA评分呈显著负相关（rs=-0.458，P=0.037；rs=-0.461，P=0.036）；腔隙、扩大的血管周围间隙及脑萎缩与MoCA 评分无显著相关性（rs=0.087；rs=0.211；rs=-0.046；P＞0.05）（表5，图2B、2C，图3）。

表5 不同类型CSVD评分与MoCA评分的关系Tab.5 Relationship between different types of CSVD scores and MoCA scores

CSVD 总负荷评分与视空间和执行功能认知域评分呈负相关（rs=-0.473，P=0.030），与其他认知域评分无显著相关性（表6，图2D，图3）。

表6 MoCA各认知域评分与CSVD总负荷评分的相关性分析Tab.6 Correlation analysis between MoCA cognitive domain scores and CSVD total load scores

3 讨论

本研究结果显示，饮酒、高血压、糖尿病这些危险因素在两组中存在明显差异，与之前的研究结果相符[14-16]。原因可能是这些心血管危险因素损伤微小血管，引起动脉硬化和微血管功能障碍，导致脑灌注降低，慢性脑缺血进展为CSVD 的脑损伤[17-19]，目前CSVD-MCI的管理主要是预防和控制这些危险因素[20]。

3.1 两组DC 及FC 值差异显著脑区与相应认知功能的分析

本研究通过静息态DC 及基于种子点的FC 指标，从全脑体素水平分析CSVD-MCI 患者脑功能活动与MoCA 评分的相关性，并进一步评估CSVD 影像学指标与MoCA 评分的相关性，从而探索CSVD-MCI 患者脑损伤的神经病理学机制。与HC组相比，CSVD-MCI 组左侧内侧额上回/左侧前扣带回、左侧角回/左侧缘上回、右侧内侧额上回/右侧额中回、左侧小脑及右侧小脑DC 值减低；左侧前扣带回与左侧颞中下回、双侧楔前叶、双侧中扣带回FC值减低，且左侧前扣带回-右侧楔前叶的FC 值与MoCA 评分呈正相关。本研究主要涉及的脑功能指标减低的脑区为前扣带回、楔前叶、颞中回、内侧前额叶、角回、缘上回、小脑，这些脑区与认知储备相关。前扣带回参与认知控制，负责注意力与情感信息的整合，在执行功能中起调控作用，实时监控并发现目标行为执行过程中的错误，抑制无关信息[21]。内侧前额叶与决策、辨别、计算和推理相关。本研究CSVD-MCI 患者执行功能受损，可能与前扣带回相关功能网络连接模式异常有关。楔前叶是DMN 的中心节点，与更高层次认知功能相关，在视觉空间、情景记忆提取和自我信息处理中发挥重要作用[10,22]。颞叶与记忆、情感及语言理解相关，参与认知功能调节。有研究[23]报告了CSVD 患者双侧中扣带回神经元活动减少，我们的研究结果证实了这一点。缘上回和角回是顶下小叶的重要组成部分，通常与注意转移、视觉空间注意等领域有关，角回主要与语义信息处理有关[24]。传统观点认为小脑主要与人体运动协调功能相关，然而，越来越多的证据表明，小脑在认知加工中也发挥着关键作用，小脑后叶与记忆和执行功能有关[25]。CSVD-MCI患者左侧前扣带回-右侧楔前叶FC 值降低与MoCA 评分减低有关，提示静息状态下脑功能网络连接受损引发认知损伤。蔡丽娜等[26]研究认为CSVD 早期存在FC 值代偿性增高脑区，但本研究只得出FC 值减低的结果，可能是因为患者数量有限，导致结果的重复性低，或者不可避免的个体差异影响试验结果。

3.2 CSVD评分与MoCA评分的相关性分析

LI 等[27]在调整了年龄、性别和受教育程度后，多因素线性回归分析显示，CSVD总负荷严重程度与整体认知和单一认知域（如记忆、执行功能、速度和运动控制）的认知水平下降有关。研究发现[28-30]，在CSVD 标志物中，WMH 对认知损害的预测作用最强，严重的WMH负担可能是额叶脑血流量减少的原因，导致额叶功能障碍和认知损伤。本研究得出，CSVD总负荷评分、白质高信号评分与MoCA评分呈显著负相关，CSVD总负荷评分与视空间和执行功能认知域评分呈负相关，证实了以上观点。本研究中，CSVD总负荷评分与延迟回忆功能相关性不显著，提示CSVD-MCI 患者早期主要影响执行功能，而对记忆损伤相对较小，与部分研究[2,8,20]的观点一致。

3.3 CSVD通过损伤脑功能网络进而影响认知功能

DU等[31]采用结构方程模型对有认知障碍和无认知障碍的CSVD 患者进行中介分析显示，脑血管病变通过干扰CSVD 患者功能网络完整性而产生认知功能障碍，说明CSVD 对认知的影响完全由脑功能网络中断介导。WMH 会破坏介导皮质-皮质或皮质-皮质下白质束或U 型纤维的连接[32]，这为我们的研究结果提供了解剖学支撑。FREY 等[33]运用DTI技术研究发现，CSVD 损害白质完整性，导致脑网络之间整合减少、分离增加。皮质下缺血性脑血管病后非痴呆型血管性轻度认知障碍前额叶-皮质下环路结构和功能异常导致执行功能损伤[34]。研究表明，结构网络破坏程度与CSVD 严重程度有关，并且介导了其与认知能力下降的关联[33,35]。本研究发现CSVD-MCI 患者左侧前扣带回DC 值及左侧前扣带回与右侧楔前叶FC值减低，由此推测，CSVD通过影响皮质下环路，损害不相邻脑区间功能连通性，进一步导致网络功能障碍和认知障碍，这可能是CSVD-MCI的神经病理学机制。