慢性高原病患者腦灰質變化的VBM-MRI研究

劉彩霞，鮑海華*，李偉霞，趙希鵬，吳有森，張紅遷，王麗紅

慢性高原病(chronic mountain sickness，CMS)是人體長期生活在高原因習服失敗(failure of acclimatization；指移居人群)或喪失適應(loss of adaptation；指世居人群)的臨床綜合征[1]，是威脅高原人民健康的常見病及多發病。缺氧是引起慢性高原病的重要的原因，在高原生活的人群，機體處于長期慢性缺氧刺激，致使CMS患者出現紅細胞過分代償、血紅蛋白增高，從而導致血液淤滯及缺氧改變。神經系統抗氧能力差，皮質區對缺氧最敏感。在一些急性高原病患者中發現微形態學的損傷，例如腦腫脹、皮質萎縮、皮質及皮層下的損傷[2-3]。研究發現，曾經一次或者多次暴露在極高海拔地區的登山者腦內出現左側錐體束、左側角回的體素減少，皮質脊髓束、胼胝體及上縱束等FA值的減低[4-5]。也有研究發現，適應生活在海拔2300～4000 m地區的正常成人不同腦區的灰白質結構發生改變[6]。

基于體素的MRI形態學(voxel-based morphometry, VBM)技術是一種無偏的全自動分析技術，能定量計算大腦某些灰質、白質區域密度和體積的變化，是客觀評價大腦局部組織差異的一種重要方法，具有較高的客觀性和準確性。此技術已經越來越多地應用于研究多種疾病導致的腦形態學改變[7]，并顯示了良好的應用前景。筆者應用優化的VBM技術，對CMS患者進行全腦灰質結構的形態學測量，分析其腦灰質結構的改變，從影像學角度探索長期慢性缺氧對大腦結構的影響。

1 材料與方法

1.1 研究對象

1.1.1 病例組

搜集2012年12月至2013年12月于青海大學附屬醫院住院、門診部及體檢中心確診的CMS患者，CMS組入選標準：(1)慢性高原病國際診斷標準(青海標準)[8]；(2)常規頭顱MRI無其他腦實質異常；(3)病人無MRI檢查的各項禁忌證。CMS組患者共計14例，年齡平均(41.64±8.30)歲；受教育年限平均(10.50±5.93)年，居住海拔高度平均(3950±300.64) m。并采用青海CMS計分法[8]對CMS的嚴重程度進行計分，CMS組平均計分(12.71±3.07)分。1.1.2 正常對照組

通過招募，納入年齡、受教育程度和居住海拔高度與CMS組相匹配的12例正常志愿者作為對照，由于1例頭動偽影較大而被剔除，正常對照組共計11例。既往無腦器質性疾患，體檢無陽性體征，血常規檢測及血壓正常；年齡平均(40.27±9.61)歲，受教育程度平均(13.55±4.66)年；居住海拔平均(3609±533.77) m；青海CMS計分平均(3.82±1.17)分。CMS組及對照組人口統計及臨床資料見表1。

CMS組與對照組在年齡、受教育年限、居住海拔高度的差異無統計學意義。所有入選者均為右利手，均無腦外傷、腦血管意外及精神疾病史。由于CMS發病率男性高于女性，為消除性別之間的差異，兩組均選取男性研究。所有受檢者在參與實驗前均被告知相關事宜、取得受檢者同意，并簽訂知情同意協議書。本研究經本院倫理委員會的審核批準。

表1 CMS組和對照組的人口統計及臨床資料Tab.1 Demographic and physiological characteristic of CMS group and control group.

1.2 MR檢查方法

采用Philips Achieva 3.0 T TX多源發射MR掃描系統，標準頭顱8通道線圈完成掃描序列。所有對象雙耳塞上適當大小棉球以減少噪音的影響并用海綿墊固定兩側。以聽眥線為基線精確定位，所有研究對象首先進行常規頭部MR成像獲得T1和T2圖像，由1名經驗豐富的影像科醫師對其進行診斷，無明顯腦實質異常者進入后續的序列掃描。采用超快速場回波(TFE)序列獲取3D-T1結構像，掃描參數：TR 7.5 ms，TE 3.7 ms，激發角度7o，層厚2 mm，層間隔－1 mm，矩陣256×256，連續獲取176層矢狀面圖像覆蓋全腦。所有掃描均由同一名影像科醫師操作完成。

1.3 數據處理及統計分析

在Matlab 2010b (the Math Workes，USA)平臺上，采用統計參數圖(statistical parametric mapping，SPM8)(www.fil.ion.ucl.ac.uk./spm8/)中的嵌套軟件VBM8toolbox進行數據處理。數據處理的基本步驟：(1)檢查每個被試的掃描偽跡及整體的解剖異常；(2)調整圖像的原點為前聯合AC (anterior commissure，AC)；(3)將采集到的3D結構圖像分割得到灰質、白質及腦脊液后，運用DARTEL工具箱來實現高維度的配準與標準化，體素大小1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；(4)將雅可比算法應用于數據進行調制，以保證灰質總體積在空間標準化的前后不變；(5)應用半高全寬為8 mm的三維高斯平滑核進行圖像的空間平滑處理，以減少個體帶來的差異；(6)最后利用參數統計檢驗對平滑后的腦灰質圖像進行組間分析，定量測出腦灰質不同區域體積，從而量化分析腦形態上的差異。其統計分析采用兩樣本t檢驗進行比較，檢驗參數t>3.485，P＜0.01(未校正)，選取相鄰體素(voxels)大于100個以上的組塊(cluster)視為有差異的腦區，并將發生差異的腦區疊加于結構圖模板，并利用XjView軟件包對有差異的具體解剖位置進行分析。

表2 CMS組與對照組相比灰質增加腦區的統計結果Tab.2 The statistic results of increased gray matter voxels in CMS group compared with control group

2 結果

圖1 CMS組與對照組相比灰質體積有差異腦區的統計參數圖。紅色顯示CMS患者相對于正常對照組灰質體積增加的腦區，包括：右側舌回、后扣帶回、雙側海馬和左側顳下回；藍色顯示CMS患者相對于正常對照組灰質體積減少的腦區：左側前扣帶回(統計閾值設為P<0.001，cluster size>100，未校正)Fig.1 The statistical parametric map of gray matter volume difference in CMS group compared with control group.Compared with the normal control group, red display the GM volume increased regions of CMS group, include right lingual gyrus, right Posterior Cingulate, bilateral Parahippocampa Gyrus,left ilferior temporal gyrus and blue display the reduced regions in left anterior cingulated.The statistical threshold is set to P<0.001, cluster size>100,uncorrected.

表3 CMS組與對照組相比灰質減少腦區的統計結果Tab.3 The statistic results of reduced gray matter voxels in CMS group compared with control group.

本研究中CMS組14例，對照組12例，對照組中由于1例頭動偽影較大而剔除。所有實驗對象的常規T1、T2像無明顯腦實質異常，兩組全腦總體積、白質體積及灰質體積之間的差異無統計學意義。相對于對照組，CMS組右側舌回、后扣帶回、雙側海馬旁回及左側顳下回灰質體積增加(表2，圖1)；左側前扣帶回灰質體積減少(表3，圖1)。

3 討論

國內外有關慢性高原病的研究很多集中于流行病學、病理生理學、神經化學、病因學和針對該病的診斷和治療上[1，8-11]，而在神經影像方面的研究卻很少。

人腦皮層解剖結構具有可塑性[12]，可在結構和功能上修改自身以適應客觀事實改變。長期高海拔低氧刺激下，血紅蛋白濃度以及動脈血氧飽和度的變化改變了大腦血流的氧輸送情況，最終導致大腦結構的累積性改變[13-14]。大腦是身體的控制中心，在高海拔低氧環境下，心血管和呼吸系統的適應及非適應性改變通過傳入神經反饋作用于大腦的控制中心，也可能引起相應腦區域的結構改變[15]。

灰質的顯微結構為神經細胞、纖維、神經膠質和血管錯綜復雜的混合，從解剖角度來看，灰質體積的增加可能與神經細胞增生、突觸增多或者血管改變相關。大腦皮質分為新皮質和古老的異生皮質，人類的新皮質約占全部皮質的96%。新皮質具有神經再生的能力，缺氧能夠誘導這種神經的再生[16]。腦缺血是指腦血流量減少以致不足以維持腦的正常代謝、功能及維持腦組織結構，在灌注成像上可見明顯的低灌注改變[17]。對CMS患者腦CT灌注研究發現，CMS患者腦灰質CBF下降，MTT和TTP延長，說明腦組織處于缺血、缺氧狀態[18]，腦缺血能夠刺激小膠質細胞和巨噬細胞增殖[19]。本研究結果顯示CMS患者較對照組右側舌回、后扣帶回、雙側海馬旁回及左側顳下回灰質體積增加，說明CMS患者該部分腦區對缺氧較對照組敏感。海馬旁回是學習和記憶加工的重要腦區，并可抑制間腦促進呼吸的區域[6]，而低氧使海馬旁回神經細胞增加，降低低氧通氣的功能，加重缺氧，因此筆者推測這可能是CMS發病機制之一[9]。對高海拔移民者適應生活兩年的人腦結構研究也發現了右側海馬旁回灰質體積較低海拔人群增加[6]。后扣帶回是默認模式網絡的中心節點之一，在默認模式的網絡中發揮著核心作用，與海馬旁回同是處理情節和工作記憶的重要構成部分，海馬旁回和后扣帶回灰質體積的變化，可能與CMS患者記憶力下降有一定的聯系[20-21]。右側舌回是本研究中灰質增加最明顯的區域，舌回是視區所在位置，負責視覺沖動的傳導。另外，顳下回為視覺中樞V4區的一部分，這個區域與復雜的形覺和色覺功能相關[22]，舌回和顳下回灰質密度的改變，這有助于理解CMS患者視力下降現象。

前扣帶回是突顯網絡(salience network，SN)的重要節點。SN能夠從來自體內、外大量的認知或情感信息中正確鑒別當前最顯著的信息，并指導相應系統及網絡的活動[23]，主要參與注意、工作記憶、高級控制任務的啟動。本研究結果顯示CMS患者前扣帶回的灰質體積明顯萎縮，這有助于解釋流行病學調查中發現CMS患者不同程度的認知功能損傷、記憶力下降現象[8，20-21]。

高原缺氧對腦結構的影響是一個復雜的過程，受到多種因素的影響。筆者利用DARTELVBM方法初步探討了CMS患者全腦灰質體積的變化，結果CMS組患者較對照組右側舌回、扣帶回、雙側海馬旁回及左側顳下回灰質體積增加，左側前扣帶回灰質體積減少，說明不同腦區對缺氧的耐受不同。本研究腦白質未見明顯異常，這也驗證了CMS患者腦灰質對缺氧的敏感性高于腦白質[12]。

筆者初步探討了慢性缺氧對腦結構的影響，這僅是一個橫向的研究，樣本量較小，難以做出CMS患者嚴重程度及在高原居住時間長短的分層分析。沒有設計神經心理學的測驗，對研究中發現的陽性結果的解釋主要依賴于其他學者的研究結果。后面將進一步擴大樣本量，增加神經心理學的測試、DTI腦白質完整性研究、BOLD腦功能成像研究等，提供對CMS患者腦結構和功能改變的更多證據，增進我們理解缺氧對大腦結構和功能的影響。

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