阿爾茨海默病患者腦網(wǎng)絡(luò)間交互作用異常的靜息態(tài)fMRI研究

馬文潔， 趙小虎， 王湘彬， 劉 浩， 亓慧慧

(1. 同濟大學醫(yī)學院，上海 200092； 2. 復旦大學附屬上海市第五人民醫(yī)院影像科，上海 200240;3. 同濟大學附屬同濟醫(yī)院影像科，上海 200065)

阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease, AD)占癡呆的50%～60%，是老年人群最常見的癡呆類型。臨床上早期以記憶力損害為特征，隨病程進展，語言功能、推理能力、計算和定向等認知能力廣泛降低。目前AD發(fā)病機制尚不清楚，臨床缺乏敏感的早期診斷方法和有效治療干預手段。近年來，靜息態(tài)功能連接研究[1-2]發(fā)現(xiàn)，AD患者的默認網(wǎng)絡(luò)(default network, DN)及背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(dorsal attention network, DAN)內(nèi)部功能連接減低。有證據(jù)[3]表明，正常人腦網(wǎng)絡(luò)不是孤立運行的，大尺度腦網(wǎng)絡(luò)之間存在交互作用,這種交互作用對維持正常心理狀態(tài)和認知能力具有重要作用[4]。AD患者的記憶等認知能力受損，推測AD患者的腦網(wǎng)絡(luò)間功能交互可能存在異常。本研究運用功能連接分析方法，對27名正常老人和24例AD患者的DN和DAN之間交互作用進行研究，期望為AD發(fā)病機制探索提供新思路。

1 資料與方法

1.1 一般資料

健康老年受試者27例,均為漢族,右利手；平均年齡(63.74±7.80)歲，其中男性16例，女性11例。入組標準： (1) 教育程度>5年;(2) MMSE評分正常;(3) 視力、聽力、言語正常;(4) 無重要臟器疾病;(5) 無顱腦疾病;(6) 無精神病史。AD患者24例，平均年齡(67.54±10.48)歲，其中男性11例，女性13例。排除標準： (1) 磁共振檢查發(fā)現(xiàn)腔隙性腦梗死;(2) 腦卒中病史。受試者已簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

本研究所使用靜息態(tài)BOLD-fMRI數(shù)據(jù)，均于復旦大學附屬華山醫(yī)院醫(yī)學影像科采集。磁共振機器型號為3.0T SIEMENS Verio，使用標準頭部線圈采集受試者fMRI數(shù)據(jù)。檢查注意事項： (1) 橡皮耳塞降低噪聲；(2) 泡沫固定頭部(減少運動偽影)；(3) 被試者閉眼；(4) 保持清醒狀態(tài)，避免主動思維。掃描參數(shù)： (1) TR/TE=2000ms/35ms；(2) FLIP=90°；(3) FOV=25.6cm×25.6cm；(4) 層厚4mm；(5) 層間距4mm；(6) 體素大小4mm×4mm；(7) NEX=1；(8) 矩陣64×64；(9) 層數(shù)=33，每個人采集200個時間點。

1.3 數(shù)據(jù)預處理

使用Matlab R2012a作為操作平臺，應(yīng)用SPM8軟件包(http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm)和RESTplus軟件(http：//www.restfmri.net/forum/REST_V1.4)對數(shù)據(jù)進行預處理。處理步驟： (1) 去除前10個時間點;(2) 對余下的190個時間點進行時間校正和頭動校正;(3) 將圖像標準化到EPI(echo planar imaging)模板，可減少大腦形狀差異;(4) 對圖形去線性漂移;(5) 帶通濾波(0.01～0.08Hz)。

1.4 網(wǎng)絡(luò)確定和網(wǎng)絡(luò)間交互作用計算

1.4.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定和網(wǎng)絡(luò)間各節(jié)點相關(guān)系數(shù)矩陣計算 已有研究[1-2]表明，AD患者的默認網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)受損明顯，因此本研究重點關(guān)注這兩個網(wǎng)絡(luò)，探討兩者間交互作用。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點確定是一個關(guān)鍵問題。本研究根據(jù)Spreng等[5]的研究成果，確定了構(gòu)成DAN(10個腦區(qū))和DN(18個腦區(qū))腦區(qū)節(jié)點位置和MNI坐標，見表1。對網(wǎng)絡(luò)間交互作用研究，目前國際沒有公認的方法。本研究以DAN的10個腦區(qū)坐標和DN的18個腦區(qū)坐標為種子點，選取半徑為5mm的球體作為感興趣區(qū)，提取每個感興趣區(qū)的平均時間序列(time course)，進行兩兩Pearson相關(guān)計算，得到每一對感興趣區(qū)的平均時間序列相關(guān)系數(shù)r，用Fisher-z轉(zhuǎn)換將r值換為z值，用轉(zhuǎn)換后的z值構(gòu)建相關(guān)系數(shù)矩陣[5]，見圖1。

表1 腦區(qū)解剖學位置及MNI坐標

縮寫首字母： l=大腦左半球，r=大腦右半球。MNI(Montreal Neurological Institute)坐標是根據(jù)一系列正常人腦的磁共振圖像而建立的坐標系統(tǒng)。

圖1 相關(guān)系數(shù)矩陣示圖Fig.1 Correlation coefficient matrix橫坐標和縱坐標表示DAN和DN的各腦區(qū)節(jié)點，1-10為背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)各腦區(qū)，11-28為默認網(wǎng)絡(luò)各腦區(qū)，黑色矩形內(nèi)表示DN-DAN功能連接。小方格顏色代表兩兩腦區(qū)之間的功能連接值，顏色越偏紅表示正值越大，越偏藍表示負值越大

1.4.2 兩側(cè)組間DN-DAN功能連接的計算和統(tǒng)計檢驗 首先，對兩組間DN-DAN各組成腦區(qū)的功能連接值作獨立樣本t檢驗，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。然后，每個人DN-DAN功能連接值(共10×18個值)相加后平均，得到每個人DN-DAN平均功能連接值，然后分別計算兩組的平均功能連接值，比較兩組DN-DAN功能連接值大小。

2 結(jié) 果

2.1 人口統(tǒng)計學資料和MMSE評分

對照組、AD組的人口統(tǒng)計學特點顯示，實驗對象在年齡和性別構(gòu)成差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。簡易精神狀態(tài)檢查表(mini-mental state examination, MMSE)評分，對照組評分27～30分，平均(28.48±1.19)分；AD組評分19～23分，平均(21.46±1.67)分，組間MMSE評分存差異有統(tǒng)計學意義(P<0.001)，見表2。

表2 實驗對象人口統(tǒng)計學特點

2.2 DN和DAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)間相關(guān)系數(shù)矩陣圖

計算DN(18個節(jié)點)和DAN(10個節(jié)點)感興趣區(qū)兩兩之間的相關(guān)系數(shù)矩陣圖，得到如下圖1所示結(jié)果圖。其中右上角矩形方框所示區(qū)，表示DN和DAN之間的相關(guān)矩陣圖。

2.3 兩側(cè)組間DN-DAN平均功能連接值比較

組間獨立樣本t檢驗顯示，相比與正常人相比，AD患者DN-DAN交互作用異常差異存在統(tǒng)計學意義(P=0.007)。兩組的DN-DAN平均功能連接值均為負值，與正常人相比，AD患者DN-DAN功能連接絕對值增大，見圖2。

圖2 正常人和AD患者DN-DAN平均功能連接值Fig.2 Average functional connectivity of DN-DAN in normal controls and AD patients橫坐標代表組別，縱坐標代表DN-DAN平均功能連接值，紅色條形圖代表AD組，黃色條形圖表示對照組；與NC組相比，*P<0.05

3 討 論

默認網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)是AD最常受損的兩個腦網(wǎng)絡(luò)[1-2]。默認網(wǎng)絡(luò)主要包括內(nèi)側(cè)前額葉、楔前葉、內(nèi)側(cè)、外側(cè)、下部頂葉區(qū)域，其主要功能與自我意識、認知密切相關(guān)。背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)主要包括雙側(cè)頂內(nèi)溝、額眼區(qū)、頂上小葉、顳中回等區(qū)域。其主要功能是提供自上而下的注意定向，并負責刺激和反應(yīng)準備選擇[6]。Greicius等[1]采用獨立成分分析，比較了13名正常老年人及13例輕度AD患者，任務(wù)和靜息態(tài)時DN功能連接，發(fā)現(xiàn)兩種狀態(tài)時，AD組較正常老年人DN功能連接均減低。認為默認網(wǎng)絡(luò)活動異常改變可能是早期AD的敏感和特異性生物指標。Li等[2]研究結(jié)果顯示，與正常組相比，AD患者的背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)受損，表明AD患者的“自上而下”注意處理機制受損。

人腦網(wǎng)絡(luò)并不是孤立作用的。Fox等[7]發(fā)現(xiàn)默認網(wǎng)絡(luò)與背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)之間存在著負相關(guān)性，即背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)功能激活會導致默認網(wǎng)絡(luò)功能抑制，這種負相關(guān)性提示默認網(wǎng)絡(luò)主導的內(nèi)源性注意和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)主導的外源性注意之間存在競爭關(guān)系。這種交互作用與認知功能密切相關(guān)，而認知障礙是AD患者的特征性表現(xiàn)，據(jù)此推測AD患者DAN-DN交互作用異常。

本研究中針對默認網(wǎng)絡(luò)及背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)，其構(gòu)成腦區(qū)的位置和MNI坐標參照Spreng等[5]的研究，比較了對照組及AD組這兩個網(wǎng)絡(luò)間的功能連接強度。結(jié)果顯示，與對照組相比，AD組DN-DAN功能連接負值增強(P<0.05)。這可能是AD患者網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接存在代償機制的結(jié)果[8]，即AD患者網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部功能受損，引起原本的網(wǎng)絡(luò)間對抗強度已經(jīng)不足以支持正常的生理功能，從而需要更高的網(wǎng)絡(luò)間對抗強度才能彌補網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部功能不足。已有的基于圖論研究結(jié)果支持本研究結(jié)果。Chen等[9]發(fā)現(xiàn)，老年人腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，部分腦區(qū)參與系數(shù)顯著大于年輕人，認為產(chǎn)生這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化的重要原因是老年人腦區(qū)功能減退，導致網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息處理和傳遞效率降低。參與系數(shù)指網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點與其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的連接數(shù)量，占所有與這個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點連接數(shù)量的比例，可以測量網(wǎng)絡(luò)間連接強弱狀態(tài)，參與系數(shù)越大，表明網(wǎng)絡(luò)之間連接增強[10]。Liang等[11]發(fā)現(xiàn)，增加認知任務(wù)難度，網(wǎng)絡(luò)的參與系數(shù)會增大。這說明原本的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部活動無法滿足認知任務(wù)的需求時，需要依靠增強網(wǎng)絡(luò)間協(xié)作才能彌補原本網(wǎng)絡(luò)活動不足。

本研究發(fā)現(xiàn)AD患者DN-DAN交互異常的另一個可能原因是，這兩個網(wǎng)絡(luò)受到了其他網(wǎng)絡(luò)的影響。Li等[12]發(fā)現(xiàn)，AD患者腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)VAN→DAN效應(yīng)連接減弱，而DN→DAN的效應(yīng)連接增強。研究者認為，DN→DAN效應(yīng)連接增高是為了彌補已經(jīng)出現(xiàn)的VAN→DAN效應(yīng)連接減弱，以盡量滿足認知需求。該研究證明了網(wǎng)絡(luò)之間的交互受到其他網(wǎng)絡(luò)間連接的影響，與本研究的推測一致。

目前，對AD患者腦網(wǎng)絡(luò)異常的研究多集中在各網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部。本研究使用靜息態(tài)下功能磁共振數(shù)據(jù)，探究了AD患者的默認網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)之間的交互作用改變，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對照組相比，AD患者DN-DAN負功能連接增強。這種DN-DAN交互作用異常可能是AD患者腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部功能連接受損后網(wǎng)絡(luò)之間功能連接代償結(jié)果，也可能是這兩個網(wǎng)絡(luò)受到了其它網(wǎng)絡(luò)的影響。本研究為探索AD的發(fā)病機制進一步提供線索。