基于腦白質(zhì)纖維密度成像研究胼胝體神經(jīng)纖維密度隨年齡變化的規(guī)律

張麗巖 王舒皓

胼胝體是位于大腦縱裂底部最大的連合纖維，由連合左右半球皮質(zhì)的纖維構成，主要與基本的認知能力有關，包括記憶力、注意力、語言和智力等。胼胝體從兒童期開始，經(jīng)歷青少年期直到成年，隨著年齡的增長一直在增長［1］。胼胝體退變常常表現(xiàn)為語言明顯缺乏邏輯、分析問題及解決問題的能力低下、社交及認知功能障礙。隨著年齡的增長或疾病所致胼胝體的損害，個體可有情緒改變和意識障礙表現(xiàn)。進入老年期后胼胝體的體積開始縮小，其內(nèi)部纖維出現(xiàn)減少，進而出現(xiàn)各種衰老的癥狀［1-4］。病理過程包括隨著神經(jīng)纖維的減少、脫髓鞘化的發(fā)生、神經(jīng)纖維長度變短、排列緊密程度下降以及細胞外間隙的擴大等老化進程，成人腦白質(zhì)也將隨之發(fā)生相應的變化［2-5］。

彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技術的應用使得針對白質(zhì)纖維尤其是胼胝體的研究有了新的進展。但DTI技術有局限性，存在不能識別交叉纖維和空間分辨率低等其他問題，在判斷及研究白質(zhì)纖維方面只能做到半定量。腦白質(zhì)纖維密度成像（track-density imaging，TDI）技術是在DTI技術上發(fā)展而來，在技術應用方面解決了交叉纖維的識別問題，同時能夠提供定量的纖維密度測定，可以量化單位體素內(nèi)神經(jīng)纖維的密度，為研究白質(zhì)纖維提供了新的方法。在以往的研究中通過大鼠的胼胝體成像驗證了TDI的可行性與可靠性，但在正常人群的衰老方面尚未見相關應用的報道。為此，本研究采用3.0 T MRI對胼胝體進行研究，對不同年齡組別人群進行胼胝體體積的定量測定，同時比較DTI及TDI技術，進而反映衰老進程中的纖維密度變化的規(guī)律。

方 法

1.入組人員

在排除5名具有運動偽影者后，我們招募了131名健康志愿者（69名男性，62名女性）用于該研究。志愿者的年齡為21~79歲，平均（48.6±17.1）歲。排除標準包括可能產(chǎn)生癡呆的結構異常，如腦梗死、腫瘤、硬膜下血腫、腦外傷、癲癇、酒精中毒、精神疾病或其他可能影響大腦功能的全身性疾病。所有志愿者都是右利手。根據(jù)年齡分為6組：20歲組（20~29歲，n=24），30歲 組（30~39歲，n=22），40歲組（40~49歲，n=22），50歲組（50~59歲，n=21），60歲組（60~69歲，n=22），70歲組（70~79歲，n=20）。在MRI掃描之前從志愿者處獲得使用數(shù)據(jù)的書面知情同意書。

2.MRI檢查方法

使用3.0 T MR掃描儀（MAGETOM，Verio，Siemens Healthcare，Erlangen，Germany），具有32通道頭部線圈。成像序列包括常規(guī)MR序列（T1加權成像，T2加權成像）和DTI序列。T1 3D軸向圖像：視野（FOV）230 mm，重復時間/回波時間（TR/TE）1 500 ms/2.96 ms，翻轉角9°，體素大小0.9 mm×0.9 mm×0.1 mm，層 厚1 mm。DTI：6個b值（b=0、500、1 000、1 500、2 000、2 500 s/mm2）和30個方向，F(xiàn)OV 230 mm，TR/TE 3 900 ms/109 ms，體素大小1.8 mm×1.8 mm×2 mm，矩陣變化128×128，層厚2 mm，層數(shù)25。

3.TDI圖像處理

基于多方向彌散圖像從光纖束跟蹤圖案生成超高分辨率TDI圖像。TDI被重建為0.1 mm亞體素的高空間體素分辨率，并且與穿過相應體素的纖維束成比例。計算TDI圖的步驟：①預處理；②通過多組織約束球面反褶積產(chǎn)生纖維取向分布（FOD）估計圖，其具有從所有受試者估計的群響應函數(shù)；③將FOD圖像登記到FOD模板，然后利用SIFT（scale-invariant feature transform，即尺度不變特征變換）和MRtrix包（http：//www.mrtrix.org/）進行后處理和重建。最后，基于多個方向，生成0.1 mm相等的體素空間分辨率的纖維束密度（TDI）圖（圖1、2）。

圖1 受試者（31歲男性）經(jīng)MRtrix package軟件重建到0.1 mm的TDI橫斷位（A~C）、冠狀位（D~F）和矢狀位（G~I）方向3個層面圖像

圖2 受試者（61歲男性）經(jīng)MRtrix package軟件重建到0.1 mm的TDI橫斷位（A~C）、冠狀位（D~F）和矢狀位（G~I）方向3個層面圖像

T1W MPRAGE上概述的ROI轉移到TDI并使用Slicer軟件（www.slicer.org）進行測量。提取CC并將其分割成根據(jù)Hofer和Frahm（圖3）引入的最常見CC形態(tài)測定方案定義的5個子區(qū)域。Hofer方案采用4個冠狀位分界線，從前到后，位于CC總長度的1/6、1/2、2/3和3/4處，將CC劃分為5個部分，分別代表胼胝體膝部（CC1）、中間體的前部（CC2）、中間體的后部（CC3）、峽部（CC4）和壓部（CC5）［9-10］。

圖3 胼胝體亞段的分割方法

4.胼胝體中線矢狀量和各向異性分數(shù)（FA）測量

通過使用Slicer軟件（www.slicer.org）從T1-3D圖像和MRI數(shù)據(jù)重建CC的中線矢狀面測量胼胝體中心矢狀面的面積和FA值。

5.統(tǒng)計學分析

我們的研究是探索TDI/體積/FA值隨老化的表現(xiàn)。所有這些值分別在胼胝體的5個子區(qū)域（CC1、CC2、CC3、CC4、CC5）中提取。當使用多重比較檢驗雙因素方差分析來比較每個區(qū)域中不同年齡組和性別組之間的差異時，年齡因素和性別因素（P＞0.05）沒有相互作用。并且數(shù)據(jù)交叉組中方差檢驗（Levene's test）的同質(zhì)性結果均為P＞0.05（P＜0.05水平為差異有統(tǒng)計學意義）。年齡組和性別群體是這種雙因素方差分析的兩個因素。Fisher-LSD檢驗用于校正不同年齡組TDI/體積/FA值的雙樣本t檢驗比較的多重比較。

結 果

1.TDI結果和多項式擬合結果隨年齡增長

CC1：除外50歲組和60歲組（P=0.045），各組間CC1無明顯差異。TDI值顯示出60歲后呈下降趨勢。CC2、CC3和CC4的TDI值均增加至40歲后減少。TDI值在40歲左右最高。CC2、CC3和CC4的多項式回歸形成先上升后下降趨勢。然而，在40和50歲組或50和60歲組之間，CC2 TDI無明顯差異。在50至60年齡組，60至70年齡組之間CC3 TDI有明顯差異（分別為P=0.039和0.003）。因此，CC3 TDI可能在30至40歲之間迅速增加，并且在40歲之后減少，在50歲下降迅速.與CC2、CC3和CC4的趨勢不同，CC5的TDI 40歲后下降，隨后隨年齡增長而增加。即CC5形成先下降后上升趨勢，逐漸下降后，在50、60和70年齡組增加趨勢。詳見表1、2。

表1 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）的TDI±s

表1 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）的TDI±s

a：20至70年齡組分別對應20~29歲、30~39歲、40~49歲、50~59歲、60~69歲、70~79歲年齡段。

年齡組a 20 30 40 50 60 70 n 24 22 22 21 22 20 TDI CC1 7.327 21±1.948 39 7.862 22±1.938 12 7.690 47±2.675 04 8.033 85±1.994 23 6.730 89±2.242 01 7.471 68±1.605 68 CC2 7.355 56±1.317 41 7.565 87±1.101 08 8.060 36±1.529 2 7.538 41±1.523 97 6.695 6±1.924 59 6.564 94±1.555 39 CC3 7.753 72±1.595 68 8.414 47±2.107 58 9.131 78±1.814 08 8.726 05±1.889 5 7.501 06±2.308 08 5.695 13±1.671 47 CC4 8.634 14±2.377 32 9.151 8±2.789 28 9.224 51±2.120 98 9.031 54±2.932 68 8.115 56±1.922 55 7.196 7±2.681 45 CC5 13.928 36±3.061 49 12.040 01±3.750 86 10.958 61±3.004 85 11.944 35±3.293 32 12.222 71±3.097 31 12.367 35±4.815 23

表2 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）TDI在鄰近年齡組之間的比較

2.體積測量和多項式擬合結果隨年齡增長

在CC1中，相鄰年齡組之間的體積沒有明顯差異（分別為P=0.954、0.269、0.775、0.540和0.361）。CC2僅在60和70歲組之間顯示出明顯的體積差異（P＜0.001）。CC2量呈增長趨勢，直至60歲，然后下降；但50歲組的CC2體積也略有下降。CC2的多項式回歸顯示出類似的結果。CC3僅在50和60歲組之間顯示出明顯的體積差異（P=0.008）。CC3體積在50和60歲之間明顯下降，隨后從60至70歲略有增加。CC4體積 在20和30歲組、30和40歲 組、40和50歲組、50和60數(shù)組之間顯示出明顯差異（分別為P=0.006、0.005、0.012和＜0.001）。CC4體積隨年齡顯示出明顯差異，并且在30至50歲之間增加，然后在50至60歲之間減少。CC4的多項式回歸顯示了類似的結果。相鄰年齡組的CC5體積沒有顯著差異。詳見表3、4。

表3 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）的體積±s

表3 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）的體積±s

a：20至70年齡組分別對應20~29歲、30~39歲、40~49歲、50~59歲、60~69歲、70~79歲年齡段。

年齡組a 20 30 40 50 60 70 n 24 22 22 21 22 20體積CC1 0.067 24±0.019 13 0.067 56±0.015 6 0.061 47±0.016 94 0.059 68±0.019 12 0.063 09±0.017 06 0.057 94±0.022 84 CC2 0.065 57±0.021 93 0.072 44±0.016 91 0.080 62±0.019 24 0.073 53±0.0179 7 0.085 76±0.014 47 0.062 94±0.019 25 CC3 0.034 21±0.014 22 0.038 67±0.008 59 0.038 91±0.008 36 0.039 16±0.010 69 0.030 58±0.008 46 0.036 58±0.010 55 CC4 0.024 2±0.007 57 0.019 48±0.005 74 0.024 45±0.004 4 0.028 87±0.007 35 0.019 38±0.003 57 0.019 56±0.003 73 CC5 0.073 28±0.019 28 0.085 6±0.015 18 0.085 39±0.025 25 0.089 31±0.024 35 0.087 07±0.020 96 0.081 87±0.026 04

表4 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）體積在鄰近年齡組之間的比較

3.FA數(shù)據(jù)和多項式擬合結果隨年齡變化趨勢

CC1的FA值隨年齡增長緩慢下降；然而，僅在60和70歲組之間觀察到顯著差異（P＜0.001）。從20歲到50歲組，CC2和CC5的FA值變化不顯著，隨后在60歲時顯著下降（分別為P=0.013，P＜0.001）。CC3的FA值顯示略有增加直至40歲，然后降低；在60和70歲組之間觀察到顯著差異（P=0.021）。CC4組的FA值變化在20歲到50歲各組無明顯變化趨勢，在60歲組顯著下降（P=0.002）。詳見表5、6。CC1/CC2/CC3/CC4/CC5的多項式擬合形成了類似的結果。

表5 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）的FA值±s

表5 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）的FA值±s

a：20至70年齡組分別對應20~29歲、30~39歲、40~49歲、50~59歲、60~69歲、70~79歲年齡段。

年齡組a 20 30 40 50 60 70 n 24 22 22 21 22 20 FA值CC1 0.504 50±0.114 34 0.531 48±0.108 53 0.491 99±0.118 46 0.466 80±0.123 94 0.464 67±0.076 95 0.349 93±0.121 12 CC2 0.459 81±0.095 33 0.473 92±0.085 85 0.456 54±0.042 68 0.457 02±0.064 84 0.399 82±0.051 77 0.357 67±0.088 60 CC3 0.462 80±0.128 01 0.490 56±0.086 02 0.497 01±0.113 02 0.466 67±0.105 11 0.447 95±0.098 27 0.367 99±0.123 13 CC4 0.465 99±0.121 53 0.528 87±0.123 12 0.497 10±0.088 30 0.532 57±0.082 84 0.428 61±0.114 40 0.431 58±0.101 68 CC5 0.596 63±0.090 20 0.587 84±0.060 26 0.602 23±0.083 21 0.595 14±0.074 13 0.574 03±0.077 65 0.472 62±0.125 88

討 論

在這項研究中，我們使用TDI技術來檢測以每10歲為分組的幾個年齡組的受試者組間的5個胼胝體亞段之間的差異。TDI可以比體積或FA值更早，更準確地顯示CC變化，CC2/CC3/CC4在30至40歲上升，然后從40至50歲下降。

表6 不同年齡段胼胝體5個亞段（CC1~CC5）FA值在鄰近年齡組之間的比較

1.TDI技術

該方法將MRI DTI圖像中神經(jīng)纖維追蹤信息結合到亞體素空間分辨率中來實現(xiàn)超分辨率密度神經(jīng)纖維。TDI測量得到的神經(jīng)纖維密度與神經(jīng)纖維的數(shù)量成一定的比例，并且通過考慮亞體素內(nèi)神經(jīng)纖維特性及其幾何映射來實現(xiàn)超高分辨率。因此，TDI使用體素內(nèi)信息來生成具有比獲取的源的體素內(nèi)MRI DTI數(shù)據(jù)更高分辨率的新對比圖像［6-7］。

近來有一些文獻報道了，TDI可以從DTI數(shù)據(jù)獲得超分辨率的神經(jīng)纖維束密度的方法，并且在檢測具有不同纖維方向的白質(zhì)時，TDI可以測量到亞體素大小的范圍內(nèi)神經(jīng)纖維密度變化［6-8］。因此，正因為CC是由具有不同方向走向的纖維組成，所以TDI可以用于測量CC的不同部分隨年齡的差異。通過TDI超分辨率獲得的結構不易產(chǎn)生假象，這已經(jīng)在7TMRI設備上通過活體小鼠的DWI成像數(shù)據(jù)證實［9］。使用TDI獲得的亞體素圖像可以在一定程度上反映腦結構的解剖信息，TDI可以用于創(chuàng)建具有更好解剖和空間信息的高質(zhì)量神經(jīng)纖維全腦軌跡密度圖［9-11］。在本研究中，TDI用于闡明CC隨年齡的復雜性和差異。

2.胼胝體和TDI

本研究中，40歲以下的受試者，TDI隨年齡增長而增加。40歲以后，神經(jīng)纖維減少，脫髓鞘發(fā)生，神經(jīng)纖維變短、密度降低，細胞外空間擴大等成人白質(zhì)TDI和FA值發(fā)生差異。分散各向異性程度將呈下降趨勢。這種變化在CC2、CC3和CC4域中尤為重要。胼胝體的TDI和FA值隨年齡而降低。由于白質(zhì)成熟和衰老過程，胼胝體纖維數(shù)和各向異性變化。在評估疾病的影響時，應考慮這些與年齡相關的生理差異，特別是在老年人中。總之，胼胝體TDI、體積和FA測量的年齡相關差異始終與大腦中與年齡相關的結構差異一致。可以通過MRI技術定量評估胼胝體結構中的正常老化。本研究旨在測量正常人群中胼胝體的體積，以研究胼胝體中與年齡相關的變化，在胼胝體體積減少之前，其內(nèi)神經(jīng)纖維的退變及數(shù)量變化。TDI值的變化可能意味著胼胝體神經(jīng)纖維的退變和壞死過程。因此，超分辨率TDI方法可能在神經(jīng)科學中發(fā)揮重要作用，并且有必要進一步研究TDI及其在其他人種和灰質(zhì)中年齡相關差異研究中的應用。此外，還需通過縱向分析和長期隨訪來探索更多細節(jié)。本研究是一項初步研究，TDI也可用于比較疾病可能涉及胼胝體和正常對照的患者，以探索早期變化。