肌肉萎縮側索硬化神經損害的血氧水平依賴fMRI時間-信號強度曲線特點分析

應偉峰，何陽，陳穹，張瑩，葉飛，孫小佳，陳利娟，苑天文，曹軍

作者單位：1.上海市徐匯區大華醫院放射科，上海200237；2.上海市徐匯區大華醫院介入腫瘤科，上海200237

罕見病肌肉萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)以漸進性上、下神經元共同受累為主要特征，經典診斷標準認為ALS僅表現為運動神經損害，未納入感覺神經損害。過去血氧水平依賴功能磁共振成像(blood oxygen level-dependent functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI)對ALS 的研究主要通過大腦反饋區分布情況及體積等參數進行分析，已有部分研究認為ALS 存在感覺神經損害的可能[1-3]，但是由于ALS 中樞反饋程度與大腦內分布情況個體差異較大，所以研究結果不統一，造成至今為止對ALS 神經損害特點了解不全面。而將BOLD-fMRI 時間-信號強度曲線(time-intensity curve，TIC)運用在ALS 患者神經損害檢測幾乎無前例，且BOLD-fMRI 的TIC 可以很好地避免由于ALS反饋區異常分布、反饋區代償性增大或縮小、受試者中樞血氧反饋信號值的微小波動造成的偏倚，使ALS 神經損害特點得到更客觀的展現。

1 資料與方法

1.1 研究對象

前瞻性納入我院2019 年2 月至2021 年6 月臨床確診的18 例ALS 患者(ALS 組)，病程6 個月～24 個月，平均12 個月；其中男10 名，女8 名，年齡42～78 (55.11±9.074)歲。ALS 組納入標準：所有確診患者都符合世界神經病學聯盟提出的E1 Escorial 修訂版診斷標準[4]；排除標準：近一年內化療藥物或激素應用史；其他神經系統病變；各類精神疾病史、藥物或酒精依賴病史；有MRI 檢查禁忌證或無法配合檢查過程者。對照組：同期選擇年齡、性別與ALS組匹配的18名健康志愿者作為對照組，男10 名，女8 名，年齡43～77 (55.00±8.812)歲，對照組排除標準：一年內服用過影響神經系統的藥物者，有MRI檢查禁忌證者。

所有受試者均為右利足。本研究經過上海市徐匯區大華醫院倫理委員會批準(批準文號：20180926)，受試者均已簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

運動中樞反饋檢測：所有受試者提前訓練規律、相同幅度背伸右足拇趾(1次/s) 2輪后進行邊背伸右足拇趾邊掃描；感覺中樞反饋檢測：由經過系統訓練的同一名醫師使用鈍頭竹簽規律刺激(1 次/s)受試者腓腸神經感受區同時掃描；所有反饋檢測都采用1.5 T磁共振掃描儀(uMR560，聯影，中國)，6通道原廠頭線圈。使用平面回波成像(echo planar imaging，EPI)序列采集大腦的BOLD圖像：層厚3.5 mm，層間距0，FOV 23 cm×23 cm，矩陣256×256，TE 30 ms，TR 3000 ms，翻轉角90°，此序列時長4 min；軸位T1WI 掃描：層厚5 mm，層間距1.5 mm，FOV 23 cm×23 cm，矩陣256×256，TE 13 ms，TR 1993 ms，TI 855 ms；T2WI 橫斷位掃描：層厚5 mm，層間距1.5 mm，FOV 23 cm×23 cm，矩陣256×256，TE 98 ms，TR 4200 ms。

1.3 圖像處理與分析

應用聯合神經圖像處理軟件(uWS-MR，SW001.003，聯影，中國)。 首先進行運動校正，然后在原始空間內按20/80單位為間隔進行計算，血氧飽和度偽彩閾值P＜0.05，由2名神經放射學醫師(診斷經驗年限分別為10年、13年)采用雙盲法獨立對大腦血氧飽和度反饋區進行感興趣區(region of interest，ROI)勾勒，記錄各ROI 平均信號強度，計算2 名醫師記錄的信號強度平均值，選擇最高平均信號強度ROI (以下簡稱最高反饋區)，軟件自動生成時間-信號強度曲線。

由前述2 名醫師對圖像進行以下評估，意見不一致時相互協商后達成共識：(1)以TIC 圖表X 軸為基準，將最高反饋區TIC 曲線分成下降型(斜率≤-10°)、水平型(斜率在±10°之間)、上升型(斜率≥10°)三種類型，對比ALS 組與對照組內各TIC 類型所占比的差異。(2)將TIC 進行等級分類，斜率在±10°之 間 的 為0 分，10°～19°為1 分，20°～29°為2 分，≥30°為3 分，-10°～-19°為-1 分，-20°～-29°為-2 分，≤-30°為-3 分，統計ALS 組運動、感覺反饋TIC 斜率之間的相關性。

1.4 統計學分析

2 結果

2.1 兩組BOLD運動最高反饋區TIC曲線類型分布情況及比較

ALS組下降型TIC多見，對照組水平型TIC多見，差異均具有統計學意義(P均＜0.05) (表1；圖1A、2A、3A)。

表1 ALS組、對照組BOLD運動最高反饋區各TIC類型例數及比較(n=36)

2.2 兩組BOLD感覺最高反饋區TIC曲線類型分布情況及比較

ALS組上升型TIC多見，對照組水平型TIC多見，差異均具有統計學意義(P均＜0.05) (表2；圖1B、2B、3B)。

表2 ALS組、對照組BOLD感覺最高反饋區各TIC類型例數及比較(n=36)

圖1 女，55 歲，確診ALS 2 年。1A：運動最高反饋區下降型TIC，斜率≤-30°，評分-3 分；1B：感覺最高反饋區上升型TIC，斜率≥30°，評分3 分；1C：運動反饋BOLD圖，紅色部分為反饋區，由于確診病程較長，其反饋區較多，且信號強度不一，考慮代償可能，勾勒的最高反饋區表現為紅中帶黃(箭)，圖中綠色為雜波(下同)；1D：感覺反饋BOLD圖，勾勒的最高反饋區表現為紅中帶黃(箭)。 圖2 與圖1患者性別、年齡相匹配的健康志愿者運動(A)、感覺(B)最高反饋區水平型TIC，斜率均位于±10°之間。 圖3 男，62歲，確診ALS 1年，病程較短。3A：運動最高反饋區下降型TIC，斜率評分-2分；3B：感覺最高反饋區上升型TIC，斜率評分3分。

2.3 ALS 組運動最高反饋區、感覺最高反饋區TIC 斜率相關檢驗

18 例ALS 組經參照斯皮爾曼等級相關系數檢驗臨界值表，得到運動最高反饋區與感覺最高反饋區TIC 斜率的相關系數r值為-0.690，|r|＞0.6，二者之間具有較強的負相關性(P＜0.05)。

3 討論

電生理學是檢測ALS神經損害的常見手段之一[5-6]，MRI功能成像雖較神經電生理學煩瑣，但是其成像參數較多，可分析的數據豐富，近年來逐漸成為研究ALS 神經損害的主要方法之一[7-8]。在BOLD 的TIC 研究應用方面，已有國內學者應用其評價肝癌射頻消融術后隨訪、正常胎盤和植入胎盤的氧合功能，并獲得較高價值的結果[9-11]。研究證實ALS 運動神經損害大多起始于下肢[12]，神經損傷的補償多見于優勢肢體[13]，所以我們選擇囑受試者規律背伸右足拇趾檢測運動神經損傷。有研究認為ALS中樞存在損傷情況及代償性增強等機制[14]，為減少此類影響，本組嘗試采用收集中樞最高反饋區BOLD 信息的形式。用分析中樞最高反饋區TIC 類型可以很好地兼容受試者運動輕微不規律造成的磁共振信號值小幅波動偏差，使結果更具客觀性。雖然目前運動神經元損傷仍作為經典的ALS診斷標準之一，但是越來越多的各類研究表明ALS 可能存在感覺神經的損害[15-18]。當然也存在ALS 不存在感覺神經損傷的相反觀點[19]。腓腸神經活檢已被證實對一些神經病變非常有價值[20]，此次選擇刺激右側下肢腓腸神經后檢測ALS感覺反饋情況，且BOLD 的TIC 可以較好地兼容本次輔助刺激的醫師操作輕微不規律造成的MRI信號值輕微浮動。

本研究通過對比ALS 組與對照組運動、感覺BOLD 最高反饋區的TIC 類型，獲得了ALS 患者運動最高反饋區TIC 類型最多見的是下降型(10/18，55.6%)、感覺最高反饋區多見的是上升型TIC (12/18，66.7%)的結果，并進一步分析得出ALS 的運動最高反饋區下降型TIC 與感覺最高反饋區上升型TIC 具有負相關性的結果。尤其是運用BOLD 的TIC 分析ALS 神經反饋特點，國內外鮮有報道。

3.1 ALS運動反饋TIC類型

本研究對照組運動最高反饋區TIC 類型以水平型多見(13/18，72.2%)，說明健康人在4 min 內中樞發出運動指令及運動后反饋大多保持較為均勻的血氧水平，另27.8%的志愿者TIC 為上升型或下降型。有研究表明少部分健康人反饋中樞存在個體差異[14]，而本組可能為健康人運動指令發出及反饋存在小部分漸進性加強或逐漸下降等個體差異。國外有研究發現ALS 患者的運動神經元優勢神經元的存在一定量的丟失可能[17]，雖然本組ALS患者病程較短(6個月～24個月)，但仍有大部分ALS 患者運動最高反饋區TIC 類型最多見的是下降型，表示這部分ALS 運動指令發出及反饋出現逐漸減弱。說明此部分在較短病程內ALS 患者可能已存在一定程度可被BOLD 的TIC 探知的神經元減少型運動神經損傷。當然，還存在其他類型的TIC，除了與對照組類似的個體差異等偶然性原因，一部分ALS上升型TIC可能與神經纖維存在異常興奮毒性有關[21]，一部分水平型TIC可能與早期神經損傷存在代償性增強機制有關，或損傷程度不足以被BOLD的TIC表現出來，這部分也將是我們未來繼續研究的重點之一。

3.2 ALS感覺反饋TIC類型

對照組感覺最高反饋區TIC類型也以水平型多見(11/18，61.1%)，以及小部分其他類型的個體差異。而ALS 組TIC 類型最多見的是上升型，一種可能是這部分患者感覺神經已單純出現感覺皮質過度興奮[22-23]；2021年4月發表的國外一項研究表明了頸部脊髓感覺神經纖維損傷導致復雜的手指動作減弱甚至靈活性喪失[24]，一些外源性刺激可以代償甚至替代內源性神經驅動[25]，所以存在的另一種可能是，人體一個完整復雜動作的完成需要部分感覺神經參與，雖然優勢足趾規律背伸動作對于健康人而言是非常簡單的動作，但是ALS 患者運動神經已損傷，所以對于ALS 患者而言就是相對“復雜”得多的動作，ALS通過感覺反饋增強可以部分彌補運動神經損傷帶來的缺陷，出現類似代償性輔助完成復雜動作機制，繼而感覺神經出現異常興奮毒性。

3.3 ALS運動反饋與感覺反饋TIC斜率的相關性

本組進一步統計了ALS 組運動反饋TIC 與感覺反饋TIC斜率的相關性，發現二者具有較強的負相關性(P＜0.05)，也就是ALS 運動神經損傷越明顯，感覺神經“代償”越明顯，進一步驗證本次研究在這方面的假設。表明部分ALS 患者尤其是運動神經損傷較重的部分患者感覺神經存在一定的損傷可能。過往關于基于電生理學檢測研究認為ALS 不存在感覺神經損害的結論[19]，電生理學無法如BOLD 的TIC 一樣可以動態監測ALS 血氧飽和度的持續、漸變的特征，而一些ALS 的MRI研究沒有進行動態觀察神經反饋或沒有主動檢測感覺神經損害[7,14]，這些都是本次研究結果與過往不同的原因，也體現了BOLD的TIC在ALS研究中的特殊價值。

3.4 本研究的局限性及今后研究方向

由于ALS是罕見疾病，所以與以往國內外ALS研究相似的是，本次研究樣本量略少，可能會使結果存在一定的偏倚。我們將在未來通過增加樣本量，并進一步增加運動和刺激部位，完善此類型的研究。

總之，無論是運動反饋還是感覺反饋，ALS 組BOLD 都表現出與對照組大部分不同的TIC類型，ALS運動反饋與感覺反饋TIC 斜率間具有負相關性。此方法可能成為ALS 神經損傷檢測手段之一。該研究結果可以幫助臨床更為客觀、更多角度地理解ALS神經損害特點，為進一步治療提供參考。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。