基于低頻振幅和局部一致性的視神經脊髓炎譜系疾病認知功能障礙的靜息態腦功能成像研究

楊洋，芮錢蕓，陳祥，韓舒婷，吳曉娟，薛群*，李勇剛*

作者單位：1.蘇州大學附屬第一醫院放射科，蘇州 215006；2.蘇州大學附屬第一醫院神經內科，蘇州 215006

視神經脊髓炎譜系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorder，NMOSD)是一種中樞神經系統的自身免疫性炎性脫髓鞘疾病[1]。據報道，非洲加勒比地區NMOSD 的發病率最高(0.73/10 萬人·年)，澳大利亞和新西蘭的發病率最低(0.037/10 萬人·年)[2]。在中國，流行病學數據顯示，每年10 萬人中NMOSD 的發病率為0.278[3]。NMOSD的核心臨床特征包括視神經炎、長節段橫貫性脊髓炎、極后區綜合征、急性腦干綜合征等[1]。近年來，隨著對該病認識的加深，NMOSD伴發的認知障礙逐漸受到人們的關注[4]。研究表明29%～67%的患者在病程中出現認知功能下降，累及的認知域包括記憶力、注意力、信息處理速度、執行功能、語言流暢性等[5]。認知癥狀的進行性加重，不僅會影響患者的日常行為能力、降低其生活質量、加重家庭負擔，也會對疾病預后產生不利影響[6]。

靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)能夠無創性地反映大腦的內在活動，現已成為一種探索神經系統疾病神經機制的有效手段。低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation，ALFF)通過計算血氧水平依賴(blood oxygenation level-dependent，BOLD)信號相對于基線的振動幅度，能夠反映大腦中每個體素的自發活動水平，與區域神經活動強度成正比[7]。局部一致性(regional homogeneity，ReHo)分析使用肯德爾和諧系數(Kendall's coefficient concordance，KCC)來評估某一體素與其鄰近體素的時間序列的一致性，反映全腦體素在局部區域腦功能活動狀態的同步性[8]。ReHo值越高，說明區域腦活動的一致性和中心性越高[9]。

以往研究采用rs-fMRI 發現NMOSD 患者大腦自發活動的異常，Liu 等[10]發現NMOSD 患者感覺運動相關區域(如雙側中央旁小葉、右側輔助運動區和中央前回)和視覺皮層(如右側枕下回和枕中回)的ALFF較健康對照降低。Liang 等[11]的研究結果顯示，與健康對照相比，NMO 組左前扣帶回、左額內側回、左后扣帶回等廣泛腦區ReHo 降低，右側額下回ReHo 增加。然而，目前基于ALFF 以及ReHo 研究NMOSD 患者認知障礙的研究仍較少，尚未有統一結論，且僅有的幾篇研究主要關注NMOSD整組患者與健康對照之間的比較。在一項研究中將患者根據認知狀態分為認知障礙及認知保留亞組進行比較，將有助于準確研究伴認知功能障礙的NMOSD患者的腦自發活動改變，從而更深入地了解NMOSD認知障礙的神經機制。因此，本研究采用ALFF 及ReHo分析探索伴認知功能障礙的NMOSD患者局部腦功能活動的異常，以期通過腦區的功能異常為進一步闡明NMOSD 認知功能障礙的病理生理機制提供影像學依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

2019 年11 月 至2021 年2 月，共 招 募 了36 名NMOSD 患者，同時招募了39 名年齡、性別和教育程度匹配的健康對照者。其中，有兩名NMOSD患者由于頭部運動過大、圖像數據質量差而被排除在外。因此，本研究共納入34例NMOSD患者及39例健康對照者。

NMOSD患者納入標準：(1)符合2015年國際NMO診斷小組診斷標準[1]；(2) MRI 掃描前1 個月內無復發，且未進行大劑量激素沖擊治療；(3)右利手。排除標準：(1)重大腦外傷、腦腫瘤史；(2)腦血管疾病史；(3)合并其他影響認知的神經或精神疾病，如阿爾茨海默病、帕金森病、腦炎、癲癇等；(4)重度焦慮或抑郁；(5)酒精或藥物濫用；(6)嚴重視、聽力障礙無法完成認知測試者；(7) MRI掃描禁忌證。

健康志愿者納入標準：(1)年齡、性別和教育程度與患者相匹配；(2)右利手。排除標準：(1)重大腦外傷、腦腫瘤史；(2)腦血管疾病史；(3)神經或精神疾??；(4)重度焦慮或抑郁；(5)酒精或藥物濫用；(6)嚴重視、聽力障礙無法完成認知測試者；(7) MRI掃描禁忌證。

在磁共振掃描一周內所有參與者均由具有經驗的神經內科醫生進行神經心理學評估。簡易精神狀態檢查量表(Mini-Mental Status Examination，MMSE)和北京版蒙特利爾認知評估量表(Montreal Cognitive Assessment-Beijing Version，MoCA-BJ)用于整體認知篩查。所有參與者還進行了以下量表測試以評估各項認知域的功能：(1)華山版聽覺詞語學習測驗(Auditory Verbal Learning Test-Huashan Version，AVLT-H)測試語言學習和記憶能力，包括即時記憶、短延遲記憶、長延遲記憶、線索回憶和再認；(2)連線測驗A(Trail-making test part A，TMT-A)測試注意力；(3)符號數字轉換測驗(Symbol Digit Modalities Test，SDMT)測試信息處理速度；(4) Stroop色詞測驗和連線測驗B (Trail-making test part B，TMT-B)評估執行功能；(5)語言流暢性測驗(Verbal Fluency Test，VFT)測試語言流利程度；(6)畫鐘測驗(Clock Drawing Test，CDT)測試視空間能力。其中，Stroop色詞測驗、連線測驗A、連線測驗B以測試完成用時評估相應功能，用時越長則表現越差，其余測試分數越低則表現越差。參照Liu等[12]的研究，我們將至少兩個認知域的分數與健康對照組的均值差異≥1.5倍標準差的患者劃分為認知障礙組，其余患者歸類為認知保留組。

本前瞻性研究已通過蘇州大學附屬第一醫院倫理委員會的審批(批準文號：2020-210)，受試者均已簽署知情同意書。

1.2 MRI數據采集

所有MRI 檢查均在飛利浦3.0 T Ingenia 上進行，所用線圈為15 通道頭線圈。高分辨T1WI 結構像數據由三維磁化強度預備梯度回波序列(three dimensional magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo sequence，3D-MPRAGE)采集得到，序列參數如下：TR=7.0 ms，TE=3.1 ms，翻轉角為8°，FOV=256 mm×256 mm，層厚為1 mm，層間距0，矢狀位掃描185 層，采集時間6 min 32 s。靜息態功能磁共振成像使用平面回波(echo planar imaging，EPI)序列采集，參數如下：TR=2000 ms，TE=30 ms，翻轉角為90°，FOV=240 mm×240 mm，層厚為4 mm，層間距為0.4 mm，橫斷位掃描30 層，共掃描250 幀數據，采集時間8 min 26 s。在掃描期間，所有參與者都被要求閉著眼睛并保持清醒。在掃描中耳塞用于降低掃描儀噪音，泡沫墊用于限制頭部運動。

1.3 數據處理和統計分析

1.3.1 數據處理

數據預處理：在Matlab R2019a平臺上使用DPARSFA(Data Processing Assistant for Resting-State fMRI Advanced edition；http://www.restfmri.net/forum/DPARSFA)軟件對數據進行預處理。步驟主要包括：(1)將DICOM原始數據轉換為NIFTI格式；(2)去除所有數據的前10個時間點；(3)時間層校正；(4)頭動校正，排除頭動大于3 mm或旋轉大于3°的被試(剔除兩名NMOSD患者)；(5) 3D T1WI結構像分割，將每個被試的T1結構像都配準到各自的平均功能像，并將配準過后的T1像分割成灰質、白質和腦脊液；(6)去除協變量，包括腦白質信號、腦脊液信號和24個頭動參數；(7)空間標準化，將頭動校正后的功能像配準至蒙特利爾神經科學研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)標準空間，重采樣體素大小為3 mm×3 mm×3 mm。

ALFF分析：在計算ALFF之前，先對數據進行平滑處理，即用半高寬為6 mm 的各向同性的高斯核對圖像進行空間平滑。用快速傅里葉變換將每個體素的時間序列轉化為頻域以獲得功率譜，計算功率譜在每個頻率的平方根，在每個體素的0.01～0.1 Hz 濾波頻帶上獲得的平均平方根即是ALFF。然后計算每個體素的ALFF 值減去全腦體素平均值，再除以全腦的標準差即得到每個體素標準化的ALFF值。

ReHo分析：在計算ReHo之前，先對預處理后的數據進行0.01～0.08 Hz 的濾波。利用DPARSF 軟件進行ReHo 分析，即利用KCC 評估每個體素與其相鄰體素(26 個相鄰體素)的時間序列的相似性。通過計算全腦體素的KCC 值，得到受試者的全腦ReHo 圖像。為了進行統計比較，獲得的ReHo 值進行z-分數標準化，即將每個體素的ReHo值減去全腦體素平均值，然后除以全腦的標準差。為了提高信噪比，采用半高寬為6 mm的各向同性的高斯核對圖像進行空間平滑處理。

1.3.2 統計分析

采用SPSS 26.0軟件對所有被試的人口統計學和臨床資料進行統計分析。連續數值變量的正態性檢驗采用Shapiro-Wilk檢驗。非正態分布數據組間比較采用Mann-WhitneyU檢驗或Kruskal-WallisH檢驗。分類變量采用Fisher精確檢驗或卡方檢驗比較組間差異。采用一般線性模型來比較神經心理學測試的組間差異，以年齡、性別和教育年限作為協變量。事后兩兩比較采用Bonferroni校正。P＜0.05為差異有統計學意義。

基于DPABI (Data Processing & Analysis of Brain Imaging)工具包，將3組受試者的ALFF及ReHo腦圖分別進行兩兩對比的獨立樣本t檢驗以分析出存在ALFF值及ReHo值差異的腦區[13]，將年齡、性別、受教育年限作為協變量以去除其影響。通過高斯自由場校正(gaussian random field correction，GRF)對統計圖進行校正，限定體素水平P＜0.001，團塊水平P＜0.05。采用AAL-90模板對顯著差異腦區進行報告。提取差異腦區的ALFF和ReHo均值，與NMOSD患者的認知量表評分、病程、復發次數、擴展殘疾狀態量表(Expanded Disability Status Scale，EDSS)評分進行偏相關分析，以年齡、性別、受教育年限作為協變量，P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 人口統計學及臨床資料結果

34 名NMOSD 患者經神經心理學量表評估后，有16 名(47.1%)患者納入認知障礙組，其余18 名患者納入認知保留組。認知障礙、認知保留及健康對照三組間性別分布差異無統計學意義(P＞0.05)，但年齡、受教育年限、MMSE、MoCA 評分差異有統計學意義(P＜0.05)。認知障礙及認知保留兩組患者在病程、復發次數、水通道蛋白4 抗體(AQP4-Ab)狀態及臨床癥狀方面差異無統計學意義，但認知障礙組的EDSS 評分顯著高于認知保留組(P＜0.05)。具體內容見表1。

表1 3組受試者人口統計學及臨床特征比較Tab.1 Demographic and clinical characteristics of healthy controls and the cognitively preserved and impaired patient groups

與認知保留組相比，認知障礙組在SDMT、TMT-A、TMT-B 和AVLT (長延遲記憶、線索回憶和再認)測試表現較差(P＜0.05；表2)。與健康對照組相比，認知障礙組在除VFT、Stroop色詞測驗以外的所有認知測試中的表現都更差(P＜0.05)。

表2 3組受試者神經心理學測試比較(±s)Tab.2 Neuropsychological characteristics of healthy controls and the cognitively preserved and impaired patient groups(±s)

表2 3組受試者神經心理學測試比較(±s)Tab.2 Neuropsychological characteristics of healthy controls and the cognitively preserved and impaired patient groups(±s)

注：數據以均數±標準差(±s)表示；SDMT：符號數字轉換測驗；TMT：連線測驗；Stroop：Stroop 色詞測驗；CDT：畫鐘測驗；VFT：語言流暢性測驗；AVLT：聽覺詞語學習測驗。

P值(兩兩比較經過Bonferroni校正)認知障礙組(n=16)認知保留組(n=18)健康對照組(n=39)P值認知保留組vs.健康對照組SDMT TMT-A (s)TMT-B (s)Stroop (s)CDT VFT AVLT-即時記憶AVLT-短延遲記憶AVLT-長延遲記憶AVLT-線索回憶AVLT-再認23.0±10.3 30.9±18.6 203.3±88.6 83.8±19.1 24.3±3.6 35.3±10.4 17.7±3.4 5.4±2.5 4.6±1.5 3.9±1.5 19.6±1.9 47.8±10.5 10.1±4.4 58.5±13.1 60.6±13.7 26.9±2.8 51.0±8.7 22.9±4.7 8.3±1.8 8.6±2.0 8.3±2.2 22.3±1.7 44.5±15.1 11.2±6.2 76.3±46.1 65.3±19.3 27.8±2.3 47.7±12.3 25.2±6.5 8.3±2.2 7.9±2.4 7.8±2.4 22.0±1.6 0.001＜0.001＜0.001 0.173 0.011 0.045 0.003 0.008 0.001＜0.001 0.005認知障礙組vs.認知保留組0.027 0.001＜0.001—0.415 0.071 0.282 0.052 0.002 0.001 0.018認知障礙組vs.健康對照組0.001＜0.001＜0.001—0.011 0.063 0.003 0.006 0.001＜0.001 0.006 111—0.542 1 0.351 1111

2.2 影像學結果

ALFF 分析結果：與認知保留組相比，認知障礙組左側海馬旁回、左側尾狀核1的ALFF值顯著增加(P＜0.05，GRF 校正)。與健康對照組相比，認知障礙組左側尾狀核2 的ALFF 值顯著增加(P＜0.05，GRF 校正)。認知保留組與健康對照組組間比較差異無統計學意義。具體內容見表3和圖1。

圖1 ALFF 值兩兩組間比較結果圖(P＜0.05，GRF 校正)。1A：與認知保留組相比，認知障礙組左側尾狀核1、左側海馬旁回的ALFF 值升高(橙色)；1B：與健康對照組相比，認知障礙組左側尾狀核2 的ALFF 值升高(橙色)；上方的數值代表蒙特利爾神經科學研究所標準空間Z 軸上的坐標；右側色柱圖代表t值。ALFF：低頻振幅。Fig. 1 Results of comparisons of ALFF values between groups (P＜0.05,GRF corrected). 1A: Compared to the CP group, the CI group showed significantly higher ALFF in the left caudate nucleus 1 and left parahippocampal gyrus (orange). 1B: Compared to the HC group, the CI group showed significantly higher ALFF in the left caudate nucleus 2(orange);the values at the top of the brain maps represented coordinates on the Z?axis in the Montreal Neuroscience Institute standard space; the coloured bars on the right represented thet?values. ALFF: amplitude of low frequency fluctuation.

表3 認知障礙組與認知保留組及認知障礙組與健康對照組組間比較ALFF值差異腦區Tab.3 Brain regions showing significant group differences in ALFF between cognitively impaired patients and cognitively preserved patients,and between cognitively impaired patients and healthy controls

ReHo 分析結果：與健康對照組相比，認知障礙組左中扣帶回的ReHo 值顯著降低(P＜0.05，GRF 校正)。認知障礙組與認知保留組、認知保留組與健康對照組組間比較差異無統計學意義。具體內容見表4和圖2。

圖2 認知障礙組與健康對照組ReHo 值比較結果圖(P＜0.05，GRF 校正)。與健康對照組相比，認知障礙組左中扣帶回的ReHo 值降低(藍色)；上方的數值代表蒙特利爾神經科學研究所標準空間X 軸上的坐標；右側色柱圖代表t值。ReHo：局部一致性。Fig. 2 Results of comparison of ReHo values between the CI group and the HC group (P＜0.05, GRF corrected). Compared to the HC group, the CI group showed significantly lower ReHo in the left middle cingulate cortex (blue); the values at the top of the brain map represented coordinates on the X?axis in the Montreal Neuroscience Institute standard space; the coloured bar on the right represented thet?value. ReHo:regional homogeneity.

表4 認知障礙組與健康對照組組間比較ReHo值差異腦區Tab.4 Brain regions showing significant group difference in ReHo between cognitively impaired patients and healthy controls

偏相關分析結果顯示，NMOSD 患者左側海馬旁回的ALFF值與其MMSE、SDMT、CDT、VFT、AVLT-即時記憶、AVLT-短延遲記憶、AVLT-長延遲記憶、AVLT-線索回憶分數呈負相關，與其Stroop色詞測驗和連線測驗B用時、復發次數呈正相關(P＜0.05)。NMOSD患者左側尾狀核1 的ALFF 值與其SDMT、VFT、AVLT-長延遲記憶、AVLT-線索回憶、AVLT-再認分數呈負相關，與其連線測驗A、B 用時、復發次數呈正相關(P＜0.05)。NMOSD 患者左側尾狀核2 的ALFF 值與其SDMT、VFT、AVLT-長延遲記憶、AVLT-線索回憶、AVLT-再認分數呈負相關，與其Stroop 色詞測驗、連線測驗A、B 用時、復發次數呈正相關(P＜0.05)。NMOSD患者左中扣帶 回 的ReHo 值 與 其MoCA、VFT、AVLT-即 時 記 憶、AVLT-短延遲記憶、AVLT-長延遲記憶、AVLT-線索回憶分數呈正相關(P＜0.05)。具體內容見表5。

表5 NMOSD患者差異腦區ALFF值、ReHo值與神經心理學及臨床特征的相關性Tab.5 Associations between imaging findings(ALFF/ReHo)and neuropsychological and clinical data in the whole NMOSD group

3 討論

在本研究中，基于ALFF 和ReHo 來探究伴認知功能障礙的NMOSD患者的腦自發活動改變及其與NMOSD患者的認知功能的相關性。結果表明，伴認知功能障礙的NMOSD患者左側海馬旁回、左側尾狀核的ALFF值較認知保留組患者升高，左側尾狀核的ALFF 值較健康對照組升高，左側中扣帶回的ReHo 值較健康對照組降低。相關分析顯示，NMOSD 患者上述差異腦區的平均ALFF 值、平均ReHo 值均表現出與多項認知測試分數的顯著相關性。這些研究結果表明局部腦功能活動的異?？赡苁荖MOSD患者認知損害的基礎。

3.1 伴認知功能障礙的NMOSD 患者局部腦區ALFF 值升高

神經振蕩是大腦正常運作過程中協調大腦活動的基本機制，內在連貫的神經元信號對大腦功能的發展和維持至關重要[14]。與我們的研究結果相似，以往研究同樣報道了NMOSD 患者尾狀核區域的ALFF 增加以及左側海馬旁回區域低頻振幅分數的增加[15-16]。海馬旁回是邊緣系統的一部分，負責大部分皮質到海馬的信息傳遞，并且與前額葉皮層的多個區域相連接，與情緒、記憶、情景調節行為等相關認知功能密切相關[17]。尾狀核被認為是參與控制自主運動、學習和記憶的關鍵區域[18]，與丘腦、基底神經節和額葉區域有大量的傳入、傳出和環路連接。因此，尾狀核及海馬旁回的過度激活可能導致其功能整合失調，繼而出現相應的認知癥狀。研究表明尾狀核的激活與對刺激做出反應及分類的學習活動有關[15]，而這正是符號數字轉換測驗SDMT的主要內容。因此尾狀核的異常激活可能有助于解釋NMOSD 患者在符號數字轉換測驗中的表現受損。靜息狀態下大腦自發活動的改變揭示了由于腦損傷導致的功能損傷或適應。認知障礙組左側海馬旁回、左側尾狀核的ALFF 增加可能是患者在認知功能下降過程中大腦的一種補償機制，然而這種補償可能是無效的，持續性功能亢進將促進神經退行性變，相關的累積神經損傷最終將導致認知功能受損。我們推測，隨著疾病進展，在超出大腦的適應限度后，這種代償狀態可能被低激活狀態所取代。

3.2 伴認知功能障礙的NMOSD 患者局部腦區ReHo 值降低

ReHo 是一種評估局部大腦內在活動同步性的有效可靠參數，目前已廣泛用于研究正常衰老受試者及帕金森病等神經退行性疾病的局部神經活動同步性[19-20]。本研究結果顯示認知障礙組患者左側中扣帶回的ReHo 值較健康對照組降低，表明出現認知損害的NMOSD 患者左側中扣帶回的神經活動一致性減低。Liang等[11]的研究同樣發現了NMO患者較健康對照扣帶回區域的ReHo值降低。然而既往也有相反的研究發現，Savoldi 等[21]發現了NMOSD 患者扣帶回中部靜息態功能連接較健康對照組增加?？赡艿脑蚴荢avoldi 等的研究與本研究在納入患者的種族背景、抗體狀態、治療方式和疾病復發等方面的異質性?？蹘Щ厥悄J模式網絡的核心腦區，是參與決策、記憶和信息轉換相關內部認知活動的重要區域[22]。許多神經疾病的臨床癥狀被認為與默認模式網絡的異常有關[23]，病理上其脆弱性可能是由于耗氧量高、血流量大，對血氧含量變化敏感而容易受到疾病累及[24]。然而，本研究中左側中扣帶回ReHo 值僅在認知障礙患者組與健康對照組間有統計學差異，我們推測這可能是因為認知保留患者左側中扣帶回神經元活動一致性也呈減低趨勢，但不足以形成與認知障礙患者及健康對照者間的統計學差異，未來的研究需擴大樣本量以進一步考證。值得注意的是，本研究中ReHo 值異常腦區與ALFF 異常腦區并不重疊，這兩種分析方法基于不同的神經生理機制，ALFF 反映神經活動強度，而ReHo 反映神經活動一致性，這說明伴認知功能障礙的NMOSD患者的腦組織對隱性結構損傷表現出區域性的可塑性反應。

3.3 相關性分析

NMOSD 患者左側海馬旁回、左側尾狀核的神經元活動強度與其注意力、記憶力、信息處理速度、視空間能力、執行功能、語言流暢性表現顯著相關，左中扣帶回的神經活動一致性與其語言流暢性、記憶力表現顯著相關，提示左側海馬旁回、左側尾狀核、左中扣帶回的神經元自發活動對NMOSD 患者多項認知域功能的維持具有重要作用，這些區域的異常與NMOSD 患者的認知功能損害密切相關。本研究還發現NMOSD 患者左側海馬旁回、左側尾狀核的ALFF 值與其復發次數呈正相關，這一發現提示抑制NMOSD 復發可能對控制患者的認知障礙進展有重要意義。

本研究的局限性：(1)本研究樣本量較小，后續研究需要增加樣本量以得到更加可靠及有效的統計結果；(2)雖然納入患者均在檢查前一月內無復發，且未使用大劑量激素沖擊治療，但是難以完全消除以往使用激素、免疫抑制劑等藥物對大腦功能及認知的影響，這對研究結果可能會造成一定干擾，未來需納入初診患者或根據用藥對患者進行分組研究；(3)本研究為橫斷面研究，NMOSD 患者的ALFF 及ReHo 的動態變化尚不明確，未來需要進一步的研究來闡明縱向的ALFF 及ReHo 改變與NMOSD 認知能力下降的關系。

綜上所述，本研究通過對伴認知功能障礙的NMOSD 患者腦內ALFF 及ReHo 值的初步分析，發現伴認知功能障礙的NMOSD患者左側海馬旁回、尾狀核及中扣帶回的自發活動異常，這些區域可能涉及NMOSD患者認知損害相關神經回路的關鍵樞紐，這些結果為進一步闡明NMOSD 患者認知功能障礙的神經機制提供了影像學依據。

作者利益沖突聲明：全部作者均聲明無利益沖突。