基于體素形態(tài)學和表面形態(tài)計量學MRI觀察肌萎縮側索硬化患者大腦結構改變

王倩楠，張靜娜，張 曄，李鵬岳，桑林瓊，王 莉，吳春玲，胡 俊，邱明國*

(1.陸軍軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程與影像醫(yī)學系醫(yī)學圖像學教研室，重慶 400038；2.陸軍軍醫(yī)大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，重慶 400038)

肌萎縮側索硬化(amyotrophic lateral sclerosis, ALS)是一種致命的神經(jīng)退行性疾病，臨床表現(xiàn)為肢體、軀干進行性神經(jīng)源性肌無力[1]。目前臨床多參照世界神經(jīng)病學聯(lián)盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標準[2]，結合臨床查體、肌電圖等結果診斷ALS，但早期診斷甚為困難。MRI為早期診斷ALS和監(jiān)測療效提供了重要手段?；隗w素形態(tài)學(voxel-based morphometry， VBM)方法是一種定量分析方法，能自動計算大腦灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液的體積，并對活體腦結構進行精確的體素水平形態(tài)學研究[3]?；诒砻嫘螒B(tài)計量學(surface-based morphometry， SBM)方法是較VBM更加精確的算法，可測量大腦復雜結構的灰質(zhì)體積及皮層厚度[4]。本研究采用VBM和SBM技術，對T1WI腦結構像進行分析，以期為揭示ALS發(fā)病機制、臨床診斷和治療監(jiān)測提供客觀的形態(tài)學依據(jù)。

1 資料與方法

1.1一般資料 收集2014年5月—2017年3月于陸軍軍醫(yī)大學附屬第一醫(yī)院臨床確診的27例ALS患者(ALS組)，符合世界神經(jīng)病學聯(lián)盟提出的E1 Escorial修訂版診斷標準[2]。以修訂版ALS功能評分量表(revised ALS functional rating scale, ALSFRS-R)評價ALS患者運動功能；以蒙特利爾認知評估(Montreal cognitive assessment, MoCA)量表評價患者認知功能。選取同期年齡、性別、受教育程度與ALS組相匹配的27名健康志愿者為對照組，男19名，女8名，年齡27～74歲，平均(46.3±9.0)歲，均為右利手。排除標準：藥物或酒精依賴病史；高血壓、心臟病、糖尿病、腦血管病及其他神經(jīng)系統(tǒng)病變；激素及化療藥物應用史；精神疾病史；MR檢查禁忌證。本研究經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學醫(yī)學倫理委員會批準，所有受試者均知情同意。

1.2儀器與方法 采用Siemens Trio 3.0T MR掃描儀，8通道頭線圈。采用三維磁化準備快速梯度回波成像(three-dimensional magnetization prepared rapid gradient echo, 3D MPRAGE)序列采集T1W腦結構像，矢位狀掃描，TR 1 900 ms，TE 2. 52 ms，翻轉角9°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層間距0，共掃描176層。

1.3圖像處理及分析

1.3.1VBM 于MatlabR2008a平臺，采用SPM 8(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm8/)軟件VBM 8(http://dbm.neuro.uni-jena.de/vbm/download/)工具包對T1W結構像進行分析。首先進行頭動校正，然后在原始空間內(nèi)將T1W腦結構像分割成腦灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液圖像，通過非線性變換與標準模板實現(xiàn)最佳配準，再以8 mm半寬高對灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液進行平滑處理。采用SPM 8軟件的雙樣本t檢驗比較ALS組與對照組間的腦灰質(zhì)體積的差異，并應用VBM軟件包多元回歸分析方法對ALS組的腦灰質(zhì)體積與ALSFRS-R、MoCA評分進行相關分析，對統(tǒng)計結果進行FDR多重比較校正，以校正后P<0.05、團塊相連體素>30個為有統(tǒng)計學差異的腦區(qū)。

1.3.2SBM 采用FreeSurfer(http://www.freesurfer.net/)軟件對T1W結構像進行分析。首先去除顱骨、頭皮軟組織等結構，然后對大腦結構進行分割，獲得腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)結構，經(jīng)過局部區(qū)域校正、平滑后重建腦皮層，應用Desikan-Killiany圖譜分割等方式最終生成腦部各區(qū)域三維重建圖，并生成各個區(qū)域皮層厚度參數(shù)文件。利用FreeSurfer的子軟件包Qdec軟件，對所測量區(qū)域進行準確定位統(tǒng)計，采用一般線性模型評估皮層表面的每個定點，并以受試者性別、年齡為協(xié)變量進行統(tǒng)計分析，最終獲得皮層厚度差異圖譜，以P<0.05(FDR校正)為差異有統(tǒng)計學意義。

1.4統(tǒng)計學分析 采用SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件，以獨立樣本t檢驗比較ALS組與對照組的年齡，性別比較采用χ2檢驗。以Pearson相關分析評價SBM有差異腦區(qū)的皮層厚度和灰質(zhì)體積分別與ALSFRS-R、MoCA評分的相關性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

ALS組與對照組年齡(t=0.043，P=0.965)和性別構成(χ2=1.271，P=0.260)差異均無統(tǒng)計學意義。ALS組患者ALSFRS-R評分為(34.19±6.63)分，MoCA評分為(25.30±2.66)分。

2.1VBM分析結果 與對照組比較，ALS患者雙側中央前回、左側背側丘腦、右側輔助運動區(qū)、左側中央溝蓋、雙側中央后回等運動相關腦區(qū)灰質(zhì)體積顯著減小，雙側額葉、顳葉、枕葉及海馬旁回等運動區(qū)以外腦區(qū)灰質(zhì)體積亦縮小(圖1A)。ALS組右側輔助運動區(qū)灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評分呈正相關(P<0.001，F(xiàn)DR校正，圖1B)；雙側軀體感覺運動區(qū)(中央后回)、雙側運動語言中樞(額下回)和雙側顳葉灰質(zhì)體積與MoCA量表評分呈正相關(P<0.001，圖1C)。

2.2SBM分析結果 與對照組比較，ALS組右側中央前回灰質(zhì)體積(圖2A)及皮層厚度(圖2B)局灶性減低(P<0.05，F(xiàn)DR校正)。為進一步明確右側中央前回運動功能區(qū)結構變化的具體區(qū)域，按Brodmann分區(qū)將右側中央前回分為BA4a、BA4p、BA6區(qū)后，結果顯示ALS組右側BA4a、BA4p區(qū)體積顯著減小、皮層厚度顯著降低(P均<0.05，F(xiàn)DR校正)；2組間BA6區(qū)灰質(zhì)體積及皮層厚度差異無統(tǒng)計學意義(P均>0.05)；見表1。

2.3相關性分析 ALS組右側BA4a區(qū)灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評分呈正相關(r=0.418，P=0.038)，無與MoCA量表評分相關腦區(qū)(P均>0.05)。

3 討論

目前診斷ALS的依據(jù)多為臨床查體、肌電圖等結果，早期明確診斷很困難，有必要尋找一種能夠客觀、定量評價腦結構損傷的手段。

ALS患者中，初級運動皮層萎縮被認為是典型的疾病發(fā)展特征[5-6]。本研究VBM分析結果顯示，ALS患者雙側中央前回、左側背側丘腦、右側輔助運動區(qū)、左側中央溝蓋和雙側中央后回等運動相關區(qū)域灰質(zhì)體積顯著減小，SBM分析結果表明ALS患者右側中央前回體積顯著降低，上述2種不同原理的分析方法計算得到的ALS患者異常腦區(qū)位置基本相同，均位于中央前回。中央前回是軀體運動中樞，控制身體對側的運動；背側丘腦作為大腦皮層與小腦、紋狀體、黑質(zhì)之間相互聯(lián)系的樞紐，實現(xiàn)對軀體運動的調(diào)節(jié)；輔助運動區(qū)與肌張力、姿勢、雙手運動的協(xié)調(diào)及主動運動的調(diào)節(jié)有密切關系[7]。既往研究[8]亦發(fā)現(xiàn)ALS患者以上3個區(qū)域腦體積有所改變。本研究還發(fā)現(xiàn)ALS患者左側中央溝蓋和雙側中央后回體積減小。中央溝蓋也稱Rolandic蓋區(qū)，在音韻復述和言語輸出過程中起作用[9]；中央后回是軀體感覺中樞，接受身體對側的痛、溫、觸和本體感覺，并形成相應的感覺。這些區(qū)域體積萎縮與臨床ALS患者上運動神經(jīng)元損傷的癥狀相吻合，提示ALS患者存在運動區(qū)灰質(zhì)局部變性。本研究相關分析結果發(fā)現(xiàn)，ALS患者左側輔助運動區(qū)灰質(zhì)體積與ALSFRS-R評分呈顯著正相關，即左側輔助運動區(qū)灰質(zhì)體積越小，ALSFRS-R評分越低，患者的運動功能越差。

表1 ALS組與對照組右側中央前回運動功能區(qū)各分區(qū)灰質(zhì)體積及皮層厚度比較(±s，n=27)

表1 ALS組與對照組右側中央前回運動功能區(qū)各分區(qū)灰質(zhì)體積及皮層厚度比較(±s，n=27)

組別灰質(zhì)體積(mm3)BA4aBA4pBA6皮層厚度(mm)BA4aBA4pBA6ALS組2 643.68±451.741 349.92±205.3410 552.48±1 364.722.46±0.202.13±0.152.73±0.20對照組3 007.31±490.241 559.65±228.3511 275.73±1 481.342.62±0.262.27±0.292.71±0.18t值2.7523.4441.8092.4862.151-0.419P值0.0080.0010.0770.0160.0360.677

圖1 VBM分析結果 A.與對照組比較，ALS組灰質(zhì)體積減小的腦區(qū)； B.ALS組與ALSFRS-R評分呈正相關的腦區(qū)； C.ALS組與MoCA量表評分呈正相關的腦區(qū)

圖2 SBM分析結果 A.與對照組比較，ALS組右側中央前回灰質(zhì)體積減??； B.與對照組比較，ALS組右側中央前回皮層厚度降低

高分辨率MRI結構圖像研究[5]結果顯示ALS患者大腦運動區(qū)體積變小，運動區(qū)域以外的其他腦區(qū)也出現(xiàn)萎縮。另一項對ALS患者的VBM研究[10]顯示，其初級感覺運動皮層和雙側額葉的灰質(zhì)體積顯著降低。除運動障礙外，1/3ALS患者伴有額葉功能障礙[11]，同時ALS患者運動區(qū)域以外的皮層形態(tài)也發(fā)生了改變[12]。本研究中，與對照組比較，ALS患者雙側額葉及顳葉等與認知相關的腦區(qū)皮層體積同時縮小。聽覺識別記憶與左側額下回和左側顳極內(nèi)的皮層厚度有關，而視覺對象識別記憶與右側顳極內(nèi)的皮層厚度有關[13]。ALS患者的語言功能障礙程度不一，從亞臨床期到語言不流利、再到失語癥均可出現(xiàn)。本研究中，額葉皮層萎縮主要位于右側三角部額下回和左側背外側額上回。既往研究[14]發(fā)現(xiàn)，約30%ALS患者存在認知障礙，8%～14%符合行為變異型額顳葉癡呆標準，后者的認知特征包括社交認知、言語記憶、流暢性和執(zhí)行功能方面的缺陷，與ALS的認知特征相似，故可支持ALS與行為變異型額顳葉癡呆的認知存在相關性的觀點。

大腦皮層為覆蓋于大腦表面呈分層排列的灰質(zhì)部分，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育最為復雜和完善的部位，為高級神經(jīng)活動的物質(zhì)基礎，由類型復雜的神經(jīng)元和神經(jīng)纖維組合而成，并含有大量的膠質(zhì)細胞和血管，且大腦皮層在整個生長發(fā)育期均不會發(fā)生明顯的體積或密度變化。因此，利用FreeSurfer軟件計算皮層厚度、進而獲得軟腦膜表面和白質(zhì)表面之間的距離，可對大腦皮層部分的神經(jīng)元、膠質(zhì)細胞和神經(jīng)纖維的發(fā)育情況進行評價。本研究結果顯示，與對照組比較，ALS患者右側BA4a、BA4p區(qū)皮層厚度顯著降低。BA4區(qū)位于中央前回、中央溝的內(nèi)側面，為初級運動皮層，是支配對側軀體隨意運動的中樞，主要接受來自對側骨骼肌、肌腱和關節(jié)的本體感覺沖動，以感受身體的位置、姿勢和運動感覺，并發(fā)出纖維，即錐體束控制對側骨骼肌的隨意運動。ALS患者BA4區(qū)發(fā)生體積萎縮，與臨床ALS患者運動神經(jīng)元的損傷癥狀相吻合。本研究發(fā)現(xiàn)右側BA4a區(qū)皮層厚度及體積與ALSFRS-R評分呈正相關，表明右側BA4a區(qū)皮層越薄，上運動神經(jīng)元受累越明顯，疾病越嚴重。

本研究的局限性：①樣本量較小，下一步還需擴大樣本量；②未對ALS疾病進展進行縱向觀察，對ALS疾病的發(fā)展情況有待進一步認識；③還需改進算法，提高數(shù)據(jù)分析的準確性，以使實驗結果更具有普適性。

綜上所述，通過分析ALS患者全腦皮層體積，發(fā)現(xiàn)其與運動功能相關的腦區(qū)皮層體積萎縮，包括初級運動皮層的變薄和額顳葉區(qū)域體積縮小，提示ALS患者運動功能的損害有其解剖學改變基礎，BA4a區(qū)的皮層厚度及體積有望作為生物影像學標記物，用于監(jiān)測ALS疾病進展。