慢性腎臟病3～4期患者認(rèn)知功能損害的腦靜息態(tài)功能磁共振研究

滕福斌，石安琪，齊曉環(huán)，張婧倩，段瑩，王軍，王子辰*

(北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院：1腎內(nèi)科，2針灸科，北京100700；3北京中醫(yī)藥大學(xué)東方醫(yī)院心內(nèi)科，北京100078；4解放軍空軍特色醫(yī)學(xué)中心睡眠醫(yī)學(xué)中心，北京100142)

慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)是指腎臟結(jié)構(gòu)或功能異常伴或不伴腎小球?yàn)V過率(glomerular filtration rate, GFR)降低超過 3 個(gè)月[1]。因具有高患病率和高病死率等特點(diǎn)，CKD已成為全球關(guān)注的重要公共衛(wèi)生問題之一。據(jù)報(bào)道，10%～40%的CKD患者存在認(rèn)知障礙[2，3]，這將會(huì)嚴(yán)重影響CKD患者的生活質(zhì)量和生存預(yù)期，但其認(rèn)知功能障礙的潛在神經(jīng)機(jī)制目前尚不清楚。靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)(resting-state functional MRI, rs-fMRI)可采集大腦有組織的系統(tǒng)性活動(dòng)，且其信噪比較高，數(shù)據(jù)處理流程也相對(duì)簡(jiǎn)單。因此該方法逐步被應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)的研究，已成為當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究的重要工具之一，非常適合臨床研究和應(yīng)用。本研究中采用 rs-fMRI以健康受試者作為對(duì)照，觀察CKD 3～4期受試者的認(rèn)知功能水平和腦功能連接改變，以期探討導(dǎo)致其認(rèn)知障礙的機(jī)制。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

招募10 例CKD患者設(shè)為觀察組，均來自于2018年 1 月至2020年 1月在北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院診斷的存在腎功能不全但未達(dá)到尿毒癥的患者[慢性腎臟病3～4 期(CKD 3～4)]。其中男性 3例，女性 7例；平均年齡(59.50±8.68)歲。同時(shí)在社區(qū)和門診招募19名健康人作為對(duì)照組，男性5例，女性 14例；平均年齡(61.47±4.79)歲。所有受試者均簽署知情同意書。

觀察組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)診斷符合 2013 年國(guó)際改善全球腎臟病預(yù)后組織制定的慢性腎臟病診斷標(biāo)準(zhǔn)[4]；(2)所有患者腎臟相關(guān)疾病>3個(gè)月；腎小球?yàn)V過率GFR 15～59 ml/(min·1.73 m2)。對(duì)照組納入標(biāo)準(zhǔn)：腎功能正常。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)可導(dǎo)致認(rèn)知下降的神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如阿爾茨海默病、帕金森病、血管源性癡呆、正壓性腦積水和多發(fā)性硬化等)和其他可引起認(rèn)知下降的系統(tǒng)性疾病(如橋本氏腦病、代謝性腦病和麻痹性癡呆等)；(2)腦部疾病，如中風(fēng)、腫瘤、外傷手術(shù)和智力發(fā)育障礙等；(3)有重度抑郁、雙向障礙、精神分裂癥等精神疾病病史；(4)在過去2年中有酒精或藥物濫用/成癮史；(5)體內(nèi)有起搏器、動(dòng)脈瘤夾、人工心臟瓣膜、耳植入體或金屬碎片，眼睛、皮膚或體內(nèi)有異物；(6)視覺、聽覺或智力缺損和語言障礙等。

1.2 方法

1.2.1 認(rèn)知功能測(cè)試 采用簡(jiǎn)明精神狀態(tài)量表(mini-mental state examination，MMSE)評(píng)價(jià)受試者的整體認(rèn)知功能。聽覺詞語學(xué)習(xí)測(cè)驗(yàn)量表(auditory verbal learning test, AVLT)包括即刻回憶(immedia-tely recall)、短延時(shí)回憶(short-term recall)和長(zhǎng)延時(shí)回憶(long-term recall)，主要評(píng)估受試者的情景記憶功能；數(shù)字廣度(digit span test，DST)主要評(píng)估患者的短時(shí)記憶功能；動(dòng)物詞語流暢性量表(animal fluency test, AFT)、波士頓命名測(cè)試(Boston naming test, BNT)和數(shù)字符號(hào)轉(zhuǎn)化量表(digit symbol substitution test, DSST)主要評(píng)估言語和執(zhí)行功能；形狀連線測(cè)試A和B(trail making test part A and B, TMT A and B)評(píng)估注意力和執(zhí)行功能；高山量表(Alpine scale)評(píng)價(jià)受試者對(duì)記憶的滿意程度。

1.2.2 影像數(shù)據(jù)收集 采用3.0 T磁共振掃描儀(Symphony, Siemens Medical System, Erlangen, Germany)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。囑受試者仰臥，佩戴耳塞，以軟墊固定其頭部，囑其在整個(gè)掃描過程中保持清醒，睜眼，盡量不進(jìn)行思維活動(dòng)，一直注視黑底屏幕中“+”字符號(hào)直到掃描結(jié)束。

受試者先掃描高分辨率的T1加權(quán)結(jié)構(gòu)像，掃描序列為磁化預(yù)備梯度回波序列(magnetization prepared gradient echo sequence, MPRAGE)。具體參數(shù)為：重復(fù)時(shí)間(time of repetition, TR)=2 530 ms，回波時(shí)間(time of echo, TE)=2.98 ms，翻轉(zhuǎn)角(flip angle, FA)= 7°，視野(field of view, FOV)=240 mm×240 mm，層面厚度(slice thickness)=1.0 mm，矩陣(matrix)=256×256，切片數(shù)量(slice)=192層，體素大小(voxel)=1 mm×1 mm×1 mm。

靜息態(tài)功能磁共振(rs-fMRI)數(shù)據(jù)采集采用血氧水平依賴(blood oxygen level-dependent, BOLD)對(duì)比敏感的軸面回波平面成像(echo planner imaging, EPI)序列。具體掃描參數(shù)如下：TR=2 000 ms，TE=30 ms, FOV=224 mm×224 mm, FA=90°，層厚=3.5 mm，帶寬(band width)=2 368 Hz，體素大小=3.5 mm×3.5 mm×3.5 mm，slice=32層。靜息態(tài)功能磁共振掃描總共持續(xù)8 min，共采集240個(gè)全腦圖像(volume)。

1.2.3 影像數(shù)據(jù)處理 使用Matlab 2014a和DPARSF 2.1軟件包(DPARSF, http://www.restfmri.net/forum/DPARSF)進(jìn)行預(yù)處理[5]。預(yù)處理步驟如下：(1)去除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)；(2)校正各層獲取時(shí)間，使得一個(gè)TR中的各層獲取時(shí)間一致；(3)頭動(dòng)矯正以減少頭部運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的噪聲對(duì)信號(hào)的影響，頭動(dòng)參數(shù)>3 mm的數(shù)據(jù)將會(huì)被剔除；(4)將不同個(gè)體的大腦圖像空間標(biāo)準(zhǔn)化到標(biāo)準(zhǔn)EPI模板，重采樣到3mm×3mm×3mm 蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(The Montreal Neurological Institute，MNI)空間中以空間標(biāo)準(zhǔn)化；(5)用一個(gè)各向同性的高斯平滑核(半高寬為6 mm)的卷積對(duì)功能圖像進(jìn)行空間平滑，以減弱噪音，進(jìn)一步提高信噪比；(6)濾波；(7)去線性漂移和無關(guān)協(xié)變量。

使用Matlab 2014a和DPARSF 2.1軟件包計(jì)算度中心度(degree centrality, DC)值。每個(gè)患者的DC矩陣通過計(jì)算Pearson相關(guān)系數(shù)，將每個(gè)體素視為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算與這個(gè)體素i直接相連體素j的數(shù)量，設(shè)置閾值r>0.25，即兩節(jié)點(diǎn)間的相關(guān)>0.25，就認(rèn)為兩節(jié)點(diǎn)相連，反之則不相連。得到與每個(gè)節(jié)點(diǎn)的顯著相關(guān)的體素總和，即DC值，再與DC均值相除得到標(biāo)準(zhǔn)化DC值，得到每個(gè)患者標(biāo)準(zhǔn)化DC分布圖。采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較，以差異腦區(qū)作為種子點(diǎn)，與全腦做功能連接分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

臨床數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件，計(jì)量數(shù)據(jù)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行組間比較。影像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在DPARSF軟件的Statistical analysis模塊中采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較2組DC值和功能連接值，回歸性別、年齡和教育年限。使用高斯隨機(jī)場(chǎng)(Gaussian random field, GRF)工具進(jìn)行多重比較校正，Voxel的P值取0.01，Cluster的P值取0.05，雙側(cè)檢驗(yàn)。采用DPARSF_viewer和BrainNet Viewer進(jìn)行可視化。采用Pearson檢驗(yàn)比較差異腦區(qū)與臨床數(shù)據(jù)的相關(guān)性。P值取0.05，雙側(cè)檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 2組認(rèn)知功能比較

與對(duì)照組相比，觀察組患者聽覺詞語學(xué)習(xí)測(cè)驗(yàn)量表的即刻回憶、短延時(shí)回憶和長(zhǎng)延時(shí)回憶得分均顯著下降(P<0.005)。此外，觀察組患者的高山量表評(píng)分較對(duì)照組顯著降低(P=0.024；表1)。

表1 2組認(rèn)知功能比較

2.2 2組基于體素的DC值比較

獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)顯示，觀察組患者較對(duì)照組左側(cè)海馬的DC值增加，經(jīng)GRF多重比較校正，P<0.01，團(tuán)簇大小> 156體素個(gè)數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。經(jīng)Pearson相關(guān)檢驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)與臨床指標(biāo)存在顯著相關(guān)。2組DC值變化的差異腦區(qū)圖見圖1，與對(duì)照組相比，紅色代表增強(qiáng)。

圖1 2組DC值變化的差異腦區(qū)圖

2.3 基于海馬的功能連接比較

以左側(cè)海馬(hippocampus,HF)坐標(biāo)(X:-33，Y:-24，Z:-9)為中心畫半徑為5 mm的感興趣區(qū)(region of interest,ROI)，并計(jì)算該區(qū)域與全腦的功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)，經(jīng)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)顯示，與對(duì)照組相比，觀察組額中回(middle frontal gyrus，MFG)與中央前回(precentral gyrus，PG)的功能連接減弱。2組間比較用治療前后的差值做統(tǒng)計(jì)，經(jīng)GRF多重比較校正，P<0.01，團(tuán)簇大小>184體素個(gè)數(shù)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。2組海馬功能連接變化的差異腦區(qū)圖見圖2，與對(duì)照組相比，藍(lán)色代表減弱。

表2 2組腦內(nèi)度中心度與功能連接變化的差異腦區(qū)

圖2 2組海馬功能連接變化的差異腦區(qū)圖

經(jīng)Pearson相關(guān)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，觀察組患者左側(cè)海馬與額中及中央前回的功能連接減弱均與AVLT短延時(shí)回憶(r=-0.807,P=0.005；r=-0.653,P=0.048)、AVLT長(zhǎng)延時(shí)回憶(r=-0.769,P=0.009;r=-0.665,P=0.036)呈顯著負(fù)相關(guān)，對(duì)照組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,詳見圖3。圖3A為左側(cè)海馬、額中回與AVLT-N4和AVLT-N5的散點(diǎn)圖；圖3B為左側(cè)海馬、中央前回與AVLT短延時(shí)回憶和AVLT長(zhǎng)延時(shí)回憶的散點(diǎn)圖。紅點(diǎn)代表觀察組，黑點(diǎn)代表對(duì)照組。

圖3 2組差異腦區(qū)與臨床數(shù)據(jù)的相關(guān)分析圖

3 討 論

認(rèn)知功能障礙指由各種原因?qū)е碌牟煌潭鹊恼J(rèn)知功能損害的臨床綜合征，包括從輕度認(rèn)知功能損害到嚴(yán)重的癡呆階段，涉及記憶、計(jì)算、時(shí)間和空間定向能力、結(jié)構(gòu)能力、執(zhí)行能力、語言理解和表達(dá)及應(yīng)用等多個(gè)認(rèn)知域[6]。越來越多的研究表明，CKD患者具有較高發(fā)生認(rèn)知功能障礙的比例，Murray使用認(rèn)知量表評(píng)估了374例血液透析患者，發(fā)現(xiàn)只有13%的患者認(rèn)知功能正常，50%的患者有輕度到中度的認(rèn)知功能損害，37%的患者有嚴(yán)重的認(rèn)知功能損害[7]。也有研究發(fā)現(xiàn)，隨著公式估測(cè)的腎小球?yàn)V過率的下降，CKD不同分期患者的認(rèn)知功能水平呈現(xiàn)部分下降的趨勢(shì)[1]。但對(duì)其認(rèn)知功能水平下降的機(jī)制探討，鮮有研究報(bào)道。

在靜息狀態(tài)下采集患者的血氧水平信號(hào)，無復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，患者無需做出任何反應(yīng)，配合度高，具有較高的可靠性，臨床醫(yī)師也易于操作和控制，并且其信噪比較高。因此該方法逐步被應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)的研究，已成為當(dāng)今神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究的重要工具之一。本研究通過借助rs-fMRI技術(shù)和認(rèn)知量表測(cè)試，發(fā)現(xiàn)CKD患者AVLT即刻回憶、短時(shí)回憶和延時(shí)回憶得分均較健康受試者顯著下降，高山量表評(píng)分也較健康受試者顯著降低。CKD患者較健康受試者左側(cè)海馬的DC值增加，且左側(cè)海馬與額中回和中央前回的功能連接減弱。

AVLT對(duì)記憶損害識(shí)別非常敏感，可發(fā)現(xiàn)特征性的記憶和學(xué)習(xí)損害，從而有效區(qū)別不同疾病所致認(rèn)知功能減退[8，9]。AVLT包括即刻回憶、短延遲回憶、長(zhǎng)延遲回憶，受試者分別在即刻、5 min后、20 min后3個(gè)時(shí)間段對(duì)不同類別隨機(jī)呈現(xiàn)的詞語進(jìn)行回憶。長(zhǎng)延遲回憶可以反映內(nèi)嗅覺皮層和海馬皮質(zhì)的功能[10，11]，這些腦區(qū)都參與了記憶的形成過程。高山量表主要是評(píng)價(jià)受試者對(duì)自己記憶的主觀滿意程度。本研究結(jié)果顯示，與健康受試者相比，CKD患者與海馬相關(guān)的記憶量表評(píng)分顯著下降，且自己主觀上對(duì)記憶的滿意程度較低。

海馬是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中參與學(xué)習(xí)和記憶貯存的重要器官，海馬體也是負(fù)責(zé)一般陳述性記憶的內(nèi)側(cè)顳葉記憶系統(tǒng)的一部分。海馬損傷的動(dòng)物模型多表現(xiàn)為記憶能力的下降[12]。本研究結(jié)果顯示，與腎功能正常的受試者相比，CKD患者海馬DC值增強(qiáng)。DC是近來分析腦網(wǎng)絡(luò)功能連接的主要方法之一，它通過描述每個(gè)體素與全腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他體素的直接連接數(shù)量，反映該體素與全腦的連通性，體現(xiàn)其在網(wǎng)絡(luò)中的地位。既往研究結(jié)果也顯示在終末期腎病患者中，透析時(shí)患者的雙側(cè)顳下回和左側(cè)海馬的ReHo值較高[13]。

前額葉皮層可選擇性地參與遠(yuǎn)期記憶(一般指幾周前或更早學(xué)習(xí)的東西)的提取和近期記憶(1～2 d前學(xué)到的知識(shí))的加工[14，15]，對(duì)近期和遠(yuǎn)期記憶的形成、存儲(chǔ)和鞏固的過程均有影響。前額葉皮質(zhì)功能的變化與年齡相關(guān)的工作記憶和情景記憶能力的缺陷有關(guān)。額中回主要位于背側(cè)前額葉皮層，一些研究認(rèn)知老化的神經(jīng)成像結(jié)果顯示，正常的衰老與額中回的體積萎縮和功能改變存在相關(guān)性[16，17]。額中回的這些改變與年齡相關(guān)的情景記憶提取功能下降有關(guān)。隨著年齡的增長(zhǎng)，額中回可能會(huì)存在功能異常，這將影響對(duì)情景的提取功能[18-20]。中央前回是腦外側(cè)頂葉的突出回，它是初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的位置。有研究發(fā)現(xiàn)，在有認(rèn)知下降抱怨的老年人中頂上回、角回、楔前回、后扣帶回、殼核、中央前回、中央后回和中央旁小葉均存在亞網(wǎng)絡(luò)改變[21]。使用氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射斷層掃描研究阿爾茨海默病患者的代謝連接性，研究者發(fā)現(xiàn)患者中央前回中心和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的功能連接性減少[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，CKD患者表現(xiàn)為海馬與額中回和中央后回的功能連接下降，并且這種下降與AVLT短延時(shí)回憶和長(zhǎng)延時(shí)回憶呈顯著負(fù)相關(guān)，對(duì)照組未見顯著差異，提示這種功能連接減弱的越顯著則記憶功能下降的越多。

本研究也存在許多不足之處。研究樣本量較少，期待未來有更大的樣本量研究證實(shí)本試驗(yàn)結(jié)果的可靠性；本研究為橫斷面研究，由于CKD病程較長(zhǎng)，長(zhǎng)期的隨訪觀察將會(huì)為患者認(rèn)知下降與腦功能改變提供更多證據(jù)。本研究初步得出，CKD患者較腎功能正常的受試者認(rèn)知功能水平有所下降，且海馬的DC值增加，海馬與額中回和中央前回的功能連接下降。