基于ADNI 數(shù)據(jù)的海馬結(jié)構(gòu)亞區(qū)體積及Tau病變與認知損傷的相關(guān)性研究

蓋新亭，吳琛，徐凱

阿爾茨海默癥(Alzheimer’s disease,AD)是以認知功能減退為主要特征的中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，是癡呆癥的最常見類型之一[1]。隨著β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)、tau蛋白(T)和神經(jīng)退行性病變(neurodegeneration，N)等為AD相關(guān)生物學(xué)標記物的AT[N]研究框架的提出，以上述3種病變?yōu)楹诵牡难芯砍蔀榻陙淼臒狳c[2]。其中，Aβ病變會導(dǎo)致其在神經(jīng)元細胞外異常沉積形成老年斑，這種表現(xiàn)常用于判斷患者是否已處于AD狀態(tài)。相比Aβ的異常沉積，tau蛋白的異常磷酸化所形成的神經(jīng)元纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles,NFTs)則與認知損傷、記憶退化等相關(guān)性更高，能夠反映AD的疾病進程，因而受到越來越多的科研工作者的關(guān)注[3-6]。

海馬結(jié)構(gòu)作為情緒、記憶、認知、空間導(dǎo)航等基本腦功能的中樞區(qū)域，其損傷與多種神經(jīng)精神類疾病如AD、帕金森病、抑郁癥和癲癇等聯(lián)系緊密[7]。與健康老年人相比，AD患者的海馬結(jié)構(gòu)及其周圍區(qū)域均表現(xiàn)出明顯的體積減小[9-12]。因此，海馬結(jié)構(gòu)的萎縮常用來作為神經(jīng)退行性病變的生物學(xué)標記物，參與AD疾病的臨床診斷及相關(guān)研究[8]。

然而，現(xiàn)階段用于AD相關(guān)海馬結(jié)構(gòu)的研究手段相對單一，大部分研究都專注于整體海馬結(jié)構(gòu)的分析，基于其亞區(qū)結(jié)構(gòu)和功能改變與認知損傷、tau蛋白病變的相關(guān)性的研究目前相對匱乏[13]。一方面在于海馬結(jié)構(gòu)的亞區(qū)分割相對較難，現(xiàn)有的自動化分割技術(shù)獲得的結(jié)果比較粗糙[14]。即使采用手動分割的方法，也需要高分辨率磁共振圖像作為前提，且可重復(fù)性欠佳。另一方面，tau蛋白是近年來發(fā)現(xiàn)的新型生物學(xué)標記物，其與海馬結(jié)構(gòu)尤其是局部亞區(qū)結(jié)構(gòu)相關(guān)性的研究相對較少。因此，本研究中自阿爾茨海默癥神經(jīng)成像計劃(Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative,ADNI)數(shù)據(jù)庫中篩選出進行了高分辨率T2WI掃描的143例樣本，利用自動化海馬結(jié)構(gòu)亞區(qū)分割軟件分割海馬結(jié)構(gòu)亞區(qū)并計算各亞區(qū)體積及其與tau病變程度與認知損傷之間的相關(guān)性[15]，同時觀察不同Aβ狀態(tài)下，海馬結(jié)構(gòu)各亞區(qū)的體積差異和半球差異，旨在為與海馬結(jié)構(gòu)相關(guān)的AD研究提供解剖學(xué)參考。

材料與方法

1.研究對象

本實驗所用數(shù)據(jù)均來自于ADNI數(shù)據(jù)庫(http://adni.loni.usc.edu)，所有被試簽署了知情同意書。ADNI數(shù)據(jù)庫的建立，主要是測試能否通過結(jié)合MRI、PET、各種生物學(xué)標記物以及臨床神經(jīng)癥狀評估等多種手段來評估認知功能正常(normal cognitive，CN)、輕度認知障礙(mild cognitive impairment，MCI)和早期AD的疾病進程。納入標準：除AD之外無其它神經(jīng)精神類疾??；具有完整的tau-PET、amyloid-PET、T1WI和T2WI(特定的海馬高分辨率成像序列，用于海馬結(jié)構(gòu)的自動分割)數(shù)據(jù)。其中，amyloid-PET圖像，T1WI及T2WI檢查與tau-PET掃描的時間間隔小于一年。所有被試需由專業(yè)臨床醫(yī)師進行臨床量表測評，ADNI選擇老年癡呆癥認知功能評估量表(Alzheimer’s disease assessment scale-cognitive,ADAS_cog)。最終，從ADNI數(shù)據(jù)庫中篩選出2017年2月-2018年6月符合條件的143例被試樣本，包括CN 87例、MCI 46例和AD 10例。

2.圖像采集方法

使用Siemens Prisma 3.0T磁共振掃描。3D矢狀面T1WI：TE 3.0 ms,TR 2300.0 ms，層厚1.2 mm，矩陣240×256×176。冠狀面T2WI：海馬結(jié)構(gòu)專屬高分辨率掃描序列，TE 50.0 ms，TR 8020.0 ms，層厚2.0 mm，矩陣448×448×30。

Tau-PET：Philips Gemini PET成像儀，示蹤劑為18F-AV-1451，層厚2.0 mm，矩陣128×128×90。Amyloid-PET：Philips Gemini PET成像儀，示蹤劑為18F-AV45，層厚2.0 mm，矩陣128×128×90。

更多關(guān)于圖像采集所用序列及預(yù)處理的信息詳見ADNI系統(tǒng)(http://adni.loni.usc.edu/methods/documents/mri-protocols)。

3.圖像后處理

使用海馬亞區(qū)自動分割(Automatic Segmentation of Hippocampal Subfields，ASHS)軟件(http://picsl.upenn.edu/software/ashs/)，將海馬結(jié)構(gòu)自動分割為CA1、CA2、CA3、下托(subiculum,Sub)、內(nèi)嗅皮層(entorhinal cortex,ERC)、Brodmann35區(qū)(BA35)、Brodmann36區(qū)(BA36)、齒狀回(dentategyrus, DG)和海馬旁回(para-hippocampal cortex,PHC)共9個亞區(qū)(圖1)。其中因CA2區(qū)域結(jié)構(gòu)較小，本研究中將其與CA3合并處理以便于后續(xù)的統(tǒng)計分析。Tau-PET圖像利用FreeSurfer 6.0軟件的PetSurfer程序進行處理，通過Desikan-Killiany圖譜獲取ROI，并配準到T1WI圖像空間，以小腦灰質(zhì)作為參照，計算全腦PET信號的標準化攝取比值(standard uptake value ratio,SUVR)，并結(jié)合上面所得8個海馬結(jié)構(gòu)亞區(qū)的分割結(jié)果，計算每個亞區(qū)的SUVR，作為反映tau病變程度的指標。

4.統(tǒng)計分析

每例被試的Aβ狀態(tài)由加州大學(xué)伯克利分校實驗室提供，以Aβ-SUVR=1.11為閾值，全腦平均SUVR大于該閾值則定義為Aβ狀態(tài)異常。首先，利用雙樣本t檢驗，對比不同Aβ狀態(tài)下，8個亞區(qū)海馬結(jié)構(gòu)的體積差異和tau-SUVR的差異；然后，利用偏相關(guān)分析，在控制年齡、性別、受教育程度、以及APOE基因型(記錄等位基因ε4的數(shù)量，0表示不含等位基因4，1表示含有1個，2表示含有2個)等相關(guān)因素的情況下，計算ADAS_cog評分與不同亞區(qū)海馬結(jié)構(gòu)的體積和tau-SUVR的相關(guān)性。上述統(tǒng)計結(jié)果經(jīng)FDR多重比較進行校正，以P<0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

所有被試的基本臨床資料見表1。與Aβ正常組相比，Aβ異常組的年齡更大、攜帶載脂蛋白E(apolipoprotein E，APOE)的等位基因ε4的比例更高、ADAS_cog評分也更高(得分越高，認知受損越嚴重)。兩組被試的受教育程度和性別分布的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。

表1 所有被試的基本臨床資料

不同Aβ狀態(tài)下海馬亞區(qū)體積和tau蛋白病變程度的比較結(jié)果見表2。各亞區(qū)體積的比較：與Aβ正常組相比，Aβ異常組僅表現(xiàn)為左側(cè)海馬CA1區(qū)的體積明顯降低(P<0.05)；左側(cè)其它亞區(qū)及右側(cè)各亞區(qū)的體積在兩組間的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。tau病變的比較：除左側(cè)海馬CA1區(qū)的SUVR升高而右側(cè)無明顯變化外，其它亞區(qū)左、右兩側(cè)的表現(xiàn)類似，下托、內(nèi)嗅皮層、BA35、BA36以及海馬旁回這5個亞區(qū)(雙側(cè))均表現(xiàn)為Aβ異常組的SUVR明顯升高(P<0.05)。

表2 Aβ正常組與異常組的海馬各亞區(qū)體積和tau病變程度的比較

3.相關(guān)性分析

Aβ正常組：海馬各亞區(qū)體積和tau-SUVR與ADAS_cog評分的相關(guān)性分析結(jié)果見表3。左側(cè)海馬僅內(nèi)嗅皮層區(qū)的tau-SUVR與認知損傷程度(ADAS_cog評分)呈正相關(guān)(P<0.05)；右側(cè)海馬則表現(xiàn)為內(nèi)嗅皮層和BA35區(qū)的tau-SUVR與認知損傷程度呈正相關(guān)(P<0.05)。

表3 Aβ正常組海馬結(jié)構(gòu)各亞區(qū)體積及tauSUVR與認知損傷的相關(guān)性

Aβ異常組：海馬各亞區(qū)體積和tau-SUVR與ADAS_cog評分的相關(guān)性分析結(jié)果見表4。左側(cè)海馬結(jié)構(gòu)的CA1、下托、內(nèi)嗅皮層、BA35、BA36和海馬旁回等區(qū)域的tau-SUVR與認知損傷程度呈正相關(guān)(P<0.05)，BA36區(qū)的體積與認知損傷程度呈負相關(guān)(P<0.05)；右側(cè)海馬則表現(xiàn)為內(nèi)嗅皮層、BA35、BA36和海馬旁回等區(qū)域的tau-SUVR與認知損傷程度呈正相關(guān)(P<0.05)，海馬旁回的體積與認知損傷程度呈負相關(guān)(P<0.05)。

討 論

海馬結(jié)構(gòu)的萎縮，是以AD為代表的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的生物學(xué)標記物，常用來評估疾病的發(fā)展階段和嚴重程度。近年來，以Aβ和tau蛋白病變?yōu)楹诵牡难芯考由盍巳藗儗D的認知[16-17]。因此，結(jié)合體積變化或腦皮層厚度變化，觀察Aβ和tau蛋白病變在關(guān)鍵腦區(qū)如海馬結(jié)構(gòu)的發(fā)生與發(fā)展，受到越來越多的科研工作者的關(guān)注[18]。

Amyloid級聯(lián)瀑布學(xué)說指出，Aβ病變是AD的先決條件，是判斷患者是否已處于AD狀態(tài)的生物學(xué)標記物[5]。與健康人群相比，Aβ異常者有更嚴重的皮質(zhì)萎縮、代謝減退和認知功能損傷[19-20]。從正常老化到臨床診斷為AD的發(fā)病過程中，顳葉內(nèi)側(cè)以及大腦新皮層區(qū)域表現(xiàn)出tau蛋白病變的加重，且該變化與Aβ狀態(tài)是否異常呈正相關(guān)[4,21-22]。在本研究中，我們將所有被試分為Aβ正常和異常兩組，發(fā)現(xiàn)Aβ異常組的年齡更大、認知功能評分更低、tau蛋白病變程度更嚴重，進一步說明了Aβ病變可導(dǎo)致疾病程度的加重。與Aβ正常組相比，Aβ異常組除CA1區(qū)域之外，其他亞區(qū)沒有表現(xiàn)出明顯的體積降低。而tau蛋白病變加重則出現(xiàn)在多個亞區(qū)。此外，Aβ正常組中海馬結(jié)構(gòu)各亞區(qū)的體積與認知損傷程度之間無顯著相關(guān)性，而tau蛋白病變則表現(xiàn)為在兩側(cè)內(nèi)嗅皮層和右側(cè)BA35區(qū)與認知損傷程度之間具有相關(guān)性。Aβ異常組的左側(cè)BA36區(qū)及右側(cè)海馬旁回的體積與認知損傷程度之間具有相關(guān)性，而tau蛋白病變與認知損傷程度相關(guān)的區(qū)域明顯增多。綜合以上結(jié)果，說明與tau蛋白病變相比，海馬結(jié)構(gòu)體積的降低可能存在一定程度的滯后性。結(jié)合Jack等[23]提出的AD疾病發(fā)展規(guī)律曲線，tau蛋白病變可能在尚未出現(xiàn)腦皮層萎縮以及未表現(xiàn)出臨床癥狀之前就已存在[24]，本研究結(jié)果與之類似。

AD是一個經(jīng)歷較長發(fā)病過程的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，在出現(xiàn)臨床癥狀前，可能有十年甚至幾十年的緩慢發(fā)展期，因此對于此疾病的早發(fā)現(xiàn)和早預(yù)防就顯得尤為重要[25-26]。隨著PET成像技術(shù)和示蹤標記物的發(fā)展，使得在體監(jiān)測Aβ和tau蛋白病變成為可能。其中，tau蛋白病變程度與認知損傷程度表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，常用于評估AD的嚴重程度[4]。本研究結(jié)果表明，Aβ正常組左側(cè)海馬結(jié)構(gòu)的內(nèi)嗅皮層區(qū)域的tau-SUVR與認知損傷程度呈正相關(guān)，而右側(cè)的海馬結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)為內(nèi)嗅皮層和BA35區(qū)的tau-SUVR與認知損傷程度具有相關(guān)性(表3)。說明tau病變在Aβ出現(xiàn)異常之前就已經(jīng)發(fā)生了，并與認知損傷程度相關(guān)聯(lián)。而內(nèi)嗅皮層在海馬結(jié)構(gòu)左、右兩側(cè)均表現(xiàn)為tau病變與認知損傷程度之間具有相關(guān)性，說明該區(qū)域在AD發(fā)病過程中最易受損且最早發(fā)生病變，對此尚需進一步深入研究來驗證。

半球差異是腦科學(xué)研究中的常見現(xiàn)象，尤其對于海馬結(jié)構(gòu)而言，因其左右兩側(cè)功能的差異，常表現(xiàn)出不同程度的半球差異[27-29]。本研究中Aβ正常組和異常組對比發(fā)現(xiàn)，左側(cè)海馬結(jié)構(gòu)CA1區(qū)的體積減小和tau病變均表現(xiàn)為異常組更加明顯，說明左側(cè)海馬結(jié)構(gòu)可能受到更多的損傷。更進一步分析發(fā)現(xiàn)，Aβ異常組中認知功能損傷程度與tau病變的相關(guān)性表現(xiàn)出一定程度的半球差異，左側(cè)具有相關(guān)性的區(qū)域較右側(cè)更多。而體積變化與認知損傷程度具有相關(guān)性的亞區(qū)則表現(xiàn)的較為分散，其相關(guān)性是否存在半球差異尚需進一步的實驗結(jié)果支持。綜上可知，海馬結(jié)構(gòu)的體積變化在ADNI人群中存在半球差異，表現(xiàn)為左側(cè)體積萎縮更加明顯；而與認知損傷程度的相關(guān)性方面，尤其是在Aβ異常組中，左側(cè)海馬結(jié)構(gòu)的tau病變與認知損傷程度的相關(guān)性表現(xiàn)得更明顯。

研究尚存在一定的不足之處。首先，ADNI是一個公共數(shù)據(jù)庫，主要是觀察并搜集老年人群中AD相關(guān)的臨床特征和疾病發(fā)生發(fā)展情況的相關(guān)信息，ADNI的特點之一是大部分受試者的臨床診斷為CN或MCI，而AD患者所占比例則相對較低，即使是臨床診斷為AD的受試者，也基本為輕度AD。因此基于ADNI數(shù)據(jù)庫的研究均存在AD患者樣本量不足的問題；此外，ADNI數(shù)據(jù)庫并未提供被試的利手信息，這對于海馬結(jié)構(gòu)等可能存在半球差異的腦結(jié)構(gòu)的研究可能造成不可預(yù)知的影響。

總之，在與AD相關(guān)的進程中，一方面tau蛋白病變的出現(xiàn)可能早于海馬體積的減??；另一方面，tau蛋白病變和海馬結(jié)構(gòu)體積減小可能存在半球差異，表現(xiàn)為左側(cè)更加明顯。尤其是tau病變，在Aβ正常組中就已經(jīng)出現(xiàn)在內(nèi)嗅皮層區(qū)域，說明此區(qū)域可能是最易受損部位。而在Aβ異常狀態(tài)下，tau蛋白病變和海馬體積的減小均表現(xiàn)為不同程度的加重。這些研究結(jié)果或可為將來研究AD疾病的早期診斷和預(yù)防提供相關(guān)的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)，并進一步為臨床診療提供參考。