趙健儀

尹建忠 YIN Jianzhong

紀(jì)東旭 JI Dongxu

趙博峰 ZHAO Bofeng

天津醫(yī)科大學(xué)一中心臨床學(xué)院，天津市第一中心醫(yī)院放射科 天津 300192

阿爾茨海默?。ˋD）是一種常見的老年病，預(yù)后較差，病情不可逆轉(zhuǎn)，早期診斷與早期治療尤為重要。2011年4月11日頒布的由美國國家衰老研究所（National Institute of Aging, NIA）和阿爾茨海默病學(xué)會（Alzheimer's Association, AA）修訂的 NIA-AA 診斷標(biāo)準(zhǔn)將無癥狀的亞臨床期及AD所致輕度認(rèn)知障礙（mild cognitive impairment, MCI）期劃入AD病程，將AD的概念從癡呆的臨床綜合征擴(kuò)展到整個AD相關(guān)的病理進(jìn)展過程，并將反映AD相關(guān)病理改變的生物標(biāo)志納入診斷框架內(nèi)[1]。AD的病理改變最早發(fā)生于內(nèi)嗅皮層和海馬及其周圍區(qū)域[2]。嗅覺MRI可以根據(jù)血氧濃度水平原理（blood oxygen level dependent, BOLD）檢測嗅覺相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)細(xì)胞活動水平，可能反映AD相關(guān)病理改變，為AD診斷提供重要信息。

本研究對正常老年人、MCI患者及AD患者進(jìn)行嗅覺功能MRI（fMRI）掃描，并統(tǒng)計嗅覺相關(guān)腦區(qū)的激活信息，研究受檢者嗅覺fMRI激活水平與病情程度的相關(guān)性，為早期診斷AD提供新方法。

1 資料與方法

1.1 研究對象 選擇2011-08～2012-08于天津市第一中心醫(yī)院就診的11例MCI患者（MCI組）和12例AD患者（AD組），同期招募14例健康同齡正常老年人（NC組）。所有受試者均接受MMSE (Mini-Mental Status Examination)[3]、MOCA (Montreal Cognitive Assessment)[4]和 CDR (Clinical Dementia Rating Scale)[5]量表的標(biāo)準(zhǔn)化神經(jīng)心理學(xué)測試和相關(guān)病史采集。AD患者均符合NIA-AA核心臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)[1]，并排除其他原因所致癡呆。MCI納入標(biāo)準(zhǔn)：①主訴記憶力下降（非必要條件）；②MOCA量表評分＜26分，MMSE量表評分＞24分；③未達(dá)到癡呆（CDR評分為0.5分，保留獨(dú)立工作及生活能力、處理復(fù)雜任務(wù)能力，僅有輕度損害、無明顯異常行為或人格改變）。所有受試者均排除腦外傷、腦卒中、鼻竇炎活動期與呼吸道阻塞及精神分裂、抑郁癥等影響神經(jīng)心理和嗅覺的疾病，以及吸煙者、有精神藥物服用史者。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有受試者均知情同意。

1.2 檢查前準(zhǔn)備 采集所有受試者的基本信息和病史，并進(jìn)行刺激氣味的預(yù)先測試，將0.10%、0.33%、1.00%薰衣草溶液的氣味按濃度從低到高的順序進(jìn)行呈遞，并請受試者對所感受的氣味濃度進(jìn)行評分（主觀感受由未感受到氣味到氣味濃度最高依次評為0～10分），以評估嗅覺功能。行MR掃描前，向受試者講解實驗過程，并囑其注意在掃描時保持頭部及身體靜止和對刺激氣味的接收。掃描時向頭線圈內(nèi)放置海綿墊安裝固定夾固定受試者的額部。

1.3 儀器與方法

1.3.1 MRI檢查 采用 Siemens 3.0T MRI儀，32 通道頭部線圈。分別采集常規(guī)橫斷面T2WI像，TR 6000 ms，TE 93 ms，視野（FOV）230 mm×230 mm，矩陣 256×256，層厚 5.0 mm，層距 0.75 mm，層數(shù) 20；薄層矢狀位T1WI結(jié)構(gòu)像，TR 1900 ms，TE 2.5 ms，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，翻轉(zhuǎn)角30°，矩陣256×256，層厚1.0 mm，無間距，層數(shù)176層；嗅覺BOLD像，TR 3000 ms，TE 30 ms，F(xiàn)OV 230 mm×230 mm，翻轉(zhuǎn)角 90°，層厚5.0 mm，層距 0.75 mm，矩陣 80×80，層數(shù) 20，共采集250幀圖像。

1.3.2 嗅覺fMRI相關(guān)事件設(shè)計 采用自制的嗅覺刺激器，可以提供不同的氣味源并進(jìn)行精確的控制轉(zhuǎn)換，以事件相關(guān)設(shè)計的刺激方式減輕嗅覺適應(yīng)效應(yīng)。嗅覺刺激劑采用薰衣草溶液的揮發(fā)氣體，3組刺激濃度分別為0.10%、0.33%、1.00%，按由低到高的順序依次進(jìn)行刺激，每種濃度連續(xù)刺激5次，刺激時間為6 s，刺激間隔時間為42 s。

1.4 圖像分析 采用64位Matlab 7.11.0版本及SPM8軟件進(jìn)行圖像分析，去除前10幀圖像后先后進(jìn)行BOLD圖像的頭動校正、圖像對齊、空間標(biāo)準(zhǔn)化和高斯平滑的預(yù)處理；對預(yù)處理后的BOLD圖像按照事件相關(guān)設(shè)計的參數(shù)建立激活模型，評估腦內(nèi)各區(qū)各像素的激活情況，生成SPM.BAT數(shù)據(jù)集文件；以雙側(cè)初級嗅覺皮層（primary olfactory codex, POC）為感興趣區(qū)（ROI），由解剖學(xué)和放射學(xué)專家共同制訂劃分范圍[6,7]（圖1），計算ROI內(nèi)激活體素的數(shù)量。

圖1 初級嗅覺皮層作為ROI的劃定范圍，MNI坐標(biāo)：左側(cè)（24±17）mm、（0±11）mm、（－17±10）mm；右側(cè)（－24±17）mm、（0±11）mm、（－17±10）mm。A、B分別為冠狀位和軸位圖像

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 19.0軟件，3組受試者的基礎(chǔ)資料、神經(jīng)心理學(xué)評分和POC激活體素比較行獨(dú)立樣本Kruskal-Wallis秩和檢驗，對POC激活體素數(shù)量與MMSE和MOCA評分進(jìn)行控制年齡因素的偏相關(guān)性分析，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 3組基礎(chǔ)資料情況 2例正常受試者與1例AD患者由于無法完成實驗或頭動較大（頭動排除標(biāo)準(zhǔn)為2 mm，1°）被排除本研究。3組受試者性別、年齡及受教育年限比較，差異無統(tǒng)計學(xué)意義（H=0.000、2.367、0.174,P＞0.05）；3 組 MMSE、MOCA 評分比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（H=26.330、26.096,P＜0.01），見表1。

表1 3組受試者基本信息和認(rèn)知能力評分情況

2.2 3組POC激活情況比較 NC組顯示較明顯的激活，AD組激活體素數(shù)量顯著少于MCI組和NC組，MCI組較NC組明顯減少，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（H=13.272,P＜0.01），各組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差均較大，見圖2。單個獨(dú)立樣本分析結(jié)果顯示，NC組雙側(cè)POC、雙側(cè)海馬、雙側(cè)島葉的激活體素數(shù)量均高于MCI組和AD組，MCI組除右側(cè)海馬以外，5個ROI內(nèi)激活體素數(shù)量均高于AD組。NC組右側(cè)腦區(qū)的激活水平高于左側(cè)，MCI組較NC組的激活減低，顯示右側(cè)較左側(cè)更為顯著，提示AD的病理進(jìn)展可能存在右側(cè)優(yōu)勢，見表2及圖3。

圖2 3組POC激活體素數(shù)量比較

表2 3組受試者個體水平POC激活情況及單個獨(dú)立樣本組分析

圖3 A～C分別為NC組、MCI組、AD組POC區(qū)激活情況，NC組激活范圍明顯大于MCI組和AD組，MCI組POC區(qū)激活減低以右側(cè)為著，AD組雙側(cè)均顯示激活明顯減低。上圖冠狀位圖像，下圖為軸位圖像

2.3 POC激活數(shù)與MMSE及MOCA評分的相關(guān)性3組POC激活體素數(shù)量與MMSE評分（r=0.447,P＜0.05）及 MOCA 評分（r=0.421,P＜0.05）在控制年齡因素條件下呈正相關(guān)。

3 討論

AD最早期的病理改變開始于內(nèi)嗅皮層周圍區(qū)域，逐漸向內(nèi)嗅皮層和海馬發(fā)展，最終擴(kuò)散至新皮質(zhì)區(qū)[2]。AD患者因病理改變累及POC區(qū)造成POC區(qū)的神經(jīng)元退行性變及數(shù)量減少，導(dǎo)致相應(yīng)區(qū)域的神經(jīng)元活動水平降低，在嗅覺fMRI中可能顯示激活體素數(shù)量減少。本研究中3組受試者個體水平POC區(qū)激活體素的組間比較與獨(dú)立樣本組分析結(jié)果均顯示，AD組較NC組和MCI組POC區(qū)激活水平顯著減低，MCI組的激活水平亦低于NC組，受試者的嗅覺fMRI結(jié)果與病情具有相關(guān)性。

本研究以POC區(qū)作為主要觀察ROI。嗅覺刺激所致腦內(nèi)激活較為復(fù)雜，不同個體對于相同氣味產(chǎn)生不同的聯(lián)想，高級嗅覺中樞的激活情況個體差異較大，與嗅覺感受能力的相關(guān)性也不顯著。Wang等[7]研究顯示，雙側(cè)海馬、POC及島葉較適合作為嗅覺fMRI研究的興趣區(qū)，這些腦區(qū)的激活水平與嗅覺感受能力及受試者病情體質(zhì)顯著相關(guān)，而POC區(qū)是不經(jīng)過丘腦直接接受來自嗅球所傳導(dǎo)的嗅覺刺激的皮層結(jié)構(gòu)，包括嗅核、梨狀皮層、嗅結(jié)節(jié)、杏仁核、杏仁核周圍皮層和內(nèi)嗅皮層[8]，是AD早期病理改變累及的腦區(qū)。

由于正常老年人存在腦神經(jīng)組織退變所致嗅覺功能減退[9]，故進(jìn)行控制年齡因素的激活水平與神經(jīng)心理學(xué)評分的相關(guān)性分析，結(jié)果顯示3組受試者的POC激活體素數(shù)量與MMSE評分及MOCA評分在控制年齡因素條件下呈正相關(guān)性。Royall等[10]對200個社區(qū)老年居民進(jìn)行賓夕法尼亞大學(xué)氣味識別能力測試（university of Pennsylvania smell identification test,UPSIT）與MMSE評分，發(fā)現(xiàn)嗅覺能力與認(rèn)知能力有相關(guān)性。本研究結(jié)果也顯示嗅覺fMRI的激活水平與認(rèn)知能力具有相關(guān)性。Kareken等[11]對AD患者和正常老年人進(jìn)行PET研究，結(jié)果提示嗅覺識別能力與右側(cè)梨狀皮層的功能活動程度具有相關(guān)性。與UPSIT等主觀檢查相比，嗅覺fMRI可以直接檢測嗅覺相關(guān)腦區(qū)的細(xì)胞活動水平，無需受檢者的主觀反饋，干擾因素更少[12]；相對于PET，嗅覺fMRI具有更好的時間分辨力，更加適合需要精確控制的事件相關(guān)設(shè)計的研究方法。

本研究中MCI組與NC組、AD組間激活水平具有顯著差異。MCI最終轉(zhuǎn)歸AD的概率為55%左右[13]，AD所致MCI占全部MCI患者的比例應(yīng)相似或更高。AD所致MCI患者可能會因為嗅覺腦區(qū)病理改變導(dǎo)致嗅覺fMRI激活減低，因此可以對MCI患者進(jìn)一步隨訪，研究其嗅覺fMRI的激活水平與AD轉(zhuǎn)歸的相關(guān)性，評估嗅覺fMRI鑒別AD所致MCI的能力。本研究中3組單個獨(dú)立樣本組分析結(jié)果顯示，NC組3個右側(cè)腦區(qū)的激活水平均高于左側(cè)，且MCI組較NC組右側(cè)腦區(qū)激活減低較左側(cè)顯著。對于嗅覺半球優(yōu)勢的觀點較多，伍建林等[14]的研究顯示右側(cè)大腦半球為嗅覺的優(yōu)勢半球；Pantel等[15]的研究提示早期AD病理改變存在右側(cè)大腦半球優(yōu)勢分布，本研究結(jié)果均與以上結(jié)論相似；但Bottino等[16]提出左側(cè)優(yōu)勢的觀點。

3組受試者組內(nèi)變異均較大，會影響嗅覺fMRI判斷AD病理改變的準(zhǔn)確度和敏感度。嗅覺fMRI較視覺、聽覺的功能成像更為復(fù)雜，主要受到顱底部磁敏感偽影、嗅覺適應(yīng)效應(yīng)及受試者個體差異的影響，本研究通過較為特殊的設(shè)計盡量減少這些因素的干擾。由于本研究主要觀察的ROI靠近顱底的腦實質(zhì)-腦脊液-顱骨分界，會受到磁敏感偽影的影響，通過縮短TE時間[17]、提高空間分辨率[18]、調(diào)整層面與相位編碼方向[19]等方法可以提高圖像的信噪比，而Wang等[7]在研究中采用較大的采集帶寬、較強(qiáng)的層面梯度磁場和常規(guī)勻場來解決這個問題。

本研究所使用的設(shè)備是3.0T MRI儀和32通道線圈，在成像參數(shù)中采用較短的TE時間及較薄的掃描層厚，掃描過程中預(yù)先進(jìn)行常規(guī)勻場，并將相位編碼方向從默認(rèn)的左右方向改為前后方向，顯著提高了顱底部腦實質(zhì)的信噪比，可以進(jìn)行成像研究。目前尚難以完全避免或準(zhǔn)確評估磁敏感偽影對研究結(jié)果的影響，這是本研究的主要局限性，也是下一步研究需要解決的主要問題。

為了避免嗅覺適應(yīng)，本研究所采用的事件相關(guān)設(shè)計與傳統(tǒng)的組塊設(shè)計不同。本研究在預(yù)實驗中對不同的刺激時間和間隔時間與刺激濃度進(jìn)行測試，與Levy等[20]的研究結(jié)論相似，較短的刺激時間與較長的刺激間隔和不同的刺激氣味可以減輕嗅覺適應(yīng)效應(yīng)，因此，較長的刺激時間、重復(fù)給予刺激任務(wù)的組塊設(shè)計是不適宜的，本研究采用6 s為單次刺激時間，6 s是人類單次呼吸周期，可以視為單次刺激，數(shù)據(jù)處理亦是提取這些刺激的激活信息。薰衣草是一種有效的嗅覺刺激物，且?guī)缀鯚o對三叉神經(jīng)的多余刺激[21]。對于個體差異的問題，本研究采用SPM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將所有受試者的結(jié)構(gòu)像、激活像與統(tǒng)一的模板進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化，以減小不同受試者腦結(jié)構(gòu)的個體差異，選取POC做ROI所示激活與嗅覺功能的相關(guān)性較高，但仍存在不同受試者腦神經(jīng)活動方面的個體差異。由于以上干擾因素的影響，目前尚不足以將嗅覺fMRI作為臨床診斷AD的工具，需要進(jìn)一步研究。

總之，嗅覺fMRI可以通過反映AD病理改變?yōu)锳D早期診斷提供有價值的信息，控制主要干擾因素后，嗅覺fMRI可能提供較為準(zhǔn)確的量化及可視化信息，有望成為診斷AD敏感性較高的新方法，值得進(jìn)一步研究。本課題組將繼續(xù)擴(kuò)大樣本量并進(jìn)行隨訪，進(jìn)一步研究和改進(jìn)實驗方法，以減少干擾因素的影響。

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