肌萎缩侧索硬化的磁共振结构与功能成像研究

【摘要】第一部分肌萎缩侧索硬化患者基于体素的形态学MRI纵向研究目的：探讨肌萎缩侧索硬化(Amyotrophiclateralsclerosis,ALS)患者全脑形态学变化特点。方法：采用3.0T磁共振,研究33例ALS患者及33例性别、年龄相匹配的正常志愿者。运用SPM8分析软件,采用基于体素的形态学测量方法(Voxel-basedmorphometry,VBM),进行全脑比较分析。并对ALS患者灰质图与修订版ALS功能评分(RevisedALSfunctionalratingscale,ALSFRS-R)、疾病进展率及病程进行相关分析。33例ALS患者中14例在6个月后参与第二次MRI结构像检查。结果：与正常对照组比较,ALS患者双侧初级运动区、运动前回、辅助运动区及躯体感觉区等运动相关区域灰质体积缩小。此外,两侧额叶、颞叶及枕叶等非运动区皮层也发生萎缩(P<0.001,uncorrected,k≥701)oALS患者右侧运动前回灰质体积与ALSFRS-R评分呈正相关(P<0.001,uncorrected,k≥76)。纵向研究中,两侧额叶皮层灰质体积进行性萎缩(P<0.001,uncorrected,k≥39)。结论：通过VBM分析发现ALS患者是累及多系统的疾病,初级运动区体积的显著缩小,有可能作为识别ALS患者运动区广泛损伤的结构标记物。第二部分肌萎缩侧索硬化患者基于体素全脑分析的DTI纵向研究目的：应用磁共振弥散张量成像(Diffusiontensorimaging,DTI)技术,探讨肌萎缩侧索硬化(Amyotrophiclateralsclerosis,ALS)患者脑白质微观结构的变化特点,以更好的观察ALS病理过程。方法：采用3.0T磁共振,对33例ALS患者和30例性别、年龄相匹配的正常志愿者进行DTI检查。运用基于纤维束的空间统计(Tract-basedspatialstatistics,TBSS)软件和VOI(Volumeofinterest)分析方法进行基于体素的全脑分析,以比较白质结构的差异及变化。6个月以后,ALS患者组中14人参与第2次DTI检查。结果：与正常对照组比较,ALS患者组胼胝体(Corpuscallosum,CC)体部、上纵束(Superiorlongitudinalfasciculi,SLF)及皮质脊髓束(Corticospinaltracts,CST)部分各向异性(Fractionalanisotropy,FA)值明显降低,平均弥散率(Meandiffusivity,MD)及径向弥散率(Radialdiffusivity,RD)增高(P<0.05,TFCEcorrected)。轴向弥散率(Axialdiffusivity,AD)图未发现两组间差异。通过基于体素水平广义线性模型(Generallinemodel,GLM)相关分析,ALS患者右侧初级运动区下白质FA值与ALSFRS-R评分明显相关(P<0.001,uncorrected)。通过VO1分析,ALS患者组所有VOIs的FA、RD及MD平均值与正常对照组比较差异具有统计学意义(P<0.05)。右侧SLF及CC体部的FA平均值与ALSFRS-R评分明显正相关(r=0.38,P<0.05)。将14例ALS患者两次DTI结果进行比较,发现随着患者运动神经元的变性加重(ALSFRS-R降低),以两侧CST、CC、SLF及运动皮层区下白质为主要区域的FA值降低,MD、RD及AD增高(P0.05,TFCEcorrected)。结论：DTI能够观察ALS白质微观结构的变化,这些变化可以作为诊断疾病的生物学标记物。通过纵向研究,DTI能够动态观察与疾病进展相关的白质结构的变化,从而有助于监测疾病进展和评价临床疗效。第三部分肌萎缩侧索硬化患者观察运动BOLD-fMRI研究目的：应用观察运动血氧水平依赖功能磁共振成像(Bloodoxygenleveldependentfunctionalmagneticresonanceimaging,BOLD-fMRI)技术,探讨肌萎缩侧索硬化(Amyotrophiclateralsclerosis,ALS)患者脑功能区变化特点。方法：采用3.0T磁共振,对30例ALS患者和30例性别、年龄相匹配的正常志愿者进行BOLD-fMRI检查。被试在进行fMRI检查时观察两组手指运动的视频作为实验任务,而不要求被试参与运动。一段视频是由不同速度的握拳运动(0.5、1和2Hz)组成,另一段由不同复杂度的手指运动(握手、对掌和顺序对指)组成。刺激模式采用组块(Block)设计,每1种手部运动构成1个Block,每次持续20秒,每个Block之间由静止的手部图片组成,持续20s,在每组视频中每1种手部运动随机出现2次,3种不同的速度或复杂度的视频片段采用假随机顺序呈现。运用SPM8分析软件,比较观察手指运动视频与静止的手部图片之间脑功能区变化。并应用参数分析研究与观察运动速度、复杂度相关的脑区变化。结果：ALS患者及正常对照观察运动激活脑区同主动运动基本一致,主要位于两侧额叶、顶叶及辅助运动区(Supplementarymotorarea,SMA),这些是镜像神经元系统(Mirrorneuronsystem,MNS)的核心部位。与正常对照比较,ALS患者在背外侧运动前区(Dorsallateralpremotorcortex,dPMC)、顶下小叶(Inferiorparietallobule,IPL)及SMA激活增多。此外,ALS患者与手指运动复杂度或速度相关的脑区较正常对照增多：初级运动区(Primarymotorcortex,M1)、dPMC、额下回(Inferiorfrontalgyrus,IFG)、顶上小叶(Superiorparietallobule,SPL)。结论：ALS患者为克服运动功能障碍,高级运动处理系统存在代偿过程。观察运动可以作为一项客观的任务运用于BOLD-fMRI中,它能激活运动皮层,却不需要被试进行主动运动,对于运动功能受损的ALS患者尤其重要。能够反应运动功能受损的血氧水平的改变提示fMRI可以作为一项客观评价治疗疗效和病情进展的重要生物学指标。第四部分肌萎缩侧索硬化患者静息态fMRI研究目的：联合成组独立成分分析技术(Groupindependentcomponentanalysis,GICA)和基于感兴趣区(Regionofinterest,ROI)相关分析,探讨ALS患者静息态脑功能连接的变化特点。方法：采用3.0T磁共振,对30例ALS患者和30例正常对照组进行静息态fMRI扫描。利用SPM8和REST软件对所有数据进行预处理,用MICA软件进行基于体素的全脑网络GICA,比较两组被试静息态功能网络,并找出异常网络以确定种子点,然后利用REST作进一步的ROI两两功能连接强度分析。结果:GICA发现5个经典脑功能网络。其中在感觉运动网络(Sensorimotornetwork,SMN)和默认模式网络(Defaultmodenetwork,DMN)中,正常对照组和ALS患者组激活脑区出现不同。与正常对照组相比,ALS患者组SMN中辅助运动区、右侧初级运动区和躯体感觉区激活减少,后扣带回激活区域增多。ALS患者组DMN中内侧前额叶区出现了激活程度的减低。在SMN及DMN种子点两两相关分析中,SMN种子点连接强度行组间t检验发现ALS患者右侧M1与右侧SMA之间及右侧M1及左侧M1之间平均相关系数低正常对照组。DMN种子点连接强度行组间比较未发现统计学差异。结论：通过GICA可以在ALS患者发现SMN及运动系统以外网络的静息态脑功能网络特征性的改变,并利用ROI相关分析法从连接强度的角度来度量功能连接,以发现ALS患者相关脑区间连接强度的异常。联合GICA和ROI相关分析为探索ALS脑区间功能连接提供了一个新思路,从而加深对ALS病理机制的理解和认识,以期发现可能作为早期诊断的重要的生理指标。
【作者】张碧云；
【导师】耿道颖；
【作者基本信息】复旦大学，影像医学与核医学，2013，博士
【关键词】肌萎缩侧索硬化；初级运动区；灰质；基于体素；磁共振成像；弥散张量；胼胝体；皮质脊髓束；观察运动；血氧水平依赖；功能磁共振成像；皮层重组；镜像神经元；静息态；默认模式；独立成分分析；

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