Stroke:成人烟雾病外观正常的脑实质的微结构损伤及其与神经认知功能障碍

慢性缺血引起的脑微结构损伤在成人烟雾病(MMD，烟雾病是一种病因不明的、以双侧颈内动脉末端及大脑前动脉、大脑中动脉起始部慢性进行性狭窄或闭塞为特征，并继发颅底异常血管网形成的一种脑血管疾病。由于这种颅底异常血管网在脑血管造影图像上形似“烟雾”，故称为“烟雾病”)的神经认知功能障碍中起关键作用。本文使用神经突起方向离散度与密度成像（NODDI）方法研究了MMD患者大脑微结构的变化及其与神经认知功能障碍的相关性。研究发表在STROKE杂志。

方法：

对26例MMD患者(16~63岁，其中女性20例)和20例年龄、性别匹配的正常志愿者进行NODDI和神经心理学量表检查。通过对NODDI后处理，得到两个参数：反映白质轴突密度和皮质树突密度的神经突内体积分数(Vic)及反映白质轴突和灰质树突的分散度(网络复杂性)的神经突方向离散度指数(OD)。采用SPM12进行全脑分析，并与区域值进行相关分析，评价微结构损伤及其与神经认知功能的相关性。

结果：

MMD患者脑白质VIC明显低于对照组， 同时患者大脑皮层OD也明显低于对照（p-corFWE <0.001 。在所有神经心理学评分中，信息处理速度指数(PS)与白质VIC的相关性最强(p-corFWE <0.001)。存在组内差异的颞顶区和额区的Vic和OD值与神经认知功能评分呈正相关(r绝对值=0.37~0.64；P<0.01)。

结论：

MMD慢性缺血可降低白质轴突密度和皮质树突密度(Vic)，简化网络复杂性(OD)，导致神经认知功能障碍。信息处理速度指数（PS）可能是评价缺血负荷最敏感的指标，脑后部可能在神经认知功能中起重要作用。

引言

烟雾病(Moyamoya disease，MMD)是一种累及Willis环动脉的进行性闭塞性脑血管病。MMD患者常规磁共振成像(MRI)上无明显脑损害，但常表现为神经认知功能障碍。弥散像磁共振研究显示，微观结构损伤可能在成人MMD患者的神经认知功能障碍中起关键作用。然而，常规扩散磁共振参数(如FA)并不能显示单个组织的特定微观结构特征。

本文使用神经突起方向离散度与密度成像（NODDI）方法，基于模型的方法假设特定的扩散分布模式/函数 ，将扩散信号与模型拟合来计算特定参数。这些参数可直接反映大脑微结构的定量变化。后通过对参数的评估，以确定MMD的特异性的微观结构变化。神经突内体积分数(Vic)反映白质轴突密度和皮质树突密度，神经突方向离散度指数(OD)反映白质轴突和灰质树突的分散度(即网络复杂性)。这些参数与组织学结果相关，并已被广泛应用于中风等神经疾病的评估。

方法

患者：

纳入标准包括6至64岁的患者，他们能够在没有镇静剂的情况下接受磁共振成像(MRI)，并且没有影响神经生理测试分数(失语症、失认症等)的神经缺陷。排除标准为MRI检查的禁忌症、影响MRI参数的MMD以外的脑部病变以及因其他原因(例如，是否存在影响MRI信号的金属植入物、抑郁或痴呆的临床症状，或全身性疾病，如晚期癌症、肝硬化或肾功能不全)而被判定为不适合进行研究的患者。

从2015年12月到2017年10月，46名患者被招募参加这项研究。在这项分析中，排除了儿童(<16岁)人群和皮质或大面积(>10 mm)白质梗死的患者。没有患者被诊断出患有全身性疾病，如晚期癌症、肾功能衰竭和肝硬化，也没有表现出抑郁和痴呆症的临床迹象。由经验丰富的神经放射学家(M.H.)通过FLAIR图像评估脑白质病变及梗死范围，通过SWI评估脑 出血后改变。最终我们确定26例无明显脑损害的MMD患者(16~63岁，女性20例，缺血性起病21例，出血性起病2例，术后7例) 和年龄、性别匹配的20例正常人(17~61岁，女性14例，其中4例存在<3mm的T2高信号区)进行评估。

神经心理评估

所有参与者都接受了单词流畅性测试、Stroop测试、连线测验及韦氏成人智力量表III(仅限患者)的评估。

韦氏成人智力量表III（WAIS-III）：

WAIS-III提供了三个智商，包括综合智力(FIQ)、综合言语能力(言语智商：VIQ)和综合操作能力(Performance IQ：PIQ)，以及四个指数得分：语言能力(言语理解指数：VC)、组织非言语视觉刺激的能力(知觉组织指数，PO)、听觉注意力和专注力(工作记忆指数：WM)和视觉运动速度(信息处理速度指数，PS) 。

单词流畅性测试: 参与者被要求在1分钟内说出尽可能多的符合特定条件的单词，条件包括： 以特定元音字母开头（单词流畅度，如说出以‘yi’开头的词）或特定类别的词(类别流畅度，如说出几种动物)。这项测试主要用于评价执行功能。

Stroop测试：由三个子测试组成：

测试1. 患者被要求垂直的阅读颜色名称列表(红色、蓝色或绿色)，

测试2. 患者被要求说出一系列垂直排列的彩色圆点的颜色(红色、蓝色或绿色)

测试3. 患者被要求报告文字的颜色 (例如，以红色打印的“蓝色”这个词，患者需报告红色)。

连线测验Trail-Making Test：一张纸上有25个圈，被试者被要求按特定规则连接这些圈，测试分两部分：

第一部分25个圈中有25个数字，1-25，被试者需从小到大画线，连接这些圈。（1-2-3-4…-25， >78s 表明功能受损）

第二部分25个圈中有13个数字（1-13），12个字母（A-L），被试者需将他们按顺序间隔排列（1-A-2-B….25-L， >273s表明功能受损）。如下图所示：

表1 神经心理评估的各项测量结果汇总

序列参数：

机器：3T 西门子（MAGNETOM Skyra）

NODDI：弥散像使用压脂单次激发回波平面成像（EPI）序列：TR=4500ms,TE=105ms, flip angle=90，voxel size=2*2*2mm, an acquisition matrix of 100, 90 slices, and a multiband factor of 2.扫了两个方向（AP/PA），多b值(b=0，b=700, 扩散梯度方向=30，b=2850, 扩散梯度方向=60)，扫描时间：8分38秒（AP）+1分37秒（PA，只扫b=0）

3DT1 WI ：MPRAGE sequence, TR=1700, TE=2.61, flip angle=10°, and TI=800.

FLAIR：TR=12000 ms, TE=96 ms, flip angle=150°, TI=2750 ms, slice thickness=3 mm, gap=0.6 mm

SWI: TR=27 ms, TE=20 ms, flip angle=15°, slice thickness=1.6 mm, gap=0 mm

MRA: TR=24 mm, TE=3.69 mm, flip angle=18°, slice thickness=0.70 mm, field of view=100.

总扫描时间35min。

NODDI影像处理：

1. 预处理：

软件： MATLAB 2016a+ SPM12

a. 利用基于b0影像生成的脑脊液mask，去除非脑组织及额颞叶基底的伪影。

b. 配准：NODDI to T1 to MNI.（两步配准）

c. 建立模版： 首先做FWHM=8mm 的平滑，后对所有NODDI取均值，得到模板。

d. 将原始的NODDI影像配准到上一步建立的模板上（提高空间一致性）后做8*8*8mm的平滑。

e. 若脑中存在病变，则在原始图像上手工画病变的Mask，之后对Mask行8*8*8mm的平滑，最后用平滑后的Mask将病变区域去除。

2. 后处理

软件： MATLAB 2016a+ NODDI MATLAB toolbox (https://www.nitrc.org/projects/ noddi_toolbox/).

统计：

体素水平对比：

通过SPM12完成（协变量：年龄，性别及脑体积，统计标准：未矫正体素水平p<0.001, 且cluster p-FWE<0.05，即团块水平的FWE矫正）

VBM：

通过两样本t检验比较灰质和白质，观察MMD与对照组是否存在差异。

Ps: 该部分仅出现在补充材料中（如需补充材料请添加微信：siyingyxf获取）

VBM处理（SPM12）：通过TPM将原始T1分割出灰质和白质，并通过DARTEL模板对其进行标准化，后使用8*8*8的平滑核进行平滑。

结果：无差异

NODDI参数分析：

通过两样本t检验比较NODDI参数在MMD及对照组中是否存在差异（体素水平）

结果：与正常对照组相比，MMD患者Vic明显降低，主要位于白质，OD值明显降低，主要位于扣带回等皮质区(图1)，

图1 对照组被试和MMD被试在Vic和OD参数上的差异。表格太长，详见S.Table3

图2 PS、PIQ和PO与MMD病人VIC和OC全脑参数的多元回归分析。表格太长，详见S.Table4.

多元回归分析发现，信息处理速度指数（PS）与左半球白质（后部）中的Vic显示出最强的相关性，即使在添加了教育经验和估计的病程作为协变量后，该相关性仍然显著。

通过多因素回归分析观察NODDI参数与患病时间，大脑后动脉病变(即是否存在大脑后动脉病变)及血流动力学损害的相关性。

ps：该部分仅出现在补充材料中：

通过使用SPM12中的体素-体素多因素回归模型，我们研究了MMD患者的NODDI参数与估计的病程(年)、大脑后动脉病变(即是否存在大脑后动脉病变)和血流动力学损害(是否存在根据最新灌注图像估计的血流动力学损害)之间的关系。血流动力学损害的评估由神经外科主治医生(T.N.)进行， 10例患者在确诊后 0~73天（平均28d）接受PET检查，2例患者在确诊后41天或57天接受MRI灌注检查， 另有14例患者因无症状/术后或临床稳定5~20年，MRI灌注检查时间较晚（21-1096d）。

结果：本文发现患病时间与双侧深部白质和顶叶皮质的Vic和OD值呈负相关。NODDI参数与大脑后动脉病变或血流动力学损害无明显相关性。

图3 患病时间与全脑Vic和OD的多元回归分析。表格太长见s.table5

ROI水平的相关分析：

通过JMP ver. 12.0.1 (SAS Institute, Cary, NC)分布计算MMD组、正常组和两组合并后组间比较后NODDI参数存在差异的脑区的Vic和OD的值与神经心理测量数据的Pearson相关。

使用ROI的mask提出每个受试者该区域的NODDI参数值后将其与Z分数转换后的神经心理评估结果（单词流畅性测试、Stroop测试及 连线测验）做Pearson相关。

结果：

正常组OD与Stroop测验成绩呈显著负相关（r=-0.65,p=0.04），

MMD组Vic与连线测验A、B部分得分呈显著负相关（r=-0.43/-0.49, p=0.03/0.01，图4）

图4 组间比较后NODDI参数存在差异的脑区的Vic和OD值与神经心理测量数据相关分析

总结：

本研究发现：

1. 通过使用使用神经突起方向离散度与密度成像（NODDI）方法发现成人MMD正常外观的脑实质内存在微结构缺血性损伤。

2. 韦氏成人智力量表III中的信息处理速度指数（PS）对缺血负荷高度敏感，脑后部对神经认知功能有重要作用。MMD患者可能需要外科血管重建术来逆转颞顶枕区的血流动力学损害，以保护其免受神经认知功能障碍的影响。

原文：Microstructural Damage in Normal-Appearing Brain Parenchyma and Neurocognitive Dysfunction in Adult Moyamoya Disease