帕金森病运动亚型及认知症状的功能与结构磁共振研究

发布时间：2017-09-09 02:12

  本文关键词：帕金森病运动亚型及认知症状的功能与结构磁共振研究

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【摘要】：帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是发病率仅次于阿兹海默病的第二大神经变性疾病,该病病理特征表现为黑质多巴胺能神经元显著变性,而残存的神经元内沉积大量路易小体,进而导致多巴胺能投射通路障碍和多巴胺与乙酰胆碱两大递质系统失衡。帕金森病的运动症状包括静止性震颤、肌强直、运动迟缓和姿势障碍四大主征。由于临床病人运动症状表现各异,临床医生依靠临床观察和队列研究分析,收集相似的临床特征对其进行归类。目前根据临床特点和预后情况将早中期帕金森病分为不同的临床亚型:以震颤症状为主的震颤为主型(tremor-dominant subtype,TD)(简称震颤型)和以运动迟缓和肌强直为主的少动-强直型(akinetic-rigid subtype,AR)(简称强直型)。两种亚型之间临床症状上差异明显。目前对两种亚型的神经机制差异仍不清楚,影响了其早期诊断和有效干预,因此加强对PD亚型神经机制的研究具有重要的理论价值和现实意义。早期的病理研究发现不同PD亚型在中脑神经元变性程度上存在差异,MR结构成像研究发现,震颤型的PD患者小脑存在更多的灰质萎缩,而强直型的患者灰质改变多集中在运动、认知等相关脑区。但大脑结构的变化往往出现在疾病中晚期,而早期的变化更多的集中在脑功能方面。然而目前对PD不同亚型的脑功能研究异质性较大,并且既往研究往往局限在某一功能及某一脑区进行研究,缺乏一个全面的功能解释,严重影响了对PD不同亚型神经机制的进一步理解和认识。因此本研究前两部分拟利用静息态功能磁共振(resting state functional MRI,rs-f MRI)的两种基于全脑体素水平的方法分析不同PD运动亚型脑功能改变的差异:利用基于体素镜像同伦连接方法(voxel-mirrored homotopic connectivity,VMHC)分析不同PD亚型脑半球间功能连接的改变情况,探讨两种亚型脑半球功能连接的特点和规律;同时引入一种快速的基于体素的数据驱动(不需要先验假设),即功能连接密度(functional connectivity density,FCD),该方法可以分别计算患者的局部功能连接密度(local FCD)和全局功能连接密度(global FCD),结合基于种子点的静息态功能连接分析方法,进一步全面的研究帕金森不同运动亚型患者脑功能整合的差异。这样多种方法结合,从而从静息态脑功能角度阐述PD不同运动亚型可能的神经机制。尽管帕金森病的临床表现以运动症状为主,但是许多PD患者还有其他症状的主述,这些症状被归类为非运动症状(nonmotor symptoms,NMS),并且已经逐渐形成了一套标准来对NMS进行量化评定。典型的非运动症状包括感觉障碍、自主神经功能障碍、精神障碍和认知功能障碍等。在所有NMS中,认知功能障碍是发病较早且发病率较高的非运动症状,很多帕金森病患者发病初期即表现有轻度认知功能障碍(Mild cognitive impairment,MCI),有近27%的非痴呆病人都存在认知功能减退。而有近80%的病人在疾病后期最终发展为痴呆,而痴呆是与PD死亡率相关的重要危险因素,严重影响帕金森病患者的生活质量和预后。目前的磁共振研究热点之一即检测神经退行性改变的影像生物标记,而对帕金森病认知功能障碍的结构影像生物标记也成为越来越多研究者关注的目标。神经病理和影像学研究都提示海马在PD患者认知功能障碍中扮演了至关重要的角色。因此对海马结构的研究成为研究PD患者认知功能障碍的突破点。然而既往研究多关注海马整体与PD患者认知改变的关系。由于细胞形态及皮质发育的差异不同,海马结构可以分为不同的亚区,各个亚区不仅细胞形态不同,在PD病理发展中以及在认知功能中也发挥着不同的作用,因此有必要对海马亚区结构分别进行研究。同时由于目前缺乏纵向样本的研究,PD伴随认知功能减退患者海马各亚区结构改变的特征还不得而知,不同亚区结构对于疾病发展和认知减退的敏感性是否有差异也有待研究。本研究后两部分拟采用一种基于结构磁共振的自动分割测量方法,研究帕金森病伴轻度认知功能障碍患者海马亚区体积变化特征,同时通过纵向随访研究伴随认知功能减退的帕金森病患者各海马亚区萎缩的特征,从两个角度探讨帕金森患者海马总体积及各亚区体积改变的特点和规律,及其与认知功能障碍的关系,从解剖结构上阐述帕金森认知功能障碍可能的神经机制。综上,本研究通过四个部分的研究,拟利用功能和结构磁共振,较为全面的研究帕金森运动亚型与认知功能损害与大脑功能和结构变化是否存在联系,试图从多方面解释其可能的神经机制。本研究分为四个部分1.帕金森病不同运动亚型患者脑半球间功能连接的功能磁共振研究帕金森病诊断标准采用英国帕金森病学会脑库帕金森病临床诊断标准进行诊断,纳入21名震颤型PD患者、29例强直型PD患者,同时纳入年龄、性别、受教育程度相匹配26名正常对照者。用帕金森病统一评分量表(The unified Parkinson's disease rating scale,UPDRS)评定PD患者运动症状,用HodhnYahr评分分级(HY分级)评价帕金森病患者运动症状严重程度,根据UPDRS评分中震颤项目及强直项目的得分情况将PD患者分类为不同运动亚型。利用西门子Trio Tim 3.0 T磁共振成像系统采集所有被试的静息态f MRI数据数据。同时采集常规T1WI、T2WI图像。排除T1WI、T2WI有异常表现的被试。利用基于MATLAB平台的SPM8软件进行静息态磁共振数据的预处理,利用DPARSF(Data Processing Assistant for Resting-State f MRI),软件计算每个被试的VMHC,进而比较不同运动亚型脑半球间功能连接的差异以及与临床指标的相关性。运用SPM8单因素方差分析检测三组间VMHC的差异以及进一步两两比较每两组之间的差异。统计结果的多重比较方法采用Alpha Sim方法,统计阈值设为P0.05。同时利用Pearson相关分析计算差异脑区的脑半球间功能连接强度与临床指标的相关性。2.帕金森病不同运动亚型患者脑功能连接密度的功能磁共振研究帕金森病诊断标准采用英国帕金森病学会脑库帕金森病临床诊断标准进行诊断,纳入25名震颤型PD患者、25例强直型PD患者,同时纳入年龄、性别、受教育程度相匹配26名正常对照者。量表评定同第一部分。利用西门子Trio Tim 3.0 T磁共振成像系统采集所有被试的静息态f MRI数据数据。同时采集常规T1WI、T2WI图像。排除T1WI、T2WI有异常表现的被试。f MRI数据预处理以及FCD计算(包括局部FCD和全局FCD)采用Neuroscience Information Toolbox软件进行,在体素水平上比较了不同运动亚型之间的差异。接下来在全局FCD存在差异的脑区内选取种子点进行全脑功能连接分析,全面分析不同运动亚型的功能整合特点。运用REST软件中单因素方差分析检测三组间FCD以及功能连接的差异并进一步两两比较每两组之间的差异。统计结果的多重比较方法采用Alpha Sim方法,统计阈值设为P0.05。同时利用Pearson相关分析计算差异脑区的功能连接密度与临床指标的相关性。最后利用ROC(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析FCD是否能够区分两种运动亚型。3.帕金森病伴轻度认知功能障碍患者海马亚区体积的结构磁共振研究帕金森病诊断标准采用英国帕金森病学会脑库帕金森病临床诊断标准进行诊断,23名认知功能正常的PD患者、26例伴有轻度认知功能障碍的PD患者,同时纳入年龄、性别、受教育程度相匹配27名正常对照者。认知功能评定量表包括简易智能状态量表(Mini mental state examination,MMSE)和蒙特利尔认知评估表(Montreal Cognitive Assessment,Mo CA)。同时MMSE和Mo CA分别分成四项子项,细化为四项认知领域:语言、记忆、定向、视空间。PD伴有轻度认知功能障碍采用最新文献中对PD-MCI的诊断标准。扫描仪器采用西门子Trio Tim 3.0 T磁共振成像系统,利用三维磁化准备快速梯度回波序列(T1 weighted three-dimensional magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequence,T1WI 3D MP RAGE)采集所有被试的获得3D T1WI容积数据,同时采集常规T1WI、T2WI图像。排除T1WI、T2WI有异常表现的被试。运用Freesuefer软件(Martinos Center for Biomedical Imaging,Boston,Massachusetts)对三组患者进行自动的海马各亚区分割及体积计算,各亚区包括前下托、下托、CA1、CA2-3、CA4-齿状回、海马伞及海马裂。三组海马及亚区体积比较采用ANCOVA方法,年龄、性别、教育年限及全脑体积作为协变量,事后检验采用Bonferroni方法进行两两比较,统计阈值设为P0.05。同时利用Pearson相关分析计算海马总体及各亚区的体积与认知各项指标分数的相关性。4.帕金森病伴认知减退患者海马亚区结构的纵向结构磁共振研究对28名PD患者进行了间隔两年的随访,前后两次进行疾认知表评估和结构磁共振数据采集。评定量表同上一部分。同时根据两次认知量表分数变化将患者分为两组:伴认知功能随时间减退的PD患者和不伴认知功能减退的PD患者。前后两次结构磁共振数据采集,扫描仪器采用西门子Trio Tim 3.0 T磁共振成像系统,利用三维磁化准备快速梯度回波序列(T1 weighted three-dimensional magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequence,T1WI 3D MP RAGE)采集所有被试的获得3D T1WI容积数据,同时采集常规T1WI、T2WI图像。排除T1WI、T2WI有异常表现的被试。纵向分析,采用Free Surfer最新的纵向分析流程。运用Free Surfer软件对三组患者的海马各亚区进行自动分割及体积计算,各亚区包括前下托、下托、CA1、CA2-3、CA4-齿状回、海马伞及海马裂。海马及亚区体积的基线和随访数据比较采用重复测量的方差分析方法,统计阈值设为P0.05。同时利用Pearson相关分析计算海马总体积及各亚区的体积与各项认知指标分数的相关性。结果:1.与正常对照组相比,震颤型PD组在小脑后叶的脑半球功能连接强度减弱,未见脑半球功能连接增强脑区,而强直型PD组在中央前回的脑半球功能连接强度减弱,未见脑半球功能连接增强脑区;两种运动亚型比较,与强直型PD组相比震颤型PD组同样在小脑后叶的脑半球功能连接强度减弱,未见脑半球功能连接增强脑区;结果均经Alpha Sim校正。同时在震颤型PD组中,小脑后叶的VMHC值与患者的震颤分数呈明显负相关性(r=-0.55,p=0.01)。2.与正常对照组相比,震颤型PD组在小脑后叶、梭状回及直回的全局功能连接强度增强,未见全局功能连接强度减弱脑区,局部功能连接强度未见差异;而强直型PD组在小脑后叶、颞中回、额中回及额上回功能连接强度增强,未见功能连接减弱脑区,局部功能连接强度未见差异;两种运动亚型比较,与强直型PD组相比震颤型PD组在小脑前叶的功能连接强度增强而在额下回、额中回及额上回功能连接强度减弱;局部功能连接强度未见差异;以两种亚型有差异的四个脑区为种子点的功能连接分析发现,与强直型PD组相比,震颤型PD组小脑与广泛额叶皮层的功能连接减弱;结果均经Alpha Sim校正。在帕金森患者组,小脑的FCD值与患者的震颤分数呈明显正相关关系(r=0.32,p=0.03),而另外三个差异脑区的FCD值与震颤分数呈负相关关系(r=-0.49,p=0.001;r=-0.53,p=0.001;r=-0.51,p=0.001)。ROC分析结果显示,四个差异脑区的FCD值联合作为指标来区分两种运动亚型,具有较高的敏感性和特异性(敏感性95%,特异性80%)。3.对三组被试海马及亚区体积进行比较发现,伴有轻度认知功能障碍的PD患者双侧海马总体积明显小于认知功能正常的PD患者(left:P=0.02,right:P=0.01)和正常对照(left:P=0.007,right:P=0.002);和正常对照比较,伴有轻度认知功能障碍的PD患者左侧CA1(P=0.03)和CA4-齿状回(P=0.03)以及双侧CA2-3(left:P=0.03,right:P=0.02)和下托(left:P=0.008,right:P=0.002)明显萎缩;而伴有轻度认知功能障碍的PD患者右侧CA4-齿状回体积明显小于认知功能正常的PD患者(P=0.01)和正常对照(P=0.005).相关性分析显示,在伴有轻度认知功能障碍的PD患者中,双侧海马总体体积与MMSE总分(left:r=0.56,p=0.003;right:r=0.50,p=0.009),MMSE记忆分项(left:r=0.59,p=0.001;right:r=0.40,p=0.04)和Mo CA记忆分项(left:r=0.61,p=0.001;right:r=0.61,p=0.001)均有良好的相关性。4.对纵向随访病例的海马及亚区体积比较发现,伴有认知功能减退的PD患者双侧CA2-3、CA4-齿状回和下托均有明显的萎缩(left CA2-3:P=0.02,right CA2-3:P=0.02)(left CA4-齿状回:P=0.003,right CA4-齿状回:P=0.03)(left下托:P=0.005,right下托:P=0.03)。相关性分析显示,在伴有认知功能减退的PD患者中,病程与左侧下托体积均有良好的相关性(r=-0.39,p=0.04)。结论:1.利用VMHC技术发现帕金森病两种运动亚型脑半球功能连接强度均有改变。同时本研究的结果为震颤型PD存在小脑相关功能连接受损提供了证据,同时小脑VMHC值同震颤分数的相关性也提示VMHC可以作为评价震颤型PD的潜在临床指标。2.采用FCD技术结合基于种子点的功能连接分析方法研究不同运动亚型PD患者脑功能整合的变化特点,发现两型之间的功能整合差异集中在额叶和小脑区域。同时脑功能整合的指标提供了一种较好的区分两种运动亚型的方法,为以后的临床工作打下了基础。3.利用结构磁共振技术我们发现了伴有轻度认知功能障碍的PD患者海马及各亚区结构改变的特征,说明在PD发展中海马各亚区萎缩程度与认知功能障碍有着紧密的联系,提示海马亚区结构在PD认知功能障碍发病过程中起到了重要的作用。4.利用结构磁共振技术我们发现了随着疾病的进展,PD患者海马及各亚区结构呈现出不同的变化特征,提示CA2-3、CA4-齿状回和下托是对PD认知功能减退更敏感更易受损的海马结构,在PD的认知功能减退中发挥着更重要的作用。
【关键词】：帕金森病 运动亚型 非运动症状 静息态 基于体素镜像同伦连接方法 功能连接密度 轻度认知功能障碍 海马亚区 纵向研究
【学位授予单位】：第三军医大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R445.2;R742.5
【目录】：

• 缩略语表4-6
• 英文摘要6-13
• 中文摘要13-19
• 第一章 前言19-22
• 第二章 帕金森病不同运动亚型患者脑半球间功能连接的功能磁共振研究22-33
• 2.1 材料与方法23-27
• 2.2 结果27-30
• 2.3 讨论30-33
• 第三章 帕金森病不同运动亚型患者脑功能连接密度的功能磁共振研究33-50
• 3.1 材料与方法34-38
• 3.2 结果38-46
• 3.3 讨论46-50
• 第四章 帕金森病伴轻度认知功能障碍患者海马亚区体积的结构磁共振研究50-64
• 4.1 材料与方法51-56
• 4.2 结果56-61
• 4.3 讨论61-64
• 第五章 帕金森病伴认知减退患者海马亚区结构的纵向结构磁共振研究64-75
• 5.1 材料与方法65-69
• 5.2 结果69-72
• 5.3 讨论72-75
• 全文总结75-76
• 参考文献76-90
• 文献综述 帕金森病运动与非运动症状以及影像学研究进展90-109
• 参考文献99-109
• 研究生期间发表的与课题相关的论文及获奖情况109-110
• 致谢110

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本文编号：817685