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基础研究
终末期肾病患者脑灰质体积变化与执行功能的相关性研究
方杰 王海宝 齐向明 司丽 李之豪 刘雅睿 邹帆

Cite this article as: Fang J, Wang HB, Qi XM, et al. The correlation between brain gray matter volume changes and executive function in patients with end-stage renal disease[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(1): 86-90.本文引用格式:方杰, 王海宝, 齐向明, 等. 终末期肾病患者脑灰质体积变化与执行功能的相关性研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 86-90. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.017.


[摘要] 目的 采用基于体素的形态学测量(voxel-based morphometry,VBM)方法探讨终末期肾病(end stage renal disease,ESRD)患者脑灰质体积变化及其与执行功能障碍的相关性。材料与方法 41名ESRD患者(ESRD组)与年龄、性别、教育水平相匹配的41名健康志愿者(正常对照组)均接受头颅3D-T1WI MRI扫描及执行功能行为学测试,采用VBM方法测量两组脑灰质体积,使用SPM 12软件对两组脑灰质体积进行双样本独立t检验比较差异性,并将ESRD组差异脑区灰质体积与执行功能测试评分进行Pearson相关分析。结果 与正常对照组相比,ESRD组前扣带回、双侧中扣带回、双侧岛叶、左侧额中回、左侧颞横回、左侧海马及左侧尾状核灰质体积显著变小(P<0.05,FWE校正)。前扣带回、左侧中扣带回及左侧岛叶灰质体积与连线测试A (trail making test A,TMT-A)评分存在显著负相关(P<0.05),前扣带回、双侧岛叶、左侧额中回、左侧颞横回及左侧海马灰质体积与数字符号转换测试(digit symbol substitution test,DSST)评分存在显著正相关(P<0.05)。结论 ESRD患者脑灰质结构存在异常,且扣带回、前额叶及颞叶部分脑区灰质萎缩与患者执行功能损害程度相关。
[Abstract] Objective To investigate the brain gray matter volume changes and its relationship with executive function in patients with end stage renal disease (ESRD) by using voxel-based morphometry (VBM). Materials andMethods Forty-one patients with ESRD (ESRD group) and 41 gender-, age- and education- matched healthy volunteers (normal control group) were performed by 3D-T1WI MRI scans and executive function tests. To calculate the brain gray matter volume of two groups with VBM, the two-sample independent t-test was performed to test the differences of brain gray matter volume between the two groups. Pearson correlation analysis was performed between different brain gray matter volume and executive function test scores in the ESRD group.Results Compared with normal control group, brain regions of the significantly decreased gray matter volume in ESRD group included anterior cingulate gyrus, bilateral middle cingulate gyrus, bilateral insula, left middle frontal gyrus, left transverse temporal gyrus, left hippocampus and left caudate (P<0.05, FWE corrected). The gray matter volume in anterior cingulate gyrus, left middle cingulate gyrus and left insula were negatively correlated with trail making test A (TMT-A) score (P<0.05), the gray matter volume in anterior cingulate gyrus, bilateral insula, left middle frontal gyrus, left transverse temporal gyrus and left hippocampus were positively correlated with digit symbol substitution test(DSST) score (P<0.05).Conclusion There are abnormal gray matter structures in ESRD patients, and the gray matter atrophy in cingulate gyrus, prefrontal lobe and temporal lobe were associated with the degree of executive dysfunction.
[关键词] 终末期肾病;基于体素的形态学测量;执行功能障碍;磁共振成像;脑结构
[Keywords] end stage renal disease;voxel-based morphometry;executive dysfunction;magnetic resonance imaging;brain structure

方杰 1   王海宝 1*   齐向明 2   司丽 2   李之豪 1   刘雅睿 1   邹帆 1  

1 安徽医科大学第一附属医院放射科,合肥 230022

2 安徽医科大学第一附属医院肾脏内科,合肥 230022

王海宝,E-mail:wanghaibao916@163.com

全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 安徽省自然科学基金面上项目 1908085MH245 安徽高校自然科学研究项目 KJ2018A0493
收稿日期:2021-07-24
接受日期:2021-11-09
中图分类号:R445.2  R749.2 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.01.017
本文引用格式:方杰, 王海宝, 齐向明, 等. 终末期肾病患者脑灰质体积变化与执行功能的相关性研究[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 86-90. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.017

       终末期肾病(end stage renal disease,ESRD)患者普遍存在认知障碍,发生率可达30%~60%,主要表现为执行功能、视空间能力、注意力及记忆力等多维度认知功能下降,其中执行功能障碍最为突出[1]。执行功能参与复杂的、高阶的自我调节和控制过程,负责调节人类思想、情感和行为的认知控制机制,包括注意力、认知灵活性、语言流畅性、反应抑制和工作记忆等方面[2]。执行功能可以通过神经行为学量表进行评估,其中连线测试(trail making test,TMT)及数字符号替换试验(digit symbol substitution test,DSST)量表涉及执行功能多个方面,已经被广泛运用[3, 4, 5]。近年来,多模态磁共振技术已经阐明了ESRD患者存在多个脑区结构[6, 7, 8]、功能[9, 10, 11]及代谢[12, 13]异常,并且与认知功能损害有关,尤其是前额叶及扣带回脑区,与执行功能密切相关[14, 15],但有关ESRD患者执行功能障碍神经机制的研究少有报道。基于体素的形态学测量(voxel-based morphometry,VBM)方法能够无创、全面、客观评价脑结构改变,已经在认知障碍相关疾病的神经影像学研究中普遍应用[16]。本研究采用VBM方法观察ESRD患者脑灰质体积改变,探讨其脑灰质体积异常与执行功能障碍的相关性,进一步理解ESRD患者执行功能障碍神经机制,以期为早期发现ESRD患者认知功能损害、指导临床治疗提供神经影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究纳入的ESRD患者组为2019年11月至2021年3月于安徽医科大学第一附属医院高新院区肾内科接受治疗的41名ESRD患者,其中男15例,女26例,25~65岁。纳入标准:(1)肾小球滤过率(glomerular filtration rate,GFR)≤15 mL/(min·1.73 m2);(2)病情稳定患者,无呼吸困难、心衰、恶心、乏力等症状;(3)右利手,无视听力障碍,能完成认知功能测试;(4)无MR检查禁忌证。排除标准:(1)存在颅脑外伤、肿瘤、卒中等其他神经系统疾病;(2)存在酒精、药物滥用史;(3)既往有神经精神疾病史。正常对照组为同期招募的41名与ESRD患者组年龄、性别及教育年限相匹配的健康人,其中男21名,女20名,年龄24~62岁,所有对照组受试者均为右利手、无MR检查禁忌证、既往无肾脏等代谢性疾病、颅脑疾病、神经精神疾病及物质滥用史等。本研究得到安徽医科大学生物伦理委员会批准(批准文号:20190474),所有受试者均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 执行功能测试

       所有被试在接受MR检查前,完成TMT-A及DSST测试。TMT及DSST是关于视觉搜索能力、注意力、处理速度、认知灵活性及工作记忆等涉及执行功能的测试,已经被广泛运用在临床中进行执行功能评价[3, 4, 5]。TMT测试包含A、B两部分,TMT-A要求受试者将随机分布的1~25数字,按照升序连接起来,TMT-B要求受试者将随机分布的1~13数字与A~L字母按照1-A-2-B…13的数字及字母顺序连接起来,记录完成每个测试所需要的时间,用时越短,说明执行功能越好,鉴于受试者文化水平影响,对英文字母的掌握程度差别较大,对结果可靠性干扰较大,本研究中采用TMT-A测试进行执行功能评分;DSST要求受试者熟悉1~9数字分别对应的9个符号后,然后在90 s内尽可能快且准确地在给出的数字下填写相对应的符号,记录正确对数越多,执行功能越好。

1.2.2 MRI数据采集

       采用Philips Ingenia 3.0 T磁共振及16通道头颅专用线圈进行磁共振数据采集。嘱托受试者在接受检查过程中保持不动、闭眼、清醒状态,受试者佩戴海绵耳塞以减少噪声影响,头部与线圈之间填塞海绵垫,以减少头部运动。每位受试者先采集头颅T2WI Flair图像,用于排除器质性病变;进一步采集矢状位3D-T1高分辨解剖结构像,采集参数:TE 2.9 ms,TR 6.5 ms,FOV 256 mm×256 mm×211 mm,FA 9°,矩阵256×256,层厚1 mm,层距0 mm,层数211,扫描时间6 min 12 s。

1.2.3 MRI数据处理

       基于MATLAB R2018a数据处理软件平台,采用DPARSFA中的VBM 8工具包对所有被试3D-T1WI进行预处理:将3D-T1WI结构像原点定于胼胝体前联合进行校正,校正后图像分割成白质、脑脊液及灰质3部分;然后配准到蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute,MNI)标准模板进行标准化;采用全宽半高(full width at half-maximum,FWHM) 8 mm高斯核平滑处理。

1.3 数据分析

       两组临床资料及执行功能测试评分差异比较采用SPSS 22.0统计学软件分析,计数资料采用两独立样本t检验,计量资料采用χ2检验。采用SPM 12数据处理软件对两组受试者脑灰质体积进行两独立样本t检验(P<0.05,FWE校正,簇块数>50)比较差异性,并以年龄、性别及教育水平作为协变量,根据MNI坐标叠加到标准脑模板,最后得出具有显著性差异脑区及其统计学参数。以两组脑灰质体积显著差异脑区作为感兴趣区(region of interest,ROI),提取ESRD患者ROI脑灰质体积,进一步采用SPSS 22.0统计学软件,与执行功能测试评分作Pearson相关分析,P<0.05为具有统计学意义。

2 结果

2.1 两组临床资料及执行功能测试评分比较

       ESRD组与正常对照组年龄、性别及教育水平差异无统计学意义(P均>0.05),两组TMT-A及DSST评分差异具有统计学意义(P均<0.05),见表1

表1  两组受试者一般临床资料及认知功能评分比较
Tab. 1  Demographic and cognitive function data of two groups

2.2 两组受试者脑灰质体积比较

       与正常对照组相比,ESRD患者前扣带回、双侧中扣带回、双侧岛叶、左侧额中回、左侧颞横回、左侧海马及左侧尾状核脑灰质体积显著变小(P<0.05,FWE校正),无显著增加脑区,见表2图1

图1  终末期肾病(ESRD)组与正常对照组脑灰质体积显著差异脑区,黄色区域:ESRD患者组<正常对照组。
Fig. 1  The brain regions with different gray matter volumes in ESRD group and normal control group, yellow areas: ESRD patients group<normal control group.
表2  ESRD组脑灰质体积减小脑区
Tab. 2  Brain regions with decreased gray matter volumes in ESRD group

2.3 ESRD患者萎缩脑灰质体积与执行功能测试评分相关性

       Pearson相关性分析显示:ESRD患者前扣带回、左侧中扣带回及左侧岛叶脑灰质体积与TMT-A评分存在显著负相关(P<0.05),前扣带回、双侧岛叶、左侧额中回、左侧颞横回及左侧海马灰质体积与DSST评分存在显著正相关(P<0.05),见表3图2

图2  相关分析散点图。终末期肾病(ESRD)组灰质体积缩小脑区与连线测试-A (TMT-A)及数字符号替换试验(DSST)评分相关性。
Fig. 2  Correlation analysis scatter plot. Correlation between brain regions with decreased gray matter volume and TMT-A, DSST score in ESRD group.
表3  ESRD组灰质体积减小脑区与TMT-A及DSST评分的相关性
Tab. 3  Correlation between brain regions with decreased gray matter volume and TMT-A, DSST score in ESRD group

3 讨论

       本研究采用VBM方法对ESRD患者及正常对照组进行脑灰质体积分析发现,ESRD患者较正常对照组存在多个脑区灰质体积变小,尤其是前额叶、颞叶及扣带回灰质体积变小与执行功能存在相关性,表明了ESRD能够引起脑灰质体积变化,提示脑萎缩参与患者的脑异常机制,并且特定脑区萎缩可能与执行功能损害有关,为理解ESRD患者脑认知障碍机制提供了神经影像学标志物。

3.1 ESRD患者脑灰质体积变化

       本研究结果中ESRD患者脑灰质体积缩小脑区有前扣带回、双侧岛叶、双侧中扣带回、左侧额中回、左侧颞横回、左侧海马及左侧尾状核,涉及默认网络、额顶执行控制网络及凸显网络等组成脑区,这与既往研究中ESRD患者脑灰质体积异常分布存在相一致脑区。Zhang等[6]发现ESRD患者双侧额中回、颞上回、岛叶、后扣带回及海马脑灰质体积变小;Qiu等[17]研究中ESRD患者的脑背外侧前额叶及内侧前额叶(前扣带回)存在脑灰质萎缩。本研究还发现左侧尾状核体积萎缩,尾状核体积改变在既往研究[6,17,18]中不一致,可能与研究对象分型及样本量大小有关,具体机制需要进一步探索。有关ESRD患者脑皮层厚度的研究也发现本研究中部分灰质体积缩小脑区存在皮层厚度减小[8,19]。虽然和本研究采用的方法不同,但均表明了ESRD能够影响患者的脑灰质结构,为理解ESRD患者脑异常机制提供了客观影像学依据。

3.2 ESRD患者脑灰质体积改变与执行功能的相关性

       本研究发现ESRD患者TMT-A及DSST结果均差于正常对照组,提示ESRD患者执行功能受损,进一步相关分析显示ESRD患者前额叶、颞叶及扣带回灰质萎缩与TMT-A (负相关)及DSST (正相关)评分存在相关性,这与Zhang等[6]发现ESRD患者前扣带回及中扣带回脑灰质体积与数字连线测试评分存在负相关,额叶、颞叶及后扣带回脑灰质体积与数字符号测试评分存在正相关相一致,既往静息态fMRI研究[20]也发现ESRD患者额中回、中扣带回功能减弱会引起执行功能下降,Karim等[4]发现在fMRI扫描过程中进行改编计算机版DSST测试,额中回、前扣带回、中扣带回、海马、岛叶等脑区存在显著激活,进一步提示这些脑区灰质萎缩可能参与了ESRD患者执行功能受损神经机制。

       前额叶-皮层下环路与执行功能存在密切关系,其组成脑区结构或功能异常会引起环路信息传递障碍,导致执行功能受损[3]。额中回及前扣带回作为前额叶的组成部分,因此,ESRD患者执行功能受损可能与前额叶脑灰质萎缩存在密切关系。我们发现本研究中萎缩的额中回灰质位于背外侧前额叶,背外侧前额叶是额顶执行控制网络的重要节点,与执行功能、注意力及工作记忆有关,额顶网络的皮层表征能够预测执行功能的个体差异性[21]。前扣带回作为边缘系统及认知网络重要节点之一,参与认知、注意力及执行功能等高级认知调控,能够通过参与自上而下调节系统进而干预执行功能[14, 15],有助于进一步理解ESRD患者额中回及前扣带回脑灰质萎缩在一定程度上参与其执行功能障碍脑机制。中扣带回紧邻前扣带回后部,与其他皮层存在广泛纤维连接,参与注意控制、工作记忆、认知规划、响应选择等认知控制[15,22],既往研究发现注意缺陷多动障碍患者中扣带回脑灰质萎缩[22, 23]及脑白质病变患者扣带回纤维连接受损[3]能够引起执行功能障碍。

       既往研究[14]发现伴有执行功能障碍的注意缺陷多动障碍患者存在海马及岛叶体积缩小,Fontes等[24]研究也发现先天性心脏病患者海马体积缩小与执行功能相关,本研究结果与之相符。海马是默认网络内侧颞叶子系统的组成部分,参与记忆、学习和行为在内的高级认知调控,研究[25]发现海马结构异常与许多疾病的认知障碍有关,被认为是认知障碍主要受损脑区,越来越多的研究[23]也发现海马回路在执行功能中起着重要作用。岛叶与前额叶、扣带回及海马等皮层及皮层下结构存在广泛连接,参与认知控制、注意调节、计划决策及情感加工等,前岛叶是凸显网络的重要节点,参与认知执行控制任务时,在默认网络及额顶执行控制网络切换中起着重要作用[26]。默认网络、突显网络及额顶执行控制网络均与执行功能密切相关[27]。岛叶结构异常可能引起脑网络结构及功能连接中断,导致信息传递异常,进而引起相应认知执行功能障碍。

3.3 本研究的研究局限性及展望

       本研究存在一定的局限性,纳入的研究量相对较少,未对ESRD患者进行分组讨论(如患者是否进行透析、ESRD患者透析类型、是否存在认知障碍等);本研究为横断层面的研究,不能对经过透析、药物及行为学治疗的ESRD患者进行有效评估,需要后期进一步对ESRD患者疾病发展及治疗效果进行动态监测。

       综上所述,我们发现ESRD患者脑灰质体积存在异常,涉及默认网络、额顶执行控制网络及凸显网络等组成脑区,并且扣带回、前额叶及颞叶部分脑区与执行功能损害程度存在密切关系,提示ESRD患者脑灰质萎缩参与了执行功能损害神经机制,为进一步理解ESRD患者执行功能障碍提供神经影像学依据。此外,我们发现ESRD患者存在执行功能障碍,需要增强对ESRD患者执行功能障碍的认识以及进一步早期干预,对改善患者临床症状及生活质量具有潜在的临床实践意义。

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