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综述
原发性失眠的磁共振氢质子波谱研究进展
赵舒仪 苏增锋

Cite this article as: Zhao SF, Su ZF. Research progress of proton magnetic resonance spectroscopy in primary insomnia[J]. Chin J Magn Reson Imaging, 2022, 13(1): 157-160.本文引用格式:赵舒仪, 苏增锋. 原发性失眠的磁共振氢质子波谱研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 157-160. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.037.


[摘要] 原发性失眠(primary insomnia,PI)是最常见的一种睡眠障碍。尽管我们对失眠的性质、病因和病理生理学的研究已在一定程度上取得进展,但目前仍然没有一种被普遍接受的病理生理学模型。现如今,最为广泛接受的假说认为PI是一种过度觉醒状态的表现。磁共振氢质子波谱(proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)提供了一种无创的方法来测量大脑中各神经递质与代谢产物的含量,新兴的多体素磁共振氢质子波谱甚至可以区别测量左右脑特定脑区域的神经递质与代谢产物浓度,这为PI的病理生理学、发病机制、诊断及治疗的研究打开一扇新的大门。本文系统总结了国内外以磁共振波谱为手段,研究原发性失眠各个脑区域不同神经递质与代谢产物的各项研究结果及其进展,为进一步探索PI的病理生理学机制及其诊断与治疗提供了新的视角。
[Abstract] Primary insomnia (PI) is one of the most common sleep disorders. Although we have made some progress in the study of the nature, etiology and pathophysiology of insomnia, there is still no universally accepted pathophysiological model. Today, the most widely accepted hypothesis is that PI is a manifestation of an over-arousal state.Proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) provides a non-invasive method to measure the levels of various neurotransmitter and metabolites in the brain, emerging the multi-voxel magnetic resonance spectroscopy can even measure the concentration of neurotransmitters and metabolites in specific brain areas, for the primary insomnia of pathophysiology, pathogenesis, diagnosis and treatment of research provides a fresh view. This paper systematically summarized the domestic and foreign research results and development process of different neurotransmitters and metabolites in various brain regions of primary insomnia by means of magnetic resonance spectroscopy, providing a new perspective for further exploration of the pathophysiological mechanism, diagnosis and treatment of primary insomnia.
[关键词] 原发性失眠;磁共振波谱;神经递质;综述文献
[Keywords] primary insomnia;proton magnetic resonance spectroscopy;neurotransmitter;review literature

赵舒仪    苏增锋 *  

安徽医科大学附属巢湖医院全科医学科,巢湖 238000

苏增锋,E-mail:suzengfeng@163.com

全部作者均声明无利益冲突。


基金项目: 安徽医科大学校科研基金项目 2020xkj219,2021zhyx-C56
收稿日期:2021-08-23
接受日期:2021-11-10
中图分类号:R445.2  R741 
文献标识码:A
DOI: 10.12015/issn.1674-8034.2022.01.037
本文引用格式:赵舒仪, 苏增锋. 原发性失眠的磁共振氢质子波谱研究进展[J]. 磁共振成像, 2022, 13(1): 157-160. DOI:10.12015/issn.1674-8034.2022.01.037

       原发性失眠(primary insomnia,PI)是最常见的失眠障碍,患病率约为10%~20%。性别对失眠症的患病率存在一定的影响,女性失眠症发病率比男性高,约为1.4∶1[1]。该疾病的主要特征是难以启动或维持睡眠,对睡眠时间、质量不满意,同时伴有痛苦感和日间行为能力障碍。此外,失眠患者发生意外事故的可能性也明显增加,其发生意外事故的可能性是健康人群的2.5~4.5倍[2, 3]。笔者将从磁共振氢质子波谱(proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)的视点出发,对PI患者各脑区域中γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid,GABA)、谷氨酸/谷氨酰胺(glutamate/glutamine,Glu/Gln)、N-乙酰天门冬氨酸(N-acetylaspartate,NAA)、胆碱复合物(choline-containing compounds,Cho)等神经递质与代谢产物含量变化规律的各项研究进行简要综述,分别探讨这些物质在PI的病理生理学机制中可能起到的作用,以期为今后PI的研究提供些许帮助。

1 1H-MRS与失眠

       1H-MRS的应用对此假说的建立和论证起到了巨大帮助。1H-MRS是目前较为先进的一种成像技术,可无创测定人体组织内特定代谢产物的含量[4, 5]。最早将其用于临床研究的实验可追溯至1985年[6]。自此,1H-MRS逐渐开始被广泛应用于包括心脏[7]、乳腺[8]、肿瘤[9]等领域的研究中。1988年,Welch等更是将1H-MRS用于中枢神经系统的研究[10],为之后探索神经系统疾病开辟了新视角。现如今,虽然我们对失眠的性质、病因和病理生理学研究已取得一定程度上的进展,但目前仍然缺乏一种被普遍认可的病理生理学模型[11],其中最被广泛接受的假说认为PI是一种过度觉醒状态的表现[12]1H-MRS技术的出现与成熟使得无创测量颅内各脑区域代谢产物成为了可能,也为原发性失眠病理生理学模型的建立提供了新的证据与猜想。

2 GABA与原发性失眠

       现今,有关GABA参与了睡眠调节的证据可归纳如下:(1)作为上行网状激动系统最常见的抑制性神经递质,GABA受体的激动剂苯二氮卓类药物治疗失眠有效[13]。其原理可能是通过增强丘脑腹外侧视前核对上行网状系统的抑制作用来促进快速眼动期(rapid eye movement,REM)睡眠[14];(2)已有生理、神经影像学证据支持PI的过度觉醒学说,而这种过度觉醒的状态可能与兴奋性和抑制性中枢神经系统功能失衡有关,GABA可能在其中发挥潜在的作用[15, 16, 17];(3) 1997年,Gauthier等[18]在动物实验中发现GABA受体拮抗剂对大鼠的睡眠-觉醒周期产生影响,表现在大鼠慢波睡眠时间的减少。此类PI的动物模型可进一步证明GABA在失眠的病理生理学机制中占有一席之地。

       2008年,Cedernaes等[19]首次将MRS用于测量PI患者脑皮质GABA含量的研究。该实验的实验对象由32人构成,分别为16名PI患者组成的实验组和16名正常睡眠者构成的对照组,男女比例为1∶1。实验测量的范围包括基底神经节、丘脑、颞叶、顶叶和枕叶的白质及灰质。但并未将这些区域分别进行对比与讨论,而是将测量结果取平均值后作为全脑的平均GABA水平进行分析。测量结果显示:PI患者全脑的平均GABA水平较健康人群下降了30%,且GABA水平与入睡后觉醒次数呈负相关。此次实验的创新性在于将1H-MRS应用于PI患者病理生理学机制的研究,并初步提出了PI患者的全脑GABA水平下降的可能性。但因为受限,该实验结果缺乏对脑区域的解剖特异性的研究,未充分探讨与睡眠调节密切相关的丘脑腹外侧视前核[19]、海马[20]、额叶皮质[21]等脑区域的特异性变化。

       2012年,Cedernaes等[19]在首次试验的基础上加强了MRS测量技术,将研究的脑区域特定到了枕叶皮质、前扣带回皮质及丘脑[22]。此次试验的实验对象也增加到了40名(20名PI患者与20名健康人群),男女比例为2∶3。结果显示:在枕叶皮质与前扣带回皮质中,PI组GABA的含量较对照组分别下降了31%与21%,而在丘脑中,两组的GABA含量的差异无统计学意义。此结果似乎和2002年Smith研究的PI患者在非快速眼动期(non-rapid eye movement,NREM)的神经影像吻合,该实验证明了PI患者NREM期枕叶的血流量有所下降,并推测这可能与PI发作时异常的中枢神经系统活动有关[23]

       值得注意的是,虽然以上两项实验[19,22]的结果和当前主流的PI神经生物学模型吻合[24],但并非所有的研究都支持PI患者中枢神经系统GABA含量下降。2012年,Morgan等[25]以16名PI患者与16名健康人群为研究对象测量枕叶皮质中GABA含量,结果却与之前Plante等[22]的实验结果大相径庭:此研究发现,PI患者枕叶皮质平均GABA水平较健康人群上升了12%,且GABA与睡眠启动后多导睡眠图观测到的觉醒时间成反比。鉴于对GABA在睡眠中的作用的基本了解[26],发现PI患者枕叶皮质GABA水平升高似乎是不合常理的。但从另一方面来说,这种升高可能是来源于应对PI的高觉醒状态时出现的适应性代偿反应。Morgan认为在PI患者的入睡中,睡眠系统并不是处于默认的唤醒状态,而是为了与过度觉醒相竞争,提高GABA能神经的功能,以此来抑制处于过度觉醒状态的单胺能神经[27]。在这种情况下,GABA水平将长期处于高水平响应长期的高觉醒状态。Morgan等[25]与Plante等[22}的实验结果亦存在重合部分,例如这两者都发现GABA与入睡后的觉醒次数与时间呈负相关,这也符合GABA在中枢神经系统中起主要抑制作用的客观事实[28]

       在Morgan等[25]的测量结果发表之后,Plante等[29]也迅速做出回应,其认为两项实验结果之间的矛盾,可能是实验所选用体素不同、实验对象的个体差异等因素共同导致[22,25]。同时Plante等认为导致测量结果不同的最大因素在于实验时间的不同:Plante[22]的测量时间选在白天,而Morgan[25]则在夜间进行实验,尽管已有文献确定过GABA在健康人群中的枕叶具有昼夜稳定性[30],测量时间的不同仍有可能影响实验的结果。Plante等的此项假设也为之后2016年Spiegelhalder等[31]的研究提供了启示。为进一步探寻PI患者脑中的GABA是否存在昼夜变化节律,Spiegelhalder等[31]进行了一项重复测量实验:该实验对象为20名PI患者与20名健康人群,男女比例为2∶3,测量区域包括ACC和背外侧前额叶皮层,此次实验最大的特点在于其测量MRS的时间,不同于之前实验[19,22,25]只在一天中选取一个时间点进行测量,Spiegelhalder在早、晚各取了一个时间点为实验对象进行了1H-MRS检查,以此来观察前扣带回皮质与背外侧前额叶皮层中GABA的昼夜含量是否存在差异。实验结果却出乎许多人的预料,其表明昼夜的变化并未对前扣带回皮质与背外侧前额叶皮层中GABA的含量起到影响,PI组与对照组之间GABA含量的差异也并无统计学意义,但前扣带回皮质中的GABA含量与实验对象的总睡眠时间成正相关。该结果支持GABA是一项可以衡量客观睡眠障碍的指标,也确有文献指出比起主观睡眠障碍,客观睡眠障碍与神经生物学的研究结果更为贴合[32]。Spiegelhalder等[31]的实验首次指出PI患者脑皮质中GABA含量并无昼夜变化,否认了之前Plant等[29]对GABA存在昼夜节律性的假设,同时也增加了PI神经成像研究中出现的不一致的画面[22,25,31]。有趣的是,虽然以上三项实验[22,25,31]对于GABA在PI患者脑中的含量变化得出的结论并不相同,但其都承认人中枢神经系统中GABA的含量与失眠时长成正相关,这也符合电生理的研究结果[33]

       总而言之,虽然已有证据证明GABA在PI的病理生理学机制中确实起到了不容忽视的作用,但对于PI患者各脑区域中GABA含量的变化规律至今仍然没有一个统一的答案,现已进行的实验[22,25,31]得出了三种完全不相同的结论。以上讨论的三个实验所使用的GABA测量方法是完全一致的,皆是使用了J-耦合编辑点分辨波谱序列(MEGA-PRESS)并进行差异剪辑,接着使用LCModel软件对获得的光谱进行拟合和量化。故很难考虑如此大的研究差异是因测量方法的不同所造成。造成这种差异的因素是多方面的,其中最主要的因素应该是过小的样本量使组间分析的功效降低,这是神经生物学研究共存的缺陷[34]。另外,对GABA含量进行测量时产生的大分子污染也有可能导致测量结果发生偏差[35]

3 Glu/Gln与原发性失眠

       Glu是脑内含量最丰富的兴奋性神经递质,电生理研究也已证实Glu在睡眠的调控中起重要作用[33],在基底前脑中Glu能神经元比胆碱能神经元具有更强的唤醒促进作用。

       Glu和Gln的分子结构非常相似,因此会产生相似的磁共振波谱图,为避免在Glu和Gln的波谱分配中造成混淆,做1H-MRS检测时一般使用术语“Glx”来反映Glu和Gln浓度的组合(即Glx=Glu+Gln)[36]。早在1999年,Rothman等[37]就提出了使用MRS检测脑内Glx含量的方法并进行了尝试。已有研究表明PI患者全大脑皮质、前扣带回皮质与背外侧前额叶皮层的Glx含量相较健康人群无明显变化,而Spiegelhalder等[31]的重复测量实验则对此进行了更深入的讨论:其研究发现,在重复测量实验中前扣带回皮质与背外侧前额叶皮层的Glx含量具有明显的处理组与测量时间的交互效应,而这交互效应的根源则是PI患者全天Glx水平的升高,升高的Glx水平恰是PI患者处于高觉醒状态的表现,这与有关失眠的高唤醒的大量文献一致[38]

4 NAA、Cho与原发性失眠

       NAA、Cho与PI发病机制的关联并不如GABA和Glx明确[39]。国外的各项试验也一致确定其在PI患者脑中的含量与健康人群并无明显差异,故近期国外已无实验对其含量与PI之间的关系进行更深层次的研究。但有文献表明NAA与神经元的成熟及其完整性有着确切的关系[40],近期也有人认为神经发育障碍可能会导致PI的发生[41]。胆碱能神经元作为上行网状激动系统的主要成员之一,对觉醒的发生有着至关重要的作用,Cho作为胆碱能神经元主要的神经递质,很可能也与PI的发生有着联系[42]

       国内学者的一些研究则在一定程度上填补了这些空白。2013年,彭博等针对PI患者额叶与海马的NAA、Cho、Cr含量展开了研究,创新性地采用了多体素MRS以区分左右侧脑区的差异[43]。其结果表明PI组左、右侧额叶NAA/Cr含量均低于对照组但右侧额叶Cho水平则高于对照组。遗憾的是,虽左背侧额叶损失与失眠的相关性已被确实[44],但这并不足以解释本次实验所观测到的现象,额叶NAA、Cho水平和失眠的相关性仍需进一步研究来确定。

       近年来,动物实验发现小脑对睡眠-觉醒的电生理起调节作用:NREM期睡眠<1 Hz的慢振荡节律与小脑活动的显著增加有关[45]。国内也开展了针对PI患者小脑1H-MRS的研究[46],此实验共纳入23名PI患者(男女比例1∶2)与18名健康人群(男女比例4∶5)。结果发现PI组右侧小脑中央核NAA/Cr比值低于对照组且所有受试者右侧小脑中央核NAA/Cr比值与入睡潜伏期及觉醒次数呈负相关。因NAA与神经元的完整性相关[47],故可猜测PI患者可能具有右侧小脑中央核的神经元损伤或缺失,但尚缺乏可证实这一猜想的有力证据。

5 结语

       随着技术的更迭,利用1H-MRS进行PI研究的方法愈发完善与多元。从最初只能不分区域地测量PI患者全脑神经递质与代谢产物含量,到现在可以测量特定脑区域的目标物质含量,甚至最近国内应用多体素磁共振已经能够分别测量左右侧脑区的目标物质含量的差异,这些研究对探明PI的神经生物学基础提供了相当大的帮助。但如表1所示,这些研究结果并不一致,或局限于过小的样本量,或存在一些技术上的缺陷,以致目前仍缺乏一项大样本量的实验来进行补足。另外,因脑内GABA和Glx的含量并不高,而低浓度代谢物的编辑测量具有低信噪比的特点,这将对测量结果的准确性带来极大的挑战。面对此挑战,有人从改变场强强度的角度进行了尝试,提出在7 T超高磁场强度下,丘脑中Glx的信噪比较在3 T场强下有明显提高[48]。但在脑桥区域,3 T场强貌似具有更高的信噪比、更低的半高宽和更低的克拉美罗限。相信随着技术的精进与研究方法的完善,现在所面临的这些挑战将会被逐一克服,1H-MRS将为探明PI病理生理学机制提供更多的线索与证据。

表1  失眠相关分子在各脑区域变化趋势
Tab. 1  Trends of insomnia-related molecules in various brain regions

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