研究目的：近日，來自賓夕法尼亞大學(xué)Jeffrey S. Phillips等研究者采集了阿茲海默癥病人的縱向腦數(shù)據(jù)，來區(qū)分非遺忘性阿爾茲海默癥和遺忘性阿爾茲海默癥患者大腦灰質(zhì)的早期萎縮和隨后的疾病擴散變化。該研究發(fā)表在BRAIN雜志。
研究方法：
被試：非遺忘性患者57例，包括logopenic-variant原發(fā)性進行性失語癥(lvPPA, n = 25)，后皮質(zhì)萎縮型（PCA, n = 20）以及額葉病變型（FvAD, n =12）。遺忘性患者 17例。同時設(shè)置對照組（n = 37）。
研究手段：首先，評估可疑疾病起源部位的萎縮，并根據(jù)年齡、性別和認知障礙的嚴重程度進行調(diào)整。然后，進行探索性全腦分析，來研究這些區(qū)域內(nèi)外的縱向疾病擴散，以及每種表型是否在其相關(guān)疾病病灶中表現(xiàn)出比其他表型更快速的變化。最后，研究萎縮是否與結(jié)構(gòu)性大腦連接有關(guān)。
研究結(jié)果:
每種非遺忘性表型顯示出與認知衰退相關(guān)的初始萎縮和隨后新皮質(zhì)變化的獨特模式。縱向萎縮包括接近和遠離初始萎縮部位的區(qū)域，表明疾病擴散的異質(zhì)性。此外，新皮層變化的區(qū)域比率因表型而異。與其他組相比，lvPPA（原發(fā)性進行性失語癥）在左側(cè)顳葉區(qū)域表現(xiàn)出更大的初始萎縮和更快的縱向變化。FvAD（額葉病變型）左側(cè)腦島和額中回明顯萎縮，并且左側(cè)腦島比其他非遺忘性患者萎縮更快。在內(nèi)側(cè)顳葉中，非遺忘性患者在初始掃描時的萎縮少于遺忘性患者，但縱向變化率在患者組之間沒有差異。因此，非遺忘性阿爾茨海默癥患者內(nèi)側(cè)顳葉的保留可能是由于內(nèi)側(cè)顳葉退化的時間晚于遺忘性患者，而不是隨時間變化的萎縮率的差異。最后，通過結(jié)構(gòu)連接（structural connectivity）預(yù)測縱向萎縮的程度，用節(jié)點度（node degree）來衡量；這一結(jié)果為長距離纖維通路在神經(jīng)退行性疾病擴散中的作用提供了間接支持。
背景：
非遺忘性阿爾茲海默癥與遺忘性阿爾茨海默癥存在許多的病理和臨床差異，包括相對突出的新皮質(zhì)疾病和相對海馬保留。臨床上，非典型阿爾茲海默癥包括至少四種非遺忘性表型：
1.logopenic-variant原發(fā)性進行性失語癥（lvPPA），其特征在于原發(fā)性語言缺陷。
2.后皮質(zhì)萎縮（PCA），以視覺空間缺陷為特征。
3.以執(zhí)行功能或社會行為缺陷為特征的患者，通常被稱為額葉變異阿爾茨海默癥（FcAD）。
4.以及皮質(zhì)基底綜合征（CBS），患者常出現(xiàn)側(cè)向運動和認知缺陷。這些綜合征的臨床演化率不同于遺忘性阿爾茲海默癥(aAD)。
該研究者先前對非遺忘性阿爾茲海默癥的橫斷性MRI分析表明：每種非遺忘性阿爾茨海默癥表型都有一個不同的新皮質(zhì)起源——內(nèi)側(cè)顳葉相對較少(MTL)；同時，每種表型都有一種不同于遺忘性阿爾茲海默癥的疾病擴散模式。
為驗證和擴展此前的工作，研究者使用縱向MRI從疾病擴散到的每種表型來分析其早期萎縮模式。此外，分析遺忘性阿爾茲海默癥和非遺忘性阿爾茲海默癥的解剖分布和灰質(zhì)萎縮隨時間的縱向速率是否不同。這種差異或許可以解釋遺忘和非遺忘性阿爾茲海默癥不同表型的特異性模式。
方法：
數(shù)據(jù)采集：
該研究采用賓夕法尼亞大學(xué)綜合神經(jīng)退行性疾病數(shù)據(jù)庫（the Integrated Neurodegenerative Disease Database）的回顧性數(shù)據(jù)，使用縱向病例對照設(shè)計。參與者通過賓夕法尼亞額顳退化中心（the Penn Frontotemporal Degeneration Center, FTDC）和賓夕法尼亞記憶中心（the Penn Memory Center, PMC）招募。90例患者具有可獲得的縱向數(shù)據(jù)并且表現(xiàn)出感興趣的臨床表型，如下所述。
在招募時，對所有患者進行MRI掃描，篩查腦血管疾病，腦積水或白質(zhì)病變的跡象；那些Fazekas量表評分> 1的人被排除在外。另外，兩名評估者（J.S.P. 和F.D.R.）目視檢查MRI掃描， 16例患者因數(shù)據(jù)質(zhì)量差被排除。最終樣本包括來自74例患者的T1加權(quán)MRI掃描（181層，0.98 mm * 0.98mm *1 mm voxel大小，256*192矩陣）（lvPPA, n = 25;PCA, n = 20;FvAD, n = 12; aAD, n =17）和來自37名人口統(tǒng)計學(xué)匹配對照的85次掃描。大多數(shù)參與者（48/74患者組和29/37對照組）僅有兩次可用掃描；剩下的參與者每人有三至四次掃描。最終納入了從最初的MRI開始，最少間隔6個月至3.5年的掃描；在此間隔之外，沒有足夠的觀察來進行有效的分析。該研究包括了作者之前的橫斷面研究的54例患者(Phillips等，2018)(lvPPA, n = 24;PCA, n = 16;FvAD, n = 6; aAD, n=8)。表1列出了第一次掃描時的被試信息。
表一 各組被試基本信息信息表
在疾病研究中，病人病型的篩選和各種變量的控制將會對研究結(jié)果的可信度有明顯的影響。因此，本次研究中作者在病型篩選以及對各種可能影響結(jié)果的變量都進行了良好的控制和把握。所有患者均由經(jīng)驗豐富的神經(jīng)學(xué)家進行臨床診斷,并由具有癡呆癥專業(yè)知識的臨床醫(yī)生在患者初次就診后一致確認診斷結(jié)果。疾病亞類型的劃分都嚴格按照相應(yīng)疾病的臨床特征來進行區(qū)分。由于臨床鑒別阿爾茨海默病引起的行為/執(zhí)行障礙綜合征與FTLD的挑戰(zhàn)，作者還對額葉變異阿爾茨海默病組進行了額外的篩查。
同時，Shapiro-Wilks檢驗表明，除此MRI檢查時，受教育程度、疾病持續(xù)時間、年齡和迷你精神狀態(tài)檢查(MMSE)分數(shù)呈非正態(tài)分布（p<0.001）。組間的Kruskal-Wallis 檢驗表明，除了MMSE（all U >= 428, P < 0.001 ）有明顯的組間差異以外，在其他因素方面不存在組間差異，這表明病人組表現(xiàn)出的明顯的認知障礙。除此以外，為了證實非遺忘性阿爾茲海默癥病人在不同認知領(lǐng)域表現(xiàn)出的領(lǐng)域特異性認知障礙，作者還使用費城認知簡要評估(PBAC)表評估了病人組在特定項目上的表現(xiàn)。
數(shù)據(jù)分析：
使用ANTs工具包進行圖像預(yù)處理，通過the Open Access Series ofImaging Studies (OASIS) 提供的健康被試的模板對所有圖像進行強度歸一化（intensitynormalization）和空間歸一化（spatially normalized）處理。使用基于先驗?zāi)０宓姆椒ò褕D像分成6個組織類別(皮質(zhì)灰質(zhì)、皮質(zhì)下灰質(zhì)、深部白質(zhì)、腦脊液、腦干和小腦)。然后用這個組織分割來估計皮質(zhì)厚度。作者使用了一種聯(lián)合標(biāo)簽融合方法來將每個使用偽測地線注冊的圖像與Mindboggle-101標(biāo)簽對齊(基于Desikan-Killainy-Tourville標(biāo)簽方案)。從而計算每個標(biāo)簽內(nèi)的灰質(zhì)體素的體積，按顱內(nèi)體積歸一化并轉(zhuǎn)換為相對于對照組初始掃描的z分數(shù)。為了進行體素組分析，作者使用之前計算的空間變換矩陣將皮質(zhì)厚度圖像配準到模板;然后用2-sigma的高斯核對這些圖像進行空間平滑，并向下采樣到2毫米各向同性體素。
根據(jù)先前橫斷研究結(jié)果確定感興趣區(qū)為每種阿爾茲海默癥表型中最常萎縮的區(qū)域，分別是 lvPPA組的左顳中回和顳上回;PCA組的右楔前葉、頂葉上葉、角狀回、眶上回和顳中回;以及額葉變異性阿爾茨海默病的左島葉前部、額中回和右側(cè)顳中回（具體見表2）。研究者假設(shè)每種非遺忘性表型感興趣區(qū)在參與者的初始MRI掃描時表現(xiàn)出較小體積，并且在與其相關(guān)的患者組中相對于其他組體積隨時間的減少更快；遺忘性表型的MTL（內(nèi)側(cè)額葉）表現(xiàn)出選擇性萎縮。采用多因素線性回歸模型，以年齡、性別和初次MRI時MMSE評分為協(xié)變量，分析初次MRI時的萎縮情況；控制組為參照組。采用線性混合效應(yīng)(LME)模型，以組別、首次掃描開始時間以及二者的交互作用為固定因子，對縱向萎縮進行評估。協(xié)變量與基線模型一樣，并納入特定于受試者的隨機截距。在縱向模型中，對初始MRI時的組效應(yīng)和組別×?xí)r間的交互效應(yīng)進行事后比較；FDR校正后，p < 0.05則顯著。
表2 不同組被試的ROI選擇及對應(yīng)區(qū)域統(tǒng)計結(jié)果
隨后，研究者使用LME模型將腦灰質(zhì)體積變化與每次成像后1年內(nèi)的神經(jīng)心理表現(xiàn)聯(lián)系起來。由于觀察次數(shù)有限，僅考慮萎縮和時間的線性關(guān)系。針對每個測量計算單獨的LME模型并且在相關(guān)的感興趣區(qū)中進行變化。因此，認知功能與六個感興趣區(qū)灰質(zhì)體積的MTL相關(guān)。神經(jīng)心理學(xué)得出了每個模型的結(jié)果；作為固定效應(yīng)的預(yù)測因子包括初試MRI的局部灰質(zhì)體積、隨后的體積變化，以及作為協(xié)變量的性別和受教育水平。另外，在LME模型中包括受試者特異性隨機截距。由于神經(jīng)心理學(xué)數(shù)據(jù)有限，這些模型省略了控制組。每個模型中局部體積變化經(jīng)過FDR矯正p<0.05為顯著。之后，研究者采用全腦下的體素水平（voxel-wise）的探索性分析，來研究先驗的感興趣區(qū)中未包含皮質(zhì)的厚度差異。
結(jié)構(gòu)連接構(gòu)建：
為了研究萎縮的發(fā)展和大腦連接之間的關(guān)系，作者借鑒了Yeh etal. (2018) 的方法將縱向萎縮與結(jié)構(gòu)群體平均結(jié)構(gòu)連接測量方法聯(lián)系起來建立結(jié)構(gòu)連接。具體操作方法如下：
使用 R語言的graph包 (https://igraph.org/r/)，從Yeh et al. (2018)的連通性矩陣中創(chuàng)建了一個結(jié)構(gòu)連通性的無加權(quán)無向圖，剔除小腦和腦干，總共生成62個節(jié)點(即大腦區(qū)域）。每個節(jié)點的度計算為與其他區(qū)域的非零白質(zhì)連接的數(shù)量。自己連接自己的矩陣點被排除在外;因此，節(jié)點的最大可能度為61。與Mindboggle標(biāo)簽一樣，容量由每個參與者的顱內(nèi)容量標(biāo)準化，并轉(zhuǎn)換為相對于對照樣本的區(qū)域均值和標(biāo)準差的z分數(shù)。計算每個區(qū)域的灰質(zhì)體積隨時間的年化變化，方法是從每個參與者的第一次和最后一次可用掃描中減去這些z分數(shù)體積度量，然后除以時間間隔。然后，作者計算了一個線性混合效應(yīng)模型，結(jié)果為年際變化，組、節(jié)度和組度相互作用的固定效應(yīng)，每個區(qū)域的基線體積、患者初始MRI年齡和性別均為協(xié)變量。還將對照組各區(qū)域的平均體積(即原始體積除以顱內(nèi)體積)作為協(xié)變量，以確保節(jié)點度的變化不只是反映區(qū)域大小的差異。對每個參與者進行隨機截距估計，顯著性閾值為p<0.05。
結(jié)果
ROI的假設(shè)驅(qū)動分析
1. 在每種表型的早期萎縮區(qū)域分析的結(jié)果。
初次MRI顯示的萎縮模式證實了先前對非遺忘性阿爾茨海默病的橫斷面研究，支持了臨床診斷的準確性。在橫斷模型中，所有感興趣區(qū)表現(xiàn)出與年齡和MMSE無關(guān)的組別主效應(yīng)。在縱向模型中，與對照組相比，早期明顯萎縮的區(qū)域在隨訪期間往往顯示出進一步的進展。然而，隨著時間的推移，一部分大腦區(qū)域的變化并不顯著(表2)，這表明萎縮的速度在放緩。這些區(qū)域包括遺忘性阿爾茨海默病的左內(nèi)嗅回和右角回;lvPPA的左前島葉;PCA的右上頂葉;和額變阿爾茨海默氏癥的左額中回。另外，在解釋不同患者群體的結(jié)果時，應(yīng)考慮樣本量的變化。
圖一 不同組病人在感興趣區(qū)域灰質(zhì)體體積比較圖
圖2 不同組病人感興趣區(qū)灰質(zhì)率縱向變化圖
每種表型的許多大腦區(qū)域盡管在初始掃描時沒發(fā)生萎縮，但隨著時間推移有顯著變化（例如：lvPPA組-右頂葉， PCA組-左側(cè)顳上回和額中回）。FvAD組表現(xiàn)出左側(cè)顳上回萎縮，將外側(cè)顳葉標(biāo)記為患者組中最重要的縱向變化區(qū)域之一。在MTL中，aAD組，lvPPA組和PCA組后期均表現(xiàn)出雙側(cè)海馬旁回萎縮；并且三種非遺忘組在后期都表現(xiàn)出雙側(cè)內(nèi)嗅皮質(zhì)萎縮，同時PCA組表現(xiàn)出右側(cè)海馬的萎縮。最后，除了FvAD組外，其他所有組在中央前回都表現(xiàn)出相對于對照組的縱向變化，這與其更晚期的疾病狀態(tài)一致；然而，在PCA中，這種變化仍局限于右半球。
lvPPA組比PCA組的左側(cè)顳上回萎縮更快，并且比aAD組的變化更快。同樣，F(xiàn)vAD組左側(cè)前腦島的萎縮率明顯高于lvPPA組和PCA組。aAD組比lvPPA組和PCA組的右側(cè)顳中回萎縮更快；相對于lvPPA組的左側(cè)顳中回萎縮更快；相對于lvPPA組和FvAD組的右側(cè)楔前葉萎縮更快；相對于其他非遺忘性組右側(cè)緣上回萎縮更快。
探索性全腦分析
該部分指出早期神經(jīng)變性的區(qū)域除了落在先驗興趣區(qū)內(nèi)，還包含其他大腦區(qū)域。如：lvPPA組在左側(cè)顳中回和顳上回（興趣區(qū)）皮質(zhì)較?。▓D3A）。除此之外，在左半球顳葉，頂葉和額葉多個區(qū)域表現(xiàn)出早期萎縮（圖3）。在前額葉皮質(zhì)中，lvPPA組的左前葉和額鰓皮以及雙側(cè)中，上額回位均有皮質(zhì)變薄。此外，在追蹤期間，幾乎所有區(qū)域都繼續(xù)呈現(xiàn)縱向變化（圖3，綠色區(qū)域）。
圖三 全腦voxel-wise分析各組結(jié)果圖
該部分能夠幫助識別在基線時沒有顯著萎縮，但在追蹤期間表現(xiàn)出萎縮的腦區(qū)。如：lvPPA組在右側(cè)顳頂區(qū)和整個雙側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)頂葉和前顳葉皮層均顯示出廣泛的新萎縮（圖3A，紅色區(qū)域），表明患者初始掃描后疾病擴散到這些區(qū)域。
lvPPA組的左前/后顳上回顳中回的萎縮比aAD組更快（圖5A）。aAD組的枕中回和頂上小葉的萎縮比FvAD組更快（圖5B）。類似地，lvPPA組的左側(cè)楔前葉和雙刺枕中回的萎縮比FvAD組更快（圖5C）。這些結(jié)果證實了基于興趣區(qū)的發(fā)現(xiàn)，表明更新皮質(zhì)萎縮率隨表型而異。
圖5 全腦體素水平下皮質(zhì)變薄率隨時間變化圖
節(jié)度與對照組區(qū)域平均體積呈正相關(guān)(Pearson s R = 0.46, P50.001);為了解釋這種潛在的混淆，作者將每個區(qū)域的平均控制體積作為協(xié)變量。線性混合效應(yīng)模型顯示，相對于對照組，節(jié)點度越高，每一組患者的年化（即以年為單位）灰質(zhì)體積損失越大（圖6）。節(jié)點度主效應(yīng)邊緣顯著[b =0.0020, t(6703) = 1.7,P<0.09] ，說明對照組缺乏實質(zhì)性的灰質(zhì)體積損失。
圖6 結(jié)構(gòu)連接節(jié)點度預(yù)測縱向萎縮圖
初始MMSE評分（作為整體認知障礙的衡量指標(biāo)）與大多數(shù)感興趣區(qū)的灰質(zhì)體積呈正相關(guān)（除雙側(cè)海馬和旁海馬）。相比之下，初始掃描年齡除與六個MTL區(qū)域（雙側(cè)的海馬、海馬旁回、內(nèi)嗅皮質(zhì)）以及雙側(cè)中央前回的體積呈負相關(guān)。
作者評估了APOE基因在健忘組和非健忘組中的分布。一例aAD、三例PCA和三例FvAD各攜帶一個2等位基因，這與較低的阿爾茨海默氏癥風(fēng)險相關(guān)(Corder et al.，1994)。lvPPA、PCA、FvAD及aAD攜帶1到2個APOE ε4等位基因的比例分別為29.2%、36.8%、63.6%和73.3%。個體攜帶0個、1個或2個ε4等位基因的頻率在不同的組中存在顯著差異。事后比較結(jié)果顯示，lvPPA組-PCA組、PCA組-FvAD組之間的頻率不同。沒有任何感興趣區(qū)與獨立于組的ε4等位基因數(shù)目相關(guān)。
在具有兩次或更多次評估的患者中進行評估，每次評估在結(jié)構(gòu)像MRI掃描的1年內(nèi)。在除社交行為之外的所有認知領(lǐng)域中，縱向認知與一個或多個相關(guān)腦區(qū)域中的灰質(zhì)體積變化直接相關(guān)，與初始掃描時的體積無關(guān)（表3）。在記憶領(lǐng)域，雙側(cè)海馬和左側(cè)內(nèi)嗅體積減少代表認知識別能力下降。在語言領(lǐng)域，左側(cè)顳中回和顳上回體積減少代表字母流暢性和數(shù)字廣度降低。在視覺空間領(lǐng)域，Ray圖形復(fù)制表現(xiàn)與右側(cè)角回、顳中回、緣上回以及右側(cè)楔前葉的體積減少有關(guān)。左側(cè)額中回、左側(cè)前腦島和右側(cè)顳中回，左前島和右中顳回能反向預(yù)測數(shù)字廣度（反映工作記憶和執(zhí)行功能)。
表3 任務(wù)特異性ROI中神經(jīng)心理表現(xiàn)與灰質(zhì)體積變化的關(guān)系表
本研究將臨床定義的多種非遺忘性阿爾茨海默癥的縱向發(fā)展與阿爾茨海默癥的尸檢或腦脊液證據(jù)進行比較。通過兩部分的方法來區(qū)分早期和晚期的疾病階段。第一，基于興趣區(qū)的分析關(guān)注每種表型最可能發(fā)病部位的灰質(zhì)體積變化。第二，通過對全腦皮質(zhì)厚度的探索性分析，發(fā)現(xiàn)疾病在興趣區(qū)外的擴散。在每一種表型中，作者觀察到早期萎縮的局部擴展周圍區(qū)域和在追蹤開始時沒有明顯萎縮的腦區(qū)。兩種類型的初始萎縮和隨后進展模式不同。
此外，不同患者組的神經(jīng)退行性變的縱向比率不同，這一結(jié)果至少可以部分解釋每種表型的特征性疾病分布。相反，本研究沒有觀察到與表型相關(guān)的MTL間萎縮率的差異，盡管非遺忘性患者的MTL萎縮晚于遺忘性患者。最后，節(jié)點度評估發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)連接程度能夠預(yù)測遺忘性和非遺忘性阿爾茨海默癥中灰質(zhì)體積隨時間的降低，這一結(jié)果支持了大腦連接是調(diào)節(jié)阿爾茨海默癥萎縮進程的一個一般因素。
原文：
JS Phillips, F Da Re, DJ Irwin, CT McMillan… - Brain, 2019 - academic.oup.com
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