认知意识受损对遗忘型轻度认知功能障碍患者的自我参照网络及病理标志物的影响

陈姗姗，陈玖，许雯雯，宋钰，林兴建

(南京医科大学附属脑科医院 1.神经内科；2.脑功能影像研究所，江苏 南京 210029)

遗忘型轻度认知功能障碍(amnestic mild cognitive impairment, aMCI)是一种以情景记忆减退为主要特征的疾病[1]。病感缺失，即认知意识受损，在阿尔茨海默病(Alzheimer′s disease，AD)中表现为患者对自身认知功能缺陷的存在或严重性缺乏认识[2-3]。既往研究表明，认知意识受损是AD常见的临床表现。而在aMCI患者中，患者对自身认知水平的认识差异很大，往往从对认知缺陷的清晰认识到严重的病感缺失[4]。既往研究表明，认知意识改变可能与负责自我参照加工的皮质中线结构的功能连接异常有关[5-6]。目前认知意识受损的神经网络机制尚不明确。因此，本研究利用独立成分分析(independent component analysis，ICA)方法从临床表现、病理生理学及神经影像学三个方面对认知意识受损的aMCI患者进行研究。

1 病例与方法

1.1 一般资料

本研究采用的数据来自AD神经影像学倡议(Alzheimer′s Disease Neuroimaging Initiative, ADNI)数据库(http:∥adni.loni.usc.edu)。 ADNI的主要目标是结合MRI，PET，生物标志以及临床和神经心理学评估来衡量轻度认知功能障碍(MCI)和早期AD的进展。本研究选择ADNI二期研究中具备基本人口统计学资料、每日认知评估量表(ECog)和功能磁共振成像(fMRI)影像资料的基线期受试者。最终经严格筛选，共纳入51例aMCI患者。

aMCI患者诊断标准：患者或家属的主诉抱怨记忆下降；调整教育水平后的记忆功能受损；简易精神状态检查量表(Mini-Mental State Examination，MMSE)评分为24～30分；临床痴呆评定量表(Clinical Dementia Rating，CDR)等于0.5分，且记忆功能子项目得分最低0.5分；总体认知功能及日常生活能力保留。详细的纳入和排除标准可以在ADNI数据库官网获得。

ADNI研究获得参与机构的审查委员会批准，所有受试者均签署书面知情同意。

1.2 分组依据

ECog是一个专门用于评估老年人主观认知功能下降和日常功能评估的项目，共39项，通过让受试者和每天至少相伴10 h的家属或陪护比较受试者10年前和现在的认知水平来衡量总体和特定领域的认知功能。患者自评分数与研究伙伴评价分数相减得到的差值来评价认知意识损害程度，即认知意识指数。通过计算来自ADNI队列中的健康对照组(n=289)和AD患者(n=204)认知意识指数的受试者特征曲线(ROC)选取最优化敏感度和特异性的阈值，将aMCI患者分为认知意识受损组和认知意识保留组。

1.3 脑脊液样本获取

通过INNO-BIAALZBio3免疫测定试剂测定脑脊液中的β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein，Aβ)，总tau蛋白(total tau，t-tau)和磷酸化tau蛋白(phosphorylated tau，p-tau)水平。具体的细节可以在ADNI官网获取(http:∥adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads)。腰椎穿刺是一种有创性操作，受试者自愿决定是否接受此操作，因此只有48例aMCI患者具有脑脊液样本信息，其中认知意识受损组20例，认知意识保留组28例。

1.4 MRI数据处理

所有的MRI数据由3.0T Philips机器扫描，使用3DT1加权磁化(各向同性体素分辨率为1 mm，重复时间= 2 300 ms)制备的快速梯度回波序列记录结构MRI。采用3D回声平面成像序列，以3.4 mm各向同性体素分辨率(重复时间/回声时间/翻转角度=3 000 ms/30 ms/90°)记录fMRI。关于结构图像和rs-fMRI图像的详细信息可以从ADNI官网获取(http:∥adni.loni.usc.edu/wp-content/uploads)。应用统计参数图和fMRI的数据处理助手(http:∥www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm；http:∥restfmri.net/forum/DPARSF)对原始图像进行预处理及统计分析。主要经过以下预处理步骤：去除每个受试者前5个时间点，fMRI图像被空间归一化到蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)回波平面成像模板，并重新采样得到3 mm大小的各向同性体素，采用全宽半高8 mm的高斯核来降低高空间频率噪声，最后经过0.01～0.08 Hz滤波过滤。

1.5 独立成分分析

将上述预处理的图像经过ICA方法提取目标网络。为获得aMCI患者的通用数据驱动成分，本研究将所有受试者统一在fMRI工具箱软件(http:∥icatb.sourceforge)中经Informix算法进行ICA计算。采用最小描述长度标准，GIFT软件将每个受试者获得的数据分解为22个空间上分离的成分。利用主成分分析对每个数据集进行降维，并根据原始数据重建受试者的时间历程和空间图，对每个受试者进行单独的ICA。最终根据与特定自我参照网络(self-referential network, SRN)模板[7]的最大空间相关性为每个受试者选择最合适的成分。

1.6 统计学分析

采用SPSS 22.0版本对两组受试者年龄、教育程度、老年人抑郁量表评分(GDS)、MMSE评分进行独立样本t检验，两组性别进行χ2检验。为了得到每组的SRN模式，对两组分别行单样本t检验进行随机效应分析，矫正方法选择FDR校正，阈值设置为P<0.05。两组间以年龄、性别、教育程度和GDS作为协变量进行双样本t检验得到认知意识受损组和认知意识保留组的SRN功能连接的差异脑区(AlphaSim 校正，P<0.001，体素数>17)。提取两组间功能连接差异脑区的序列信号与认知意识指数、MMSE评分实施基于体素的Pearson相关分析，为避免年龄、性别的影响，统计模型中引入年龄、性别作为协变变量。此外还将认知意识指数与脑脊液Aβ，t-tau和 p-tau进行Pearson相关分析(Bonferroni 矫正，P<0.05)。

2 结果

2.1 一般资料比较

通过计算健康老年人(n=289)和AD患者(n=204)的ROC曲线，最终取认知意识指数的最优化敏感度和特异性的阈值-0.074，用于将aMCI患者分为认知意识受损组和认知意识保留组(图1，敏感性=82.84%，特异性=85.12%)。两组年龄、性别、教育年限、GDS和MMSE评分无统计学意义(P>0.05)；认知意识受损组较认知意识保留组脑脊液Aβ水平明显降低(P<0.01)，t-tau水平和p-tau水平均显著升高(P<0.001)。见表1。

图1 区分AD患者与正常老年人优化灵敏度和特异性的认知意识指数的ROC曲线

表1 aMCI患者人口统计学信息及主要临床特征

2.2 功能连接值分析

对两组行单样本t检验随机效应分析后得出与先前一致的SRN模式(FDR校正，P<0.05)，主要位于内侧腹部前额叶皮层、内侧眶额叶皮层、直回和膝前扣带回。见图2。

L：左侧半球；R：右侧半球

2.3 两组认知意识指数与SRN功能连接差异脑区及脑脊液病理标志物的相关分析

去除年龄、性别、教育年限和GDS评分协变量后，双样本t检验结果显示认知意识受损aMCI组较认知意识保留aMCI组双侧内侧眶额叶皮层、左侧前扣带回和右侧直回功能连接增高(AlphaSim校正，P<0.001，体素数>17)。见表2，图3。

表2 认知意识受损aMCI组较认知意识保留aMCI组自我参照网络的功能连接增强脑区

X，Y，Z坐标是蒙特利尔神经研究所空间中的主要峰值位置。两样本t检验采用AlphaSim校正，P<0.001，体素数>17

L：左侧半球；R：右侧半球

在控制年龄和性别协变量后，结果发现两组间功能连接差异脑区提取的信号值与认知意识指数之间存在负相关(r=-0.457，P<0.001)，而与MMSE评分之间无明显相关(r=0.061，P=0.688)；两组患者的认知意识指数与脑脊液Aβ水平呈正相关(r=0.331，P=0.025)，与脑脊液t-tau、p-tau水平呈中等程度负相关(r=-0.534，-0.508，P均<0.001)。见图4。

图4 认知意识受损和认知意识保留aMCI组间功能连接差异脑区、脑脊液标志物水平与认知意识指数相关性分析

3 讨论

近来越来越多的研究表明，认知意识受损不仅仅是AD的重要表现[8]，还与疾病总体严重程度密切相关[9]。先前研究发现，在aMCI患者SRN内部连通性较正常老年人升高[10]。本研究发现，在控制年龄、性别、教育程度、GDS评分后，相比于认知意识保留aMCI患者，认知意识受损aMCI患者出现SRN内部高功能连通，且相关分析证实SRN高连通性与认知意识指数相关。相对于认知意识保留aMCI患者，认知意识受损aMCI患者存在脑脊液Aβ水平显著降低(P<0.01)，p-tau和t-tau水平显著增高(P<0.001)，提示认知意识受损aMCI患者较认知意识保留患者可能存在更加严重脑神经元受损、神经纤维缠结等病理表现，与先前提出的认知意识受损是AD疾病进展的预测因子假说[9]相符。

本研究采用ICA方法成功分离出与既往研究一致的SRN模型[11]，相对于认知意识保留aMCI患者，认知意识受损aMCI患者的双侧眶内侧前额叶皮层、左侧前扣带回、右侧直回选择性功能连接增高。SRN在意识受损aMCI患者中表现为连通性升高而不是降低，可能是SRN在早期阶段试图招募更多的神经元恢复患者受损的认知意识的补偿机制[12]。眶内侧前额叶皮层具有非常广泛而复杂的功能和解剖连接，是人脑非常重要的神经组织区域。既往任务态fMRI研究[7]已经证实眶内侧前额叶皮层在自我参照处理中发挥重要作用。内侧前额叶皮层接收来自几乎所有感官模式中的自我相关信息，进行加工处理后形成认知的自我意识[13]。不仅如此，眶内侧前额叶皮层还与负责记忆储存与提取的内侧颞叶结构联系紧密，最终通过与内侧颞叶结构和功能的紧密联系将接收的外部信息整合到自我为背景的自传体记忆中，这可能也是意识受损的aMCI患者更容易进展为AD的机制之一[14]。前扣带回皮层神经元通过整合各种信息并将其与策略联系起来，对决策和行动施加高级和抽象的控制，因此在认知监测和行为控制方面发挥重要作用[15]。事实上，眶内侧前额叶皮层和前扣带回皮层共同构成前扣带回额叶-皮层下区域神经环路，使得两者不仅仅在解剖结构紧密相连，在功能连接水平也发挥协同作用[16]，这也解释了本研究中眶内侧前额叶皮层和前扣带回皮层共同激活的结果。直回作为前扣带在额叶上的延伸[16]，表现出与前扣带皮质相似的功能连接异常，与前扣带皮质共同在认知自我意识处理中发挥协同作用。此外，在控制年龄、性别协变量后，本研究发现两组间差异脑区的功能连接异常信号值与认知意识指数呈负相关(r=-0.457，P<0.001)，且与MMSE评分无相关(r=0.061，P=0.688)，由此进一步证实SRN在认知自我认知意识中的重要作用，且独立于认知水平改变。

目前的疾病模型认为，在AD疾病谱系中作为神经炎性斑块形式的Aβ启动了病理性级联反应，导致tau蛋白错误折叠和组装，并扩散到整个皮层，最终导致患者的神经系统衰竭、神经变性和认知衰退[17]。研究表明，脑脊液p-tau水平增高反映皮层神经纤维缠结病变的程度，而t-tau反映神经元坏死程度，脑脊液Aβ水平降低与Aβ神经炎性斑块形成有关，且其加重表明AD的临床进展[18]。本研究发现，意识受损组较意识保留组脑脊液Aβ水平明显降低，p-tau和t-tau水平明显升高，进一步相关分析表明认知意识指数与Aβ，t-tau和 p-tau相关(控制年龄、性别)，尤其是反映神经元细胞变性、纤维缠结病理表现的t-tau、p-tau水平呈现明显相关(P均<0.001)。由此表明，认知意识受损aMCI患者较认知意识保留患者可能存在更加严重的神经元细胞变性、纤维缠结等病理改变。研究发现，在认知正常的老年人中，自我记忆表现评估与脑内tau蛋白沉积相关，而与Aβ水平无明显相关，表明tau蛋白相较于Aβ水平是认知意识改变的更敏感指标[19]。本研究中t-tau和p-tau蛋白与认知意识指数的相关值较Aβ高，结果与其相符。此外，r值为弱相关，可能原因是虽然本研究已纳入部分认知风险因素(年龄、性别)，但是仍存在其他混杂因素(如ApoE基因等)，这需要未来进一步更大样本量的回归分析。既往一项PET影像研究发现，脑内高Aβ沉积的MCI患者认知意识受损更重，且认知意识受损的MCI患者转化为AD的风险增加[20]，本研究与此相符。

此外，本研究中尚存在一些局限。首先，样本量较少，可能具有有限的统计功效。其次，ADNI 数据库是一项横断面和回顾性研究，本研究对认知意识指数和SRN功能连接和病理标志物的相关研究仅仅表明两者具有相关关系，阐述的是一种现象，而各项指标的因果尚需要未来更大样本量的纵向研究及回归分析。

综上所述，本研究表明，在认知意识受损的aMCI患者中存在独立于认知水平的SRN内部功能的高连通性(主要为眶内侧前额叶皮层，前扣带回和直回)，这可能为网络内部神经元的激活增加试图弥补认知意识衰退的结果；同时研究结果发现在大脑神经网络激活的补偿机制的背后可能存在着更严重的AD病理标志物的沉积，尤其是反映神经元变性的敏感指标tau蛋白的增高。总之，SRN在认知意识中的关键作用以及认知意识缺损可能作为AD疾病进展的预测因子。