海馬亞區(qū)微觀結構及其與阿爾茨海默病血漿生物標志物的關系

海馬亞區(qū)對阿爾茨海默病相關病理學表現(xiàn)出不同的脆弱性，包括淀粉樣蛋白-β沉積的異常積累和神經(jīng)纖維纏結。這些病理過程廣泛影響亞區(qū)之間的結構和功能聯(lián)系，并可能解釋海馬功能障礙和認知缺陷之間的關聯(lián)。在這項研究中，我們調(diào)查了臨床阿爾茨海默病譜系人群中海馬亞區(qū)微觀結構的變化程度。

我們使用灰質(zhì)特異性多室擴散模型（皮質(zhì)-神經(jīng)突方向離散度與密度成像,NODDI）來了解阿爾茨海默病病理對海馬亞區(qū)微觀結構的不同影響。這項橫斷面研究共有 119 名參與者。參與者分為三類，認知正常（n = 47）、輕度認知障礙（n = 52）和阿爾茨海默病（n = 19）。擴散 MRI、血漿生物標志物和神經(jīng)心理學測試分數(shù)用于確定微觀結構完整性與阿爾茨海默病相關分子指標和認知之間的關聯(lián)。對于阿爾茨海默病相關的血漿生物標志物，我們研究了淀粉樣蛋白-β、tau 蛋白和神經(jīng)絲輕鏈蛋白；對于阿爾茨海默病相關的神經(jīng)心理學測試，包括連線測試、Rey 聽覺語言學習測試、數(shù)字廣度測試以及蒙特利爾認知評估。

認知正常受試者和輕度認知障礙受試者之間的比較顯示海馬安蒙角 (CA) 4 和海馬齒狀回的顯著微觀結構改變，而 CA 1-3 是阿爾茨海默病臨床后期最敏感的區(qū)域。在微觀結構的成像指標中，間隙自由水的各向同性擴散的體積分數(shù)在組間比較中表現(xiàn)出最大的效應大小。關于血漿生物標志物，神經(jīng)絲輕鏈蛋白似乎是與 CA4 齒狀回微觀結構相關的最敏感的生物標志物。 CA 1-3 是認知表現(xiàn)和微觀結構指標之間具有更強相關性的亞區(qū)。特別是，在 Rey 聽覺語言學習測試和蒙特利爾認知評估中表現(xiàn)不佳與細胞內(nèi)體積分數(shù)降低有關。

總體而言，我們的研究結果支持以下結論：組織特異性微觀結構成像提供了在阿爾茨海默病不同階段的血漿生物標志物和神經(jīng)心理學結果中表現(xiàn)出的病理相關信息。本文發(fā)表在BRAIN雜志。(可添加微信號siyingyxf或18983979082獲取原文，另思影提供免費文獻下載服務，如需要也可添加此微信號入群，原文也會在群里發(fā)布)。

思影曾做過多期關于NODDI及DWI相關的文章解讀，可結合閱讀，增加理解（思影可提供NODDI相關分析，如有需要請加微信siyingyxf或18983979082咨詢）：

NODDI在臨床研究中的應用

利用DTI和NODDI縱向研究揭示輕度腦外傷后的白質(zhì)微結構改變

中青年人腦白質(zhì)的年齡效應和性別差異：DTI、NODDI 和 q 空間研究

成人煙霧病外觀正常的腦實質(zhì)的微結構損傷及其與神經(jīng)認知功能障礙
彌散張量成像(DTI)研究指南

白質(zhì)fMRI及靜息態(tài)功能連接

彌散磁共振成像技術：在腦內(nèi)的應用

大腦纖維束預測興奮劑復用

AD與MCI患者白質(zhì)纖維束的減少（基于FBA分析）

結構像和DTI縱向研究：適度飲酒可能導致認知能力下降

帕金森認知損傷和DTI腦網(wǎng)絡

成人生命周期中的腦白質(zhì)微結構

腦小血管病的結構網(wǎng)絡變化
大腦白質(zhì)網(wǎng)絡可控性的發(fā)育增長支持了腦動力學的多樣性

早期、未用藥帕金森病存在特異的白質(zhì)連接

網(wǎng)絡中樞節(jié)點受缺血性腦卒中影響的程度預測認知恢復
DTI概率追蹤機器學習研究:青少年閾下抑郁患者早期白質(zhì)微結構的變化

DTI研究：母親產(chǎn)前抑郁焦慮與嬰兒大腦白質(zhì)微結構的關系

癲癇的神經(jīng)行為和臨床共?。喊踪|(zhì)網(wǎng)絡中斷/損傷的作用

自閉癥、多動癥及其正常兄弟姐妹的全腦白質(zhì)纖維束異常

大腦在局部區(qū)域的結構-功能耦合的遺傳度與個體差異

網(wǎng)絡連接繪制人腦通路

基于彌散張量成像的人類纖維束連接體方法面臨的挑戰(zhàn)

大腦的擴散磁共振成像—理論和概念

成年人群中白質(zhì)高信號、腦網(wǎng)絡和認知功能的相互作用

肥胖癥，腦體積及白質(zhì)微結構

語音韻律及其神經(jīng)基礎

DTI在早期腦發(fā)育研究中的應用

兒童期到成年早期白質(zhì)發(fā)育的擴散磁共振成像研究

大腦白質(zhì)微觀結構的發(fā)育

腦小血管病中長程白質(zhì)纖維的損傷影響失語嚴重程度

兒童早期大腦結構和功能發(fā)育的影像學研究

利手與白質(zhì)連接的關系

學齡前兒童電子屏幕使用與腦白質(zhì)完整性的關系

追蹤進行性核上性麻痹患者的腦損傷情況

失語癥詞匯產(chǎn)出的白質(zhì)結構連通性：DSI研究

大腦連接在跨哺乳物種中的保留

認知控制中的前額葉通路：來自術中刺激和纖維追蹤的直接證據(jù)

AFQ（纖維束自動量化）技術預測顳葉癲癇術后療效

新生兒卒中后發(fā)展性傳導性失語的多模態(tài)腦成像研究

離散結構網(wǎng)絡是帕金森病人沖動和賭博失范的神經(jīng)底物
結構束的改變預示著淀粉樣蛋白陽性老年人的下游tau蛋白累積
皮質(zhì)下小梗死后相連深皮層的選擇性萎縮
22q11.2缺失綜合征中白質(zhì)微結構改變的多中心DTI研究
機器學習揭示早產(chǎn)兒腦結構連接與基因變異的關系

視神經(jīng)炎患者視覺系統(tǒng)的解剖連接及功能網(wǎng)絡的改變

特發(fā)性震顫與帕金森病白質(zhì)纖維差異

早產(chǎn)兒前兩周的營養(yǎng)攝入影響全腦白質(zhì)等發(fā)育
兒童腦外傷后白質(zhì)損傷擴散軌跡
兒童多發(fā)性硬化（MS）患者認知下降與后側腦損傷的關聯(lián)
戒酒早期階段的酒精成癮男性和過量飲酒大鼠的腦白質(zhì)變化
遺傳性言語障礙中的背側語言通路異常

DCM+HARDI：腦結構和有效連接是生物運動檢測的基礎

紋狀體-皮層回路的白質(zhì)纖維連接強度預測吸煙者12小時內(nèi)戒煙效果

兒童和青少年心臟手術后白質(zhì)纖維微結構以及其認知能力的改變

中腦邊緣獎賞通路損傷與自閉癥兒童的社交障礙
遺傳認知能力和精神病理學與大腦白質(zhì)特性的聯(lián)系
精神分裂患者核心認知損傷與白質(zhì)的關系

關鍵詞

擴散磁共振成像; 微觀結構; 阿爾茨海默氏病; 海馬亞區(qū); 血漿生物標志物

引言

散發(fā)性阿爾茨海默病是一種神經(jīng)退行性疾病，是癡呆癥最常見的原因之一。阿爾茨海默病進展的癥狀階段（從輕度認知障礙 (MCI) 開始）以皮質(zhì)結構的病理改變和白質(zhì)變性為特征。這些病理改變也被證明與認知能力下降有關。阿爾茨海默病的神經(jīng)病理學特征包括淀粉樣蛋白-β (Aβ) 在細胞外神經(jīng)炎斑塊和細胞內(nèi)神經(jīng)纖維纏結中的異常積累，這些纏結由過度磷酸化的微管相關 tau 蛋白組成。這些病理性蛋白沉淀在臨床癥狀出現(xiàn)之前數(shù)年甚至數(shù)十年就開始了。

許多研究報告了阿爾茨海默病早期階段 Aβ 和神經(jīng)纖維纏結的異常沉積，包括海馬在內(nèi)的內(nèi)側顳葉中。海馬及其海馬旁回網(wǎng)絡連接被認為是支持情景記憶的最重要區(qū)域之一。由于情景記憶是阿爾茨海默病中最早且受影響最嚴重的認知功能之一，因此在阿爾茨海默病研究中，海馬是主要的研究主題。

海馬是一個異質(zhì)且復雜的區(qū)域，由功能和解剖學上相互關聯(lián)但又截然不同的亞區(qū)組成。這些亞區(qū)包括：下托復合體（前海馬）、包含 CA1-4（后部區(qū)域）的安蒙角 (CA)、齒狀回 (DG) 和海馬溝。許多組織病理學研究表明，不同的海馬亞區(qū)之間存在與阿爾茨海默病相關的不同病理變化?；隗w積、形狀和擴散 MRI 的結構 MRI 研究中，觀察到與阿爾茨海默病相關的亞區(qū)之間的差異變化。

阿爾茨海默病的早期階段，神經(jīng)纖維纏結和 Aβ 蛋白沉淀的積累始于海馬區(qū)。這些病理性蛋白破壞微觀結構組織，導致組織細胞和骨髓結構惡化，進而造成細胞內(nèi)細胞器的硬化和部分分解。這些微觀結構屏障的改變可能會影響海馬底層組織的水擴散分布。這些微觀結構變化通常是宏觀體積變化的前兆，一些研究報告說這些變化與宏觀體積損失無關。在此基礎上，一些研究采用擴散張量成像 (DTI) 來檢測與阿爾茨海默病相關的海馬組織微觀結構的病理改變。然而，與宏觀體積變化相比，最近研究對使用 DTI 衍生的微觀結構指數(shù)來檢測海馬阿爾茨海默病相關變化方面的敏感性提出了質(zhì)疑。

由于灰質(zhì)的異質(zhì)微觀結構組織，我們認為，文獻中的一些差異可能是由于 DTI 在繪制阿爾茨海默病相關海馬病理改變的方法學限制。由于 DTI 假設擴散過程是高斯的，它只能提供來自多個隔間（例如細胞內(nèi)空間、細胞外基質(zhì)、具有各向同性擴散率的隔間）的水擴散的平均測量值。這些隔間可能會表現(xiàn)出不同的擴散性、形狀和方向；因此，DTI 無法正確捕捉復雜白質(zhì)纖維區(qū)域的擴散分布，高度異質(zhì)的區(qū)域，如灰質(zhì)和受部分容積效應污染的體素。為了解決 DTI 的一些局限性，最近一項研究采用神經(jīng)突方向離散度與密度成像 (NODDI) 來估計多室模型對健康老年人海馬區(qū)域的單個張量（single tensor scheme）敏感性。據(jù)報道，與 DTI 相比，NODDI 模型對與年齡相關的灰質(zhì)差異的敏感性更高。

本橫斷面研究的目的是闡明阿爾茨海默病前驅(qū)期和癡呆階段海馬亞區(qū)的微觀結構變化。我們使用組織特異性多室擴散模型來研究阿爾茨海默病相關病理學對海馬亞區(qū)微觀結構的不同影響。我們假設灰質(zhì)特異性多室模型 (Cortical-NODDI) 對阿爾茨海默病相關的海馬亞區(qū)微觀結構在疾病各個階段的病理改變很敏感。最后，我們研究了海馬亞區(qū) NODDI 衍生的灰質(zhì)微觀結構指標與阿爾茨海默病血漿生物標志物的關系，即 Aβ42 與 Aβ40 的比率、總 tau 和神經(jīng)絲輕鏈蛋白 (NfL)。我們進一步假設這些灰質(zhì)結構指標將與阿爾茨海默病的關鍵認知表現(xiàn)顯著相關。

方法

研究被試

來自印第安納阿爾茨海默病研究中心 (IADRC) 的印第安納記憶和衰老研究 (IMAS) 的 119 名參與者被納入這項橫斷面研究。參與者包括認知正常的對照組（n = 47）、輕度認知障礙患者（MCI；n = 52）和阿爾茨海默病患者（n = 19）。表 1 提供了參與者的人口統(tǒng)計分布。所有 IADRC 參與者都收到了統(tǒng)一數(shù)據(jù)集 (UDS3) （用于國家老年阿爾茨海默病研究中心）和 IADRC 使用的其他神經(jīng)心理學測試，特別強調(diào)記憶和執(zhí)行功能（詳見神經(jīng)心理學評估部分）。排除標準為明顯的腦血管疾病或畸形；頭部全身化療或放療史；目前的嚴重抑郁癥；精神分裂癥、雙相情感障礙、發(fā)育障礙、帕金森病或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腦部手術、腦部感染或嚴重頭部損傷的病史；和酒精或非法藥物依賴。所有參與者都根據(jù)印第安納大學醫(yī)學院人類受試者保護機構委員會批準的程序提供了書面知情同意書。排除標準為明顯的腦血管疾病或畸形；頭部化療或放療史；嚴重抑郁癥；精神分裂癥、雙相情感障礙、發(fā)育障礙、帕金森病或其他神經(jīng)系統(tǒng)疾病、腦部手術、腦部感染或嚴重頭部損傷的病史；酒精或非法藥物依賴。所有參與者都根據(jù)印第安納大學醫(yī)學院人類受試者保護機構委員會批準的程序提供了書面知情同意書。

臨床和神經(jīng)心理學評估

使用詳細的神經(jīng)心理學方案對被試進行評估，包括記憶力、注意力、執(zhí)行功能、語言、空間能力、一般智力能力和精神運動速度的測量，以及標準癡呆篩查中的其他測試。測試包括但不限于連線測試 [TMT, Part A, Part B and the Difference (B-A)]、Rey 聽覺語言學習測試 (RAVLT) 的即時回憶和延時回憶、數(shù)字廣度測試（向前和向后）、MoCA、臨床癡呆評定量表、15項老年抑郁量表和認知變化指數(shù)來評估自我報告的主觀認知下降。診斷是基于多學科臨床共識小組審查，在研究開始時符合國家老齡化研究所-阿爾茨海默氏癥協(xié)會工作組 (NIH-AA) 的標準。共識小組包括神經(jīng)病學家（M.R.F.、L.G.A.）、臨床神經(jīng)心理學家（F.W.U.、A.J.S.）、老年精神病學家和其他學科和學員。補充表 1 列出了選定的主要測試和診斷標準。在所有測試中沒有可測量的認知缺陷且沒有明顯記憶問題的參與者（認知變化指數(shù)自我報告表的前 12 項總分 < 20被認為是認知正常的）。MCI 患者對其認知有重大抱怨（由他們自己、線人報告或由臨床醫(yī)生評估）。他們還在記憶或其他認知領域表現(xiàn)出明顯的缺陷（比正常值低 > 1.5 SD），而日常功能沒有明顯損害。阿爾茨海默病患者的認知和日常功能顯著下降（由 UDS 功能評估量表評估），并符合 NIH-AA 推薦的阿爾茨海默病診斷標準。表 1 提供了所有組的神經(jīng)心理表現(xiàn)。

血漿流體分析

通過靜脈穿刺收集血樣。使用 10 ml EDTA（紫頂）管收集全血，在 4°C、1962 × g 下離心 15 分鐘。將血漿等分到冷凍管中，直立冷凍并在收集后 2 小時內(nèi)儲存在 -80°C 冰箱中，直到分析。根據(jù)制造商 (Quanterix) 提供的說明，在 HD-1 分析儀上使用單重單分子陣列 (Simoa) 測定法測量血漿 Aβ40、Aβ42、NfL (神經(jīng)絲輕鏈蛋白)和 tau 蛋白總濃度。這些測量是由對臨床數(shù)據(jù)不知情的董事會認證的實驗室技術人員使用一批試劑在一輪實驗中進行的。變異系數(shù)為 6.3-10%。

MRI

影像采集

成像在具有 64 通道射頻接收器頭部線圈的單個 Siemens Prisma 3 T 掃描儀上進行。所有被試都接受了T1 解剖加權、高分辨率 T2 加權和多殼擴散 MRI。T1 加權成像是使用三維磁化準備快速梯度回波序列 (3D-MPRAGE) 獲得，其成像參數(shù)與阿爾茨海默病神經(jīng)成像倡議-2 協(xié)議 (http://adni.loni.usc.edu/ methods/documents/mri-protocols/）。在垂直于海馬主軸的斜面上，使用 0.4 × 0.4 mm² 的高平面內(nèi)分辨率獲取高分辨率渦輪自旋回波 T2 加權圖像。其他采集參數(shù)如下：切片厚度 = 2.0 mm，重復時間/回波時間 = 8310/50 ms，翻轉(zhuǎn)角度 = 122°，視野 = 175 mm²，切片數(shù) = 32，GRAPPA 加速因子為2。使用混合擴散成像 (HYDI) 編碼的單次自旋回波平面成像進行擴散 MRI。HYDI 編碼方案包含三個零擴散加權（b = 0 s/mm²）和五個同心擴散加權殼，總共 142 個擴散敏感梯度方向（6個方向上b = 250 s/mm²，21個方向上b = 1000 s/mm²、24個方向上b = 2000 s/mm²、30個方向上b = 3250 s/mm² 和 61個方向上b = 5000 s/mm²）。其余采集參數(shù)如下：多波段加速因子 = 3，重復時間/回波時間 = 2690/83.6 ms，視野 = 240 mm²，矩陣 = 120 × 120，體素大小 = 2 × 2 × 2 m m³，86 層，擴散持續(xù)時間 (δ) = 20.50 ms 和擴散時間 (Δ) = 39.69 ms。獲得了具有反相編碼極性的額外 b = 0 s / mm² 圖像，用于磁敏性引起的幾何失真校正。

影像處理

首先使用 FreeSurfer在 T1 加權和高分辨率 T2 加權圖像上描繪海馬亞區(qū)。然后將各個亞區(qū)組合成三個不同的感興趣區(qū)域，然后再轉(zhuǎn)換到擴散空間，在那里提取擴散微觀結構指數(shù)。以下是分步詳細信息。使用 Freesurfer 7.1.1對 T1 加權和高分辨率 T2 加權圖像數(shù)據(jù)進行海馬亞區(qū)分割。為了盡量減少部分容積效應，亞區(qū)組合如下：CA1 和 CA2/3 組合為 CA1-3； CA4 和 GC-ML-DG 合并為 CA4-DG；并且旁下托、前下托和下托合并為海馬下托。左右區(qū)域也被合并。下文描述的統(tǒng)計分析將雙側海馬和顱內(nèi)總體積作為協(xié)變量。對于每個受試者，目視檢查亞區(qū)分割質(zhì)量。

對原始擴散加權圖像 (DWI) 進行預處理，以減少信號噪聲、吉布斯振鈴效應、主體運動、磁化率引起的幾何失真和 B1 場不均勻性。使用 NODDI 進行多室顯微結構成像，已證明對底層微觀結構更具體。為了實現(xiàn)灰質(zhì)微觀結構在生理上更合理的表示，使用灰質(zhì)優(yōu)化的細胞內(nèi)內(nèi)在平行擴散率 1.1 mm²/s，而不是白質(zhì)特定值 1.7 mm²/s。使用 Dmipy 工具箱獲得神經(jīng)突方向分散度 (ODI)、各向同性體積分數(shù) (V_ISO)、細胞內(nèi)體積分數(shù) (VF_IC) 和細胞外體積分數(shù) (VF_EC)，該工具箱是基于python的DIPY 框架上的開源應用程序編程接口。

為了從雙側海馬亞區(qū)提取 NODDI 衍生的微觀結構參數(shù)，采用了 Nazeri 等人提出的程序管道。簡而言之，對于每個受試者，從分數(shù)各向異性圖生成白質(zhì)分數(shù)圖。使用高級歸一化工具中的“Atropos”功能，通過從 1.0 中減去白質(zhì)分數(shù)圖和 VISO (CSF) 圖獲得灰質(zhì)分數(shù)圖。根據(jù)組織類型（灰質(zhì) = 2，白質(zhì) = 1，CSF = 0）對三個二值化組織分數(shù)圖進行加權。使用這些加權圖像，通過添加所有三個權重獲得偽 T1 加權圖像。高質(zhì)量的偽 T1 加權圖像提高了 T1 加權空間和擴散空間之間的轉(zhuǎn)換精度。然后使用高級歸一化配準工具（ANTs)將擴散空間中的偽 T1 加權圖像非線性配準到 T1 加權圖像。然后FreeSurfer 生成的雙邊海馬亞區(qū)使用在前向配準過程中生成的逆變換矩陣轉(zhuǎn)換到受試者擴散空間。ODI、VISO、VFIC 和 VFEC （細胞外體積分數(shù)）的區(qū)域（亞區(qū)）平均值是使用 FSL“fslstats”工具計算的。為了在擴散空間上獲得穩(wěn)健的區(qū)域平均值，將單個灰質(zhì)分數(shù)圖縮放為 0.85，然后二值化以生成穩(wěn)健的灰質(zhì)模板。然后在灰質(zhì)模板范圍內(nèi)提取每個區(qū)域平均值。通過排除±5% 的區(qū)域極值，對穩(wěn)健的平均值進行了縮尾處理。分析流程如圖 1 所示。

圖1圖像處理框架的示意圖。

為了在受試者的 T1 加權空間中生成雙側海馬亞區(qū)mask，在 FreeSurfer 中使用了特定于受試者的 T1 加權和高分辨率 T2 加權圖像。使用特定于受試者的 DWI 生成 DTI 指標-各向異性分數(shù) (FA) 和皮質(zhì)-NODDI指標-微觀結構參數(shù)圖（即 ODI、V_ISO、V F_IC 和 VF_EC）。對于每個受試者，在 ANTs 中使用 FA 和 V_ISO 圖來生成偽 T1 加權圖。偽 T1 加權圖線性配準到受試者的 T1 加權圖像。雙側海馬亞區(qū)mask映射到受試者的擴散空間。對于每個受試者，計算參數(shù)圖的區(qū)域（即亞區(qū)）平均值以進行進一步分析。

補充圖1：合并單個被試的海馬亞區(qū)

左圖：Freesurfer分割的海馬亞區(qū)疊加在高分辨率的T1W圖像上；

中圖：CA1 和 CA2/3 組合為 CA1-3； CA4 和 GC-ML-DG 合并為 CA4-DG；旁下托、前下托和下托合并為海馬下托；

右圖：合并后的亞區(qū)疊加到 pseudo-T1W在diffusion空間.

關鍵詞: CA = cornu ammonis, GC = granule cell of the dentate gyrus, DG = dentate gyrus, T1W = T1- weighted.

統(tǒng)計檢驗 、

表 1 顯示了參與者的人口統(tǒng)計資料、血漿生物標志物特征和神經(jīng)心理表現(xiàn)測試分數(shù)。對于分類變量（即性別、APOE e4 狀態(tài)和種族），使用 χ² 檢驗比較組間差異。對于非分類變量，使用 Welch 的不等方差 t 檢驗比較組間屬性。為了研究海馬亞區(qū)微觀結構指標的組間差異，使用了具有一般線性模型的多變量協(xié)方差分析 (MANCOVA)。然后進行事后檢驗以進一步了解各組差異。在整個研究隊列和每個組內(nèi)，我們使用偏相關性進一步研究了海馬亞區(qū)中擴散微觀結構指標與阿爾茨海默病病理學的血漿生物標志物的關聯(lián)。為了評估海馬亞區(qū)微觀結構與認知能力之間的關系，使用偏相關模型來測試整個隊列的微觀結構指標與神經(jīng)心理學評分之間的關聯(lián)。上述分析使用 SPSS（IBM SPSS 第 27 版）中的5000 個樣本使用 Wild bootstrap 解釋了年齡、性別、教育、APOE e4和顱內(nèi)總體積的影響。為了解釋三個感興趣區(qū)域的多重比較，使用了 Benjamini-Hochberg 標準 (α = 0.05) 的錯誤發(fā)現(xiàn)率（false discovery rate）校正。 P_FDR < 0.05 被認為是顯著的。表1 參與者的人口統(tǒng)計學、血漿生物標志物和認知概況

數(shù)據(jù)可用性

本研究中使用的數(shù)據(jù)是通過 NIH-NIA 資助的 R01 項目獲得，該項目通過印第安納阿爾茨海默病研究中心 (IADRC; NIH P30) 收集。因此，我們將遵守 NIH 數(shù)據(jù)共享政策和指南以及 IADRC 概述的數(shù)據(jù)共享計劃(http://grants.nih.gov/grants/policy/data_sharing/data_sharing_guidance.htm)。

簡而言之，我們將盡早向已獲得機構審查委員會批準并愿意簽署數(shù)據(jù)共享協(xié)議的合格研究人員提供數(shù)據(jù)。請求者必須同意 NIH 關于隱私、數(shù)據(jù)安全和道德實踐的政策，包括不得試圖確定參與者或其親屬身份的要求。主要研究人員將審查匿名人體成像數(shù)據(jù)的請求。將鼓勵請求者與項目調(diào)查員進行協(xié)作分析，但這不是數(shù)據(jù)訪問所必需的。本研究中使用的數(shù)據(jù)處理和分析代碼來自開源軟件工具，可以免費下載（參見“材料和方法”部分）。內(nèi)部開發(fā)的代碼將根據(jù)要求提供，并遵循上述數(shù)據(jù)共享政策。

結果

臨床特征

參與者的人口統(tǒng)計學、血漿生物標志物和神經(jīng)心理學概況總結在表 1 中。認知正常、MCI 和阿爾茨海默病患者在年齡、種族或受教育年限方面沒有顯著差異?？傮w而言，三組的女性參與者都較多。認知正常和 MCI的性別分布存在顯著差異，與認知正常組相比，MCI 組的男性更多。與認知正常組相比，MCI 和阿爾茨海默病 APOE e4 攜帶者較多的組之間的 APOE e4 狀態(tài)存在顯著差異。在血漿生物標志物方面，雖然Aβ40 和 Aβ42 中未觀察到組間差異，但 Aβ42/Aβ40 的比值在認知正常和 MCI之間以及認知正常和阿爾茨海默病患者之間存在顯著差異，阿爾茨海默病和 MCI 患者表現(xiàn)出相對于認知正常參與者較低的 Aβ42/Aβ40 比率值。與 MCI 和阿爾茨海默病患者相比，認知正常的 NfL (神經(jīng)絲輕鏈蛋白)顯著降低。在神經(jīng)心理學測試分數(shù)方面，TMT-A 和 TMT-B 在三組中均存在顯著差異，MCI 和阿爾茨海默病患者的表現(xiàn)較差。相對于 MCI 和阿爾茨海默病患者，認知正常受試者的 RAVLT 評分更高。 MoCA 評分在三組中都存在顯著差異，MCI 患者的表現(xiàn)低于認知正常受試者，阿爾茨海默病參與者的表現(xiàn)低于 MCI 和認知正常受試者。

海馬亞區(qū)擴散微觀結構指標的敏感性

對三個臨床分組之間海馬亞區(qū) NODDI 衍生的顯微結構指標進行了比較?？傮w組間差異分析顯示多個海馬亞區(qū)具有統(tǒng)計學意義，但下托的 VF_IC 除外（表 2）。在 CA1-3 (η_p² = 0.24) 中的 V_ISO 以及 CA1-3 (η_p² = 0.21) 和下托 (η_p² = 0.22) 中的 VF_EC_（_{細胞外體積分數(shù)）} 中觀察到組差異大的效應量。為了進一步探索海馬亞區(qū)微觀結構指標的成對組差異，進行事后分析，FDR 校正（圖 2 和表 3）。在阿爾茨海默病臨床的早期階段，VF_IC 表現(xiàn)出 CA4-DG 的顯著變化，與認知正常組相比，MCI的 VF_IC 顯著降低（P_FDR < 0.05；Hedge’s g = 0.53）。在疾病后期，在所有亞區(qū)的微觀結構指標中觀察到認知正常和阿爾茨海默病之間顯著的組差異。在 V_ISO 和 VF_EC 中觀察到最大的效應量（P_FDR < 0.001，Hedge’s g > 1）。在比較 MCI 和阿爾茨海默病患者時，V_ISO 在 CA1-3（P_FDR < 0.001；Hedge’s g = -0.95）和 CA4-DG（P_FDR < 0.001；Hedge’s g = -0.98）中表現(xiàn)出最大的效應量。總體而言，在阿爾茨海默病晚期，CA1-3 和 CA4-DG 對組間差異表現(xiàn)出極大的敏感性，具有大量重要變化和較大的平均效應量（平均 Hedge’s g = 1.02 和 1.03）。此外，V_ISO 是最敏感的微觀結構指標，具有最大的平均效應量（平均 Hedge’s g = 1.11）。

表2 各組海馬亞區(qū)擴散微結構指標的比較

表3 事后分析：成對組差異

圖2 認知正常、MCI 和阿爾茨海默病參與者海馬亞區(qū)皮質(zhì)-NODDI指標- ODI、V_ISO、VF_IC 和 VF_EC 的組間差異。使用以年齡、性別、教育水平、APOE e4和總顱內(nèi)體積作為協(xié)變量的一般線性模型進行比較。 FDR 使用 Benjamini-Hochberg 標準 (α = 0.05) 調(diào)整了三個感興趣區(qū)域 (即子域) 的多重比較。

*P_FDR < 0.05； **P_FDR< 0.01； ***P_FDR < 0.001。 AD = 阿爾茨海默??； CN = 認知正常

擴散微觀結構指數(shù)與血漿生物標志物之間的關聯(lián)

為了了解阿爾茨海默氏癥的生物標志物與海馬亞區(qū)微觀結構的關系，首先在所有組中對海馬亞區(qū)中的彌散 MRI 指標與血漿生物標志物進行了偏相關分析。由于這些病理蛋白的積累率可能在疾病的不同臨床定義階段不同，因此進一步對每組進行了分析。在所有參與者中（表 4），只有 NfL (神經(jīng)絲輕鏈蛋白)與擴散微觀結構指標有顯著關聯(lián)。CA4-DG 的 VISO (r = 0.36 ; PFDR < 0.05) 和 VFEC (r = -0.30; PFDR < 0.05) 顯著相關。同樣，在認知正常的參與者（補充表 2）中，NfL (神經(jīng)絲輕鏈蛋白)與 CA4-DG 中的 VISO 呈正相關（r = 0.47；PFDR < 0.05）。另一方面，在阿爾茨海默病患者（補充表 4）中，總體 tau 水平與下托（r = -0.98；PFDR < 0.05）和 CA4-DG (r = -0.98；PFDR < 0.05) 的 ODI 呈顯著負相關。這些關聯(lián)在 MCI中并不顯著（補充表 3）。在所有三組中，沒有觀察到任何微觀結構指標與 Aβ42/Aβ40 比率的顯著關聯(lián)。

表4 所有參與者的擴散微觀結構指標與血漿生物標志物之間的偏相關分析

擴散微觀結構指數(shù)與神經(jīng)心理表現(xiàn)評分之間的關聯(lián)

為了了解海馬亞區(qū)微觀結構改變與認知能力之間的關聯(lián)，在擴散指標和神經(jīng)心理學表現(xiàn)之間進行了偏相關分析（表 5）。在 FDR 校正 (α = 0.05) 后，所有亞區(qū)的VF_IC與神經(jīng)心理評分的關聯(lián)度最高 (0.20 < r < 0.33)。高 VF_IC 與 MoCA 和 RAVLT中更好的認知表現(xiàn)相關。特別是，CA1-3 中的VF_IC 與MoCA 相關系數(shù)最高（r = 0.33；P_FDR < 0.05）。在神經(jīng)心理學測試中，TMT 是與微觀結構生物標志物最不相關的指標。在各個亞區(qū)中，CA1-3 被證明是最重要的亞區(qū)，在認知表現(xiàn)和微觀結構指標之間具有最顯著的關聯(lián)和最高的效應量 (r > 0.45)。在 CA1-3 中，高認知能力（即 MoCA 和 RAVLT）與低ODI和V_ISO相關，并且與VF_IC 和VF_EC 的細胞內(nèi)和細胞外體積分數(shù)增加有關。

表5 神經(jīng)心理學測試分數(shù)與 MRI 指標之間的偏相關分析

討論

臨床特征

本研究使用多殼(multi-shell)擴散 MRI 成像探究與阿爾茨海默病相關的海馬亞區(qū)微觀組織結構的改變。雖然之前已經(jīng)在整個海馬和海馬亞區(qū)報告了基于單殼(signle-shell) DTI 分析，但針對阿爾茨海默病海馬亞區(qū)的多室擴散研究非常有限。先進的隔室建模可以通過將擴散信號分解成幾個具有生物學意義的成分來提供更具體的病理生理學解釋。使用這種新穎的神經(jīng)影像技術，我們觀察到阿爾茨海默病臨床連續(xù)體的分級變化和海馬亞區(qū)之間的差異變化。

本研究表明，區(qū)域擴散微觀結構指標對阿爾茨海默病的臨床連續(xù)進程具有不同的影響。一個顯著的組間差異（即 CA4-DG 中的 VF_IC）表明了從正常認知到 MCI 的早期微觀結構變化。在后期階段，MCI 和阿爾茨海默病之間大約 70% 的海馬亞區(qū)的微觀結構指標存在差異，并且認知正常受試者與阿爾茨海默病患者之間的所有比較都是顯著的。在檢查阿爾茨海默病前驅(qū)期和臨床階段的擴散指標后，我們發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)和細胞外體積分數(shù)減少，組織分散和各向同性體積分數(shù)增加。

我們對各向同性擴散增加的觀察可以解釋以前在 MCI 和阿爾茨海默病中的 DTI 發(fā)現(xiàn)。先前在阿爾茨海默病的海馬中報道了平均擴散率升高，而在 MCI中較小。這種平均擴散率的增加可能是由于阿爾茨海默病相關的樹突丟失、神經(jīng)元收縮、軸突變性或細胞膜完整性破壞引起了水腫變化，進而引起快速各向同性擴散增加。

本研究還觀察到海馬亞區(qū)之間的變化，并且 CA的微觀結構似乎對病理變化高度敏感。雖然 CA4-DG 顯示出早期細胞內(nèi)體積分數(shù)的減少，但在阿爾茨海默病的后期，CA1-3 和 CA4-DG 的組間差異和與血液生物標志物的相關性具有很大的影響。對于與神經(jīng)心理學結果的關聯(lián)，CA1-3 表現(xiàn)出最高的敏感性和最大的效應量。 CA1 亞區(qū)一直是先前病理生理學研究的重點，顯示出與阿爾茨海默病顯著相關的神經(jīng)元和突觸喪失。這種神經(jīng)元損失也與簡易精神狀況檢查(Mini Mental State Examination)中的認知有關。另一方面，DG （齒狀回）被認為是海馬體的神經(jīng)發(fā)生中心，據(jù)報道它在阿爾茨海默病的動物模型中顯示功能失調(diào)。

阿爾茨海默病病理學的分子生物標志物在癡呆之前的早期疾病階段最有用。據(jù)報道，微觀結構改變與阿爾茨海默病病理學生物標志物-腦脊液呈現(xiàn)出不同程度的相關。最近的研究表明，基于血液的生物標志物在檢測阿爾茨海默病中的 CNS 淀粉樣蛋白和 tau 蛋白沉積方面可以達到與 CSF 生物標志物相似的效果。該研究為檢測海馬區(qū)域顯微結構改變中的血漿生物標志物效用提供了支持。組間和組內(nèi)分析表明，血漿生物標志物與海馬亞區(qū)的微觀結構指標之間存在顯著關聯(lián)。相關分析表明，NfL 升高與間質(zhì)自由水和細胞外受阻水成分增加的神經(jīng)退行性變化先關。本結果還突出了病理學對海馬亞區(qū)微觀結構的不同影響。CA4-DG 和下托呈現(xiàn)出NfL和tau蛋白與微觀結構退化的相關性。另一方面，CA1-3 顯示了血液標志物和擴散指標之間的一些新關系，盡管它們沒有在多重比較校正中幸存下來。

本研究表明神經(jīng)心理學測試分數(shù)與海馬局部微觀結構改變之間存在顯著關聯(lián)。與組比較結果一致（VF_IC最早顯示出可檢測差異，認知正常與 MCI)，VF_IC 是與臨床結果相關的最敏感的微觀結構指標之一。所有海馬亞區(qū)的VF_IC 與大多數(shù)神經(jīng)心理學評分有很強的相關性。總體而言，神經(jīng)心理學測試中表現(xiàn)不佳與細胞內(nèi)體積分數(shù)降低有關，這可能與神經(jīng)突密度降低有關。這些結果支持神經(jīng)元丟失和突觸障礙與認知缺陷密切相關的假設。此外，最近一項關于年輕發(fā)作阿爾茨海默病的研究表明， NODDI灰質(zhì)神經(jīng)密度與簡易精神狀態(tài)檢查之間存在關聯(lián)。

這項研究有一些局限性。首先，受試者總體上受過高等教育（教育年限≥ 15 年），這可能會限制結果在教育水平較低人群的普遍適用性。其次，本研究是橫向研究，報告的差異是群體效應，而不是疾病進展導致的個體內(nèi)部變化。未來的縱向研究有必要證實目前的發(fā)現(xiàn)。第三，該研究使用標準分辨率 (2 × 2 × 2 mm³) 的擴散 MRI 數(shù)據(jù)來估計海馬亞區(qū)等相對較小結構的微觀結構變化。因此，我們選擇不進一步劃分 CA1-3 或 CA4-DG。此外，我們專注于海馬亞區(qū)的主要灰質(zhì)部分。因此，該分析不包括海馬傘和海馬旁回。為了減輕由于有限分辨率引起的部分容積效應，我們使用灰質(zhì)特定的多室建模 (multi-compartment modelling )來（i）實現(xiàn)灰質(zhì)微觀結構的生理上合理的表示； (ii) 分離 CSF 和白質(zhì)的部分容積影響。此外，我們在高分辨率解剖圖像和彌散圖像之間配準的質(zhì)量保證/控制方面非常注意。由于觀察到的彌散 MRI 參數(shù)圖變化可能反映不同的生理/病理生理過程，因此在解釋和概括這些結果時必須謹慎。最后，雖然我們的結果可能有助于整理與阿爾茨海默病生物學定義相關的證據(jù) [即A/T (N) 系統(tǒng)]，該研究側重于阿爾茨海默病臨床的連續(xù)變化，并根據(jù)臨床標準而不是 A/T (N) 生物標志物標準對各組進行劃分。A/T (N) 系統(tǒng)和微觀結構成像的關系將成為我們未來的研究重點，包括代表“T”的磷酸化 tau 以補充現(xiàn)有的血液生物標志物數(shù)據(jù)、“A”的 Aβ42/Aβ40 比率和“N”的 NfL 。

盡管存在局限性，但這項研究的結果證明了顯微結構成像在檢測阿爾茨海默病臨床診斷中海馬亞區(qū)細微變化方面的作用。我們以組級別和區(qū)域級別將顯微結構成像與阿爾茨海默病病理學的分子生物標志物聯(lián)系起來。此外，海馬亞區(qū)微觀結構指數(shù)的變化可以解釋神經(jīng)心理學測試結果。

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