尚丽，卢祖能

(武汉大学人民医院神经内科，武汉 430060)

肌萎缩侧索硬化(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)也称运动神经元病，是一种影响原发性运动皮质、脑干和脊髓的运动神经元，导致上运动神经元(upper motor neuron，UMN)、下运动神经元(lower motor neuron，LMN)受累的临床遗传异质性疾病[1]。尽管已经进行了大量研究，但ALS潜在的病理生理学变化尚不清楚，且由于临床异质性，疾病的早期诊断非常困难[2]。目前主要依据临床观察、肌电图检查以及排除类似疾病确诊。ALS患者LMN受累的临床及亚临床体征可通过常规肌电图检查识别，但缺乏有效的UMN损害生物标志物，从而延迟患者的诊断，限制了早期神经保护治疗的启动[3]。近年来，神经影像技术可非侵入性地检测ALS中枢神经系统变性，为探索UMN损伤提供了客观依据[4-7]；此外，神经影像技术也被运用于ALS脑结构、功能及代谢的研究，这对揭示疾病的病理生理改变，诊断疾病，监测疾病进展、治疗，以及指导预后有重要价值[2]。颈髓磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)有望表征ALS症状前变化并监测疾病进展[8]。现就常规MRI、结构MRI(structural MRI，sMRI)、弥散张量成像(diffusion tensor imaging，DTI)、氢质子磁共振波谱成像(proton magnetic resonance spectroscopy，1H-MRS)、静息态功能连接MRI(resting-state functional connectivity MRI，rs-fcMRI)、神经突方向分散度和密度成像(neurite orientation dispersion and density imaging，NODDI)在ALS中的应用及在生物标志物发展中的潜在作用进行综述，以期提高对疾病病理生理的认识，并为改善疾病诊断提供帮助。

1 常规MRI

ALS脑或脊髓的常规MRI主要用于排除颅底肿瘤、颈髓型颈椎病、脊髓空洞症等疾病[3]。但随着影像学技术的发展，常规MRI可以发现ALS患者大脑或脊髓的异常信号改变。Foerster等[2]研究发现，在T2加权像(T2-weighted image，T2WI)和液体衰减反转恢复序列上，患者表现为从半卵圆中心到脑干层面双侧皮质脊髓束(cortical spinal tract，CST)走行区域的高信号改变，这可能反映了此区域轴突和髓鞘密度降低，并与UMN损害及球部发病密切相关；此外，部分患者在T2WI上显示为运动皮质低信号改变，根据组织学及尸检结果推测，这可能与运动皮质中小胶质细胞内铁沉积相关[9]。Vázquez-Costa等[4]研究发现，T2WI上患者运动皮质低信号改变，并将其与CST高信号改变视为ALS患者UMN损害的可靠标志，且后者可作为监测疾病进展的指标。由于采用序列及CST分析区域的差异，ALS患者大脑CST的T2/液体衰减反转恢复高信号征象的灵敏度为15%～95%[3]，且在健康个体和肝功能衰竭患者中也可见T2WI上CST高信号改变[10]。故依据大脑CST的信号改变对ALS进行诊断仍需进一步讨论。

除大脑MRI外，在ALS患者脊髓常规MRI中也可见CST受累。Filippi等[11]研究发现，在T1WI和T2WI上，颈髓前外侧柱呈高信号改变，与大脑MRI的信号改变相比，颈髓CST的高信号改变特异性更高。近年来研究发现，对于ALS患者脊髓CST异常信号，使用超高场强(7 T)MRI可提高检测的准确性[10]，在表征脊髓病理方面具有潜在优势。

2 sMRI

sMRI利用高空间分辨率MRI技术检测大脑的形态结构，并根据T1WI对灰质、白质的体积和形态进行分割和量化。通常包括基于体素的形态学测量法(voxel-based morphometry，VBM)和基于表面的形态学测量法(surface-based morphometry，SBM)[3]。

2.1VBM VBM可在特定大脑区域进行白质和灰质体积的测量。既往关于ALS患者原发性运动皮质(包括运动前皮质)以及非运动皮质是否存在异常，VBM的结果并不一致。尽管部分研究显示ALS患者中央前回萎缩[12-13]，但其他研究结果未证明此观点[14]，样本量、图像处理方法等可能是其差异的原因。此外，在不同的研究中运动外皮质的受累分布也有很大差异，涉及的区域包括颞叶皮质、海马、顶叶皮质和岛叶等[3]。Shen等[15]对29项VBM研究进行荟萃分析发现，ALS患者右侧中央前回、左侧顶盖、左侧豆状核、右侧扣带回及扣带旁回的灰质体积显著下降，且右侧中央前回灰质萎缩程度与病程长短呈正相关，并认为这可能是评估病情严重程度的潜在的解剖学生物标志物。

2.2SBM SBM主要用于测量皮质厚度，而皮质厚度是检测ALS运动皮质变化的关键指标[2]。与VBM相比，SBM检测运动皮质局灶性萎缩的可靠性和敏感性更高[3]。多项研究表明，ALS患者运动皮质明显变薄，此为UMN变性所特有，在LMN广泛受累的患者中未发现上述现象，故运动皮质变薄可作为ALS敏感的诊断指标[3,5]。一项纵向SBM研究表明，皮质变薄从原始运动皮质向额叶、颞叶和顶叶区域发展，这种运动外皮质损伤及其进展模式与ALS病理变化一致[10]。此外，与仅有运动功能受损的ALS患者相比，有认知功能障碍的患者额叶、颞叶、顶叶变薄更明显，故皮质厚度的差异可一定程度地解释临床异质性[16]。

3 DTI

DTI量化了生物组织内水分子的布朗运动。通过检测水分子扩散的方向和速率能定量反映脑白质纤维的完整性。DTI用于定量分析的常用参数有部分各向异性(fractional anisotropy，FA)、轴向扩散率(axial diffusivity，AD)、径向扩散率(radial diffusivity，RD)和平均扩散系数(mean diffusivity，MA)，其代表体素内的扩散特性[17]。FA是白质纤维各向异性的主要指标，与髓鞘完整性、白质纤维密度以及纤维间的平行度相关。任何影响中枢神经系统微观结构的病理过程(如炎症、髓鞘脱失或轴索损害)均会改变水分子扩散的各向异性，影响FA值[17]。AD测量沿纤维束方向的水分子扩散分量，评估轴突的功能及变性；RD评估垂直于轴突的水分子扩散分量，对髓鞘异常表现出更高的敏感性；而MD则是平均所有轴向扩散率的特征，忽略了扩散的不均匀性[18]。近年一项新的DTI参数——局部扩散均匀性也被用于检测ALS患者白质微结构改变，可能为白质变性提供更多见解[19]。

大量研究显示，ALS患者CST的FA值降低，RD值、MD值升高，其中内囊后肢变化最明显，且FA值与修订的ALS功能评分(ALS functional rating scale-revised，ALSFRS-r)、疾病进展率及UMN评分显著相关[19-21]，故ALS患者CST的DTI可能是疾病诊断和随访的潜在生物标志物。一项研究纳入纯LMN损害的患者，即临床体检及电生理检查均未发现UMN受累，行DTI示患者大脑脚和内囊后肢CST的FA值降低，AD值增加，表明在临床及电生理未发现UMN异常时，DTI可作为检测UMN损害的可靠工具，有助于疾病的早期确诊[6]。DTI也可用于检测临床表型之间的差异。Ellis等[20]研究发现，球部起病的患者FA值降低更明显。此外部分研究显示，ALS患者的胼胝体、基底节、丘脑FA值降低，MD值、RD值、AD值升高，且FA值与ALS患者ALSFRS-r评分及UMN评分呈正相关[22-24]。

目前认为，行脊髓DTI检测时最明显的异常部位是颈髓下段[17,25]，即下段颈髓FA值降低较上段颈髓更明显，这与ALS的逆死性神经变性机制相一致[25]。Cohen-Adad等[26]研究表明，与健康对照组相比，ALS患者脊髓前外侧柱和后外侧柱的FA值明显降低，RD值增加，尤其在远端颈髓中，表明ALS累及感觉纤维；而Patzig等[17]的研究则仅显示脊髓前外侧柱FA值降低，而代表感觉系统的后外侧柱未见异常。后者的结论与动物研究相一致[27]，即FA值改变仅累及侧索，而不累及脊柱后外侧感觉纤维。目前认为ALS不仅累及运动传导通路，故脊髓后外侧感觉纤维是否受累仍需进一步研究。

4 1H-MRS

1H-MRS利用电子和细胞核在局部区域产生磁场的细微差异，解析和定量某些组织代谢物，并根据代谢物浓度间接反映神经元的功能状态[28]。最常研究的代谢物包括N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl aspartate，NAA)，其是神经元完整性的标志物；胆碱是细胞膜更新的标志物；肌酸是能量代谢的标志物；其他的脑代谢物包括肌醇、谷氨酸谷氨酰胺及γ-氨基丁酸[2]。

在ALS的1H-MRS研究中，较一致的结果为患者运动皮质NAA峰值、NAA/胆碱、NAA/(肌酸+胆碱)降低，这可能与神经变性有关[3,29]。在纵向研究中也发现运动皮质的NAA峰值、NAA/肌酸和NAA/胆碱降低，且运动皮质中NAA水平的降低与患者残疾程度及疾病进展相关[10]，NAA/胆碱降低是较短生存期的最强预测指标[30]。利用NAA峰值、NAA/胆碱及NAA/(肌酸+胆碱)可区分ALS患者与健康对照者，其灵敏度为53%～100%，特异度为37%～100%[29]。在运动皮质中其他代谢物谷氨酸/肌酸、谷氨酰胺/肌酸、肌醇或肌醇/肌酸增加，而γ-氨基丁酸降低[3]。此外，在放射冠和脑室周围白质、内囊后肢和整个CST走行区域均可观察到NAA、NAA/肌酸和NAA/胆碱降低，而在丘脑、基底神经节、扣带回、顶叶和枕叶仅NAA/肌酸和NAA/胆碱降低[3]。在ALS的治疗中，启动利鲁唑治疗后第1天和第3周，运动皮质NAA/肌酸升高，表明存在适合治疗的代谢异常的神经元[29]，故1H-MRS可能是监测疾病治疗的潜在工具。

很少有研究使用1H-MRS检测脊髓水平的代谢变化。一项研究显示，在携带超氧化物歧化酶1基因的无症状患者中，在临床和电生理征象出现前已经发生了明显的神经代谢变化，即NAA/肌酸和NAA/肌醇降低[8]；另有研究评估ALS颈髓1H-MRS发现，NAA/肌酸和NAA/肌醇与ALSFRS-r和用力肺活量相关，且与ALSFRS-r和用力肺活量下降速度呈负相关[31]，未来1H-MRS可能在ALS早期诊断、预测疾病严重程度、监测疾病进展中发挥作用。

5 rs-fcMRI

rs-fcMRI是基于血氧水平依赖的信号变化，将细胞代谢与MRI相结合以反映皮质及皮质下的功能连接(functional connectivity，FC)[2]。有研究表明，ALS患者感觉运动网络FC减少[32]，而其他研究显示FC增加[33]。目前认为这种FC的差异与疾病进展阶段不同相关，在疾病早期阶段，大部分功能仍然保留，故FC减少；随着病理变化累积以及大脑半球间抑制作用的丧失，FC增加[2]。一项研究评估了UMN损害程度与FC的关系发现，UMN评分与FC之间无相关性[7]。与认知和行为相关的默认模式网络的研究显示，FC增加与患者疾病进展率呈正相关，表明疾病进展迅速的患者FC更为广泛[34]。此外，随着病情进展，运动外网络(如左侧额顶叶和颞叶网络)FC增加[35]；左侧感觉运动皮质、右海马旁回和右侧小脑的FC与疾病严重程度相关，右侧海马旁回和额叶皮质的FC与疾病进展和病程相关[3]。尽管rs-fcMRI研究可能受ALS疾病阶段的影响，但FC的变化为研究ALS潜在的病理生理过程提供了重要参考信息。

6 NODDI

NODDI是弥散MRI的多室模型，可将细胞突内水(树突和轴突内的水)、细胞突外水(神经突起周围空间的水，含神经胶质细胞和胞体)及脑脊液这三种微结构环境区分开，与DTI相比，NODDI能更直接、准确地解释神经变性的微结构[34]。NODDI主要参数包括神经突密度指数(neurite density index，NDI)、方向分散指数(orientation dispersion index，ODI)及各向同性间隔的体积分数，其中NDI可评估神经组织中树突和轴突比例，主要对轴突变性敏感；ODI量化了神经突方向的可变性[36]。与DTI相比，NODDI可更好地区分灰质和白质，其中正常白质NDI值高，ODI值低，而灰质则相反[37]。近年全脑NODDI研究发现，与健康对照者相比，ALS患者在双侧CTS连续区域内(从内囊后肢到中央前回皮质下白质)NDI显著降低，右侧内囊前肢的ODI升高，右侧脑室附近各向同性间隔的体积分数升高，且ODI和各向同性间隔的体积分数均与疾病持续时间显著相关[38]。与仅有肢体受累的患者相比，球部和肢体均受累的ALS患者在右侧放射冠和中央前回皮质NDI降低的程度更大[38]。目前，关于NODDI检测ALS的研究有限，但这一新兴技术有可能为ALS的病理生理及结构改变提供新的见解。

7 小 结

目前关于ALS的早期诊断、疾病进展监测、预后评估及临床药物疗效评价仍缺乏有效的生物标志物。MRI技术作为一种独特的非侵入性工具，提供了大脑及脊髓结构和功能的重要信息，在探索ALS的病理生理方面显示出巨大潜力，为ALS的早期诊断、疾病进展监测、治疗及预后评估提供了重要价值。但由于各研究样本量、感兴趣区域、图像处理方法等方面的差异，MRI在检测ALS的UMN变性、预示疾病进展及严重程度方面仍未能得出确切结论；另外，由于人类脊髓的横截面积小，且易受呼吸和心脏运动影响，目前绝大部分神经影像研究集中在ALS的脑部改变上，脊髓的MRI研究有限。目前大量研究主要集中于横断面研究，缺乏纵向研究。未来大规模的纵向研究、多种MRI技术的联合应用可能为临床实践和临床药物疗效评价提供更多价值。