0 引言

       帕金森病（Parkinson's disease, PD）是运动障碍为主的全球第二大中枢神经系统退行性疾病，其病理特点为中脑黑质含神经黑色素（neuromelanin, NM）多巴胺神经元的不可逆变性、坏死。目前PD的临床诊断主要依靠运动症状，治疗手段主要起到延缓病程进展和改善患者临床症状的作用，值得注意的是，PD早期运动症状不显著，临床诊断非常困难，且其病理改变的发生往往明显早于运动症状的出现，且依靠运动症状诊断容易出现误诊情况，因此，有学者基于以上临床背景研究开发出一项新的无创可视化影像技术——神经黑色素敏感MRI（neuromelanin-sensitive MRI, NM-MRI），其主要在病理层面上监测含NM多巴胺神经元的变化，且证实该技术信号分布与大体标本中富含NM多巴胺神经元分布区域相吻合。

       目前，此项技术已经在PD的应用研究中取得一定的进展，如早期诊断、病程监测、亚型分类、鉴别诊断等，同时在PD的病理研究中也提供了一些影像学证据，如NM-MRI信号变化显示出病理改变所遵循的时空规律等。此项技术还在持续研究中，研究方向除了探索其临床应用价值，提出准确性更高的技术优化方案，其在除PD以外的相关神经退行性疾病中的应用也开始被研究。由于NM在PD的发病机制未得以明确，NM-MRI成像机制也在持续探索，扫描方案不统一，诊断性能具有异质性等等方面，还有待进一步的研究突破。值得肯定的是，NM-MRI在PD早期诊断中极具潜力，但其尚未被临床广泛了解及应用，因此，本文就国内外近年来NM-MRI在PD中的应用进展进行综述，希望随着NM-MRI研究的不断优化与成熟，早日帮助临床攻克PD早期诊断的难题，同时为PD病理机制的研究提供有效便捷的影像学工具。

1 NM

1.1 NM简介

       NM是一种复杂的难溶性深色聚合物，多存于人类大脑，在黑质致密部（substantia nigra pars compacta, SNc）、腹侧被盖区、蓝斑内儿茶酚胺能神经元内含量较多，由黑色素、蛋白质、脂质、金属离子组成，正常人于幼儿时期出现，随时间增长在脑内积聚，至47岁达高峰，呈倒“U”型^[1]。生理情况下，NM无法降解，病理条件下，神经元细胞死亡时，NM被释放到胞外，激活小胶质等特殊吞噬细胞导致其降解^[2]。目前，关于体内NM合成途径尚不统一，有两种观点^[3]：多数学者认为NM的产生主要源于非酶介导儿茶酚胺自氧化过程，由胞浆内过量多巴胺及其他儿茶酚胺经氧化后形成半醌、醌，最终生成NM，同时体外实验也证实黑色素形成速率与初始多巴胺浓度呈正线性关系^[4]；也有部分学者持相反意见，认为酪氨酸酶参与NM产生，有实验通过大鼠体内注射腺病毒相关载体诱发人酪氨酸酶过度表达，致使大鼠黑质内产生类人NM，达到老年人水平^[5]，但目前尚缺乏体内酪氨酸酶存在的相关免疫学证据，可能与检测手段有关。

1.2 NM在PD中的作用

       生理情况下，NM的高亲和力结合位点可为铁提供一个安全的储存系统，保持铁离子低氧化高还原稳定状态^[6]，还可作为黑质钙库，结合Ca²⁺维持钙稳态^[7]，同时，NM合成过程减低胞内过剩多巴胺含量，减少其代谢产物的神经元毒性。但在病理条件下，神经细胞出现铁过载，NM高亲和力结合位点过饱和，过剩的铁离子与低亲和力位点结合欠稳定，铁离子易被释放，引发芬顿效应，导致氧化应激产生经典细胞凋亡或铁依赖性非凋亡性细胞死亡——铁死亡^{[6, 8]}。因此，生理情况下NM对多巴胺神经元具有保护作用，当细胞内NM积累超阈值时，会以年龄依赖性方式损害神经元功能并最终触发PD样病理改变^{[5, 7]}。NM的释放，会持续刺激小胶质细胞，引发神经免疫炎症反应，加剧PD病程进展^{[3, 9]}。PD患者多巴胺能神经元的损伤易感性，也可能与含NM细胞脂膜中结合外来抗原，导致T细胞介导的细胞毒性攻击作用有关^{[7, 9]}。病理条件下，NM还诱导路易包涵体内α-突触核蛋白表达和聚集导致氧化应激反应、蛋白质降解被抑制，细胞毒性作用产生^[10]。

       有研究发现，在PD运动症状出现之前，SNc已有超50%神经元丢失^[11]，且含NM神经元退化具有空间一致性。相反，非NM沉着脑区的神经元丢失不具有一致性，且并非特定于PD^[7]。与正常衰老过程相比，PD患者含有NM神经元脱失速度相较于健康对照组大大加快，相关神经元数量减少约80%^[12]。有研究通过病毒载体介导囊泡单胺转运蛋白-2过表达增强大鼠模型黑质内多巴胺囊泡包封，减少NM的转化，使得动物模型中PD病理样改变减弱^[13]。

       不容忽视的是NM参与PD的发生、发展，并且可能发挥着重要作用，现阶段NM在PD的病理机制还不十分明了，仍在持续研究中，我们希望发现一项新的NM可视化技术，辅助病理研究的同时，达到预测、诊断、监测PD的目的，实现前驱期临床干预，延缓患者临床症状的出现，提高患者生存质量。

2 NM-MRI

2.1 成像技术原理

       NM-MRI是一种NM无创定量的MRI技术，NM-MRI在高NM区的显像可能与NM-铁复合物具有T1缩短效应及磁化传递（magnetization transfer, MT）效应有关^[14]。1993年ZECCA等^[15]首先发现NM-铁复合物的顺磁性。在铁蛋白中的螯合基团主要是氨基酸，呈低顺磁性，而NM-铁复合物高顺磁性可能与其螯合基团为稳定自由基的特殊结构有关，呈高信号强度^{[16, 17]}。MT的发生是大分子蛋白质与结合水中质子将所得能量转移给自由水后，自由水获得能量被饱和，呈现组织信号减低的现象，黑质周围脑白质内大分子蛋白质含量较高，MT效应加强，信号低，黑质区则由于NM-铁复合物的顺磁性，缩短了自由水与大分子蛋白质结合水质子弛豫时间，降低了MT效应，产生黑质高信号，为NM-MRI扫描提供了信号的高对比度^{[17, 18]}。在正常人群中，NM-MRI在铁与NM重叠累积区的高信号对比度不受铁含量影响，随年龄增加而增加^[19]。综上，NM-MRI产生的高对比度是由于MT和T1缩短效应的组合。

2.2 技术进展

       2006年SASAKI团队首次应用T1加权快速自旋回波序列成功显示SNc中NM对称性高信号，对比PD患者感兴趣区NM-MRI信号，信号减低程度与尸检结果中NM含量下降一致^[20]。由于快速自旋回波序列附带的MT效应产生的对比度有限，光谱预饱和反转恢复脉冲的加入，使其MT效应产生的对比度更显著^[21]。相较于快速自旋回波方法，梯度回波出现更高的影像对比度^[22]。延迟进动定制激发技术（delay alternating with nutation for tailored excitation, DANTE）也被发现，用于NM-MRI具有良好的诊断效能和空间分辨率，与3D梯度回波NM-MRI显像对比信号未见明显差异，T1-DANTE-SPACE还可对血管和NM联合评估，帮助对血管源性帕金森综合征或血管源性痴呆进行鉴别诊断^[23]。三维磁化转移对比梯度回波序列扫描时间更短，且单次扫描可获得铁和NM两类物质含量及评估黑体-1结构^[24]。NM-铁一体化成像新技术——磁化传递对比度-战略获得梯度回波序列（strategically acquired gradient echo imaging, STAGE）的提出，一次可采集生成多组可定量对比图像，进一步优化了含NM神经元结构的显像对比度及改善扫描时长，非共振MT脉冲的3D序列的使用使扫描时长缩短，为敏锐地探测PD黑质及蓝斑中NM变化提供了更好的方法^[25]。运用压缩感知及不同重复时间和MT脉冲不同组合加速方式研究NM-MRI加速方法，发现压缩感知在二维NM-MRI就具有很高的显像价值。随着NM-MRI的发展与优化，创新技术的不断提出，多组图像的联合对比使疾病进展更加直观。

2.3 NM-MRI对多巴胺系统评估的作用

       神经病理学研究曾报道含有NM神经元数量与其多巴胺轴突末端功能活性之间存在关联^[26]，有研究发现在临床定义受累严重侧黑色素信号与多巴胺转运体存在显著的相关，但在临床受累较轻侧不具有相关性，推测黑色素信号减少由临床上患侧纹状体相关的多巴胺能功能丧失的不均匀性导致^[27]，通过测量NM含量不仅可以预测多巴胺能神经元的数量还可以预测末端功能^[28]。通过直接比较大体标本黑质区NM-MRI信号与组织学结果，证实NM-MRI信号强度与含NM的多巴胺神经元数量、位置存在正相关^[29]。有学者利用正电子发射断层显像（positron emission tomography, PET）扫描发现，黑质区NM-MRI信号与PET测量多巴胺D2受体含量呈正相关，可能与NM增加，自动感受器对多巴胺能细胞的局部反馈机制相关^[30]。CASSIDY等^[31]提出NM浓度主要取决于多巴胺合成储存能力，并非仅仅是神经元变性中含NM的细胞计数减少导致，并且进一步在非神经退行性疾病活体状态下，利用PET直接测量黑质-纹状体通路相关联突触前位点多巴胺释放能力，证实NM-MRI信号强度与多巴胺释放能力呈正相关。通过比较NM-MRI与目前诊断PD常用的多巴胺转运体-单光子发射计算机断层显像（DaTscan-single photon emission computed tomography, DAT-SPECT）技术，有学者发现NM-MRI比DAT-SPECT更准确地反映PD晚期的变化，DAT-SPECT能敏感识别前驱期PD患者，但其缺乏特异性，无法反映中重度PD患者情况，而NM-MRI可弥补这项缺失^{[32, 33]}。NM-MRI通过可视化多巴胺能神经元细胞丢失及多巴胺能神经元功能异常这两个过程，在神经退行性疾病研究中已经取得了一些进展，除此之外，NM-MRI在非神经退行性疾病中，如精神分裂症、抑郁症、可卡因成瘾等方面也取得了重要进展^{[31, 34]}。

3 NM-MRI在PD中的应用

3.1 NM-MRI 信号在PD中的变化

       PD临床表现主要是运动症状伴认知障碍等非运动障碍，由于目前PD多巴胺神经元变性、坏死呈不可逆状态，寻找PD前驱期生物影像标志物尤为重要。NM-MRI在蓝斑的扫描中实现了PD认知功能障碍的评估^[11]。PD患者蓝斑在NM-MRI显示对比噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）低于健康对照，轻度认知障碍PD患者CNR介于无认知障碍PD患者及健康对照之间，证实NM-MRI在PD发展程度上可发挥监测作用^[35]。另外一项研究调查显示，PD患者蓝斑NM-MRI对比度降低存在空间异质性，蓝斑中部、尾部信号影响更大^[36]。在运动障碍方面，PD患者运动症状前期就已存在SNc各亚区NM减少，且NM测量值与PD临床病程、H-Y分级、统一帕金森病综合评分量表（Unified Parkinson's Disease Rating Scale,UPDRS）-Ⅲ临床量表评分呈显著负相关^{[11, 37]}。随着PD的进展，NM-MRI测量值减低由SNc后外侧发展到前内侧，且与病情严重程度正相关，体素信噪比（signal-to-noise ratio, SNR）与运动障碍MDS-UPDRS-Ⅲ-OFF评分相关区也位于SNR较低水平的后外侧黑质部^[38]，也与PD中多巴胺能神经元丢失最明显的黑质小体-1区位置一致。PD黑质腹侧对比度丧失约在临床诊断前5~6年，且具有症状偏侧性PD患者黑质对侧腹侧信号及体积减小更显著^[39]。除黑质小体-1外，NM信号在黑质小体-2区的丢失也具有显著差异，符合PD病理改变中存在的空间异质性^[40]。PD患者黑质内、外侧SNc信号均随病情进展而下降，步态异常型较震颤型信号更低，且SNc外侧部信号衰减更明显，可能由于病理机制不同，震颤型PD的发生或与小脑丘脑皮层通路紊乱相关，和黑质纹状体通路紊乱没有密切关系^[41]。在伴步态异常PD患者中，NM-MRI测量蓝斑体积减低较不伴步态异常PD患者更显著，与步态异常症状严重程度负相关^[42]。除了NM-MRI单序列在PD中的应用，多序列联合扫描也被发现有重要作用。利用NM-MRI和磁敏感成像分别测量NM损伤情况及观察黑质小体-1形态的方法，使得早期PD患者诊断更精准^[43]，NM-MRI扫描SNc图谱与R2^*定量图中黑质含铁区二者重叠百分比与PD病程呈正相关，也可作为监测PD进展的有效工具^[44]。

       在NM-MRI扫描及数据采集过程中，还存在一些问题。扫描机型、不同序列、患者体质差异等都可能导致不同研究小组感兴趣区完整度、SNR水平基线不同，得不到统一的量化标准。扫描方案中不同线圈、序列、维度、场强均会对扫描结果产生影响^[45]。在感兴趣区划分中也存在差异，早期多数研究使用手动划分，随后出现了一些半自动、全自动方法，自动化方法克服了潜在的分割方法差异导致的数据偏差，减少了数据处理时间，现阶段提出的基于核磁模板的全自动分割方法实现了准确分割并测量中脑核团分组织特性，如体积、铁含量、NM含量等^[46]。因此，NM-MRI的标准化数据采集被提出，并在多个研究中应用并证实扫描方案有良好的可重复性^{[18, 47]}。

3.2 NM-MRI在PD诊断鉴别及应用进展

       NM-MRI对PD前驱期的诊断及疾病鉴别具有的极大潜力。特发性快速动眼睡眠障碍（rapid eyemovement sleep bahavior disorder, RBD）被认为是PD前驱阶段，大多数特发性RBD患者会转化为PD或路易体痴呆，中位转换时间约7年，基于深度学习方法以及全自动分割SNc技术，研究发现特发性RBD患者NM-MRI测量值改变介于正常对照及PD患者之间，符合NM超阈值累积损伤神经元的病理解释^[48]。另有研究提出，除无RBD的PD患者外，所有PD患者NM信号强度均降低，PD中RBD的出现似乎与较低的NM具有因果关系，有待进一步证实^[49]。

       帕金森综合征是一组在临床特征上类似于PD的疾病，与PD的鉴别诊断存在困难。特发性震颤是一种病因不明的常见运动障碍疾病，临床表征与PD存在重叠性，特发性震颤和震颤为主型PD的鉴别是临床上的难点，临床初诊约有三分之一的特发性震颤患者被误诊，震颤为主型PD是常见误诊疾病，NM-MRI或可帮助解决这一困境。NM-MRI扫描发现特发性震颤患者虽然存在测定值的减低，但其与健康对照组没有显著差异，而在震颤为主型PD患者中，SNc外侧亚区、中央亚区宽度及CNR测量值，均较特发性震颤患者显著降低，以上位点的测量可以有效帮助临床进行鉴别诊断^{[50, 51]}。在进行性核上麻痹患者中，蓝斑NM-MRI信号测量值显著高于PD患者^[52]。对于路易体痴呆患者，NM-MRI信号强度减低程度，与路易体痴呆患者含NM神经元丢失尸检结果一致，表现与PD患者相似^[53]。亨廷顿舞蹈病作为一种罕见的常染色体显性遗传神经退行性病，部分运动症状、认知改变与PD重合，NM-MRI在该病黑质中也监测到NM的丢失^[54]。NM-MRI还可初步评估左旋多巴的治疗反应能力，晚年抑郁常与多巴胺功能受损有关，左旋多巴治疗三周后对比老年抑郁患者基线发现NM-MRI信号增加，NM-MRI为老年精神神经病学中多巴胺相关精神运动减慢提供了具有前景的影像标志物^[34]。在药物成瘾方向，NM-MRI显示了急性甲基苯丙胺诱导小鼠黑质区多巴胺释放所致NM增加，NM-MRI显示了在药物成瘾黑质纹状体通路中多巴胺功能障碍的捕获作用^[55]。

       PD黑质病理发展遵循的空间规律、时间变化规律在NM-MRI中起到疾病鉴别诊断的作用。同时，其还可能作为动态评估工具，病理层面跟踪疾病药物手段治疗效果。NM-MRI间接反映了多巴胺神经通路的特性，PD的鉴别及其他神经退行性疾病的诊断还需要持续研究，其有望成为神经精神疾病领域研究的新工具。

4 小结与展望

       NM-MRI因其无创性、无辐射、耗时短、成本低等特点，且提供了测量存活含NM神经元数量的机会，有望添加到传统MRI扫描协议，使其成为临床及研究的便利工具，在PD的早期诊断、早期干预、分型、病情进展、鉴别诊断以及在PD病理发病机制的探索等方面提供一定的帮助。目前，仅单纯依靠NM-MRI对帕金森综合征鉴别诊断有一定限制，越来越多的创新性联合研究方法的提出有助于进一步提高鉴别诊断的敏感度及特异度。不足之处是，目前PD早期病例判别困难，纵向前瞻性研究较少，在临床前期PD的研究中仍然具有很大空间，这也是目前研究的难点。现阶段对于NM-MRI扫描及数据分析尚不统一，标准化成像方法的逐步提出更有利于创建大数据环境，在扫描精度、时间优化的基础上，希望有兼容不同设备、线圈的采集方案，进行跨站点、跨制造商的NM含量测量，实现大数据共享，有利于未来人工智能的全面分析。