0 引言

       轻度认知障碍（mild cognitive impairment, MCI）被认为是介于正常衰老和阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）之间的一个过渡阶段，具有向AD转化的高风险^[1]，由于AD病程的不可逆性，且目前临床上尚无可改善病情或延缓疾病进程的有效疗法，因此，MCI的早期发现、早期诊断、早期干预治疗对降低AD的发病率、延缓进展至关重要。认知储备（cognitive reserve, CR）是指成人大脑通过补偿策略来应对脑老化和病理损伤的能力，此概念的提出是为了解释大脑病理变化与功能变化之间的不匹配现象^[2]，CR被认为是预防AD等神经退行性疾病的潜在保护机制。研究表明，CR水平较高的MCI患者认知功能恢复正常的几率明显高于其进展为痴呆的概率^[3]，而且高CR与MCI较低风险率以及缓解认知功能衰退密切相关^{[4, 5]}。

       目前研究多使用代谢、灌注、结构或功能成像研究MCI认知储备机制，但缺乏将神经与血流耦合探究潜在神经机制的研究。而且，受教育程度作为CR代替指标在目前的研究中被广泛使用^[6]。然而，CR不仅受教育程度的影响，还与个人智商、职业成就、社会地位、日常休闲活动密切相关^[7]。多数基于功能影像学的研究通常使用单一CR代替指标，较少研究综合考虑这些因素，尽管有研究将休闲活动和教育程度或教育程度和职业复杂性综合作为CR代替指标^{[8, 9]}，但还未发现将三者综合作为CR代替指标的研究。本研究以受教育年限、工作活动和休闲时间等综合指标作为CR的代替指标，并采用ASL及静息态功能磁共振成像（resting-state functional MRI, rs-fMRI）联合的方法探讨CR是否能调节MCI患者的神经血管耦合变化及其与认知功能的关系。将MRI影像数据与认知行为学结合，从神经血管耦合方面进行研究，进一步阐明CR在正常衰老、MCI患者中的潜在机制，揭示综合CR影响认知表现的神经路径，为MCI患者的预防和延缓痴呆提供更全面、更可靠的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       前瞻性收集2022年9月至2023年12月就诊于兰州大学第二医院神经内科记忆门诊的MCI患者40例，同期在当地社区招募健康对照（healthy controls, HC）26名，MCI组纳入标准：（1）依据Petersen 建立的MCI诊断标准^{[10, 11]}；（2）年龄大于50岁；（3）临床痴呆评定量表（Clinical Dementia Rating, CDR）为0.5分；（4）均经神经心理学测试证实有记忆减退，并且没有达到痴呆诊断标准；（5）简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）评分为 21~26分，蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）评分为<26分；（5）右利手。HC组入组标准为：（1）年龄大于50岁；（2）日常生活能力量表（Activity of Daily Living Scale, ADL）评分小于23分；（3）整体认知功能正常，MMSE、MoCA得分为27~30分；（4）CDR得分为0分；（5）无记忆力衰退；（6）右利手。MCI组及HC组排除标准：（1）具有其他神经或精神疾病史；（2）既往有高血压、高血糖、高血脂病史；（3）既往有头部外伤史；（4）近期经历过严重感或手术者；（5）药物或酗酒成瘾者；（6）既往长期接触神经毒性物质。

       本研究已经通过了兰州大学第二医院伦理委员会的审查批准，批准文号：2024A-701，本研究遵守《赫尔辛基宣言》，所有受试者和（或）家属参与研究前均知情且签署知情同意书。

1.2 神经心理学评估和CR评估

       所有受试者接受标准化神经心理学评估和CR评估，均由2名接受过一致化认知量表评估培训合格并且具有10年以上工作经验的主治医师进行认知量表及CR评估，MoCA、MMSE、ADL用于测量整体认知功能，听觉言语学习测验（Auditory Verbal Learning Test, AVLT）（中文版）用于测量记忆回忆；言语流畅性测验（Verbal Fluency Test, VFT）用于测量言语流畅性。认知储备指数问卷^[12]（Cognitive Reserve Index questionnaire, CRIq）是由NUCCI等设计的，结合教育程度、职业成就和休闲活动来评估个体的CR。CRIq由三个部分的分数相加得出：CRI-教育、CRI-工作活动和CRI-休闲时间。CRI-教育记录受教育年限，CRI-工作活动根据不同类型分为五类，包括低技能体力劳动、技能体力劳动、技能非体力劳动、专业人员和高级知识分子。记录了每种工作的工作时间（5年为单位，如果一个单位的工作时间少于5年，则四舍五入为5年），用工作时间乘以工作级别（1~5级）的分数总和作为CRI-工作活动；CRI-休闲时间是指在业余时间进行的所有活动，以各活动项目（包括阅读、驾驶、运动等）的持续时间乘以频率作为该项目的得分。根据标准化问卷，CRI分数越高，表示受试者的CR越高。

1.3 图像采集和预处理

       扫描采用Philips Ingenia CX 3.0 T MR扫描仪、24通道头颈联合线圈，受试者取平卧位，使用耳塞减少噪音干扰，应用海绵垫固定头部，嘱受试者闭眼，保持清醒，避免系统性思考。采集顺序为：首先采集头部常规T1WI、T2WI及T2-Flair图像并排除脑器质性疾病，其次，采集高分辨3D T1WI、ASL、rs-fMRI。参数如下：（1）3D T1WI，采用全脑容积成像序列，TR 5.9 ms, TE 3.7 ms, TI 450 ms，矩阵256×256，FOV 256 mm×256 mm，层厚1 mm，层间隔0，扫描时间4 min 56 s；ASL，采用3D伪连续动脉自旋标记成像（three dimensional-pseudo continuous arterial spin labeling, 3D-pcASL）序列，TR 4219 ms，TE 12 ms，FOV 240 mm×240 mm，重建矩阵80×60，层厚3 mm，PLD 2000 ms，扫描时间4 min 54 s；（2）rs-fMRI，采用梯度回波平面成像序列，TR 1000 ms，TE 30 ms，FA 90°，矩阵64×64，FOV 240 mm×240 mm，层厚3 mm，层间隔1 mm，扫描时间6 min 10 s。每名受试者是由1名具有10年以上工作经验以及丰富MRI扫描经验的主管技师进行扫描，各受试者扫描序列、参数保持一致。

1.3.1 3D-pcASL图像预处理

       将3D-pcASL导入工作站，经后处理生成全脑脑血流量（cerebral blood flow, CBF）图，以SPM8软件行预处理：将3D-T1WI与CBF图进行配准，分割配准后的图像，并将其归一化到蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）空间；将CBF图写入MNI空间，以8 mm半高全宽最大值高斯核进行空间平滑；最后采用DPABI软件以均值分割法对所有图像进行标准化^[13]。

1.3.2 BOLD-fMRI及3D-T1WI图像预处理

       采用DPARSF软件V.5.2^[14]（http: //rfmri.org/DPARSF）对rs-fMRI进行预处理，包括时间层校正、头动校正、空间标准化、空间平滑、去除线性漂移、回归协变量（脑白质、脑脊液和全脑信号）及低频滤波（频率0.01~0.08 Hz）。ALFF反映的是静息态脑自发活动水平的高低。具体步骤是通过傅里叶变换将每个体素的时间序列转换为频率范围，获得功率谱。然后计算出每个频率功率谱的平方根。所有频率（0.01~0.08 Hz）的功率谱平方根的平均值即低频振幅（amplitude of low frequency fluctuations, ALFF）。比率低频振幅（fractional ALFF, fALFF）定义为低频频段功率谱与整个频段的功率谱之比，可以提高检测自发脑活动信号的敏感度及特异度。

1.3.3 ASL与fMRI耦合处理

       为了在全脑水平上定量评估神经血管单元（neurovascular unit, NVC），计算了每个参与者所有灰质体素的神经活动图（ALFF、fALFF）和CBF之间的Pearson相关系数^[15]。然后，将全脑平均的CBF图与全脑平均的ALFF、fALFF图做相关来定义全脑平均NVC，反映全脑水平血供和氧需求之间的协调性。为了进一步评估每单位神经活动的代谢消耗^[16]，并获得关于脑功能区域NVC变化的更详细信息^[17]，我们使用区域灌注/神经活动比（CBF/ALFF和CBF/fALFF比值）作为表征区域NVC的代表，然后将该比率除以全脑平均值以得到标准化后的比值图。以上图像处理均由1名具有10年以上工作经验以及丰富脑功能成像经验的主治医师完成。

1.4 统计学分析

       本研究运用G*power软件进行样本量估算，检验效应量（effect size, d）为0.5，检验效能[power（1-β）]为0.95，最终得出计划总样本量为54，实际总样本量高于计划总样本量。采用SPSS 27.0软件进行统计分析。双样本t检验比较MCI组与HC组年龄、受教育年限的组间差异，χ²检验比较两组间性别构成的差异，P<0.05为差异具有统计学意义。提取两组存在差异脑区的CBF/ALFF、CBF/fALFF比值并与CRIq得分及认知量表进行相关性分析，相关性分析采用Pearson进行，以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 人口统计学分析

       HC组受教育年限、CRIq评分和认知评分均显著高于MCI患者（P<0.05）。年龄、性别在两组间差异无统计学意义（P>0.05）（表1）。

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表1  受试者人口统计学和临床量表资料
Tab. 1  Demographics and clinical scale data of the subjects

2.2 CBF/ALFF、CBF/fALFF比值的变化

       图1A和1B显示了HC和MCI组的ALFF、fALFF、CBF及CBF/ALFF、CBF/fALFF比值的空间分布图，尽管两组CBF/ALFF比值在双侧颞中回、双侧眶部额下回、额中回以及CBF/fALFF比值在双侧颞下回具有差异，并且差异具有统计学意义，但表现出相对一致的空间分布。相比HC，MCI患者双侧颞中回CBF/ALFF比值升高（双尾检验P<0.005，alphsim校正，团块大小>39），双侧眶部额下回、额中回CBF/ALFF比值降低（双尾检验P<0.005，alphsim校正，团块大小>93）（图2A，表2）；双侧颞下回CBF/fALFF比值升高（双尾检验P<0.005，alphsim校正，团块大小>53）（图2B，表2）。

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图1  MCI组和HC组ALFF、fALFF、CBF及ALFF/CBF、fALFF/CBF的空间分布图。1A：MCI组和HC组ALFF、fALFF、CBF的空间分布图，ALFF、fALFF及CBF图经标准化为平均值，彩色条代表平均值的相对高低（暖色代表相对较高，冷色代表相对较低）；1B：MCI组和HC组ALFF/CBF、fALFF/CBF比值的空间分布图，ALFF/CBF、fALFF/CBF图经标准化为平均值，彩色条代表平均值的相对高低（暖色代表相对较高，冷色代表相对较低）。MCI：轻度认知障碍；HC：健康对照；ALFF：低频振幅；fALFF：比率低频振幅；CBF：脑血流量；L：左侧；R：右侧。
Fig. 1  Spatial distribution maps of ALFF, fALFF, CBF and ALFF/CBF, fALFF/CBF ratios in MCI and HC groups. 1A: Spatial distribution maps of ALFF, fALFF, and CBF in the MCI and HC groups. The ALFF, fALFF, and CBF maps are standardized to the mean value, with the color bar representing the relative levels of the mean (warm colors indicate relatively higher values, cold colors indicate relatively lower values). 1B: Spatial distribution maps of the ALFF/CBF and fALFF/CBF ratios in the MCI and HC groups. The ALFF/CBF and fALFF/CBF maps are standardized to the mean value, with the color bar representing the relative levels of the mean (warm colors indicate relatively higher values, cold colors indicate relatively lower values). ALFF: amplitude of low frequency fluctuations; fALFF: fractional ALFF; CBF: cerebral blood flow; MCI: mlid cognitive impairment; HC: healthy controls; L: left; R: right.

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图2  MCI组和HC组CBF/ALFF、CBF/fALFF比值差异脑区图。2A：MCI患者双侧眶部额下回、额中回CBF/ALFF比值降低，双侧颞中回比值升高（P<0.005，alphsim校正）；2B：MCI患者双侧颞下回CBF/fALFF比值升高（P<0.005，alphsim校正）。MCI：轻度认知障碍；HC：健康对照；CBF：脑血流量；ALFF：低频振幅；fALFF：比率低频振幅；R：右侧。
Fig. 2  Brain map of CBF/ALFF and CBF/fALFF ratios between the MCI group and the HC group. 2A: The CBF/ALFF ratio in MCI patients shows a decrease in the bilateral orbital inferior frontal gyrus and middle frontal gyrus, and an increase in the bilateral middle temporal gyrus (P<0.005, AlphSim correction). 2B: The CBF/fALFF ratio in MCI patients shows an increase in the bilateral inferior temporal gyrus (P<0.005, AlphSim correction). CBF: cerebral blood flow; ALFF: amplitude of low frequency fluctuations; fALFF: fractional ALFF; MCI: mlid cognitive impairment; HC: healthy controls; R: right.

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表2  MCI组和正常对照组CBF/ALFF、CBF/fALFF比值具有显著差异的脑区
Tab. 2  The brain regions with significant differences in CBF/ALFF and CBF/fALFF ratios between the MCI group and the normal control group

2.3 CBF/ALFF、CBF/fALFF、CR、认知量表的相关性

       在MCI及HC组中，控制年龄、性别后，MoCA和AVLT得分与CRIq得分均呈正相关（图3A，r=0.447，P=0.004；r=0.344，P=0.030；图3B，r=0.245，P=0.050；r=0.900，P<0.001）；相比HC，MCI患者左侧眶部额下回CBF/ALFF比值降低（图4A），并且其左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与CRIq得分呈负相关（图4B，r=-0.417，P=0.007），而在HC组中，左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与CRIq得分呈正相关（图4B，r=0.218，P=0.049）；另外，在MCI组中，左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与MoCA、AVLT得分也呈负相关（图4C，r=-0.336，P=0.034；r=-0.378，P=0.016）。两组中其他CBF/ALFF及CBF/fALFF比值存在显著差异的脑区与认知量表评分未发现明确的相关性（P>0.05）。

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图3  MCI和HC组MoCA及AVLT分数与CRIq得分的相关性。3A：MCI组中，MoCA及AVLT分数与CRIq得分的相关性；3B：HC组中，MoCA及AVLT分数与CRIq得分的相关性。MCI：轻度认知障碍；HC：健康对照；MoCA：蒙特利尔认知评估；AVLT：听觉言语学习测验；CRIq：认知储备问卷。
Fig. 3  Correlation between MoCA and AVLT scores with CRIq scores in the MCI and HC groups. 3A: Correlation between MoCA and AVLT scores with CRIq scores in the MCI group. 3B: Correlation between MoCA and AVLT scores with CRIq scores in the HC group. MoCA: Montreal Cognitive Assessment; AVLT: Auditory Verbal Learning Test; CRIq: cognitive reserve index questionnaire; MCI: mild cognitive impairment; HC: healthy controls.

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图4  HC组和MCI组CBF/ALFF比值在双侧眶部额下回差异脑区图以及HC组和（或）MCI组左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与CRIq得分、MoCA及AVLT分数的相关性。4A：HC组和MCI组CBF/ALFF比值眶部额下回差异脑区图；4B：MCI和HC组中，左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与CRIq得分的相关性；4C：MCI组中，左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与MoCA及AVLT分数的相关性。HC：健康对照；MCI：轻度认知障碍；CBF：脑血流量；ALFF：低频振幅；CRIq：认知储备问卷；MoCA：蒙特利尔认知评估；AVLT：听觉言语学习测验；IFG_L：左侧眶部额下回。
Fig. 4  Brain map of CBF/ALFF ratios bilateral orbital inferior frontal gyrus between the MCI group and the HC group and Correlation between the CBF/ALFF ratio in the left orbital inferior frontal gyrus and CRIq scores, MoCA, and AVLT scores in the HC and/or MCI groups. 4A: Correlation between the CBF/ALFF ratio in the left orbitofrontal cortex and CRIq scores in the MCI and HC groups. 4B: Correlation between the CBF/ALFF ratio in the left orbitofrontal cortex and MoCA and AVLT scores in the MCI group; 4C: Correlation between CBF/ALFF ratio of left orbitofrontal gyrus and MoCA and AVLT scores in the MCI group. CBF: cerebral blood flow; ALFF: amplitude of low-frequency fluctuations; HC: healthy controls; MCI: mild cognitive impairment; CRIq: Cognitive Reserve Index questionnaire; MoCA: Montreal Cognitive Assessment; AVLT: Auditory Verbal Learning Test; IFG_L: left orbital inferior frontal gyrus.

3 讨论

       本研究采用ASL及rs-fMRI结合的综合成像方法研究了MCI患者及HC组的神经血管耦合差异，并且探究了CR、神经血管耦合及认知功能之间的相关性。结果发现MCI患者双侧颞中回CBF/ALFF比值、双侧颞下回CBF/fALFF比值显著升高，但未发现与CRIq得分及神经心理量表之间存在相关性；MCI患者双侧眶部额下回、额中回CBF/ALFF比值显著降低，并且左侧眶部额下回CBF/ALFF比值与CRIq得分及MoCA、AVLT得分均呈负相关。此研究揭示了CR对认知功能有一定的保护作用，能够有效地抵抗脑病理的存在，并且大脑的神经血管耦合和解耦合可能是CR在MCI患者中影响认知功能的一种潜在的神经机制。

3.1 MCI患者相较于HC组CBF/ALFF比值减低的脑区

       本研究发现，MCI组较HC组双侧眶部额下回、额中回CBF/ALFF比值显著降低，即双侧眶部额下回、额中回的神经血管耦合减低，提示MCI患者较健康对照出现神经血管损伤。中枢神经系统需要一个稳态的微环境，以持续处理感觉、运动和认知活动^[18]。这一微环境不仅要富含营养以满足高代谢需求，还必须避免毒素损害敏感的神经组织。这种高度调控的微环境由两个独特特征所保障：血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）和神经血管耦合（neurovascular coupling, NVC）。BBB将循环血液与中枢神经系统分隔开，促进物质的选择性运输，而NVC确保局部神经激活后区域血流量增加，以迅速提供更多营养并清除代谢废物。这些功能由神经血管单元（neurovascular unit, NVU）中的多种细胞类型共同作用实现，强调了神经元、神经胶质细胞和血管成分之间的相互作用^[19]。NVC机制确保了神经元活动与血液供应的匹配，当脑血流、氧气输送和神经元活动不匹配时，可能导致功能连接中断或神经血管解耦合。解耦合可能由星形胶质细胞异常降低神经元活动与血管反应之间联系导致^[20]。此外，NO和神经炎症等其他因素也可能导致解耦合^{[21, 22, 23]}。现有研究认为，Aβ淀粉样蛋白在血管壁沉积、血脑屏障破坏均可引起血管功能紊乱，从而导致脑血流和局部脑活动出现失衡以及神经血管耦合降低^[24]。本研究还发现CR较高的MCI患者双侧眶部额下回CBF/ALFF比值较低，且双侧眶部额下回CBF/ALFF的比值与MoCA和AVLT评分呈负相关，而HC组CRIq得分与双侧眶部额下回CBF/ALFF比值呈正相关。额中回、额下回属于默认模式网络，是功能网络的核心组成部分，在认知控制、情感调节、内省和自我意识等方面发挥着重要作用，参与多感觉整合及认知处理。因此，对于高CR的个体，由于CR的神经保护作用，正常认知阶段可以维持较好的神经血管耦合，而MCI阶段高CR个体可以耐受更严重的脑病理损害（例如星形胶质细胞异常或神经炎症）以及神经血管解耦合，从而保持与低CR的MCI患者同等的认知功能水平。即在保持同等认知功能水平下，CR较高的MCI患者，耐受了更高的双侧眶部额下回的神经血管解耦合，提示CR抵抗了更大的脑神经血管损伤，这一结果与之前的CR研究结果相似^{[25, 26, 27]}，再次证明了CR对认知功能有一定的保护作用，能够有效地抵抗脑病理的存在。

3.2 MCI患者相较于HC组CBF/ALFF、CBF/fALFF比值增加的脑区

       此外，本研究还发现MCI患者双侧颞中回CBF/ALFF、CBF/fALFF比值显著升高，可能原因是ALFF、fALFF降低伴随局部脑血流下降，但ALFF、fALFF降低占主导作用。国内有研究发现^{[28, 29]}，AD患者右侧颞中回、颞下回ALFF、fALFF及FC值均较HC组显著降低，颞下回和颞中回分别参与了视觉形成和视觉信号分析，这些脑区的异常可归因于AD患者视觉处理效率低下，无法有效整合视觉空间信息感知^[30]。ZHENG等^[31]也发现在AD患者中，颞中回ALFF降低伴随局部CBF下降，推测此区域局部CBF下降使得血管清除能力受损，进而加剧了Aβ沉积、神经元活动性降低，导致神经血管耦合增强。

3.3 不足与展望

       在解释研究结果时，应考虑到本研究的几个局限性。首先，本研究为横断面研究，为了更好理解大脑神经血管耦合特征与CR之间的关系，探究神经血管耦合和CR在MCI进展中的关系还需要进行纵向研究；其次，本研究样本量相对较小，尤其正常对照组偏少，并且没有根据CR进行分组，可能导致结果偏倚从而对试验结果产生一定影响，在未来的研究中，我们将进一步扩大样本量，并按照CR高低分亚组进行深入研究分析。

4 结论

       本研究通过ASL和rs-fMRI技术的结合，揭示了MCI患者神经血管解耦合和耦合增强的现象，并探究CR、神经血管耦合及认知功能之间的相关性，发现MCI患者局部脑区的神经血管耦合程度具有差异，并且部分脑区神经血管耦合指标与CR指标及认知功能评分存在负相关，这一结果证实了综合CR对MCI患者的保护作用，提示认知功能障碍的认知干预需要选择合理的时间窗，可以在轻度认知损伤阶段，通过改善CR延缓认知功能障碍的进程，合理预防采用适当的认知训练如多进行脑力活动、有氧运动等可能能够控制认知能力下降的进展，减轻MCI因认知功能障碍引起的疾病负担。