视神经脊髓炎谱系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorder，NMOSD)是一种中枢神经系统的自身免疫性炎性脱髓鞘疾病^[1]。据报道，非洲加勒比地区NMOSD的发病率最高(0.73/10万人·年)，澳大利亚和新西兰的发病率最低(0.037/10万人·年)^[2]。在中国，流行病学数据显示，每年10万人中NMOSD的发病率为0.278^[3]。NMOSD的核心临床特征包括视神经炎、长节段横贯性脊髓炎、极后区综合征、急性脑干综合征等^[1]。近年来，随着对该病认识的加深，NMOSD伴发的认知障碍逐渐受到人们的关注^[4]。研究表明29%～67%的患者在病程中出现认知功能下降，累及的认知域包括记忆力、注意力、信息处理速度、执行功能、语言流畅性等^[5]。认知症状的进行性加重，不仅会影响患者的日常行为能力、降低其生活质量、加重家庭负担，也会对疾病预后产生不利影响^[6]。

       静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI)能够无创性地反映大脑的内在活动，现已成为一种探索神经系统疾病神经机制的有效手段。低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation，ALFF)通过计算血氧水平依赖(blood oxygenation level-dependent，BOLD)信号相对于基线的振动幅度，能够反映大脑中每个体素的自发活动水平，与区域神经活动强度成正比^[7]。局部一致性(regional homogeneity，ReHo)分析使用肯德尔和谐系数(Kendall's coefficient concordance，KCC)来评估某一体素与其邻近体素的时间序列的一致性，反映全脑体素在局部区域脑功能活动状态的同步性^[8]。ReHo值越高，说明区域脑活动的一致性和中心性越高^[9]。

       以往研究采用rs-fMRI发现NMOSD患者大脑自发活动的异常，Liu等^[10]发现NMOSD患者感觉运动相关区域(如双侧中央旁小叶、右侧辅助运动区和中央前回)和视觉皮层(如右侧枕下回和枕中回)的ALFF较健康对照降低。Liang等^[11]的研究结果显示，与健康对照相比，NMO组左前扣带回、左额内侧回、左后扣带回等广泛脑区ReHo降低，右侧额下回ReHo增加。然而，目前基于ALFF以及ReHo研究NMOSD患者认知障碍的研究仍较少，尚未有统一结论，且仅有的几篇研究主要关注NMOSD整组患者与健康对照之间的比较。在一项研究中将患者根据认知状态分为认知障碍及认知保留亚组进行比较，将有助于准确研究伴认知功能障碍的NMOSD患者的脑自发活动改变，从而更深入地了解NMOSD认知障碍的神经机制。因此，本研究采用ALFF及ReHo分析探索伴认知功能障碍的NMOSD患者局部脑功能活动的异常，以期通过脑区的功能异常为进一步阐明NMOSD认知功能障碍的病理生理机制提供影像学依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       2019年11月至2021年2月，共招募了36名NMOSD患者，同时招募了39名年龄、性别和教育程度匹配的健康对照者。其中，有两名NMOSD患者由于头部运动过大、图像数据质量差而被排除在外。因此，本研究共纳入34例NMOSD患者及39例健康对照者。

       NMOSD患者纳入标准：(1)符合2015年国际NMO诊断小组诊断标准^[1]；(2) MRI扫描前1个月内无复发，且未进行大剂量激素冲击治疗；(3)右利手。排除标准：(1)重大脑外伤、脑肿瘤史；(2)脑血管疾病史；(3)合并其他影响认知的神经或精神疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、脑炎、癫痫等；(4)重度焦虑或抑郁；(5)酒精或药物滥用；(6)严重视、听力障碍无法完成认知测试者；(7) MRI扫描禁忌证。

       健康志愿者纳入标准：(1)年龄、性别和教育程度与患者相匹配；(2)右利手。排除标准：(1)重大脑外伤、脑肿瘤史；(2)脑血管疾病史；(3)神经或精神疾病；(4)重度焦虑或抑郁；(5)酒精或药物滥用；(6)严重视、听力障碍无法完成认知测试者；(7) MRI扫描禁忌证。

       在磁共振扫描一周内所有参与者均由具有经验的神经内科医生进行神经心理学评估。简易精神状态检查量表(Mini-Mental Status Examination，MMSE)和北京版蒙特利尔认知评估量表(Montreal Cognitive Assessment-Beijing Version，MoCA-BJ)用于整体认知筛查。所有参与者还进行了以下量表测试以评估各项认知域的功能：(1)华山版听觉词语学习测验(Auditory Verbal Learning Test-Huashan Version，AVLT-H)测试语言学习和记忆能力，包括即时记忆、短延迟记忆、长延迟记忆、线索回忆和再认；(2)连线测验A (Trail-making test part A，TMT-A)测试注意力；(3)符号数字转换测验(Symbol Digit Modalities Test，SDMT)测试信息处理速度；(4) Stroop色词测验和连线测验B (Trail-making test part B，TMT-B)评估执行功能；(5)语言流畅性测验(Verbal Fluency Test，VFT)测试语言流利程度；(6)画钟测验(Clock Drawing Test，CDT)测试视空间能力。其中，Stroop色词测验、连线测验A、连线测验B以测试完成用时评估相应功能，用时越长则表现越差，其余测试分数越低则表现越差。参照Liu等^[12]的研究，我们将至少两个认知域的分数与健康对照组的均值差异≥1.5倍标准差的患者划分为认知障碍组，其余患者归类为认知保留组。

       本前瞻性研究已通过苏州大学附属第一医院伦理委员会的审批(批准文号：2020-210)，受试者均已签署知情同意书。

1.2 MRI数据采集

       所有MRI检查均在飞利浦3.0 T Ingenia上进行，所用线圈为15通道头线圈。高分辨T1WI结构像数据由三维磁化强度预备梯度回波序列(three dimensional magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo sequence，3D-MPRAGE)采集得到，序列参数如下：TR=7.0 ms，TE=3.1 ms，翻转角为8°，FOV=256 mm×256 mm，层厚为1 mm，层间距0，矢状位扫描185层，采集时间6 min 32 s。静息态功能磁共振成像使用平面回波(echo planar imaging，EPI)序列采集，参数如下：TR=2000 ms，TE=30 ms，翻转角为90°，FOV=240 mm×240 mm，层厚为4 mm，层间距为0.4 mm，横断位扫描30层，共扫描250帧数据，采集时间8 min 26 s。在扫描期间，所有参与者都被要求闭着眼睛并保持清醒。在扫描中耳塞用于降低扫描仪噪音，泡沫垫用于限制头部运动。

1.3 数据处理和统计分析

1.3.1 数据处理

       数据预处理：在Matlab R2019a平台上使用DPARSFA (Data Processing Assistant for Resting-State fMRI Advanced edition；http://www.restfmri.net/forum/DPARSFA)软件对数据进行预处理。步骤主要包括：(1)将DICOM原始数据转换为NIFTI格式；(2)去除所有数据的前10个时间点；(3)时间层校正；(4)头动校正，排除头动大于3 mm或旋转大于3°的被试(剔除两名NMOSD患者)；(5) 3D T1WI结构像分割，将每个被试的T1结构像都配准到各自的平均功能像，并将配准过后的T1像分割成灰质、白质和脑脊液；(6)去除协变量，包括脑白质信号、脑脊液信号和24个头动参数；(7)空间标准化，将头动校正后的功能像配准至蒙特利尔神经科学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)标准空间，重采样体素大小为3 mm×3 mm×3 mm。

       ALFF分析：在计算ALFF之前，先对数据进行平滑处理，即用半高宽为6 mm的各向同性的高斯核对图像进行空间平滑。用快速傅里叶变换将每个体素的时间序列转化为频域以获得功率谱，计算功率谱在每个频率的平方根，在每个体素的0.01～0.1 Hz滤波频带上获得的平均平方根即是ALFF。然后计算每个体素的ALFF值减去全脑体素平均值，再除以全脑的标准差即得到每个体素标准化的ALFF值。

       ReHo分析：在计算ReHo之前，先对预处理后的数据进行0.01～0.08 Hz的滤波。利用DPARSF软件进行ReHo分析，即利用KCC评估每个体素与其相邻体素(26个相邻体素)的时间序列的相似性。通过计算全脑体素的KCC值，得到受试者的全脑ReHo图像。为了进行统计比较，获得的ReHo值进行z-分数标准化，即将每个体素的ReHo值减去全脑体素平均值，然后除以全脑的标准差。为了提高信噪比，采用半高宽为6 mm的各向同性的高斯核对图像进行空间平滑处理。

1.3.2 统计分析

       采用SPSS 26.0软件对所有被试的人口统计学和临床资料进行统计分析。连续数值变量的正态性检验采用Shapiro-Wilk检验。非正态分布数据组间比较采用Mann-Whitney U检验或Kruskal-Wallis H检验。分类变量采用Fisher精确检验或卡方检验比较组间差异。采用一般线性模型来比较神经心理学测试的组间差异，以年龄、性别和教育年限作为协变量。事后两两比较采用Bonferroni校正。P＜0.05为差异有统计学意义。

       基于DPABI (Data Processing & Analysis of Brain Imaging)工具包，将3组受试者的ALFF及ReHo脑图分别进行两两对比的独立样本t检验以分析出存在ALFF值及ReHo值差异的脑区^[13]，将年龄、性别、受教育年限作为协变量以去除其影响。通过高斯自由场校正(gaussian random field correction，GRF)对统计图进行校正，限定体素水平P＜0.001，团块水平P＜0.05。采用AAL-90模板对显著差异脑区进行报告。提取差异脑区的ALFF和ReHo均值，与NMOSD患者的认知量表评分、病程、复发次数、扩展残疾状态量表(Expanded Disability Status Scale，EDSS)评分进行偏相关分析，以年龄、性别、受教育年限作为协变量，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 人口统计学及临床资料结果

       34名NMOSD患者经神经心理学量表评估后，有16名(47.1%)患者纳入认知障碍组，其余18名患者纳入认知保留组。认知障碍、认知保留及健康对照三组间性别分布差异无统计学意义(P＞0.05)，但年龄、受教育年限、MMSE、MoCA评分差异有统计学意义(P＜0.05)。认知障碍及认知保留两组患者在病程、复发次数、水通道蛋白4抗体(AQP4-Ab)状态及临床症状方面差异无统计学意义，但认知障碍组的EDSS评分显著高于认知保留组(P＜0.05)。具体内容见表1。

       与认知保留组相比，认知障碍组在SDMT、TMT-A、TMT-B和AVLT (长延迟记忆、线索回忆和再认)测试表现较差(P＜0.05；表2)。与健康对照组相比，认知障碍组在除VFT、Stroop色词测验以外的所有认知测试中的表现都更差(P＜0.05)。

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表1  3组受试者人口统计学及临床特征比较
Tab. 1  Demographic and clinical characteristics of healthy controls and the cognitively preserved and impaired patient groups

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表2  3组受试者神经心理学测试比较(x¯±s)
Tab. 2  Neuropsychological characteristics of healthy controls and the cognitively preserved and impaired patient groups (x¯±s)

2.2 影像学结果

       ALFF分析结果：与认知保留组相比，认知障碍组左侧海马旁回、左侧尾状核1的ALFF值显著增加(P＜0.05，GRF校正)。与健康对照组相比，认知障碍组左侧尾状核2的ALFF值显著增加(P＜0.05，GRF校正)。认知保留组与健康对照组组间比较差异无统计学意义。具体内容见表3和图1。

       ReHo分析结果：与健康对照组相比，认知障碍组左中扣带回的ReHo值显著降低(P＜0.05，GRF校正)。认知障碍组与认知保留组、认知保留组与健康对照组组间比较差异无统计学意义。具体内容见表4和图2。

       偏相关分析结果显示，NMOSD患者左侧海马旁回的ALFF值与其MMSE、SDMT、CDT、VFT、AVLT-即时记忆、AVLT-短延迟记忆、AVLT-长延迟记忆、AVLT-线索回忆分数呈负相关，与其Stroop色词测验和连线测验B用时、复发次数呈正相关(P＜0.05)。NMOSD患者左侧尾状核1的ALFF值与其SDMT、VFT、AVLT-长延迟记忆、AVLT-线索回忆、AVLT-再认分数呈负相关，与其连线测验A、B用时、复发次数呈正相关(P＜0.05)。NMOSD患者左侧尾状核2的ALFF值与其SDMT、VFT、AVLT-长延迟记忆、AVLT-线索回忆、AVLT-再认分数呈负相关，与其Stroop色词测验、连线测验A、B用时、复发次数呈正相关(P＜0.05)。NMOSD患者左中扣带回的ReHo值与其MoCA、VFT、AVLT-即时记忆、AVLT-短延迟记忆、AVLT-长延迟记忆、AVLT-线索回忆分数呈正相关(P＜0.05)。具体内容见表5。

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图1  ALFF值两两组间比较结果图(P＜0.05，GRF校正)。1A：与认知保留组相比，认知障碍组左侧尾状核1、左侧海马旁回的ALFF值升高(橙色)；1B：与健康对照组相比，认知障碍组左侧尾状核2的ALFF值升高(橙色)；上方的数值代表蒙特利尔神经科学研究所标准空间Z轴上的坐标；右侧色柱图代表t值。ALFF：低频振幅。
Fig. 1  Results of comparisons of ALFF values between groups (P＜0.05, GRF corrected). 1A: Compared to the CP group, the CI group showed significantly higher ALFF in the left caudate nucleus 1 and left parahippocampal gyrus (orange). 1B: Compared to the HC group, the CI group showed significantly higher ALFF in the left caudate nucleus 2 (orange); the values at the top of the brain maps represented coordinates on the Z-axis in the Montreal Neuroscience Institute standard space; the coloured bars on the right represented the t-values. ALFF: amplitude of low frequency fluctuation.

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图2  认知障碍组与健康对照组ReHo值比较结果图(P＜0.05，GRF校正)。与健康对照组相比，认知障碍组左中扣带回的ReHo值降低(蓝色)；上方的数值代表蒙特利尔神经科学研究所标准空间X轴上的坐标；右侧色柱图代表t值。ReHo：局部一致性。
Fig. 2  Results of comparison of ReHo values between the CI group and the HC group (P＜0.05, GRF corrected). Compared to the HC group, the CI group showed significantly lower ReHo in the left middle cingulate cortex (blue); the values at the top of the brain map represented coordinates on the X-axis in the Montreal Neuroscience Institute standard space; the coloured bar on the right represented the t-value. ReHo: regional homogeneity.

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表3  认知障碍组与认知保留组及认知障碍组与健康对照组组间比较ALFF值差异脑区
Tab. 3  Brain regions showing significant group differences in ALFF between cognitively impaired patients and cognitively preserved patients, and between cognitively impaired patients and healthy controls

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表4  认知障碍组与健康对照组组间比较ReHo值差异脑区
Tab. 4  Brain regions showing significant group difference in ReHo between cognitively impaired patients and healthy controls

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表5  NMOSD患者差异脑区ALFF值、ReHo值与神经心理学及临床特征的相关性
Tab. 5  Associations between imaging findings (ALFF/ReHo) and neuropsychological and clinical data in the whole NMOSD group

3 讨论

       在本研究中，基于ALFF和ReHo来探究伴认知功能障碍的NMOSD患者的脑自发活动改变及其与NMOSD患者的认知功能的相关性。结果表明，伴认知功能障碍的NMOSD患者左侧海马旁回、左侧尾状核的ALFF值较认知保留组患者升高，左侧尾状核的ALFF值较健康对照组升高，左侧中扣带回的ReHo值较健康对照组降低。相关分析显示，NMOSD患者上述差异脑区的平均ALFF值、平均ReHo值均表现出与多项认知测试分数的显著相关性。这些研究结果表明局部脑功能活动的异常可能是NMOSD患者认知损害的基础。

3.1 伴认知功能障碍的NMOSD患者局部脑区ALFF值升高

       神经振荡是大脑正常运作过程中协调大脑活动的基本机制，内在连贯的神经元信号对大脑功能的发展和维持至关重要^[14]。与我们的研究结果相似，以往研究同样报道了NMOSD患者尾状核区域的ALFF增加以及左侧海马旁回区域低频振幅分数的增加^{[15, 16]}。海马旁回是边缘系统的一部分，负责大部分皮质到海马的信息传递，并且与前额叶皮层的多个区域相连接，与情绪、记忆、情景调节行为等相关认知功能密切相关^[17]。尾状核被认为是参与控制自主运动、学习和记忆的关键区域^[18]，与丘脑、基底神经节和额叶区域有大量的传入、传出和环路连接。因此，尾状核及海马旁回的过度激活可能导致其功能整合失调，继而出现相应的认知症状。研究表明尾状核的激活与对刺激做出反应及分类的学习活动有关^[15]，而这正是符号数字转换测验SDMT的主要内容。因此尾状核的异常激活可能有助于解释NMOSD患者在符号数字转换测验中的表现受损。静息状态下大脑自发活动的改变揭示了由于脑损伤导致的功能损伤或适应。认知障碍组左侧海马旁回、左侧尾状核的ALFF增加可能是患者在认知功能下降过程中大脑的一种补偿机制，然而这种补偿可能是无效的，持续性功能亢进将促进神经退行性变，相关的累积神经损伤最终将导致认知功能受损。我们推测，随着疾病进展，在超出大脑的适应限度后，这种代偿状态可能被低激活状态所取代。

3.2 伴认知功能障碍的NMOSD患者局部脑区ReHo值降低

       ReHo是一种评估局部大脑内在活动同步性的有效可靠参数，目前已广泛用于研究正常衰老受试者及帕金森病等神经退行性疾病的局部神经活动同步性^{[19, 20]}。本研究结果显示认知障碍组患者左侧中扣带回的ReHo值较健康对照组降低，表明出现认知损害的NMOSD患者左侧中扣带回的神经活动一致性减低。Liang等^[11]的研究同样发现了NMO患者较健康对照扣带回区域的ReHo值降低。然而既往也有相反的研究发现，Savoldi等^[21]发现了NMOSD患者扣带回中部静息态功能连接较健康对照组增加。可能的原因是Savoldi等的研究与本研究在纳入患者的种族背景、抗体状态、治疗方式和疾病复发等方面的异质性。扣带回是默认模式网络的核心脑区，是参与决策、记忆和信息转换相关内部认知活动的重要区域^[22]。许多神经疾病的临床症状被认为与默认模式网络的异常有关^[23]，病理上其脆弱性可能是由于耗氧量高、血流量大，对血氧含量变化敏感而容易受到疾病累及^[24]。然而，本研究中左侧中扣带回ReHo值仅在认知障碍患者组与健康对照组间有统计学差异，我们推测这可能是因为认知保留患者左侧中扣带回神经元活动一致性也呈减低趋势，但不足以形成与认知障碍患者及健康对照者间的统计学差异，未来的研究需扩大样本量以进一步考证。值得注意的是，本研究中ReHo值异常脑区与ALFF异常脑区并不重叠，这两种分析方法基于不同的神经生理机制，ALFF反映神经活动强度，而ReHo反映神经活动一致性，这说明伴认知功能障碍的NMOSD患者的脑组织对隐性结构损伤表现出区域性的可塑性反应。

3.3 相关性分析

       NMOSD患者左侧海马旁回、左侧尾状核的神经元活动强度与其注意力、记忆力、信息处理速度、视空间能力、执行功能、语言流畅性表现显著相关，左中扣带回的神经活动一致性与其语言流畅性、记忆力表现显著相关，提示左侧海马旁回、左侧尾状核、左中扣带回的神经元自发活动对NMOSD患者多项认知域功能的维持具有重要作用，这些区域的异常与NMOSD患者的认知功能损害密切相关。本研究还发现NMOSD患者左侧海马旁回、左侧尾状核的ALFF值与其复发次数呈正相关，这一发现提示抑制NMOSD复发可能对控制患者的认知障碍进展有重要意义。

       本研究的局限性：(1)本研究样本量较小，后续研究需要增加样本量以得到更加可靠及有效的统计结果；(2)虽然纳入患者均在检查前一月内无复发，且未使用大剂量激素冲击治疗，但是难以完全消除以往使用激素、免疫抑制剂等药物对大脑功能及认知的影响，这对研究结果可能会造成一定干扰，未来需纳入初诊患者或根据用药对患者进行分组研究；(3)本研究为横断面研究，NMOSD患者的ALFF及ReHo的动态变化尚不明确，未来需要进一步的研究来阐明纵向的ALFF及ReHo改变与NMOSD认知能力下降的关系。

       综上所述，本研究通过对伴认知功能障碍的NMOSD患者脑内ALFF及ReHo值的初步分析，发现伴认知功能障碍的NMOSD患者左侧海马旁回、尾状核及中扣带回的自发活动异常，这些区域可能涉及NMOSD患者认知损害相关神经回路的关键枢纽，这些结果为进一步阐明NMOSD患者认知功能障碍的神经机制提供了影像学依据。