近紅外腦功能成像與老年癡呆鑒別

說起老年癡呆，你想到什么？記憶退化，失語，運(yùn)動(dòng)功能喪失，以上種種都可以總結(jié)為認(rèn)知障礙。簡而言之，老年癡呆是一種以認(rèn)知障礙為主要表現(xiàn)的神經(jīng)退行性疾病。目前老年癡呆的發(fā)病機(jī)制尚未明確，已有研究表明基因遺傳，飲食和生活作息習(xí)慣都在一定程度上影響了疾病的發(fā)生。

老年癡呆正成為人類健康的第一殺手。據(jù)2018年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球癡呆患者的人數(shù)是5000萬，該數(shù)字預(yù)計(jì)在2050年前會上升至1.52億，該疾病不僅患者基數(shù)大，而且病例新增速度快，約每3秒就有一人成為老年癡呆患者。老年癡呆有多種分型，阿爾茲海默癥（AD）是占比最大的一種，約占2/3，其他如血管型癡呆、帕金森等共占1/3。老年癡呆造成了沉重的社會經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，2018年全球因該疾病產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)是一萬億美元，預(yù)計(jì)2030年會達(dá)到2萬億美元[1]。

近紅外腦功能成像fNIRS

近紅外腦功能成像技術(shù)是一種新型光學(xué)成像技術(shù)，其生理機(jī)制是神經(jīng)血管耦合效應(yīng)，即神經(jīng)活動(dòng)與血流變化存在關(guān)聯(lián)，通過對血流變化的監(jiān)測我們可以獲得腦功能活動(dòng)的變化。fNIRS的工作原理具體而言就是一束近紅外光穿過頭發(fā)、頭皮、頭骨等多重屏障到達(dá)大腦皮層的血管內(nèi)，特定波長的近紅外光大部分被血管中的血紅蛋白吸收，初始入射光有一部分會從頭皮射出，通過檢測出射光的光強(qiáng)可以推出血紅蛋白濃度從而間接預(yù)測腦功能變化。

由于近紅外腦功能成像自身的一些獨(dú)特優(yōu)勢，因此將其應(yīng)用于阿爾茲海默疾病的早期診斷成為近年來的研究熱點(diǎn)。

圖fNIRS成像原理

通過fNIRS成像技術(shù)獲取腦血氧信號后結(jié)合信號分析方法及腦網(wǎng)絡(luò)等方法，便可提取出有效的度量參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對認(rèn)知障礙的評估。

任務(wù)態(tài)下認(rèn)知障礙人群異常腦區(qū)激活

Takehiko Doi 等人利用近紅外腦功能像設(shè)備對雙任務(wù)行走條件下輕度認(rèn)知障礙患者的前額葉活動(dòng)進(jìn)行了探究。發(fā)現(xiàn)雙任務(wù)時(shí)，行走速度小于正常行走時(shí)的速度，而前額葉通道的氧合血紅蛋白濃度高于正常行走組。雙任務(wù)時(shí)左側(cè)前額葉的氧合血紅蛋白濃度與執(zhí)行功能顯著相關(guān)，進(jìn)一步解釋了雙任務(wù)助于認(rèn)知康復(fù)的背后機(jī)制，并證實(shí)fNIRS在認(rèn)知評估中運(yùn)用的可行性[2]。

圖 執(zhí)行功能與HbO濃度相關(guān)性

Niu等人通過fNIRS探究了工作記憶任務(wù)（n-back記憶任務(wù)）下健康老人與輕度認(rèn)知障礙老人腦區(qū)氧合血紅蛋白濃度差異，并對Hbo濃度與神經(jīng)心理學(xué)評分的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果表明輕度認(rèn)知障礙人群的左側(cè)額葉和顳葉激活下降且額顳葉部分通道的Hbo濃度與行為學(xué)評分存在較強(qiáng)相關(guān)性，說明這些敏感通道的fnirs信號可以作為AD早期診斷的指標(biāo)[3]。

圖 HC組和MCI組Hbo濃度的空間分布 （a）健康對照組在n-back任務(wù)中的空間激活模式，（b）輕度認(rèn)知障礙組在n-back任務(wù)中的空間激活模式

圖 任務(wù)正確數(shù)與部分通道Hbo濃度變化的相關(guān)性

腦功能連接分析

Tong Boon Tang等人通過近紅外功能成像技術(shù)探究了HC\MCI\AD在語意言語流暢（SVFT）性任務(wù)中前額葉的功能連接情況，結(jié)果表明AD病人普遍表現(xiàn)連接下降，且左右前額葉偏側(cè)指數(shù)不再顯著，進(jìn)一步的網(wǎng)絡(luò)分析表明正常人腦網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)顯著大于AD，該研究說明近紅外成像在認(rèn)知障礙診斷中應(yīng)用的可行性，而借助語意語言流暢性任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)聚類系數(shù)和偏側(cè)指數(shù)等指標(biāo)有望成為認(rèn)知障礙分類中的特征參數(shù)[4]。

圖 NA\MCI\AD不同閾值下前額葉功能連接

信號復(fù)雜度分析

David Perpetuini等人利用近紅外功能成像技術(shù)的便攜性將該技術(shù)與臨床量表評估結(jié)合，對選擇性提醒測試（FCSRT）下正常人和早期AD患者前額葉皮質(zhì)的近紅外信號樣本熵和多尺度熵參數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在波得曼腦區(qū)9和46處發(fā)現(xiàn)顯著組間差異，早期AD組的復(fù)雜度增加[5]。

表 MSE表現(xiàn)顯著組間差異的通道

圖 FDR校正后的MSE具顯著組間差異的通道

Antonio M. Chiarelli等人利用近紅外成像技術(shù)對視空間及短期記憶任務(wù)下正常人和早期AD患者信號復(fù)雜度進(jìn)行分析�；�于通道的分析結(jié)果表明早期AD患者波得曼腦區(qū)9,10和46的信號復(fù)雜度發(fā)生變化，多元回歸分析表明任務(wù)相關(guān)的信號復(fù)雜度對早期認(rèn)知障礙具有良好的特異性和敏感性[6]。

圖 不同實(shí)驗(yàn)階段fNIRS信號復(fù)雜度的t值分布圖

圖 測試結(jié)果（a）和基于信號復(fù)雜度多元回歸分析結(jié)果（b）的ROC曲線

小結(jié)

近紅外腦功能成像技術(shù)的高空間定位性、抗運(yùn)動(dòng)信號干擾、適宜于自然情景均使得fNIRS發(fā)展成為阿爾茲海默癥定量評估與篩查的新平臺。

參考文獻(xiàn)

【1】Patterson C. World Alzheimer Report 2018—The state of the art of dementia research: New frontiers[J]. Alzheimer’s Disease International (ADI): London, UK, 2018.

【2】Doi T, Makizako H, Shimada H, et al. Brain activation during dual-task walking and executive function among older adults with mild cognitive impairment: a fNIRS study[J]. Aging clinical and experimental research, 2013, 25(5): 539-544.

【3】Niu H J, Li X, Chen Y J, et al. Reduced frontal activation during a working memory task in mild cognitive impairment: a non‐invasive near‐infrared spectroscopy study[J]. CNS neuroscience & therapeutics, 2013, 19(2): 125-131.

【4】Tang T B, Chan Y L. Functional Connectivity Analysis on Mild Alzheimer's Disease, Mild Cognitive Impairment and Normal Aging using fNIRS[C]//2018 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). IEEE, 2018: 17-20.

【5】Perpetuini D, Bucco R, Zito M, et al. Study of memory deficit in Alzheimer’s disease by means of complexity analysis of fNIRS signal[J]. Neurophotonics, 2017, 5(1): 011010.

【6】Perpetuini D, Chiarelli A, Cardone D, et al. Complexity of frontal cortex fNIRS can support Alzheimer disease diagnosis in memory and visuo-spatial tests[J]. Entropy, 2019, 21(1): 26.