灰质体积与各向异性分数作为创伤性脑损伤6个月认知恢复的生物标志物研究

本综述深入探讨了创伤性脑损伤（TBI）后神经影像生物标志物与认知功能恢复的关联。研究通过磁共振成像（MRI）和扩散张量成像（DTI）技术，重点分析了灰质（GM）体积和白质完整性指标——各向异性分数（FA），发现胼胝体膝部与压部FA值及左侧颞叶梭状回灰质体积与RBANS注意力指数变化显著相关。这些发现为利用神经影像指导个性化康复策略提供了有力证据，凸显了神经可塑性在TBI恢复中的关键作用。

　　

引言

创伤性脑损伤（TBI）是全球范围内导致长期残疾的主要原因之一，其典型特征是注意力、记忆、执行功能和处理速度等认知领域的持续性损害。神经心理学评估工具，如可重复性神经心理状态评估量表（RBANS）和蒙特利尔认知评估（MoCA），已被广泛用于追踪认知恢复进程，为随时间推移的改善提供客观量化依据。由于个体恢复轨迹存在显著差异，识别能够预测恢复路径的可靠生物标志物已成为研究的核心焦点。损伤后大脑结构和功能的变化通常与神经可塑性相关，即大脑通过结构修饰和神经网络重组实现自我调整与适应的能力。理解哪些结构和生物学因素（如脑体积变化和分子标记物）与神经可塑性和认知恢复相关，对于改善预后和指导个性化康复策略、最终提升TBI幸存者的生活质量具有关键意义。

患者在TBI急性期后入院时，常接受常规MRI扫描作为初步评估的一部分。这些扫描提供高分辨率T1加权图像，可用于评估灰质体积。此外，扩散张量成像（DTI）能够测量白质纤维束的完整性——这些纤维束对于大脑不同区域间的通信至关重要，且在创伤事件中特别容易受损。通过DTI指标如各向异性分数（FA），我们能够获取关于白质微观结构完整性的详细信息。FA是一个标量值，用于量化水分子在白质内扩散的方向一致性，其值范围从0到1。较高的FA值表明白质完整性更好，反映了更有组织且结构更完好的纤维束；而较低的值则提示存在损伤或退化。计算FA值并结合大脑皮层区域的灰质体积测量，有助于识别与认知恢复潜在显著相关的因素。

大量研究已确认颞叶和胼胝体为TBI中的关键关注区域，因为它们既易受损又在认知功能中扮演重要角色。颞叶损伤（包括TBI中的挫伤）与较差的六个月功能结局相关，而动态影像学研究在持续脑震荡后症状患者中检测到内侧颞叶异常，表明其在慢性记忆障碍中的作用。类似地，DTI研究强调胼胝体（尤其是在膝部和压部）的破坏是轻中度TBI中的常见发现，这些区域白质完整性的降低与较差的记忆和注意力表现相关。荟萃分析进一步强调了半球间和颞叶白质通路（如钩束）在认知恢复中的作用。这些发现强化了检查颞叶和半球间白质完整性作为TBI认知结局潜在生物标志物的重要性。

本研究旨在探索神经影像标志物在预测TBI患者6个月期间认知恢复方面的预后价值。通过分析初始（研究入组时）白质完整性、灰质体积与认知变化（超过6个月）之间的相关性，我们试图识别与恢复轨迹可靠相关的生物标志物。早期识别有较差结局风险的患者可以显著改善其治疗管理和康复，最终实现更好的长期恢复。

方法

参与者

本研究纳入了16名中重度TBI参与者（受伤时的平均年龄：41.02岁，标准差SD = 13.83），他们先前从一家急性康复医院环境中招募（平均受伤后时间：22.27个月，SD = 39.74）。一名参与者未完成神经认知测试或MRI扫描，因此被排除出分析，最终队列为15名参与者（12名男性和3名女性）。纳入标准要求参与者有中重度TBI诊断、为英语流利者、拥有优势手的完整运动功能，并且无接受性或表达性语言障碍（包括失语症）。TBI严重程度由格拉斯哥昏迷量表（GCS）定义：GCS评分3–8分为严重，9–12分为中度。参与者若年龄在18岁以下或65岁以上则被排除。这一年龄限制是为了避免在较长随访期内可能出现的与年龄相关的认知衰退的混淆效应，因为65岁以上的个体在较长时间内可能发生显著的大脑变化。尽管原始研究计划进行2年随访，但较高的参与者流失率（尤其是在1年以上的时间点）导致决定将分析限制在6个月的时间范围内，以维持更好的样本量。

此外，有幽闭恐惧症或金属植入物使得MRI评估不安全的个体也被排除在研究之外。参与者需在提供书面同意前证明理解研究目的、程序和潜在风险。若参与者缺乏同意能力，则通常由配偶或近亲等合法授权代表代其同意。参与者由研究团队直接筛选并介绍研究，或由其临床团队根据资格标准推荐。基线时的平均残疾评定量表（DRS）评分为3.67（SD = 2.58），反映了样本内功能损伤的范围。参与者在损伤急性期到初始研究测量之间未接受任何实验性或研究特定的干预。所有个体均接受正常和常规的临床护理，并且在入组时正在进行标准康复。 enrolled participants的人口统计学和临床数据详见表1。

放射学报告揭示了队列中异质性的损伤模式，反映了中重度TBI的可变性质。额叶和颞叶病变最为常见，胼胝体经常受累，并偶尔出现丘脑异常。几名参与者显示出与弥漫性轴索损伤一致的影像特征，而其他参与者则显示创伤后脑软化或脑室扩大。这种异质性妨碍了按病变位置进行有意义的亚组分析，但它反映了TBI的真实世界变异性。

该研究在获得Casa Colina医院机构审查委员会（IRB案例编号：IRB00002372）的批准后进行。所有参与者均从Casa Colina医院和医疗中心的急性康复中心或过渡生活中心招募，并在纳入研究前提供书面知情同意。

MRI采集

MRI数据使用3T Siemens Magnetom Verio扫描仪采集。采用T1加权磁化准备快速梯度回波（MPRAGE）序列进行高分辨率3-D解剖扫描。其参数如下：重复时间（TR）2,300 ms，回波时间（TE）2 ms，翻转角9°，视野（FOV）230 mm，层厚1 mm无间隔。扫描包括160层，矩阵大小为224 × 224。扩散加权成像（DWI）的设置如下：TR 10,900 ms，TE 95 ms，层厚2 mm无间隔，82层，矩阵大小122 × 122。扩散敏感梯度以64个不同的非共线方向施加，b值为1,000 s/mm²。此外，采集了五张无扩散加权（b = 0）的图像。

T1/DTI预处理与分析

首先，使用FSL工具对T1加权图像进行偏置场校正。然后使用优化的大脑提取技术（optiBET）进行大脑提取，并使用FMRIB的自动分割工具（FAST）进行灰质分割。我们采用了一种基于感兴趣区域（ROI）的方法，使用哈佛-牛津皮层结构图谱中的标签，重点关注颞叶皮层区域，因为有大量证据表明TBI严重程度与颞叶相关。

选择了17个ROI（图1）：颞极、颞上回前部和后部、颞中回前部和后部、颞枕颞中回、颞下回前部和后部、颞枕颞下回、海马旁回前部和后部、颞梭状回前部和后部、颞枕梭状回、颞极平面、Heschl回和颞平面。

为了将皮层ROI与患者的结构数据对齐，我们在标准MNI空间与每个患者的结构空间之间进行了非线性配准。然后在视觉检查准确性后计算每个ROI的灰质体积。所有T1数据集均被保留。

对于DWI数据的预处理，我们使用DTIPrep来识别和移除存在伪影的体积。此步骤包括通过仿射配准到平均b = 0参考图像来进行涡流和头部运动校正。然后使用FSL的大脑提取工具（BET）从b = 0图像中去除头骨。使用FSL中的扩散工具箱计算大脑中每个体素的扩散张量，并生成FA图。我们也对此应用了ROI方法，使用约翰霍普金斯大学（JHU）白质图谱中的标签。

除了与颞叶的关系外，关于DTI的文献表明白质半球间连接与TBI后认知存在强烈关联。因此，我们选择检查不仅颞叶白质束，还包括胼胝体的白质束。选择了以下幕上ROI（图1）：钩束、扣带束、矢状层、上纵束、终纹、穹窿、后丘脑辐射、胼胝体膝部、胼胝体体部、胼胝体压部和毯部。

使用与T1数据类似的方法将标准白质束ROI与患者的扩散数据对齐。在标准MNI空间（FMRIB58_FA）与每个患者的扩散空间之间进行非线性配准，然后在数据分析前对每个ROI进行视觉检查准确性并在必要时手动校正。为确保仅包含白质体素，使用处理后的T1加权图像为每个患者生成全脑白质分割掩模，然后与ROI取交集。最后，为每个患者计算每个ROI的平均FA值。所有DTI数据集均被保留。

在T1和DTI数据的脑/图谱配准流程的每个步骤以及最终输出上均进行了视觉检查，以确保ROI在原生结构和扩散空间中对齐以进行分析。

程序/认知评估

我们评估了TBI患者在6个月期间的恢复轨迹，数据在研究入组后立即收集，然后在6个月后的专用一周评估期内再次收集。在每个评估周期间，参与者接受一系列结构化评估，旨在全面了解其恢复进展。人口统计学数据在每位参与者入组研究开始时收集。

每个间隔期进行的评估包括神经心理学评估和磁共振成像。神经认知评估由训练有素的临床医生在同一会话中进行。为最小化练习效应，在每个时间点施用了RBANS的替代形式。MRI扫描在同一评估周的不同会话中进行。由训练有素的临床医生施用了以下神经心理学评估：蒙特利尔认知评估（MoCA），共30分：视觉空间能力（5分）、 confrontational naming（3分）、短期记忆（5分）、注意力（6分）、语言（3分）、抽象（2分）和定向（6分）。可重复性神经心理状态评估量表（RBANS），指数得分范围40–160，包含列表学习（40分）、故事记忆（24分）、图形复制（20分）、线方向（20分）、图片命名（10分）、语义流畅性（40分）、数字广度（16分）、列表回忆（10分）、列表再认（20分）、故事回忆（12分）和图形回忆（20分）。原始RBANS分数转换为标准化指数分数，源自RBANS手册。残疾评定量表（DRS）最高分29分，对应于极端植物状态——无残疾的人得分为0。它测量睁眼（3分）、沟通能力（4分）、运动反应（5分）、进食意识（3分）、如厕意识（3分）、梳妆意识（3分）、功能水平（5分）、就业能力（3分）。尽管我们的样本平均受伤后22个月，但先前研究已成功在具有类似慢性期的样本中使用RBANS、MoCA和DRS。这些评估仍然是评估慢性中重度TBI个体认知功能的有价值工具，即使在恢复后期阶段也能提供可靠且标准化的神经认知表现测量。

一名参与者由于认知疲劳无法在研究基线时完成完整的RBANS评估，导致某些子测试（语言、延迟记忆、即时记忆）以及总分缺失数据。认知测试由持照神经心理学家或在持照神经心理学家监督下的PsyD实习生进行。

统计分析

使用Jeffrey的神奇统计程序（JASP）进行统计分析，显著性水平设定为p值0.05。由于数据的非参数性质，使用Spearman等级相关分析来评估初始神经影像变量与认知分数变化之间的关系。在进行这些分析之前，我们测试了年龄和受伤后时间是否与感兴趣变量显著相关。发现这两个变量均无显著相关性。然而，鉴于TSI的异质性仍可能潜在偏倚结果（即使与结果没有线性相关），我们决定在将TSI作为协变量处理的情况下进行Spearman相关分析。使用Benjamini-Hochberg方法（FDR = 0.05）进行多重比较校正。

对RBANS、DRS和MoCA分数进行了非参数（Wilcoxon）配对样本T检验，以识别从研究入组到6个月的显著变化。

为评估6个月随访期间认知表现的可靠变化，我们计算了MoCA、DRS以及每个RBANS指数分数和总分的可靠变化指数（RCI）。RCI使用以下公式计算：

SD?sqrt(2)?sqrt(1?rel)?qnorm(1?(1?CI)/2)

该公式已成为TBI人群神经认知变化研究中与基于回归的RCI公式相当的方法。在此等式中，SD代表基线标准差，rel是信度系数，CI是90%置信区间（z = ±1.645），与大多数RCI文献一致。对于所有神经心理测量，包括RBANS复合/指数分数、MoCA和DRS，我们使用重测信度作为信度系数。超过RCI阈值的变化被分类为统计上可靠的改善或下降，而阈值内的变化则无法与预期的重测变异性区分。

结果

在完成初始神经认知评估的15名参与者中，10名（67%）完成了随访MoCA，9名（60%）完成了随访RBANS和DRS。进行了 attrition analysis以比较完成研究的个体与失访个体。ANOVA结果显示，这些组在年龄（p = 0.679）、受伤后时间（p = 0.587）、RBANS总分（p = 0.539）、MoCA（p = 0.120）或DRS（p = 0.227）方面无显著差异。类似地，卡方分析显示性别（p = 0.391）或种族（p = 0.669）无显著差异。这些结果表明， attrition并非系统性地由人口统计学、损伤严重程度或认知因素导致。

RBANS从入组到6个月随访显示显著增加（p = 0.035；图2），但MoCA或DRS未见显著变化。有关两个时间点认知分数的具体信息请参考表2。

RCI分析揭示了具有6个月随访分数的参与者在认知变化方面存在相当大的个体差异（表3）。对于RBANS即时记忆指数，1名参与者（11.1%）显示可靠改善，而1名参与者（11.1%）显示可靠下降。在RBANS视觉空间/构造指数中，1名参与者（10%）表现出可靠增加。在RBANS语言指数中，3名参与者（33.3%）观察到可靠改善，在RBANS注意力指数中，1名（10%）观察到可靠改善。RBANS延迟记忆子测试显示2名参与者（22.2%）可靠下降，1名（11.1%）可靠增加。对于复合RBANS分数，1名参与者（11.1%）显示可靠改善，1名（11.1%）显示可靠下降。在MoCA分数中，1名参与者（10%）显示可靠增加，而DRS显示1名参与者（11.1%）可靠下降。这些结果显示了TBI后认知变化的显著变异性，突出了个体化评估的重要性。这些RCI结果表明，尽管整个组在复合RBANS分数上显示出显著改善，但个体反应各异，一些参与者显示可靠的认知改善，而其他参与者则表现稳定或下降。

在应用多重比较校正后，发现左侧颞梭状回后部初始灰质体积与6个月RBANS—注意力指数分数的变化之间存在显著相关性（r_s = 0.756, p = 0.011）。胼胝体白质束的初始FA也与认知结局存在显著关联。具体而言，RBANS—注意力的变化与研究基线时胼胝体膝部的FA（r_s = 0.811, p = 0.004）以及胼胝体压部的FA（r_s = 0.774, p = 0.009）相关。左侧毯部的FA与RBANS—视觉空间/构造指数分数的变化相关（r_s = 0.744, p = 0.011）。显著相关性的散点图参见图3。

当在相关分析中协变量排除TSI时，我们得到了略有不同的结果。RBANS—注意力的变化与研究基线时胼胝体膝部FA（r_s = 0.961, p < 0.001）和压部FA（r_s = 0.859, p = 0.003）相关。左侧毯部的FA与RBANS—视觉空间/构造的变化保持显著相关（r_s = 0.743, p = 0.022）。然而，左侧颞梭状回与RBANS—注意力的相关性不再显著（r_s = 0.593, p = 0.092）。

讨论

我们的研究旨在通过调查研究基线时的变量与6个月期间认知分数变化之间的关系，来探索创伤性脑损伤恢复的各种生物标志物。重要的是，我们的研究设计为一项探索性调查，旨在探讨神经影像标志物对TBI认知变化和恢复的预后价值。此外，鉴于我们的小样本量，研究结果不应被解释为结论性的，而应视为可以帮助指导未来研究的初步关联。我们的发现可总结如下：(1) RBANS从研究入组到6个月随访发生显著变化；(2) 颞叶和半球间白质束的初始FA与各种认知分数的变化呈正相关；(3) 左侧颞叶梭状回的初始灰质体积与注意力的改善呈正相关。

尽管在DRS和MoCA的认知领域分数上未观察到研究入组与随访之间的显著变化，但复合RBANS在6个月期间显示出显著改善。这突显了RBANS与MoCA和DRS相比，在评估TBI后认知恢复方面可能具有更高的敏感性和全面性。MoCA作为全局认知功能的筛查工具很有价值，而DRS主要测量残疾而非认知表现，它们可能无法像RBANS那样有效捕捉特定领域的细微变化。此外，尽管参与者之间受伤后时间存在高度变异性，但RBANS观察到的显著改善表明，认知恢复似乎仍在早期关键恢复期之后发生。RCI分析揭示了参与者认知变化的个体变异性，因为在MoCA、DRS和RBANS指数/复合分数中观察到不同的增加和减少。这些发现强调了个体化评估的重要性，因为一些参与者显示改善，其他参与者表现出下降，而许多保持稳定。尽管某些认知分数（如t检验所示）有显著改善而其他没有，但RCI分析表明TBI后的认知变化是高度个体化的。这 underscore 了在评估认知变化时需要个性化方法，因为组水平分析可能无法完全捕捉恢复的复杂性。跟踪每个参与者独特认知轨迹的定制评估可能导致更精确的见解并改善干预策略。

从受伤到研究入组的时间存在广泛变异性（平均 = 22.27个月，SD = 39.74）在解释我们的发现时既带来局限性也带来优势。鉴于TBI后的认知恢复遵循非线性轨迹，最快速的改善发生在伤后第一年内，一些参与者（尤其是中度TBI）可能在第一次评估时已经达到恢复平台期。这可能 contributed to MoCA和DRS分数在研究入组与随访之间缺乏显著变化。尽管如