基于NODDI与空间统计技术揭示烟雾病脑微结构损伤的创新研究

《BMC Medical Imaging》：Neurite orientation dispersion and density imaging reveals microstructural damage in moyamoya disease: a study based on tract- and gray-based spatial statistics

本研究针对烟雾病(MMD)患者脑微结构损伤检测灵敏度不足的临床难题，研究人员创新性地结合神经突定向弥散与密度成像(NODDI)和基于白质骨架/灰质骨架的空间统计(TBSS/GBSS)技术，首次系统评估了MMD患者灰质(GM)和白质(WM)的微结构改变。结果发现患者广泛脑区存在取向分散指数(ODI)降低、神经突密度指数(NDI)下降和各向同性体积分数(ISOVF)升高，表明NODDI较传统扩散张量成像(DTI)能更敏感地捕捉微结构异常，为MMD的早期诊断提供了新型影像学生物标志物。

　　

在大脑的深邃世界里，烟雾病(MMD)如同一个隐秘的破坏者，这种慢性进展性脑血管疾病以 Willis 环狭窄闭塞和异常血管网形成为特征，使患者时刻面临脑缺血和出血的双重威胁。更令人担忧的是，即使没有明显脑梗死病灶，多数患者仍会出现记忆力下降、注意力不集中和执行功能受损等认知障碍。传统磁共振成像(MRI)往往难以捕捉这些功能性改变背后的微观结构损伤，这就像拥有分辨率不足的探测器，难以揭示大脑微观世界的真实变化。

为突破这一技术瓶颈，福建医科大学附属协和医院放射科陈华俊教授团队在《BMC Medical Imaging》上发表了创新性研究。研究人员首次将神经突定向弥散与密度成像(NODDI)这一先进扩散磁共振成像(dMRI)技术，与基于白质骨架的空间统计(TBSS)和基于灰质骨架的空间统计(GBSS)方法相结合，对26名健康对照和15名MMD患者进行了全脑微结构评估。NODDI技术通过三室模型将信号分离为神经突内水、神经突外水和脑脊液(CSF)成分，能更精确地量化神经突密度指数(NDI)、取向分散指数(ODI)和各向同性体积分数(ISOVF)等生物物理学参数，相比传统的扩散张量成像(DTI)和扩散峰度成像(DKI)，提供了更直接的微结构信息。

技术方法上，研究采用3T MRI扫描仪采集多b值扩散数据，通过FSL和DIPY软件处理获得DTI参数（各向异性分数FA、平均扩散系数MD）和NODDI参数（NDI、ODI、ISOVF）。创新性地利用组织分数图生成伪T1加权图像并构建研究专用模板，分别应用GBSS分析灰质和TBSS分析白质微结构差异，采用5000次置换检验进行组间比较（FWE校正P<0.05），并控制年龄、性别、教育水平等混杂因素。

GM微结构改变：ODI广泛降低

GBSS分析显示，MMD患者灰质ODI值显著降低的区域遍布额叶、顶叶、枕叶、颞叶和边缘叶（FWE校正P<0.05）。这些区域包括默认模式网络(DMN)相关区域（双侧内侧前额叶、前后扣带回、楔前叶）、执行控制网络(ECN)区域（下顶叶、中下额叶、上顶叶）、岛叶，以及视觉皮层（舌回、枕叶回、楔叶、距状裂周围皮层）、听觉皮层（颞上中下回）和感觉运动皮层（中央前后回、旁中央小叶、辅助运动区）。ODI降低提示神经元树突复杂性下降或分支减少，可能解释MMD患者的认知和感知功能损害。

WM微结构损伤：NDI减少与ISOVF升高

TBSS分析发现MMD患者白质多个区域存在NDI显著降低，主要累及胼胝体、双侧放射冠、额顶叶及左颞枕叶（FWE校正P<0.05）。同时ISOVF广泛升高，涉及胼胝体、放射冠、额顶叶和右颞叶。NDI降低反映轴突密度减少，ISOVF升高提示间质液体增加，可能与慢性缺血导致的能量代谢障碍和氧化应激损伤有关。

NODDI较DTI具有更高敏感性

虽然DTI参数（FA降低、MD升高）与NODDI参数变化模式相似，但在更严格统计阈值下（FWE校正P<0.01），NODDI检测到的异常范围更广泛。这表明NODDI的多室模型能更敏感地识别MMD相关的微结构损伤，为临床早期诊断提供了优势。

本研究通过多模态扩散成像与先进统计方法的创新结合，首次系统描绘了MMD患者灰质和白质的微结构损伤图谱。灰质ODI降低提示神经元树突结构简化，白质NDI减少和ISOVF升高反映轴突损伤和自由水增加，这些改变为理解MMD认知功能障碍提供了神经生物学基础。更重要的是，NODDI技术显示出较传统DTI更高的检测敏感性，表明其有望成为MMD早期诊断和病情监测的有力工具。尽管研究存在样本量有限、缺乏认知评估等局限性，但为开发新型影像学生物标志物开辟了新途径，对未来研究具有重要启示意义。