成人全脑皮层磁化率层析成像揭示年龄依赖性铁沉积轨迹及其在神经退行性疾病鉴别中的意义

本刊推荐：本研究利用定量磁化率成像（QSM）与R2技术，通过对447名健康成人（18-80岁）的皮层深度解析，首次系统揭示大脑皮层铁沉积的层特异性年龄轨迹。研究发现QSM与R2值呈现倒U型年龄曲线（峰值中年期），且深层皮层（80%-99%深度）铁积累最显著。通过优化线性转换模型（R2=0.43），建立了皮层磁化率-铁浓度定量关系，为区分正常老化与神经退行病变提供了重要影像学生物标志物。

　　

2.1 数据采集

研究纳入447名健康成年人（221名男性，226名女性），年龄跨度18-80岁，均通过临床筛查排除神经系统疾病史。采用联影uMR 790 3.0T磁共振扫描仪采集T1加权像和多回波梯度回波序列（GRE），具体参数包括：T1w体素尺寸0.8×0.8×0.8 mm³，GRE序列8个回波时间（3.3-29.2 ms），层厚2 mm。所有操作均通过伦理审查并获被试知情同意。

2.2 图像重建与配准

QSM和R2图从GRE数据中重建。R2通过多回波信号强度进行单指数拟合获得，QSM重建采用STISuite流程，包括颅骨剥离（FSL BET）、拉普拉斯相位解缠、V-SHARP背景场去除以及STAR-QSM偶极子反演。为精确配准，将T1w图像重采样至1 mm各向同性分辨率，并以GRE幅度像作为中介，通过ANTs进行刚性配准，最终将QSM和R2*图像转换至T1w空间。

2.3 皮层表面重建与分区

使用FreeSurfer recon-all流程进行皮层重建，包括运动校正、颅骨剥离、白质分割、皮层表面 tessellation 和拓扑校正。根据Desikan-Killiany图谱将皮层划分为四个脑叶（额、顶、颞、枕）及三个关键功能区：前额叶（融合MarsAtlas标签）、运动区（中央前回）和感觉区（中央后回）。所有分区通过非线性配准映射至个体空间。

2.4 皮层深度百分比化分析

创新性地将皮层深度标准化为1%-100%的连续尺度（1%代表软膜表面，99%代表灰白质边界）。在每个深度层，沿法线方向扩展皮层表面，并通过三线性插值提取QSM和R2*值，从而获得层特异性的信号强度曲线。

2.5 统计与曲线拟合

提取各分区及深度层的平均QSM/R2*值后，采用t检验比较年龄组间差异，并通过贝叶斯信息准则（BIC）筛选最佳年龄轨迹模型。结果表明二次模型最优化拟合年龄相关变化（倒U型曲线）。进一步通过多元回归分析皮层厚度（CT）与QSM的关系，控制年龄的线性和二次效应。

2.6 磁化率-铁浓度线性转换

基于Hallgren & Sourander（1958）的尸检铁浓度数据，优化QSM至铁浓度的转换模型。通过比较不同深度层与参考曲线的相关性，发现中层皮层（如运动区0.5、顶叶0.4深度）组合预测效能最高（R²=0.43），显著优于传统白质/深灰质转换模型。

3.1 区域与层间差异

QSM值在额叶和枕叶最高，颞叶和顶叶较低（p<0.05）。深度分析显示，从软膜表面至灰白质边界，QSM和R2均逐渐升高，在80%-99%深度达到峰值。但颞叶和枕叶的R2在浅层（1%-20%）出现反常高峰，提示区域特异性微结构差异。

3.2 年龄轨迹

QSM和R2*均呈现二次型年龄曲线，峰值出现在中年期（约50-67岁，区域依赖）。运动区和感觉区变化斜率最陡，而前额叶和颞叶变化较缓。z-score标准化后，深层曲线高度一致，但浅层存在分歧，表明铁沉积主导深层信号，而浅层受髓鞘等 diamagnetic 物质影响。

3.3 皮层厚度与QSM的关联

在调整年龄效应后，QSM与皮层厚度呈现双向关联：颞极、海马旁回和中央前回呈正相关，而额上回和额中回呈负相关。表明铁积累与皮质萎缩的关系具有区域异质性，可能反映退化或功能维持的不同状态。

3.4 铁浓度预测模型

中层皮层（如运动区0.5、顶叶0.4）的QSM与尸检铁数据相关性最高（r=0.99）。采用最小二乘法优化线性转换（Iron = 168.669 × χ + 3.473），显著提升预测精度（R²=0.43），优于Langkammer等提出的深灰质模型。

4.1 方法学意义

皮层深度百分比化策略克服了传统分区平均的局限性，首次在体揭示层特异性铁沉积轨迹。二次年龄模型的建立为老化研究提供量化基准。

4.2 生理与临床意义

倒U型曲线提示中年为铁积累拐点，可能反映氧化应激与神经保护的平衡。层间差异印证了组织学发现的铁分布层次性（深层神经元富集区铁浓度更高）。QSM与皮层厚度的区域异质性关联为神经退行疾病早期诊断提供新视角。

4.3 技术局限与展望

年龄范围未涵盖青少年及高龄人群，多中心数据平衡性不足。未来需结合多模态影像（如髓鞘成像）和亚体素分析进一步分离铁、髓鞘与蛋白贡献。脑铁分布可能提供新的皮层功能亚分区依据。