多发性硬化认知表型的结构MRI与静息态功能连接特征：基于潜在剖面分析的大队列研究

《Neurology Neuroimmunology & Neuroinflammation》：Functional and Structural Imaging Features of Cognitive Profiles in Multiple Sclerosis

　　

背景与目标：认知障碍影响40%–70%的多发性硬化（multiple sclerosis, MS）患者。尽管近期假设驱动和数据驱动研究已识别认知表型，但这些表型中损害的功能底物仍不清楚。研究人员的目的是，在大型MS患者队列中使用聚类识别不同认知表型，并描述其相关临床、结构MRI和静息态（resting-state, RS）功能连接（functional connectivity, FC）特征。方法：研究人员开展了一项观察性横断面研究，纳入右利手MS患者及年龄和性别匹配的健康对照（healthy controls, HCs），受试者接受神经系统和神经心理学评估（神经心理学测试简短可重复电池，Brief Repeatable Battery of Neuropsychological tests, BRB-N）。对认知测试Z分数进行潜在剖面分析（latent profile analysis, LPA）以识别MS认知表型。采用3.0T MRI获取萎缩指标及默认模式网络（default mode network, DMN）I/II、执行控制网络（executive control network, ECN）、左/右侧额顶（fronto-parietal, FP）、语言和突显网络（salience network）内的RS FC。线性回归模型比较认知表型与HCs之间的结构MRI和RS FC，多项式对比评估各组间RS FC模式。结果：共纳入369例MS患者和168例HCs。检测到四种认知表型：认知保留（preserved cognition, PC，n = 67[18.2%]）、轻度单域言语流畅性受累（mild single-domain verbal fluency involvement, MSD-VF，n = 37[10.0%]）、轻度单域注意受累（mild single-domain attention involvement, MSD-A，n = 197[53.4%]）和严重多域受累（severe multidomain involvement, SMD，n = 68[18.4%]）。在校正阈值下，PC患者显示深部灰质（gray matter, GM）体积降低（p < 0.001–0.001）且RS FC与HCs相似，而MSD-VF未显示显著萎缩且RS FC与HCs无差异。MSD-A相较于HCs显示皮质/深部GM体积降低（p < 0.001–0.005），而SMD具有更差的临床和萎缩特征（p < 0.001–0.04），以及相较于其他组DMN II RS FC降低（p = 0.01–0.04）。多项式对比分析显示显著二次模式，MSD-VF相较于HC/PC组RS FC增加，随后在MSD-A和SMD中降低，涉及DMN II（p = 0.005）、ECN（p = 0.005）和语言网络（p < 0.001）。讨论：PC显示完整RS FC，而SMD呈现广泛结构和DMN RS FC损害。这些发现通过揭示跨认知表型的不同结构和功能神经影像学特征，增进了对MS认知异质性的理解，鼓励未来纵向和多模态研究以改善疾病刻画和预后分层。

多发性硬化（multiple sclerosis, MS）认知障碍影响约40%–70%患者，可显著增加社会经济负担并降低生活质量。其可见于MS早期，且进展型MS较复发缓解型MS更严重。MS中主要受损领域包括信息处理速度（information processing speed, IPS）、持续注意、情景记忆和言语流畅性，执行功能通常至晚期才受累；视空间功能障碍尽管研究较少，但约影响四分之一患者。既往研究多将患者简单分为认知受损或认知保留，可能掩盖组内异质性。近期研究尝试基于认知表现模式识别更同质的亚组，即认知表型（cognitive phenotypes，指具有相似认知表现模式的亚组），常采用先验或数据驱动方法，识别出4至5种认知表型。然而，结合结构异常与功能底物、尤其是静息态功能连接（resting-state functional connectivity, RS FC）的研究仍缺乏。因此，研究人员假设，将认知表型与结构MRI和RS FC结合，可更机制性地理解MS中不同认知表型存在的原因。为此，研究人员在相对较大的成人MS队列中应用数据驱动方法，基于认知表现识别不同患者组，并按既往文献称为认知表型；随后比较不同表型的人口学、临床、结构MRI及主要大规模认知网络RS FC特征。由于是首个纳入功能指标的研究，研究人员使用独立成分分析（independent component analysis, ICA）评估RS FC，该方法相对简单但稳健且经过验证。研究人员假设，轻度认知领域受累的MS患者可能显示领域特异性网络RS FC改变，而更严重认知损害患者可能显示大规模枢纽网络RS FC降低，尤其是默认模式网络（default mode network, DMN）。此外，研究人员旨在探索这些潜在认知特征是否与结构和RS FC特征的梯度神经生物学差异相关，而非严格分离的认知表型。方法：从IRCCS San Raffaele Scientific Institute（Milan, Italy）Neuroimaging Research Unit数据库回顾性连续选择满足以下纳入标准的MS患者：1.右利手，以避免半球组织和功能偏侧化相关RS FC变异；2.具有脑MRI扫描，包括RS fMRI和高分辨率T₁加权图像；3. MRI采集前至少1个月无复发且未使用激素；4.过去6个月疾病修饰治疗无变化；5.无可能干扰认知功能的显著医学或精神疾病或物质滥用。另选年龄和性别匹配、右利手、神经系统检查正常且无神经、精神或医学疾病史的健康对照（healthy controls, HCs）作为结构MRI和RS FC参考组。所有MS患者接受神经系统检查，评估扩展残疾状态量表（Expanded Disability Status Scale, EDSS）并记录疾病修饰治疗。为更好刻画，患者分为早期（病程<5年）复发缓解型MS（relapsing-remitting MS, RRMS）、晚期（病程≥5年）RRMS和进展型MS（progressive MS, PMS）。同日，所有患者接受神经心理学评估，使用Rao简短可重复神经心理学测试电池（Brief Repeatable Battery of Neuropsychological tests, BRB-N），包括言语记忆（选择性提醒测试[Selective Reminding Test, SRT]长期储存、SRT一致性长期提取和SRT延迟回忆）、视空间记忆（10/36空间回忆测试[10/36 Spatial Recall Test, SPART]即刻和延迟回忆）、持续注意和IPS（同步听觉连续加法测试[Paced Auditory Serial Addition Test, PASAT] 3″和符号数字模态测试[Symbol Digit Modalities Test, SDMT]）以及语义流畅性（词语列表生成[Word List Generation, WLG]）。各认知测试表现根据年龄、性别和教育校正，并按意大利常模转换为Z分数。测试失败定义为低于常模均值至少1.5 SD。某一认知领域损害定义为评估该领域的≥1项BRB-N测试失败，而全局认知损害定义为≥2个领域损害。该分类仅用于描述。受试者总智商（total IQ, TIQ）由Italian Test Breve di Intelligenza测量。疲劳采用改良疲劳影响量表（Modified Fatigue Impact Scale, MFIS；评分≥37提示疲劳）评估，抑郁症状采用Montgomery-?sberg抑郁评定量表（Montgomery-?sberg Depression Rating Scale, MADRS；评分≥9定义存在抑郁症状）评估。所有受试者接受脑MRI，使用2台扫描仪上的2种3.0T协议（Scanner I：Achieva，n = 90 HC/186 MS；Scanner II：Ingenia，n = 78 HC/183 MS；Philips Medical Systems，Eindhoven，The Netherlands）。采集序列包括：1.双回波涡轮自旋回波或三维（3D）T₂加权液体衰减反转恢复用于病灶体积（lesion volume, LV）评估；2. 3D T₁加权快速场回波用于脑体积分析；3. T₂^*加权回波平面成像序列用于RS fMRI。脑体积分析包括归一化脑体积、归一化皮质GM体积、归一化海马和丘脑体积，以及归一化其他深部GM核团体积（即尾状核、苍白球、壳核、杏仁核和伏隔核之和）。RS fMRI预处理后，使用ICA和GIFT软件评估RS FC，遵循3个主要步骤：数据降维、组ICA和通过时空回归进行反向重建。根据最小描述长度准则，独立组成分数为40。采用ICASSO工具箱检验IC分解的统计可靠性。通过视觉检查、频谱分析和模板匹配去除运动及生理伪影相关成分，选择相关IC。研究人员识别出7个与认知相关的功能网络：2个DMN（DMN I和DMN II）、1个执行控制网络（executive control network, ECN，包括参与执行功能的双额区）、1个偏侧于左（L）半球的额顶（fronto-parietal, FP）网络和1个偏侧于右（R）半球的FP网络（均包括与工作记忆功能相关的前额叶和下顶叶区域）、1个语言网络和1个突显网络。统计分析前，认知网络RS FC Z分数图使用ComBat协调，以减少相对异质性RS fMRI协议可能引入的偏倚。年龄、性别和疾病（HCs vs MS）纳入协调过程，以考虑受试者间生物学变异。对每个网络，全局平均RS FC Z分数通过在网络感兴趣二元掩模内所有存活于家庭-wise错误（family-wise error, FWE）校正的体素值平均计算。这些图来自SPM12中年龄校正和性别校正的全因子模型，相应均值使用REX工具箱提取。统计分析使用R软件4.4.0版，mclust和tidyLPA包以及SPSS 28版。T₂ LV分析前进行对数转换。Kolmogorov-Smirnov检验评估人口学、临床、神经心理学和结构MRI指标分布的高斯性。服从高斯分布的变量报告为均值和SD，不服从者报告为中位数和四分位距（interquartile range, IQR）。分类变量报告为频率和百分比，并酌情使用χ2、Mann-Whitney U检验或两样本t检验比较。研究人员对认知测试Z分数进行潜在剖面分析（latent profile analysis, LPA）以确定认知表型。LPA是一种统计混合建模方法，使用一组连续指标在异质性样本中识别未观察到的同质亚组。研究人员使用5个正态分布连续变量（即SRT[长期储存、一致性长期提取和延迟SRT的平均]、SPART[SPART即刻和延迟回忆的平均]、PASAT 3″、SDMT和WLG）。进行LPA前排除离群值（认知测试Z分数≤Q1–1.5×IQR或≥Q3+1.5×IQR）。研究人员使用贝叶斯信息准则、赤池信息准则、集成完整数据似然、自助似然比检验、熵和临床可解释性组合确定最佳拟合模型。每个受试者根据后验概率分配至一个剖面，并估计剖面特异性均值和方差。每个认知表型根据其表现相对于常模数据欠佳的认知领域命名，定义为单个认知测试平均Z分数低于?0.5为轻度下降，低于?1.5为严重损害。人口学、临床和认知特征根据数据正态性，采用单因素方差分析、Kruskal-Wallis检验、χ2检验或Fisher精确检验比较。采用年龄校正和性别校正线性回归模型比较认知表型与HCs之间的结构MRI和RS FC指标。结构MRI分析中MRI协议作为额外协变量；RS FC不需如此，因为功能指标已ComBat协调。当组间存在显著差异时，进行成对事后检验。研究人员进行额外敏感性分析，仅重新评估认知表型间（即排除HC）的结构MRI和RS FC差异，并将病程、EDSS和临床表型（早期RRMS、晚期RRMS和PMS）作为额外协变量。多项式对比分析评估各组间认知网络RS FC的线性和高阶横断面模式。成对对比p值采用Bonferroni法在每个影像模态和每个MRI指标内校正多重比较（p_adj）。在未校正阈值下存活的结果也作为补充发现报告。统计显著性设为双侧p < 0.05。标准方案批准、注册和患者同意：获得IRCCS San Raffaele Scientific Institute伦理委员会批准（Protocol ID：FISM 2013/S/1）；所有受试者提供书面知情同意。研究按照良好临床实践和赫尔辛基宣言进行。结果：人口学、临床、神经心理学和MRI发现：2010年至2023年间初筛434例MS患者。排除40例左利手或双手灵巧患者、18例因神经心理学评分不完整、4例离群值和3例严重抑郁症状（MADRS ≥35）后，分析369例MS患者（219/150女/男，平均年龄 = 43.6岁，SD = 11.4岁）。包括99例早期RRMS、148例晚期RRMS和122例PMS。另选168例年龄和性别匹配HCs（96/72女/男，平均年龄 = 41.8岁，SD = 12.6岁）。与HCs相比，MS患者教育程度和TIQ显著较低，MFIS/MADRS评分较高（均p < 0.001）。MS患者T₂ LV显著高于HCs（p < 0.001），而所有皮质/深部GM体积低于HCs（均p < 0.001）。比较认知网络平均全局RS FC Z分数时，仅FP（L）（p = 0.04）网络在MS患者中较HCs显著降低。认知表型的识别：拟合统计量（AIC、BIC和BLRT）与临床可解释性组合支持四剖面模型。根据相对于意大利常模数据的平均认知测试Z分数，4个认知表型标记为PC（n = 67[18.2%]）、轻度单域言语流畅性（MSD-VF）（n = 37[10.0%]）、轻度单域注意（MSD-A）（n = 197[53.4%]）和严重多域（SMD）（n = 68[18.4%]）。PC患者在任何测试分数中均无显著下降；MSD-VF组显示WLG分数轻度下降；MSD-A组显示SDMT和PASAT 3″分数轻度降低；SMD组在SPART和WLG中表现轻度下降，在SRT、SDMT和PASAT 3″分数中严重损害。认知表型的临床和结构MRI特征：未发现组间性别分布差异，而MSD-VF患者较MSD-A（p = 0.045）和SMD（p = 0.009）患者年轻。SMD患者病程长于PC（p = 0.011）和MSD-VF（p = 0.006）患者；其EDSS显著高于所有其他表型（p < 0.001至0.001），且多数（57.4%）为PMS。早期和晚期RRMS比例最大者见于PC和MSD-VF组。此外，PC患者EDSS低于MSD-A患者（p = 0.022）。SMD和MSD-A患者更疲劳，SMD患者较PC有更多抑郁症状（p = 0.004至0.024）。在每个认知表型内，患者跨2种MRI协议分布均衡。结构MRI方面，SMD患者病灶负担不同，T₂ LV显著高于所有其余认知表型。与HCs相比，PC患者丘脑体积（p_adj < 0.001）和归一化深部GM体积（NDGMV）（p_adj = 0.001）显著降低；MSD-VF患者任何体积指标均无显著差异；MSD-A患者皮质和深部GM体积显著降低（p_adj < 0.001至0.005）；SMD患者显示广泛皮质和深部GM萎缩，影响所有考虑结构，较HCs和所有其余表型更严重（p_adj < 0.001至0.035）。RS FC特征：PC、MSD-VF和MSD-A患者平均RS FC与HCs相似。SMD患者DMN II平均RS FC较所有其他组显著降低（p_adj = 0.009至0.037）。ECN（p_adj = 0.030）和语言网络（p_adj = 0.015）RS FC在MSD-VF与SMD患者间显著不同；该效应主要由MSD-VF中RS FC增加和SMD中RS FC降低驱动。此外，多项式对比分析显示DMN II（p = 0.005）、ECN（p = 0.005）和语言网络（p < 0.001）呈显著二次模式：与HC或PC组相比，MSD-VF中RS FC增加，随后在MSD-A中降低，最终在SMD表型中达到最低值。此外，研究人员注意到DMN II（p = 0.002）和FP（R）（p = 0.031）网络呈显著线性模式，RS FC从PC至SMD表型逐渐下降。敏感性分析：校正临床变量后的敏感性分析与原始发现大体一致。对于DMN II RS FC，PC与SMD比较（p = 0.015，p_adj = 0.092）未通过Bonferroni校正。原始分析中所有其他显著成对比较保留统计学显著性，支持结论在临床影响之外的稳健性。讨论：在这项横断面研究中，研究人员应用LPA在相对较大的MS患者队列中识别不同认知表型，并描述其功能和结构影像特征。这些发现不仅通过验证已知临床和结构MRI特征扩展既往分类，还提供了对MS认知表型功能底物的有趣见解。LPA识别出4种认知表型：PC、MSD-VF、MSD-A和SMD，从而克服认知保留与受损患者之间的简单二分法。PC患者显示深部GM体积降低但RS FC保留。组间和多项式对比分析的汇聚证据显示，MSD-VF患者ECN、DMN和语言网络RS FC增加，主要由MSD-VF与SMD组间显著差异驱动，且无显著体积MRI异常。相反，MSD-A和SMD患者显示皮质和深部GM萎缩，SMD中更广泛和明显，同时SMD组DMN RS FC降低。总之，这些发现提示当认知功能障碍较轻时可能存在网络重组，而结构损伤积累后更严重损害时出现完全网络崩溃。MS中认知表型的数量和分类因方法和样本量差异而在不同研究间变化。与既往工作一致，研究人员使用LPA，因为其较传统聚类技术（如k-means）更灵活和稳健。研究人员样本小于既往De Meo et al.研究；然而，该样本量被认为足以得出稳定且可解释的LPA类别。与该研究识别5种LPA衍生认知表型不同，研究人员识别4种，其中若干相似，如PC、轻度言语/语义流畅性受累和SMD受累。研究人员还识别出选择性轻度注意下降表型（不同于既往发表的严重执行注意表型，因为本研究未直接测试执行功能）。鉴于LPA为数据驱动且依赖个体队列特征，分类差异在意料之中。另一个差异涉及用作LPA输入特征的认知测试Z分数。两项研究推导方式不同，其中研究人员使用更新的方法，依赖更大的HCs人群且50岁及以上受试者代表性更高，从而更稳健估计年龄对认知表现的影响。这可能影响统计变量关系及后续LPA聚类标签，限制直接可比性。第二，来自单中心队列的较小样本量也可能影响LPA解决方案。尽管较小样本可能导致统计效能较低和分类较粗，但整合结构MRI和RS fMRI数据（n = 369）使研究人员相较既往研究能够实现表型稳健的病理生理学刻画。第一个表型PC占患者18.2%。这些患者所有认知测试表现良好，维持完整功能。该组包括较年轻、病程早期、残疾低且为RRMS（85.1%）的MS患者。与HCs相比，其皮质体积相似，但深部GM体积显著较低，RS FC相似。GM尤其是丘脑损害已被描述于疾病最早期阶段。即使存在早期结构损害，这些患者仍保留认知功能和RS FC。这可能归因于其轻度疾病阶段和相对较高的认知储备（TIQ与HCs相当，代表高智力丰富度）。第二个表型MSD-VF占最小比例（10%），但为独特表型，表现为孤立性言语流畅性下降，同时视空间记忆分数相对较高。这些患者年轻、病程短、EDSS低，多数为RRMS（86.5%；45.9%为早期RRMS）。MSD-VF表型患者结构MRI指标与HCs无显著差异，可能提示更良性表型。值得注意的是，与SMD相比，其显示ECN、DMN和语言网络RS FC增加的证据，进一步由多项式分析发现佐证。近期一项MS语言功能障碍研究也报告扩展语言网络内RS FC增加。PC和MSD-VF表型中结构-功能发现的分歧强调了结构完整性与功能重组之间复杂相互作用，同时考虑到本研究未测量的微结构改变可能仍促成网络完整性破坏，尽管无可检测脑体积损失。尽管解释早期MS中RS FC变化需谨慎，鉴于本队列认知缺陷较轻，这种增加可能指示可测量结构损害前的功能适应；然而，包括低效或适应不良过程在内的替代解释不能确定排除。第三个表型MSD-A包含超过一半患者（53.4%），特征为注意/IPS表现轻度下降。其额外认知领域Z分数也略低于常模HCs，尽管在组水平未达到预定义损害阈值。MSD-A患者较MSD-VF患者年长，且EDSS和疲劳评分显著高于PC。其显示皮质和深部GM体积显著较低，但RS FC与HCs无显著差异。与MSD-A相比，MSD-VF中观察到的不同RS FC模式可能反映不同网络重组模式，可能指示向网络崩溃过渡，与积累的结构损害一致。需要纵向研究确定这些RS FC变化的性质及其在疾病过程中如何演变。第四个表型SMD（患者18.4%）在服务多个领域的认知测试中表现最差。其年龄更大、病程最长、临床残疾最严重，且超过一半为PMS。其MFIS和MADRS评分也高于PC患者。尽管SMD在PMS中更常见，但早期RRMS中亦观察至显著比例（9.1%），强调诊断时早期认知评估的必要性。与PC患者相比，SMD显示显著皮质和深部GM萎缩，以及较其他表型显著降低的DMN RS FC，并伴有较MSD-VF患者降低的ECN和语言网络RS FC，在多项式对比分析中亦明显。DMN是静息时活跃、目标导向任务时受抑制的内侧皮质网络。已发现其随年龄增长而降低（与更差认知表现相关），并在PMS患者中降低。该表型代表MS患者中身体和认知最严重受累组，也反映为广泛结构和功能脑损害。识别这些不同认知表型及其相关结构MRI和RS FC特征，可能为MS如何影响大规模脑系统的异质性提供见解。这些表型可能并非反映统一的认知下降模式，而是指示大规模脑网络脆弱性和韧性的差异，可能由网络组织、代偿能力和认知储备的个体间差异塑造，这可能有助于解释相似病理如何在MS中导致不同认知结局。本研究并非没有局限性。第一，由于这是首批刻画认知表型功能影像特征的研究之一，研究人员使用ICA。未来研究需在更大队列中确认这些发现，检查每个网络内聚类水平FC变化，并使用时变FC和先进网络指标以可能获得更深见解。第二，尽管样本量相对较大，更多参与者本可改善LPA解决方案稳定性并增加在校正阈值下检测组间显著fMRI变化的效能。第三，4种认知表型大小差异显著。尽管MSD-A组占优势可能代表MS认知功能障碍的预期模式，但不均等组大小可能影响聚类稳定性并降低检测组间差异的统计效能，尤其是较小表型。第四，横断面设计无法研究这些表型随时间演变，也无法评估脑网络架构变化是否驱动后续认知结局，或功能组织是否响应认知损害而出现。未来纳入连续MRI和认知评估的研究需要通过表型转变和网络变化的纵向建模阐明这些方面。另一个有前景的研究方向是研究MS中网络功能障碍的时间层级，识别哪些功能网络最早受累，哪些直到疾病后期仍相对保留。第五，BRB-N不能充分评估真实世界认知缺陷，尤其在早期MS。然而，这些是常用标准化测试，具有明确常模。此外，由于Stroop测试和Wisconsin卡片分类测试因高缺失率被排除出LPA，执行功能可能仅由WLG部分捕获。未来工作应确保更完整评估执行功能，最好纳入多种经过验证的测量，以更好在认知表型框架内刻画该领域。第六，皮质病灶负担和共病信息仅部分患者可用；因此，这些数据不能一致纳入本分析。最后，表型根据当前一般理解命名，未来研究可能改变。此外，尽管进行敏感性分析，在观察性临床数据中不可能完全将认知表型与潜在疾病特征分离，这可能促成一些观察到的组间差异。总之，尽管PC患者表现出保留的RS FC，SMD患者呈现广泛结构异常和严重DMN RS FC降低。轻度言语流畅性受累患者倾向于RS FC增加，可能反映网络重组。本研究补充了对MS认知异质性和认知表型的不断增长的理解，强调了跨认知表型神经影像学特征的结构和功能差异。未来纵向研究，连同纳入微结构损伤、闷烧炎症和时变FC测量的多模态MRI研究，将对阐明这些认知表型的时间演变、生物学基础及临床意义至关重要。