基于纤维束分析（Fixel-based analysis）探究阿尔茨海默病中tau蛋白相关的白质变性

《Neurobiology of Disease》：Investigating tau-related white matter degeneration in Alzheimer's disease using fixel-based analysis

　　

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）涉及淀粉样蛋白-β（amyloid-β）和tau蛋白的异常聚集，其中tau蛋白相关的白质变性可能参与认知功能损害的病理机制。本研究利用纤维束分析（fixel-based analysis, FBA）探究局部tau蛋白沉积与白质变性之间的关系，并检验白质改变是否介导tau相关的认知功能下降。研究人员分析了阿尔茨海默病神经影像学倡议（Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative, ADNI）数据库中285名受试者的数据，依据淀粉样蛋白和tau蛋白生物标志物状态将其分为四组：141名淀粉样蛋白阴性tau蛋白阴性认知未受损者（A^?T^?CU）、58名淀粉样蛋白阳性tau蛋白阴性认知未受损者（A⁺T^?CU）、49名淀粉样蛋白阳性tau蛋白阳性轻度认知障碍者（A⁺T⁺MCI）以及37名淀粉样蛋白阳性tau蛋白阳性痴呆者（A⁺T⁺Dementia）。FBA指标包括纤维密度（fiber density, FD）、对数转换的纤维束横截面积（log-transformed fiber-bundle cross-section, log-FC）及其综合指标纤维密度与横截面积（fiber density and cross-section, FDC），这些指标均由弥散磁共振成像（diffusion MRI, dMRI）数据衍生而来。研究人员评估了上述指标与¹⁸F-flortaucipir tau正电子发射断层成像（PET）标准化摄取值比值（standardized uptake value ratio, SUVR）以及多项认知评估之间的关联。结果显示，与A^?T^?CU和A⁺T^?CU组相比，A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia组在邻近高tau蛋白沉积皮质区域的皮层下白质中表现出FBA指标显著降低，尤其在颞叶和额叶区域（错误发现率校正p < 0.05），且A⁺T⁺Dementia组的降低更为广泛。中介分析揭示，邻近颞叶、岛叶和顶叶皮质的多个皮层下白质区域的白质变性显著且部分地中介了局部tau蛋白沉积与认知功能下降之间的关系，占总效应的6.3%–19.7%。这些发现提示，邻近重度受累皮质区域的tau蛋白相关白质变性部分参与了阿尔茨海默病的认知功能损害。

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种以淀粉样蛋白-β（amyloid-β）和tau蛋白病理异常聚集为特征的神经退行性疾病，然而在体内阐明这些病理沉积的进展及相关神经退行性机制仍具挑战性。既往研究一致表明，tau蛋白而非淀粉样蛋白-β与认知功能下降显著相关，但tau蛋白沉积影响认知功能的具体机制尚不清楚。考虑到AD中的白质变性可致认知功能损害，tau蛋白相关的白质变性可能与AD认知功能障碍相关。因此，探究人脑中tau蛋白相关的白质变性对于理解AD病理机制及寻找预测进行性认知功能损害的潜在生物标志物具有重要价值。

弥散加权磁共振成像（diffusion-weighted magnetic resonance imaging, dMRI）是评估活体白质微观结构的常用无创手段。传统基于扩散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）的方法虽被广泛应用于探索AD中tau蛋白与白质的关系，但其估算每体素平均弥散指标，受部分容积效应限制，且在复杂纤维配置区域（如交叉纤维，占白质体素90%以上）的纤维结构估算准确性不足。为克服这些局限，纤维束分析（fixel-based analysis, FBA）应运而生，能够实现对白质微观结构的纤维特异性建模。FBA可在单一体素内解析多条纤维走行方向，在纤维群体（fixel）水平上评估微观和宏观改变。其核心量化指标包括：纤维密度（fiber density, FD；反映微观轴突密度）、纤维束横截面积（fiber-bundle cross-section, FC；代表纤维束宏观横截面积）以及纤维密度与横截面积（fiber density and cross-section, FDC；对微观和宏观结构变性均敏感的复合指标）。基于上述背景，本研究旨在利用FBA评估白质完整性，并通过统计分析探索tau蛋白沉积、白质结构与认知表现之间的关系，特别关注位于皮质区域正下方的皮层下白质区域，以阐明局部tau病理对邻近白质变性的潜在影响。研究假设tau蛋白沉积导致白质变性，进而中介认知功能下降。

本研究数据来源于阿尔茨海默病神经影像学倡议（Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative, ADNI）数据库，最终纳入285名受试者，依据淀粉样蛋白和tau蛋白生物标志物状态及临床诊断分为四组：A^?T^?CU（n=141）、A⁺T^?CU（n=58）、A⁺T⁺MCI（n=49）和A⁺T⁺Dementia（n=37）。认知评估涵盖简易精神状态检查（Mini-Mental State Examination, MMSE）、蒙特利尔认知评估（Montreal Cognitive Assessment, MoCA）、临床痴呆评定量表总分（Clinical Dementia Rating–Sum of Boxes, CDR-SB）、AD评定量表认知分量表（Alzheimer's Disease Assessment Scale, ADAS-Cog/ADAS-Cog 13）、Rey听觉词语学习测试（Rey Auditory Verbal Learning Test, RAVLT）、连线测验（Trail Making Test, TMT）、动物流畅性测验及功能活动问卷（Functional Activities Questionnaire, FAQ）等。

研究采用的关键技术方法包括：（1）基于Desikan-Killiany图谱的FreeSurfer皮层重建与皮层下白质分区；（2）利用MRtrix3Tissue进行FBA处理，包括约束球面反卷积（constrained spherical deconvolution, CSD）计算纤维方向分布函数（fiber orientation distribution, FOD）、构建研究特异性FOD模板、概率性纤维束追踪，以及提取FD、log-FC和FDC指标；（3）采用ComBat框架对多中心FBA指标进行协调以消除扫描仪间差异；（4）基于置换检验的全脑fixel水平组间比较；（5）基于皮尔逊偏相关分析tau PET SUVR与FBA指标的关联；（6）基于贝叶斯信息准则（Bayesian information criterion, BIC）的模型比较分析，比较皮层厚度模型、FBA模型及联合模型的拟合优度；（7）采用PROCESS宏进行Bootstrap中介分析（5000次迭代），检验白质变性是否中介tau蛋白沉积与认知功能的关系。

**组间临床信息差异**

四组在年龄、性别和分割-based总颅内体积（segmentation-based total intracranial volume, sTIV）上无显著差异。A⁺T⁺Dementia组受教育年限低于A⁺T^?CU和A^?T^?CU组。白质病变（white matter lesion, WML）体积在A⁺T⁺Dementia组显著高于A^?T^?CU组。颞叶meta-区域tau PET SUVR在各组间差异显著，A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia组显著高于两个CU组，且A⁺T⁺Dementia组高于A⁺T⁺MCI组。所有认知评分均显示显著组间差异，A⁺T⁺Dementia组认知损害最为严重。

**全脑FBA结果**

与A^?T^?CU和A⁺T^?CU组相比，A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia组在颞叶和边缘系统白质中FD、log-FC和FDC显著降低，A⁺T⁺Dementia组降低更为广泛。A^?T^?CU与A⁺T^?CU组间无显著差异。A⁺T⁺MCI组在颞叶和边缘系统白质中FD、log-FC和FDC显著高于A⁺T⁺Dementia组。

**基于感兴趣区的分析**

在tau PET SUVR方面，A⁺T⁺Dementia组在全部34个皮质区域tau沉积均显著高于A^?T^?CU和A⁺T^?CU组，以内嗅皮层效应最强；A⁺T⁺MCI组同样在所有34个皮质区域显著高于两个CU组。A^?T^?CU与A⁺T^?CU组间无显著差异。

在皮层下白质FBA指标方面，A⁺T⁺Dementia组在颞叶和额叶白质区域FD、log-FC和FDC显著低于A^?T^?CU和A⁺T^?CU组，以内嗅皮层下白质效应量最大；A⁺T⁺MCI组在颞叶白质区域log-FC和FDC显著低于两个CU组，但FD无显著差异。高tau PET SUVR的颞叶皮质区域与FBA指标降低区域空间对应良好。

在A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia合并组中，偏相关分析显示皮层下白质log-FC与对应皮质区域tau PET SUVR呈负相关，尤其在中颞叶、外侧枕叶、岛叶、下颞叶和下顶叶区域（r = ?0.22至?0.26，未校正p < 0.05），但未通过FDR校正。A⁺T^?CU组中未观察到显著相关。

敏感性分析纳入对应区域皮层厚度作为协变量后，log-FC和FDC组间差异大多保持，而FD差异明显减弱。

**皮层厚度与FBA指标的模型比较分析**

区域皮层厚度对认知表现具有 substantial 解释力。FBA单独模型与皮层厚度单独模型比较时，FBA模型并未一致性地表现更优。然而，将FBA指标加入已包含区域皮层厚度的模型后，log-FC和FDC在部分ROI-结局组合中显示出改善模型拟合（ΔBIC < ?2），提示其可能提供与皮层变薄部分互补的信息；FD的增量贡献则较不一致。

**中介分析**

中介分析在九个皮层下白质区域显示显著部分中介效应，间接效应占总效应的6.3%–19.7%。具体而言：内嗅皮层下白质FD对ADAS-Cog和ADAS-Cog 13的中介效应为10.7%–12.5%；FDC中介效应范围最广，包括ADAS-Cog、ADAS-Cog 13、CDR-SB和MoCA（13.3%–18.7%）。海马旁回下白质FD中介ADAS-Cog 13、CDR Global和FAQ（7.8%–10.2%），FDC中介MoCA（9.6%）。岛叶下白质log-FC中介CDR-SB、CDR Global和TMT-B（17.0%–19.7%）。梭状回下白质FDC中介CDR-SB和FAQ（6.3%–9.7%），log-FC中介MoCA（12.5%）。中颞叶下白质log-FC中介ADAS-Cog、CDR-SB和CDR Global，FDC中介CDR Global（9.7%–18.7%）。下颞叶下白质log-FC中介ADAS-Cog、ADAS-Cog 13、CDR-SB和MoCA，FDC中介CDR-SB、MMSE和MoCA（7.3%–15.2%）。 superior temporal sulcus banks下白质log-FC中介ADAS-Cog、ADAS-Cog 13、CDR-SB和FAQ（9.4%–18.9%）。颞极下白质log-FC中介CDR-SB、FAQ和MoCA（9.4%–12.6%）。下顶叶下白质FDC中介ADAS-Cog 13和MMSE（8.0%–9.7%）。

**讨论部分总结**

研究人员在讨论中首先指出，全脑FBA显示A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia组在颞叶和边缘系统白质中出现FD、log-FC和FDC显著降低，且A⁺T⁺Dementia组更为广泛，这与既往白质体积测量及神经突密度成像（neurite orientation dispersion and density imaging, NODDI）研究结果一致，支持tau病理可能导致后续白质变性的观点。A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia合并组中tau PET SUVR与皮层下log-FC的负相关未通过FDR校正，可能反映tau病理超过阳性阈值后对白质变性的饱和效应，限制了组内变异和统计效能。

研究人员进一步解释了FBA指标的生物学意义：FD降低反映轴突损伤和脱髓鞘等微观结构改变，log-FC降低反映纤维束宏观萎缩，FDC则综合捕捉两者。这与死后研究显示的过度tau磷酸化与轴突丢失、脱髓鞘相关的白质变性一致。

关于皮层厚度与白质变性的关系，模型比较分析表明log-FC和FDC在部分区域提供与皮层厚度部分互补的信息，而非简单重复皮层萎缩信息。FD的增量贡献较不一致，需谨慎解读。中介分析的空间分布与AD中tau病理的已知拓扑高度一致，提示皮层下白质变性与高tau负荷皮质区域的空间关联。

研究人员详细讨论了各显著中介区域的功能关联：内嗅皮层作为连接新皮层与海马的门户，早期即发生严重神经元丢失；海马旁回是内侧颞叶记忆网络的关键组成部分；岛叶是突显网络的关键节点，参与注意转换和执行控制；颞叶各区域在语言、记忆整合中发挥作用。这些区域的白质变性中介效应支持tau相关白质结构改变部分参与认知功能损害的观点。

最后，研究人员承认本研究存在以下局限：横断面设计无法评估纵向变化；个别组样本量较小（尤其A⁺T⁺Dementia组）可能限制统计效能；基于皮质图谱的ROI平均方法可能简化FBA的丰富fixel水平信息###
；缺乏死后验证；PET量化可能存在部分容积效应；FBA指标与皮层萎缩的关系虽有部分互补性，但并非完全独立，中介效应应解读为FBA指标提供未被区域皮层厚度完全捕捉的信息。

**研究结论**

利用FBA技术，研究人员在体探究了AD连续谱中tau相关白质结构全脑改变，为tau相关神经退行性变提供了新见解。通过基于淀粉样蛋白和tau蛋白生物标志物状态将受试者分为四个生物学定义组（A^?T^?CU、A⁺T^?CU、A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia），研究人员证实白质变性随疾病阶段进展，A⁺T⁺Dementia组改变最为显著，而A^?T^?CU与A⁺T^?CU组间无显著差异。在A⁺T⁺MCI和A⁺T⁺Dementia受试者中，皮层tau PET SUVR与皮层下log-FC负相关，尤其在颞顶叶区域，但未通过FDR校正，可能反映tau病理对白质变性的饱和效应。此外，中介分析表明，邻近颞叶、岛叶和顶叶皮质的多个皮层下白质区域的白质变性部分中介了局部tau沉积与认知下降的关系，凸显了FBA评估白质完整性作为AD疾病进展生物标志物的潜在价值。未来研究应通过纵向研究和病理验证来重复和扩展这些发现。