孤独症谱系理论：儿童孤独症脑磁共振波谱的病例-对照研究

来 源：论文

作 者：邹小兵1,曾小璐1＊,胡冰2,李建英1,唐春1

(中山大学附属第三医院1儿童发育行为中心;2放射科,广东广州510630)

中图分类号:R749.94　　文献标识码:A

摘　要:　【目的】　探讨孤独症儿童脑部神经代谢产物的改变及其与行为表现的关系,为临床诊治提供参考。　【方法】　应用无创性磁共振波谱,分别测量24名孤独症患儿和10名同龄健康儿童额叶、小脑蚓部内的N-乙酰天冬氨酸(NAA)、含胆碱复合物(Cho)与肌酸(Cr)的比值,进行对照研究,并分析病例组代谢产物与孤独症治疗评估量表(ATEC)得分的关系。　【结果】　孤独症组额叶、小脑蚓部NAA/Cr比值、小脑蚓部Cho/Cr比值低于对照组(P< 0.05);孤独症组额叶NAA/Cr比值与ATEC说话/语言评分负相关(r=-0.494,P= 0.023),额叶Cho/Cr比值与健康/行为评分负相关(r=-0.405,P= 0.049);孤独症组小脑蚓部NAA/Cr比值女童低于男童(P< 0.05);孤独症组小脑蚓部NAA/Cr、Cho/Cr比值与年龄呈正相关(P< 0.05)。　【结论】　孤独症儿童额叶皮质、小脑蚓部存在神经元丢失或功能下降,其严重程度与语言障碍、认知障碍等临床表现相关;小脑蚓部存在细胞膜的代谢异常、髓鞘发育不良;孤独症儿童小脑蚓部神经功能存在性别差异,且随着年龄的增长有所改善。

关键词:　孤独症;磁共振波谱;儿童

Brain magnetic resonance spectroscopy case-control study in children with autism.

ZOU Xiao-bing1, ZENG Xiao-lu1, HUBing2, LI Jian-ying1, TANG Chun1.(1 Child Developmental-Behavioral Center, 2 Department of Radiology, the Third

Affiliated Hospital of SUN Yat-sen University, Guangzhou, Guangdong 510630, China)

Abstract:　【Objective】　To explore the changes of neuronal metabolite and the correlation between these and clinicbehavior in children with autism.　【Methods】　24 subjects with autism were compared with 10 normal children who bothunderwent scaning using a 1.5T MR system, concentration of NAA, Cr and Cho in frontal lobe and vermis cerebellum weremeasured, and the ratios of NAA/Cr and Cho/Cr were evaluated. The relationship was analysied between neuronal metabo-lite and the scores were evaluated by Autism Treatment Evaluation Checklist(ATEC)in autistic group.　【Results】　Sub-jects with autism had significantly lower ratios of NAA/Cr in the frontal lobe and vermis cerebellum(P< 0.05);Subjectswith autism had lower ratios of Cho/Cr in the vermis cerebellum. There was a negative correlation between the ratios ofNAA/Cr in frontal lobe and the scores of speech/language in ATEC(r=-0.494,P< 0.05).There was a negative correlationbetween the ratios of Cho/Cr in frontal lobe and the scores of ealth/behavior(r=-0.405,P< 0.05);Girls with autism hadlower ratios of NAA/Cr in vermis cerebellum than boys with autism;The ratios of NAA/Cr and Cho/Cr in vermis cerebel-lum were positively correlated with age.　【Conclusions】　Subjects with autism have neuronal loss or functional impairmentin frontal lobe and vermis cerebellum,which is correlated with severity of clinical situation such as language and cognitivedeficit. Abnormalites in neuronal membrane metabolism and myelination are found in vermis cerebellum of autistic children.Vermis function is different between autistic boys and girls. Vermis function may increase with age in autistic group.

Key words:　autism; magnetic resonance spectroscopy; children

虽然孤独症(autism)确切的病因仍未清楚,但已证实遗传因素在发病中起重要作用。神经心理学研究提出了“心灵理论”缺陷、执行功能障碍、中央集合功能薄弱等学说来解释孤独症的异常行为。另外,炎症系统的激活以及神经递质变化也受到关注。

孤独症患儿脑结构影像多表现正常。但在功能影像方面,国外研究结果却不一致。异常区域大都涉及语言和社会认知功能,如额叶、扣带回、杏仁核等[1]。国内未见有磁共振功能成像研究孤独症病例的报道,该研究首次用磁共振波谱(magnetic reso-nance spectroscopy,MRS)对孤独症患儿额叶和小脑蚓部的波谱进行研究,旨在观察孤独症患者脑内可能存在的生化物质改变,为孤独症病因研究提供线索。

1　对象和方法

1.1　对象

1.1.1　孤独症组　入选标准符合美国精神病学诊断与统计手册第4版中孤独症的诊断标准者。排除标准:特发性语言发育迟缓、儿童少年精神分裂症、雷特综合征和儿童瓦解性精神障碍、精神发育迟滞、阿斯伯格综合征等疾病患者。患儿为2004年11月— 2006年2月在本中心的初诊病例,未接受训练及药物治疗。共24例,其中男16例,女8例;年龄1.8～9.3(4.4± 1.9)岁;身高76.4～ 101.6(99±13)cm,头围47.5～ 52.5(51.2± 1.5)cm;右利手占42%,左利手占12%,左右利手占46%;由家长根据患儿的日常行为填写孤独症治疗评估量表(AutismTreatment Evaluation Checklist,ATEC)。该量表是由美国孤独症研究所Rimland和Edelson编制,其总分与儿童孤独症评定量表(CARS)总分相关系数为0.572,CARS量表信度系数α为0.735[2]。孤独症组ATEC分值为29～ 112(79.74± 19.77)分,分值越高症状越严重。

1.1.2　对照组　选取健康儿童10例,排除躯体疾病、神经系统疾病、精神发育迟滞、注意力缺陷多动障碍、学习障碍等疾患。其中男6例,女4例;年龄1.9～ 6.9(4.6± 1.8)岁;身高77.8～ 120.5(100±12)cm,头围46.5～ 51.2(50.4± 1.8)cm;右利手占80%,左利手占10%,左右利手占10%。家长均明白本研究目的和方法并签署知情同意书。两组儿童年龄、身高、头围的差异无统计学意义(t值分别为-0.179,-0.081,0.28,P值均> 0.05),在本研究前均未接受精神药物治疗。1.2　方法　本课题为病例-对照研究。MRS检查采用GE Signa 1.5T Twinspeed/ExciteⅡ超导型磁共振成像系统,使用标准头部线圈作为发射和接受线圈,受试者头部加海绵垫固定,均口服水合氯醛镇静。

1.2.1　数据采集　首先进行头部SE矢状位T1WI(TR= 1 968 ms,TE= 11 ms)、轴位T1WI(TR=2 262 ms,TE= 10 ms),FRFSE轴位T2WI(TR=4 060 ms,TE= 99 ms)、冠状位T2WI(TR= 3 640ms,TE= 99 ms)以除外脑部未知病变,并为1H-MRS扫描定位。FLAIR(液体衰减反转恢复)抑制脑脊液及类似脑脊液的信号(TR= 8 802 ms,TE=129 ms)。MRS采集:T2WI确定感兴趣区(Regionof interesting ROI),分别放置于额叶(中央额叶灰质)、小脑蚓部及双侧海马区(后者因采集范围过大缺乏特异性而视为无效数据)。Probe-SI进行单体素(single voxel SV)波谱采集,选用PRESS(点解析序列)在感兴趣区内进行匀场, TR= 1000ms,TE=144 ms,Voxel为8 cm3,FOV为24 cm× 24 cm,激励次数为1,水抑制采用CHESS(化学位移选择)序列,波谱采集完毕后,将数据全部传送到影像工作站(advantage windows;GE医疗系统)。

1.2.2　波谱分析　选取匀场时水的半高全宽≤ 7mm的谱线应用GE公司提供的Functool2.6软件进行波谱原始数据后处理,包括对所得谱线进行相同的基线校正、相位调整及化学位移确定,参照N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl-aspartate, NAA)2.0ppm给出,用积分法测量出各代谢产物NAA、含胆碱复合物(Cho)、肌酸(Cr)波峰的峰下面积,并以Cr峰的峰下面积为参照,计算出NAA、Cho峰下面积与其的比值。

1.3　统计学方法　应用SPSS13.0软件包进行统计分析,计量资料用 x± s描述,对两组资料比较,使用协方差分析及t检验;分析各项测试指标与症状评分或年龄的关系时,采用Pearson相关分析,P<0.05表示有统计学意义。

2　结　果

2.1　两组儿童各脑区代谢物比值结果比较　经协方差分析(协变量:年龄、性别),孤独症组额叶、小脑蚓部NAA/Cr比值低于对照组(P< 0.05),孤独症组小脑蚓部Cho/Cr比值低于对照组(P< 0.05),额叶Cho/Cr比值在两组间差异无统计学意义(P>0.05)。见表1。

表1　孤独症组与对照组代谢物比值结果比较( x± s)

Table 1　Comparison of the rations of neuronal metabolite betweenautistic group and control group ( x± s)组别例数额叶NAA/Cr Cho/Cr小脑蚓部

NAA/Cr Cho/Cr

孤独症组24 1.320± 0.358 1.290± 0.322 0.981± 0.214 1.090± 0.185

对照组10 1.576± 0.230 1.256± 0.317 1.140± 0.094 1.144± 0.088

F值4.272 0.072 5.767 5.188

P值0.048 0.790 0.023 0.030

2.2　孤独症组脑代谢物比值与ATEC量表评分的相关性　孤独症组额叶NAA/Cr比值与ATEC说话/语言评分中度负相关(r=-0.494,P= 0.023),表明该部位NAA/Cr比值越低,语言障碍越严重;额叶Cho/Cr比值与ATEC健康/行为评分中度负相关(r=-0.405,P= 0.049),表明该部位Cho/Cr比值越低,健康/行为症状越严重;小脑代谢物比值与

ATEC评分相关性不明显。见表2。

表2　孤独症组各脑区代谢物比值与ATEC评分的相关性分析

Table 2　Correlation between the ratios of metabolite in train regions and the scores of ATEC

脑区项目语言r值P值交流r值P值感知觉r值P值健康/行为r值P值

额叶NAA/Cr -0.494 0.023 -0.129 0.577 -0.148 0.522 -0.193 0.402

Cho/Cr -0.109 0.638 0.176 0.447 0.090 0.697 0.405 0.047

小脑蚓部NAA/Cr -0.197 0.391 0.123 0.595 -0.097 0.676 0.135 0.559

Cho/Cr -0.099 0.671 0.119 0.608 -0.086 0.710 -0.022 0.924

2.3　脑内代谢物比值的性别差异　孤独症组小脑蚓部NAA/Cr比值女童低于男童,差异有统计学意义(P< 0.05),孤独症组其他脑区及正常对照组NAA/Cr、Cho/Cr比值男童与女童之间差异无统计学意义(P> 0.05)。见表3。

2.4　脑内代谢物比值与年龄相关性　偏相关分析(校正性别)的结果显示,孤独症组儿童24例。小脑蚓部NAA/Cr、Cho/Cr比值与年龄呈正相关(P<0.05),表明小脑蚓部NAA/Cr、Cho/Cr随着年龄增长而增加,孤独症组额叶及正常对照组NAA/Cr、Cho/Cr比值与年龄无相关性(P> 0.05)。见表4。

表3　脑内代谢物浓度的性别差异( x± s)

Table 3　Comparison of the rations of neuronal metabolitebetween boys and girls ( x± s)

孤独症组例数额叶NAA/Cr Cho/Cr小脑蚓部NAA/Cr Cho/Cr

男童16 1.334± 0.302 1.227± 0.389 1.054± 0.214 1.140± 0.203

女童8 1.299± 0.450 1.388± 0.146 0.867± 0.165 1.012± 0.128

t值-0.223 1.174 -2.221 1.671

P值0.825 0.253 0.037 0.11

表4　脑内代谢物浓度与年龄相关性(r)

Table 4　Correlation between the rations of me tabolite in brainregions and age of subjects(r)

项目额叶NAA/Cr Cho/Cr小脑蚓部NAA/Cr Cho/Cr

r值-0.194 -0.015 0.73 0.523

P值0.507 0.946 0.000 0.013

3　讨　论

3.1　NAA改变的意义　孤独症是一种较为严重的发育障碍性疾病,探索其神经生物学机制、神经生化特征和脑功能特征对深入了解该病具有重要的意义。NAA是一种只存在于中枢神经系统内的氨基酸,其浓度与代谢效率相联系。Cr作为高能磷酸键的储备以及ATP和ADP的缓冲剂可能对维持脑细胞中的能量依赖系统发挥作用。脑内代谢物绝对定量是一种非常复杂的过程,在研究中一般以NAA/Cr、Cho/Cr作为研究指标,其变化方向与NAA、Cho的变化方向一致。NAA或NAA/Cr水平下降的可能原因有:1)神经元丢失或死亡;2)神经元代谢率下降;3)轴突、树突和突触连接数量减少;4)髓鞘形成减少[3]。

3.2　孤独症患儿额叶NAA/Cr改变及与行为的关系　本组病例额叶NAA/Cr比值下降,提示额叶神经元(包括胞体、轴突、树突)数量减少或功能下降,这与1993年NJ Minshew等[4]进行的MRS研究结果一致,国内邓红珠等[5]用SPECT也发现孤独症儿童左右侧额叶脑血流灌注明显减少。额叶的功能与躯体运动、发音、语言和高级神经活动有关,其神经元数量减少或功能下降必然影响神经递质及其受体的数量以及神经纤维网的发育,导致额叶与其它脑区及皮层下结构的连接异常,使高级神经活动受到影响。有研究发现孤独症患者额叶胆碱能N受体较正常人减少27%～ 35%[6],但胆碱能系统对孤独症所起的作用尚需要深入的研究。语言障碍是孤独症三大核心障碍之一,患儿的语言障碍表现各异,严重程度不一,本研究结果显示孤独症组额叶NAA/Cr比值与ATEC说话/语言评分呈中度负相关,说明NAA降低越明显,语言障碍的程度越重。利用“心灵理论”任务的功能性研究显示,额叶(特别是左内侧前额皮质)是个体了解他人心理状态的重要脑区[7-8],本研究中孤独症组额叶NAA/Cr降低所提示的额叶功能下降可以解释患儿在临床上出现的交流和认知障碍。

3.3　孤独症患儿小脑代谢物的改变　近年的研究证实,小脑与高级神经功能有密切联系。DC Chu-gani等[9]和K Mori等[10]分别在1999年和2001年应用MRS对孤独症儿童和正常儿童的左侧小脑半球进行检测,发现孤独症儿童的NAA显著下降,本研究发现患儿小脑蚓部NAA/Cr比值下降,说明小脑蚓部与小脑半球及额叶一样出现了神经元数量的减少或功能减低。在目前众多的研究中,对小脑病变与孤独症发生的关系得到较一致的结果,最近有研究发现[11],孤独症患者小脑CD15与突触素的水平明显下降,NCAM(神经粘附分子)也有一定程度减少,提示小脑的组织学异常是由细胞间异常的相互作用引起的。本研究的另一个发现是小脑蚓部Cho/Cr比值下降,发育早期脑1H-MRS上的Cho峰代表形成细胞膜和髓鞘所需的高浓度底物,Cho更是乙酰胆碱的的前体物质,后者是记忆和认知所需要的重要神经介质,因此Cho的浓度反映着细胞膜、髓鞘、乙酰胆碱的状态。小脑蚓部Cho/Cr比值下降,提示孤独症患儿小脑蚓部可能存在细胞膜的代谢异常、髓鞘发育不良或胆碱能系统兴奋性降低。

小脑蚓部与额叶及边缘系统都有纤维连接,参与语言、执行功能和社会认知的调控,已知额叶-丘脑-小脑径路与语言功能和执行功能有关,孤独症患者此通路异常已得到2个PET研究和1个fMRI-BOLD研究的证实[12-14],本研究中额叶、小脑蚓部代谢物比值异常所提示的功能异常无疑能较好地说明患儿所出现的执行功能障碍。

3.4　代谢物的性别差异与年龄差异　本研究显示,孤独症组小脑蚓部NAA/Cr比值女童低于男童,这种男女之间的差异有可能说明女性患儿小脑的代谢率低于男性患儿或神经元的丢失更严重,但是否能以此解释女童症状比男童严重尚需进一步的研究。在脑代谢物比值与年龄的相关分析发现,小脑蚓部NAA/Cr、Cho/Cr随着年龄增长有增加趋势,其他脑区及正常对照组没有这种趋势。在正常个体,出生后NAA水平和NAA/Cr比值逐渐增加,NAA增加可能是神经元成熟所致,一般在2岁以后稳定;出生后Cho水平则逐渐地减少,约在1岁达到一个稳定水平。本研究未发现正常儿童代谢物比值随年龄的增加或减少趋势,可能由于本组正常儿童平均年龄已达4.6岁,处于稳定时期的缘故。至于病例组小脑蚓部NAA/Cr、Cho/Cr随着年龄增长,推测,患者小脑蚓部神经元的代谢有可能随年龄增长而有所提高,临床上也常可碰到一些病例随着年龄的增长症状出现某些改善。

总之,随着对儿童孤独症日益深入的研究,利用先进的技术方法和设备将不断对其病因学的研究提供重要帮助。MRS通过对神经代谢产物的评价,必将成为研究脑发育性疾病的重要手段。

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