基于谷氨酸磁共振波谱与BOLD信号联合应用的个体人脑皮质活动评估方法

《Biochemistry (Moscow)》：Method for Individual Assessment of Human Cerebral Cortex Activity by a Combined Use of Magnetic Resonance Spectroscopy of Glutamate and BOLD Signal Method

　　

现代磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)方法可对脑功能活动及神经化学成分进行个体化评估。功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)可评估静息态及任务态下的脑活动，而磁共振波谱(Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS)可测量关键代谢物，如胆碱(choline)、N-乙酰天门冬氨酸(N-acetylaspartate, NAA)、肌酸(creatine)、乳酸(lactate)、脂质(lipids)、丙氨酸(alanine)、谷氨酰胺(glutamine)与谷氨酸(glutamate, Glu)、γ-氨基丁酸(Gamma-Aminobutyric Acid, GABA)及肌醇(myo-inositol)。这些方法被广泛应用于基础脑研究及诊断研究中。然而现有文献缺乏直接比较这些个体化评估结果的方法，而这对于探究代谢物水平与脑活动间的关系至关重要。研究人员在此提出一种对齐个体fMRI与MRS数据的分析方法。应用该方法，研究人员证实了一种神经生理现象：在任务执行过程中，脑区之间功能连接(functional connectivity, FC)增强的同时整体功能活动(BOLD信号)降低。

《Biochemistry (Moscow)》刊载的本文由Bechtereva Institute of the Human Brain等团队发表，研究背景、方法、结果及意义解读如下：

研究背景与立项依据

现有fMRI与MRS技术虽均可实现个体化脑评估，但既往研究多在组水平对fMRI数据进行平均分析，缺乏对个体fMRI–BOLD信号与MRS测得神经递质（特别是谷氨酸glutamate, Glu）浓度进行直接空间匹配与比较的方法。标准激活–连接框架认为任务参与通常伴随局部BOLD信号升高及功能连接（functional connectivity, FC）增强，但有研究发现某些脑区（如角回angular gyrus, AG，属"社会脑"网络）在任务中呈现BOLD信号降低却伴FC增强的反常现象，仅凭BOLD难以判断该区域是否真正功能抑制。谷氨酸作为主要的兴奋性神经递质，通过神经血管耦合（neurovascular coupling）参与BOLD响应形成，MRS可在体定量检测其浓度。因此，研究人员旨在开发个体水平fMRI-BOLD与MRS-Glu数据的对齐方法，并验证BOLD降低伴FC增强的区域是否存在Glu浓度变化，以明确其生理意义。

主要关键技术方法

研究纳入2名右利手健康女性受试者（19岁及20岁，无神经精神疾病史，经Edinburgh Handedness Inventory确认），行3.0 T GE SIGNA Architect扫描（48通道头线圈）。采用改良俄文版"Reading the Mind in the Eyes Test (RMET)"——情绪识别（实验条件）与年龄判断（对照条件），block设计交替呈现。数据采集顺序：T₁加权结构像→静息态MRS（单 voxelPRESS序列，TE=35 ms，TR=1500 ms， voxel=2×2×2 cm3，定位于双侧角回）→任务态fMRI（EPI，TR=960 ms，TE=21.8 ms）→任务态MRS。MRS预处理与绝对浓度计算用Osprey软件，基于未抑制水信号及Gasparovic法校正灰质/白质/脑脊液（CSF）部分容积效应，以(task-rest)/rest×100%计算Glu变化率。fMRI数据以FIR（有限脉冲响应）模型提取各体素BOLD信号曲线下面积（Area Under Curve, AUC），负AUC代表BOLD降低、正AUC代表BOLD升高；以广义心理生理交互（generalized Psychophysiological Interaction, gPPI）框架计算任务调制功能连接（Task-Modulated Functional Connectivity, TMFC），对比情绪识别＞年龄判断条件，经FWE校正（簇水平p＜0.05）。个体fMRI激活簇与MRS体素通过解剖空间配准实现对齐。

RESULTS（结果）

MRS质量合格（肌酸峰半高宽FWHM 5.26±0.48 Hz，SNR 50.4±5.79，拟合残差MRAR 1.72±0.21%）。受试者1双侧角回Glu浓度在任务中下降（右AG -6.6%，左AG -2.2%），对应fMRI体素内总AUC为负值（BOLD降低）；受试者2双侧角回Glu浓度上升（右AG +6.9%，左AG +0.6%），对应fMRI体素内总AUC为正值（BOLD升高），表明个体间BOLD变化方向与Glu变化方向一致。除受试者2左侧AG外，所有MRS定位的ROI在情绪识别任务中与全脑其他体素相比均显示TMFC增强，尤以与楔前叶（precuneus）的连接增强最为一致。即：BOLD降低+Glu降低+FC增强的模式符合真正去活化（deactivation）；BOLD升高+Glu升高+FC增强则为正常激活模式，说明联合fMRI-MRS可区分BOLD负激活是否伴真实代谢抑制。

DISCUSSION（讨论总结）

本研究首次在社会认知相关联合皮层（角回）证明个体水平BOLD信号变化方向与MRS测得的谷氨酸浓度变化方向耦合，且此现象伴随该区域与默认网络节点（楔前叶）的功能连接增强。既往组水平发现的"BOLD降低伴FC增强"不能简单等同于功能抑制——需结合神经递质代谢指标判断。当BOLD降低区域同时出现Glu浓度下降，可判定为神经元兴奋性降低的真实去活化；若仅BOLD降低而Glu不变或升高则需另作解释。MRS–fMRI个体对齐方法克服了MRS大体素与fMRI激活簇空间不匹配及个体脑区定位变异的问题，为个性化功能诊断及疾病（认知衰退等）中代谢–血流解偶联研究提供方法学基础。讨论亦指出Glu–Gln分辨、不同谷氨酸受体亚型（离子型NMDA/AMPA、代谢型mGluR）对神经血管耦合的差异影响、及需大样本验证等局限。

CONCLUSION（结论翻译）

研究人员开发的MRS与fMRI数据对齐方法可将个体代谢参数——谷氨酸浓度——与脑功能活动相关联，解决了上述科学问题。在两例个体fMRI–MRS研究中，于RMET任务下测定左右半球角回ROI内谷氨酸浓度，并与该结构个体BOLD信号值比较，发现即便在分析区域fMRI信号存在个体间变异的情况下，BOLD信号变化方向与谷氨酸浓度变化方向仍相对应。这些结果初步证明，先前观察到的系统节点尽管fMRI信号降低但其功能交互参与增加的现象，伴有去活化特征——即该结构中兴奋性神经递质水平降低。所提出的从组水平功能连接组学数据过渡到识别个体脑区进行神经递质浓度分析的方法，在个体化诊断中具有应用前景，尚需进一步验证。