阿尔茨海默病（Alzheimer's disease,AD）是一种神经退行性脑疾病，对社会健康体系的影响变得越来越严重[1]。随着我国的人口老龄化日益加剧，国内AD患者的人数比例急剧上升，因此相关的医疗费用负担也在显著增加[2]。但至今没有找到有效的药物。虽然目前有关AD生物标志物和风险因素的研究有很多，包括结构磁共振成像（MRI）脑结构成像等方法[22]，但是功能性脑成像数据的相关系列研究依旧不足。根据神经血管耦合原理，功能磁共振（functional magnetic resonance imaging,f MRI）采用血氧水平依赖性信号作为脑活动的间接生物标志物，被广泛公认为是功能性神经影像学技术的金标准[3]。然而，功能磁共振技术通常受到成本费用高昂、使用场地受限、抗运动干扰能力差等条件的限制，降低了患者的依从性及研究过程的流畅性。功能近红外光谱成像作为一种研究大脑功能活动常用的方法[4]，是一种非侵入性和非电离光学成像技术[5]，采用近红外光在头皮位置进行照射，通过测量入射光与出射光的组织光学参数差异，来反映大脑内血液中的氧合血红蛋白（oxyhemoglobin,Hb O2）与脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin,Hb R）的变化，通过神经血管耦合效应来反映大脑活动的变化[6—7]。近红外脑功能成像技术的优势在于无创无害、易操作、抗运动干扰能力强，具有高生态效度，可灵活应用于多种场景等，在执行任务、肢体运动和参与治疗等场景都具有高生态效度，可以实现同步检测。f NIRS可以检测大脑中的血氧的变化，从而揭示患者的脑功能活动状态，可以用来研究轻度认知障碍的大脑功能水平。

在本研究中，我们重点研究轻度认知障碍（mild cognitive impairment,MCI)[8]，该阶段被认为是AD发病前大约5年开始的一个过渡阶段[9]。已有研究采用近红外脑功能成像技术研究轻度认知障碍在任务态的大脑功能表现。与健康对照组相比，AD患者的血流动力学反应主要在前额叶和顶叶区域[10]。对于MCI患者，结果就不那么明确了。在工作记忆任务期间研究了前额叶皮质的大脑激活水平，结果表明MCI患者的脑激活响应显著小于正常对照组，近红外脑功能成像（functional near-infrared spectroscopy,f NIRS）可用于利用平均血流动力学反应和时间特征来区分MCI患者和健康组[11]。同样在进行数字语言跨度任务的记忆中，采用了近红外检测MCI患者与老年痴呆患者额叶和双侧顶叶皮质的信号变化，利用f NIRS检测早期阿尔茨海默病，有助于在MCI时期的诊断[12]。通过功能连接对MCI患者的大脑网络关系进行研究，可以探究患者大脑自发的低频血流动力学信号，研究大脑内连接规律及脑网络拓扑特征[7]，观察不同脑区的协同效果。在f NIRS静息态检测中发现MCI患者的脑网络连接相较于正常人出现异常[13]。言语流畅性任务（verbal fluency task,VFT)可以检测被试在一定时间内说出属于某一类别的词汇过程中的大脑激活响应，是用来预测MCI患者认知下降的有效指标。Katzorke等[20]研究中评估了MCI患者以及健康对照组在额颞叶下皮质（inf FTC）血氧激活浓度的差异，结果发现MCI组在VFT任务中额颞下皮质的血流动力学反应显著降低。在一项MCI言语流畅性任务中发现MCI患者的左侧PFC和右侧PFC之间的功能连通性显著低于健康对照组[27]。Arai等[17]发现，在VFT中，MCI患者的右顶叶区血流动力学反应下降，但前额叶区没有下降。Yeung等[14]发现MCI组前额皮质偏侧化差异性，相反，Katzorke等[20]发现MCI组和健康组并不存在显著的前额皮质偏侧化差异，所以需要更多的研究来研究大样本MCI患者VFT期间的血流动力学反应模式。因此，本研究中采用VFT的实验范式，用于探究MCI患者与健康对照组之间在前额叶脑区的大脑响应情况。

1、资料与方法

招募13例轻度认知障碍老人（MCI组），其中8例为男性，年龄（68.14±3.28）岁，均为丹阳市人民医院3年以上的临床确诊患者。招募14例健康老年人（HC组），其中4例为男性，年龄（67.92±3.20）岁。在实验前采集了两组被试的简易智力状态检查量表（Mini-mental State Examination,MMSE）和蒙特利尔认知评估量表（Montreal Cognitive Assessment,Mo CA）。我们将过去12个月内患有任何严重精神、神经或内部疾病的受试者，以及在检查第一天患有严重且未矫正的视力或听力受损的受试者未纳入组。此外，为了进行数据分析，有中枢神经系统疾病史（多发性硬化症、癫痫、疼痛综合征、不动腿综合征、脑卒中、头部损伤、创伤性脑损伤、脑出血、短暂性脑缺血发作、基底颅骨骨折）、非右撇子、母语非中文、在VFT过程中有严重问题以及没有f NIRS数据的受试者也排除在外。

实验范式采用言语流畅任务（verbal fluency task,VFT）。实验共有8个区块，每个区块包含18s的休息阶段和40s的类别组词阶段，实验流程如图1所示。休息阶段，被试被要求保持放松并休息；组词阶段，被试需要利用语音提示的类别进行组词。如，组词阶段语音提示“水果”，被试需要说出不同的水果名称，如组词“西瓜”、“苹果”、“桃子”等。8个block均为不同的类别。提示词分别为：水果、蔬菜、动物、城市、交通工具、家用电器、职业、医疗用品。以上8个block的提示词在被试间顺序随机呈现。实验正式开始前，由主试向被试解释指导语，并确认被试完全理解。

近红外数据的采集设备：本实验采用Nir Smart-6000A设备（丹阳慧创医疗设备有限公司，中国江苏）连续测量并记录被试在进行任务时候的大脑氧合血红蛋白（Hb O）和脱氧血红蛋白（Hb R）的浓度变化。该系统由发光二极管作为光源和雪崩二极管作为探测器组成，光源采用波长分别为730nm和850nm，采样率为11Hz。实验采用7个光源探头和7个探测探头，构成19个有效通道，其中接收极D3与Fpz点重合，发射器和探测器的距离均为3cm。基于以往研究，本研究主要观测的脑区为前额叶。所用探头排布见图2。

各通道的MNI坐标和对应的脑分区信息见表1。15个通道均位于前额叶。

近红外数据分析采用区块平均方法见图3。首先根据时间标记提取任务区块。即找到数据采集过程中每次组词任务开始的标记，以其为起点定义任务的组块区间。在本文的分析中，将类别组词任务及其前9s和后9s休息阶段作为一个分析区块，区块起始和结束的5s分别为前基线和后基线校准。然后计算区块平均的结。即计算8个分析区块的血氧浓度平均值，作为关注的分析结果。区块平均的分析方法可以将分析时间窗定位到任务相关的阶段，用类似锁时的思路，将关注的任务前中后期做时序分析，将多个重复的区块看作同一个组块，排除时间和顺序因素的影响，是心理学研究中常用的数据分析方法。

对于健康组和认知障碍组的组间特征差异，本研究利用独立样本t检验来衡量，并将0.05作为显著性阈值。分别用独立样本t检验，对两组被试的年龄、量表得分、任务阶段激活均值和激活变化量分析显著性差异，统计P值<0.05则认为差异显著。

图1实验流程图

图2探头排布视图

表1通道MNI坐标信息与脑分区信息表

图3类别组词任务数据选取示意图

2、结果

实验所招募的两组被试在年龄上无显著性差异（t=0.176,P=0.862）。见表2。MMSE量表得分在27—30分为认知功能正常，<27分为认知功能障碍。Mo CA量表得分大于26为正常，在18—26分之间为轻度认知障碍。两组量表得分均在各自的分档范围内[21]。HC组的量表得分显著高于MCI组。在MMSE量表得分的维度上，13例中有2例27分，1例28分，均有认知障碍临床确诊。

图4为两组被试区块平均的含氧血红蛋白（Hb O）激活曲线。如图所示，HC组在任务阶段有明显上升的激活，且激活水平持续保持较高水平，在休息阶段又迅速下降。MCI组在任务阶段激活上升不明显，且存在相当时间的负激活，激活水平相较HC组低。

为了对比两组的激活差异，分别提取两组的任务阶段激活均值和激活变化量，做独立样本t检验。任务阶段激活均值为分析区块内的类别组词阶段（40s)Hb O均值，记为TASKMEAN，任务阶段激活变化量为分析区块内的类别组词阶段Hb O均值与休息阶段Hb O均值的差值，记为TASK＿REST。

HC组的任务阶段激活均值为0.0284，标准误为0.0078;MCI组的任务阶段激活均值为-0.0007，标准误为0.0105;HC组的任务阶段激活变化量为0.0262，标准误为0.0079;MCI组的任务阶段激活变化量为﹣0.0029，标准误为0.0105。独立样本t检验结果见图5,HC组的任务阶段激活均值显著高于MCI组（t=2.235,P=0.036);HC组的任务阶段激活变化量显著高于MCI组（t=2.215,P=0.037）。

为了进一步验证轻度认知障碍患者的前额叶脑激活与认知功能水平的关系，将脑激活指标与量表得分进行相关性分析，如图6所示。分析结果显示，任务阶段的激活均值和激活变化量与Mo CA量表得分呈现显著正相关。

3、讨论

目前，以MMSE和Mo CA量表为主的神经心理学测试，是临床上诊断MCI/AD最常用和最重要的评测手段之一[23]。其中，MMSE量表是目前应用最为广泛的认知功能测评量表，主要被推荐用于AD的筛查[15]，但有研究发现，MMSE用于筛查MCI时灵敏度和特异性相对较低[24]。Mo CA是目前国际通用的MCI筛查量表，在识别MCI患者的灵敏度和特异性上总体表现优于MMSE。本研究的结果与前期研究的结果基本相符。本研究中MCI患者组的MMSE量表和Mo CA量表得分均显著低于HC组，但Mo CA量表得分差异的显著性更强（P<0.001）。同时，本研究中的TASKHb O和ΔHb O两个f NIRS特征参数均与Mo CA量表得分呈现出显著的正相关，而与MMSE量表得分没有显著的相关性（图6）。

表2受试者信息表

图4两组被试区块平均的含氧血红蛋白激活曲线

图5独立样本检验结果

图6脑激活与量表相关性分析

本研究中采用f NIRS作为脑影像评估手段，对MCI和HC在言语流畅性任务中的脑功能异常进行对照性研究。针对MCI/AD的脑影像手段主要包括脑电（electroencephalogram,EEG）、结构和功能核磁共振成像（structural/functional magnetic resonance imaging,s MRI/f MRI）和f NIRS等。不同的影像学手段适用于不同的应用场景。EEG信号具有很高的时间分辨率，非常适用于脑机接口、神经反馈等实时性要求较高的场合[16]。s MRI和f MRI两种技术可以分别获取大脑的结构和功能信息，且具有无创、空间分辨率高、可重复性强的特点，是AD/MCI脑功能评估的重要手段。但上述这些检测手段均对运动干扰产生的噪声较为敏感，因此，不太适用于VFT测试。VFT测试是国际上公认的评估AD/MCI患者语言认知功能受损程度的标准范式，可用于区分不同程度的认知损害和不同病因的认知损害。然而，由于在测试过程中被试需要动嘴发音，因此，将给成像过程带来运动噪声，严重干扰EEG、s MRI和f MRI的成像质量。相对来说，f NIRS作为一种生物光学检测手段，具有抗电磁和运动干扰能力强的显著特点。对于VFT测试需要的高生态效度场合，f NIRS是一个相对更优的选择。

AD和MCI人群在不同认知任务中的特异性脑功能异常，一直是研究者们研究AD疾病大脑退行性变化规律的重要手段。2006年，Arai等[17]发现：在词汇VFT任务中，与HC组相比，AD患者呈现前额叶和双侧顶叶激活均显著下降的情况，MCI组前额叶激活均值也比HC组有所下降，但尚未形成显著性的统计学结论。在之后多项研究中，研究者们均观察到AD患者在VFT任务中出现前额叶激活下降的情况[18]。但在MCI患者身上的研究结果并未形成一致结论[19—20]。2019年，Yoon等[19]在Arai研究的基础上更进一步，将MCI组分成了遗忘型MCI(a MCI）和非遗忘型（na MCI），在类别VFT任务中将这两类MCI患者与HC组的激活情况进行了对比。结果表明：前额叶HBO激活均值从HC组（0.79μM），到na MCI组（0.52μM），再到a MCI (0.21μM）依次下降。但由于该研究样本量偏小（HC:n=15;na MCI:n=6;a MCI:n=9），因此也未形成显著性的统计学结论。2018年，Katzorke等[20]在55例HC和55例MCI患者身上进行了词汇和类别VFT测试的结果显示：在类别VFT测试中，MCI患者的前额叶激活与HC相比没有显著下降，但在额颞叶联合区MCI组的激活有显著下降；在词汇VFT测试中MCI患者与HC患者激活没有区别。而在我们的实验结果中，与HC组相比，MCI组不仅在前额叶的激活显著下降，还出现了负激活的现象。本研究中的负向激活为相对于基线水平的血氧浓度变化量，为负的结果表明含氧血红蛋白浓度在组词期间相较于基线有所下降。在关于VFT的研究中，研究者发现重度抑郁或精神分裂等脑认知功能受损严重的患者[25]，会在组词期间产生负激活，因此推断负向激活可能暗示了脑认知功能水平的下降或退化。

我们认为，MCI患病人群较大的个体差异性，可能是导致以往实验结果不统一的重要原因。大脑从正常老化状态过渡到是AD是一个漫长的过程，可能长达十几年的时间，而MCI是处于中间过程的一个关键阶段。在MCI阶段，患者可能由于病程不同等原因，个体表现呈现较大差异。在MCI病程初期，尽管与HC组相比，MCI患者由于大脑已经产生退化性病变，完成同样认知任务的难度增大。但由于此时大脑退化性病变程度较轻，在神经代偿机制的影响下[19]，大脑可能通过调用更多的脑资源（包括增加局部脑区的血流灌注）来完成相同的认知任务，因此MCI患者的脑激活与HC组相比变化不显著。而在MCI病程后期，大脑退化性病变严重，神经代偿机制作用下降，MCI患者的状态会更接近AD患者，在认知任务中表现为对应脑区的脑激活显著下降。为了印证这一观点，我们对比了本研究与以往研究中MCI患者的MMSE得分与研究结论，如表3所示。从表3的数据可以看出，与以往类似研究相比，本研究中MCI组被试的MMSE平均得分偏低。因此，更严重的大脑退化性病变，可能是导致本研究中MCI患者前额叶激活显著下降，甚至出现负激活的原因。另外，我们发现，以往研究中VFT任务的任务模块设计为3次左右，本研究中设计了8次任务模块。任务模块的增多，可以增加实验结果的稳定性和可靠性，但同时也可能导致被试特别是MCI患者感到疲劳，注意力下降，从而影响脑激活。

表3不同VFT研究中MCI患者的MMSE得分与研究结论

f NIRS技术对大脑皮质的氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白含量进行实时监测，操作方便，适用人群广泛，尤其便于身体有并发疾病或行动不便的老年人开展检查。本研究在VFT任务中提取脑激活指标，其对于老年轻度认知障碍的预测效果，在临床样本中得到了验证。可以作为一种定量的客观生物指标，传统的量表测量受到主观意志和受教育程度等因素的影响，客观量化的脑指标对老年轻度认知障碍的临床诊断具有启发性意义。

4、结论

本研究通过近红外脑功能成像手段，探讨了健康人群和MCI患者在分类VFT任务中的前额叶脑皮质的血流动力学激活情况及其特点与机制。发现老年MCI患者在VFT任务中的前额叶脑皮质激活表现，受病程、疾病类型（遗忘型和非遗忘型），以及实验设计等多重因素的影响，而其中可能的规律是，随着MCI病程的发展，VFT任务中的前额叶脑皮质激活呈现逐步下降的趋势。未来的研究需要进一步规范实验流程，并在不同病程、不同疾病类型的大规模MCI样本中获取数据，进行分析，才能深入揭示老年MCI疾病的脑功能异常变化规律和相关机制，为该疾病的筛查和评估提供更可靠的理论和实验依据。

参考文献:

[7]范晨雨,谢鸿宇,吴毅.功能性近红外光谱技术在轻度认知障碍患者中的研究进展[J].中国康复医学杂志,2022,37(6):830—833.

[15]贾建平.中国痴呆与认知障碍诊断指南2015版[M].北京:人民卫生出版社,2010:9.

基金资助:国家重点研发计划项目(2022YFC3601200);

文章来源:徐国栋,江文宇,张静莎,等.基于近红外脑功能成像的老年轻度认知障碍患者脑功能异常评估[J].中国康复医学杂志,2024,39(11):1606-1612+1643.