《Acta Biomaterialia》：In Vivo Wideband MR Elastography for Assessing Age-Related Viscoelasticity Changes of the Human Brain
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本研究针对传统单频MRE技术在表征脑组织频率依赖性黏弹性方面的局限性，开发了双驱动器宽频带MRE系统（5-50 Hz），通过对24名健康成人进行13个频率点的波场采集，发现年龄相关的脑软化效应在低频段（5-16 Hz）最为显著（-0.24%/年），并通过牛顿流体、开尔文-沃伊特和幂律模型证实老年组黏度参数降低8.15-8.96%，提示低频MRE对脑微结构老化及固-液相互作用具有更高敏感性，为神经退行性疾病早期生物力学标记物开发提供了新思路。
随着全球人口老龄化进程加速，揭示大脑衰老的生物学机制已成为神经科学领域的迫切课题。传统影像学技术主要关注脑体积萎缩或代谢变化，但大脑作为典型的黏弹性生物软组织，其力学特性的改变可能更早于宏观结构变化。磁共振弹性成像（Magnetic Resonance Elastography, MRE）作为一种非侵入性定量生物力学成像技术，通过测量外部振动激励下组织内剪切波的传播特性，能够精准反映脑组织的刚度、黏度等力学参数。然而，现有脑MRE技术多局限于单一频率或窄频带（通常30-60 Hz）激励，难以捕捉频率依赖性黏弹性分散（viscoelastic dispersion）行为，而这一特性恰恰对脑组织内固-液相互作用（如血管搏动、脑脊液流动等）具有重要指示意义。
为解决这一技术瓶颈，由柏林夏里特医学院Jakob Schattenfroh领衔的研究团队在《Acta Biomaterialia》发表了题为“In Vivo Wideband MR Elastography for Assessing Age-Related Viscoelasticity Changes of the Human Brain”的创新性研究。该研究首次构建了覆盖5-50 Hz宽频范围的双驱动器MRE系统，通过对比青年组（23-39岁）与中老年组（50-63岁）人群的脑黏弹性参数，发现低频激励（5-16 Hz）对年龄相关的脑软化现象检测灵敏度最高，且黏度参数的改变比剪切模量更为显著。这一突破不仅为理解脑老化过程中的生物力学演变提供了新视角，更提示低频MRE可能成为神经退行性疾病早期诊断的新型生物标记物。
关键技术方法包括：1）采用定制化双驱动器系统（低频侧向驱动器+高频摇篮式驱动器）实现5-50 Hz宽频带振动激励；2）基于k-MDEV算法的剪切波速（Shear Wave Speed, SWS）重建及相位解包裹处理；3）牛顿流体、开尔文-沃伊特和幂律三种黏弹性模型拟合频率分散曲线；4）基于蒙特利尔神经研究所（MNI）标准空间的体素化参数映射与统计分析。
研究结果主要体现在以下方面：
- 1.
剪切波传播与频率分辨弹性图：成功获取了5-50 Hz范围内13个频率点的波场图像和SWS图，低频段（5-20 Hz）波长较长且衰减较小，高频段（20-50 Hz）则呈现更明显的波衰减。脑室区域因脑脊液（CSF）流动伪影呈现非物理性SWS值，但脑实质区域波传播清晰可靠。
- 2.
年龄相关的脑刚度差异：全脑平均SWS在青年组与老年组间存在显著差异，低频段（5-16 Hz）年龄相关性下降幅度（-0.24%/年）远超中高频段（20-35 Hz: -0.12%/年；40-50 Hz: -0.10%/年），表明低频MRE对老化相关的力学变化更敏感。
- 3.
群体平均黏弹性分散变化：三种黏弹性模型均显示老年组黏度参数（η）显著降低（牛顿模型-8.39%，开尔文-沃伊特模型-8.15%），而幂律模型的基线SWS（c0）降低8.96%，但幂律指数（α）无显著变化，提示衰老主要影响绝对黏度而非频率依赖性行为。
- 4.
个体黏弹性参数随年龄变化：线性回归分析证实η与c0随年龄增长显著下降，而剪切模量（μ）变化不显著，进一步验证了黏度参数在脑老化中的主导作用。
- 5.
空间分辨的黏弹性参数变化：白质（WM）和皮质灰质（GM）的黏度参数均随年龄下降，而深部灰质（DGM）的幂律指数α呈现显著正相关（+0.001/年），提示该区域在衰老过程中可能向更类流体特性转变。
讨论部分指出，宽频带MRE技术首次将体外激励频率下探至5 Hz，填补了固有搏动（~1 Hz）与常规MRE频率范围之间的技术空白。低频激励对脑组织内孔隙流体（如血管内血液、组织间液）的流动阻力更敏感，这可能是其能更早检测衰老相关微血管退化、细胞外基质重塑等微观改变的原因。深部灰质区域幂律指数的特异性升高，可能与基底节等结构的特殊血管密度及代谢特性相关，为区域差异性老化机制提供了力学解释。研究还通过重叠频率点（20 Hz）验证了双驱动器系统的一致性，排除了设备引入的系统误差。
该研究的临床意义在于：首先，宽频带MRE将扫描时间控制在11分钟内，具备临床转化的可行性；其次，明确低频段（尤其是5-16 Hz）对年龄相关变化的敏感性优势，为优化临床MRE协议提供了频率选择依据；最后，黏度参数较刚度参数更能反映早期老化特征，提示生物力学标记物在神经退行性疾病（如阿尔茨海默病、帕金森病）早期诊断中的潜在价值。未来研究可结合多模态影像与分子标记物，进一步阐明脑力学特性与病理生理过程的内在关联。
