《Human Brain Mapping》：The Relationship Between Hippocampal Cerebrovascular Reactivity and Brain Structure in Older Age
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本文深入探讨了海马脑血管反应性（CVR）作为脑结构健康潜在影像标志物的关键作用，通过横断面与长达近十年的纵向分析，揭示了较低的海马CVR与左侧海马体积减小、多个关键白质束（如胼胝体、内囊）微观结构完整性下降密切相关。这些发现凸显了血管调节功能在神经退行性变机制中的重要性，为理解痴呆相关认知衰退提供了新的血管生理学视角，并提示CVR可能成为干预与评估脑健康的新靶点。
1 引言
认知衰退及相关疾病如痴呆是老龄化社会面临的重大挑战。低脑血流量是痴呆病理过程中的重要早期生理变化，然而，脑血管自动调节机制，尤其是脑血管反应性（CVR）的作用仍未得到充分探索。CVR是指脑血管对血管活性刺激产生舒张反应的能力，反映了大脑微血管系统的生理健康状况。它是脑血流量和脑血容量等更广泛研究的血管指标的有力补充，能提供关于脑组织血管储备的重要信息。研究表明，患有轻度认知障碍（MCI）、阿尔茨海默病和血管性痴呆的个体，其CVR低于认知健康的成年人，并且CVR的损害可能加速后续的认知衰退。这些发现提示CVR可能在认知障碍的病理生理过程中扮演重要角色。然而，CVR与痴呆的神经影像生物标志物（如灰质萎缩、白质变性和脑血管病变）之间的关联仍不清楚，理解这种关系有助于阐明血管健康在神经退行性变中的作用。
海马萎缩是痴呆的一个关键影像生物标志物。在痴呆中，海马体积会减少10%至30%，较小的左侧海马体积已被证明可以预测从MCI到阿尔茨海默病的转化。即使在认知健康的个体中，更快的海马萎缩也会增加认知衰退的易感性。此外，与海马相关的白质束，如扣带束和穹窿，在痴呆中会发生脱髓鞘和轴突丢失。这通常反映在白质（WM）弥散指标的改变上，例如弥散张量成像（DTI）上更低的各向异性分数（FA）和更高的弥散指数。白质高信号（WMH）作为脑血管病变的替代标志物，也与认知缺陷、阿尔茨海默病和血管性痴呆相关。然而，CVR与这些结构生物标志物之间的关联尚不明确，值得研究。
本研究旨在心脏与大脑研究中，探究老年海马CVR与脑结构之间的关联。该研究假设，在MRI-Wave 2时较低的海马CVR将与以下两者相关：(i) MRI-Wave 2时较差的脑结构横断面测量结果；(ii) 在过去的9年中（MRI-Wave 1与Wave 2之间）更大的纵向脑结构衰退。
2 材料与方法
2.1 队列
心脏与大脑研究包括163名参与者，他们来自白厅II成像研究的775名个体。参与者在平均年龄68.2±4.4岁时接受了基线3T脑MRI扫描（称为MRI-Wave 1），并在平均年龄76.9±4.5岁时为HBS再次接受了扫描（称为MRI-Wave 2）。本研究的资格标准包括在MRI-Wave 1和2时没有自我报告的痴呆临床诊断、没有MRI（如起搏器或幽闭恐惧症）或CVR扫描（如严重哮喘、慢性阻塞性肺病）的禁忌症，且MRI扫描未发现显著的偶然发现（如中风、肿瘤）。所有参与者在访问期间都提供了书面知情同意书。本研究获得了牛津大学医学科学跨部门研究伦理委员会的伦理批准。
2.2 MRI采集与成像数据预处理
参与者在MRI-Wave 1和2接受了3T T1加权结构MRI、DTI、液体衰减反转恢复（FLAIR）扫描，并在MRI-Wave 2仅接受了CO2-CVR扫描。扫描方案在两次扫描之间密切匹配，但使用了不同的扫描仪。成像处理使用FMRIB软件库（FSL）工具进行。
2.3 灰质体积
使用自动化FSL_ANAT流程从T1加权MRI扫描中提取灰质体积，该流程执行梯度失真校正、偏置场校正、脑提取和配准到MNI152标准空间。使用FSL_FIRST对部分体积估计进行双侧海马分割，最终分割结果由研究者进行视觉检查。提取总灰质和双侧海马体积并转换为cm3用于统计分析。
2.4 脑血管反应性
CVR仅在MRI-Wave 2通过血氧水平依赖（BOLD）fMRI扫描期间的二氧化碳吸入挑战进行评估。参与者佩戴麻醉面罩，按照结构化方案吸入受控水平的气体：初始60秒医疗空气，随后是两个75秒的5% CO2医疗空气块，中间穿插75秒的医疗空气块。记录潮气末二氧化碳（EtCO2）并提取。每个参与者的归一化EtCO2（通过减去基线平均值并除以最大EtCO2计算）被用作回归因子，与BOLD信号时间过程相关联。CVR量化为每单位原始EtCO2变化的BOLD信号百分比变化（%BOLD/ΔEtCO2mmHg）。平均CVR从感兴趣区域（ROI）中提取，包括总灰质和左右海马。
2.5 白质微结构
在两次扫描中，通过弥散张量成像扫描得到的弥散指标评估白质微结构完整性。这些扫描经过FMRIB弥散工具箱处理，包括FSL_TOPUP、FSL_EDDY和dtifit，以校正磁化率引起的变形、涡流和运动伪影，并生成体素水平的弥散图。这些图被输入到基于纤维束的空间统计（TBSS）中，以计算各向异性分数（FA）、平均弥散率（MD）、径向弥散率（RD）和轴向弥散率（L1），其中更高的FA和更低的弥散率通常表示更好的WM微结构完整性。从约翰霍普金斯大学白质图谱中提取ROI掩模，涵盖了四个与痴呆认知衰退相关的主要白质束：胼胝体、穹窿、扣带束和内囊。
2.6 白质高信号体积
从两次扫描的T2加权FLAIR扫描中量化WMH。由FSL_BIANCA生成WMH概率图，并以0.9为阈值（具有大于90%概率为WMH的体素）提取总WMH体积。然后将其表示为总脑体积的百分比（%WMH）并进行对数转换以减少偏度并标准化分布。
2.7 脑结构的纵向变化
为了考虑Wave 1和2之间的扫描仪间变异性，我们在每个Wave内对灰质体积和白质弥散指标值进行标准化（z评分）。灰质体积/白质弥散指标的纵向变化计算为MRI-Wave 2与MRI-Wave 1的标准化值之间的差值（例如，Δ灰质体积 = MRI-Wave 2的标准化灰质体积 — MRI-Wave 1的标准化灰质体积）。由于使用的是标准化值，这些变化并不反映个体水平的绝对变化，而是反映了个体相对于队列中其他人的相对变化量。这种方法能够评估相对变化（即，相对于其他参与者，一个人的海马是否经历了更多/更少的变化），但不允许推断绝对体积变化（即，一个人的海马体积从MRI-Wave 1到2是否增加/减少）。我们没有标准化每个MRI Wave的WMH值，因为之前已证明FSL_BIANCA工具在两台扫描仪上的性能是一致的。Wave之间WMH体积的纵向变化因此计算为对数转换%WMH值的绝对差异（ΔWMH = MRI-Wave 2 logWMH% — MRI-Wave 1 logWMH%），即，正值代表从MRI-Wave 1到2的WMH体积增加。
2.8 统计分析
使用线性回归检验CVR与因变量之间的关联。使用Shapiro-Wilk检验评估模型残差并确保线性回归模型的正态性。我们检验了海马CVR与MRI-Wave 2时（1）海马灰质体积，（2）四个预定义白质束的FA、MD、RD和L1，以及（3）WMH水平的横断面关联，并调整了性别和年龄。在海马灰质体积分析中，我们分别检查了左侧和右侧海马。在白质微结构和WMH分析中，海马CVR定义为左右海马CVR值的平均值。
我们还检验了MRI-Wave 2时的海马CVR如何与过去9年中以下MRI测量的纵向变化相关联：（1）海马的Δ灰质体积，（2）Δ白质弥散指标，以及（3）MRI-Wave 1和2之间的ΔWMH。MRI-Wave 1时的年龄、两次扫描之间的时间间隔和性别被纳入纵向模型。此外，在一项补充分析中，我们检查了全脑CVR与相同MRI测量值以及全脑灰质体积、FA、MD、RD和L1值的关联，以评估我们观察到的关联是否特定于海马CVR或是否是全局弥散的。p < 0.05的关联被认为具有统计学显著性。我们使用Benjamini-Hochberg（BH）校正对四个白质束进行多重比较校正，并报告校正后p值。对于显著的关联，使用Cohen's f2值来评估效应大小。
3 结果
3.1 参与者特征
最终分析包括154名参与者（女性/男性 = 40/114，26%/74%）。MRI-Wave 1的平均年龄为68.2岁，标准差=4.4岁；MRI-Wave 2的平均年龄为76.9岁，标准差=4.5岁。两次扫描之间的平均间隔时间为8.7±1.2年。海马CVR与MRI-Wave 2时的年龄呈负相关。MRI-Wave 2时的MRI标志物描述总结在表格中。
3.2 海马CVR与灰质体积之间的关联
在调整了年龄、性别和总灰质体积后，较低的左侧海马CVR与MRI-Wave 2时较低的左侧海马体积显著相关。然而，未观察到CVR与右侧海马体积之间的显著关联。MRI-Wave 2时的海马CVR与MRI-Wave 1和2之间海马体积的纵向变化没有显著关联。
3.3 海马CVR与白质微结构之间的关联
在MRI-Wave 2，较低的海马CVR与穹窿（较低的FA和较高的RD）、胼胝体（较高的MD和RD）和内囊（较高的MD和较高的L1）中较差的白质弥散指标显著相关。这些关联在多重比较校正后未达到显著性，尽管整体模型显示出小到中等的效应大小，但海马CVR作为自变量的效应大小较小。
MRI-Wave 2时较低的海马CVR也与过去十年中白质微结构完整性的保存程度较低相关。这些关联在胼胝体（FA和RD的显著较大变化）、扣带束（FA、MD和RD的较大变化）和内囊（FA、MD和RD的较大变化）中观察到。
3.4 海马CVR与白质高信号之间的关联
海马CVR与总WMH或WMH的纵向变化之间没有显著关联。
3.5 全脑CVR与脑结构的补充分析
补充分析显示，除了较低的全脑CVR与扣带束内MD和RD的较大纵向变化之间外，全脑CVR与脑结构的横断面或纵向测量之间没有显著关联。
4 讨论
本研究表明海马CVR与痴呆相关的脑结构标志物存在关联。我们的研究结果显示，海马CVR与当前的灰质和白质结构以及过去9年白质微结构完整性的变化相关，尽管效应量较小。海马CVR较低的老年人可能具有较小的左侧海马体积、多个关键白质束（尤其是胼胝体和内囊）的白质微结构完整性较低，并且在过去十年中白质微结构完整性下降更大。然而，海马CVR与通过WMH测量的脑血管病变无显著关联。这些发现支持了海马CVR作为神经退行性通路中的一种机制以及脑解剖和白质微结构衰退标志物的新兴作用。
鉴于海马是阿尔茨海默病中最早出现萎缩的区域之一，了解影响其体积和连接性的因素可以为早期病理过程提供见解。我们观察到较低的海马CVR与左半球较低的海马体积相关，而与右侧无关。观察到的仅存在于左侧海马的关联可能源于其对年龄相关性神经退行性变的更大易感性。研究表明，与空间记忆更相关的右侧海马相比，左侧海马与情景记忆的联系更紧密，后者是衰老和痴呆中最早受影响的认知功能之一。海马萎缩通常是神经元丢失的结果，可能是由受损的CVR加剧的，特别是在左海马，最终损害该区域的灌注。有研究指出，海马的血管密度相对较低，微血管间距较远，这使得其更容易受到血管自动调节和灌注的轻微下降的影响。这种血管敏感性可能影响海马体积和神经元功能，并导致后续的认知衰退。我们的研究结果表明，维持海马脑血管储备可能在保护衰老过程中的海马结构中发挥作用。
我们发现较低的海马CVR与胼胝体、穹窿和内囊中较低的白质微结构完整性相关，并且在约70至80岁之间，胼胝体、扣带束和内囊的白质微结构完整性变化更大。虽然某些关联在多重比较校正后不显著，但它们在校正前的一致方向和显著性提示了潜在的关系。具体而言，我们观察到更高的弥散率伴随更低的FA，表明这些束中髓鞘的结构性丢失。穹窿和扣带束是关键的海马束；穹窿连接海马与其他对记忆和情绪调节至关重要的边缘区域，而扣带束将扣带回与海马和其他皮层区域连接起来，参与执行控制、情绪和情景记忆。我们的结果表明，这些输出束的微结构完整性与海马的血管健康状况密切相关。虽然我们的研究设计无法推断因果关系，但一种可能的解释是海马血管储备的损伤可能随着时间的推移导致轴突低灌注和缺血，从而破坏轴突-胶质完整性。其他研究表明，这种破坏通常伴随着负责髓鞘形成的少突胶质细胞密度的降低，这进一步加剧了髓鞘丢失。有趣的是，我们还注意到海马CVR与两个远端白质束（胼胝体和内囊）的关联，这两个束与海马没有直接连接，但已知在阿尔茨海默病和MCI中会受到影响。我们研究中的纵向发现强调了这些束随时间推移的进行性脆弱性，特别是胼胝体和内囊，它们表现出最明显的白质微结构变化。虽然这些束在解剖学上与海马不相连，但它们可能共享由大脑后动脉分支供血的重叠血管区域。因此，降低的海马CVR可以反映血液供应不足，这也影响了这些代谢需求高且对认知功能至关重要的远端束的完整性。先前的研究表明，血管风险较高的个体其胼胝体和内囊的结构完整性降低，并且包括海马在内的多个脑区的CVR较低。因此，在远端束中观察到的关联可能代表了更广泛血管功能不全的下游效应，部分通过海马CVR捕捉到。重要的是，我们的发现似乎主要定位于海马CVR，而不是全局弥散的，因为补充分析显示，全脑CVR与除了扣带束之外的全局灰质萎缩或白质微结构完整性之间没有显著关联。这强调了海马血管储备在保护这些束及其相关认知功能方面的关键作用。
先前的研究发现，WMH更明显的个体或患有白质疏松症的患者中，与对侧正常白质相比，WMH病变内的CVR较低。然而，我们发现海马CVR与总WMH体积之间没有关联。这种差异可能是由于方法学的不同。此外，心脏与大脑研究的参与者通常WMH负担较低，并且WMH体积的变异性较小。鉴于WMH在痴呆中的作用主要取决于病变严重程度，我们研究中缺乏关联可能是因为我们队列中WMH负担相对较低。此外，我们评估的是总WMH体积，而不是区域亚型（如脑室周围或深部WMH），而先前的研究显示WMH亚型与血管功能障碍或痴呆风险存在区域特异性联系。最后，先前的研究在空间上将CVR测量与WMH病变位置相匹配，而我们则专注于海马CVR。
本研究存在几个局限性。首先，研究队列存在生存和/或选择偏倚风险。参与者主要为受过良好教育的白人男性，限制了结果的可推广性。一些显著结果未能通过多重比较校正，可能是由于样本量和效应量较小。尽管本研究中的效应量较小，但它们与类似样本量的其他研究相当。此外，由于MRI-Wave 1和2使用了不同的扫描仪，我们分别对每个Wave的结构数据进行标准化以考虑扫描仪间的变异性。这种方法限制了我们捕捉每个参与者脑结构健康测量绝对变化的能力，而是侧重于捕捉个体相对于队列其他人的趋势，可能降低了纵向发现的敏感性。最后，我们的研究结果应谨慎解释，因为CVR仅在随访时测量，而脑结构变化是在过去十年中回顾性评估的。这种时间上的限制使我们无法将CVR确立为这些纵向变化的预测标志物，也无法推断这些关联的方向性和因果关系；相反，我们的结果仅反映了CVR与正在进行的脑结构衰退之间的并发关联。因此，尽管我们观察到左侧海马CVR与灰质体积之间的关联，但不能排除较低的CVR本身可能是海马萎缩导致的血管密度降低的结果。尽管如此，先前的研究表明脑血管功能障碍可能先于阿尔茨海默病的其他生物标志物出现。例如，脑血流量的减少已被证明比淀粉样蛋白积累和结构萎缩在阿尔茨海默病的进展中出现得更早。也有观点认为，当脑血流量低于临界阈值时，可能会引发神经元能量减少、突触功能障碍、阿尔茨海默病病理积累，最终导致神经元丢失的级联反应。根据这些机制框架，我们提出，我们的CVR随访测量可能反映了慢性的脑血管健康状况，并显示与老年期神经退行性结构变化存在一致的关联。为了进一步确定CVR与脑结构衰退之间的因果关系，未来的工作应该在更大的队列中调查CVR的纵向评估，以验证本研究的回顾性发现。此外，未来的研究可以检查海马以外的区域CVR测量，以更好地理解CVR-白质微结构关联的空间模式。特别是在更大的样本中进行体素水平分析有助于探索区域CVR与相邻白质束之间的关联。
CVR作为脑血管储备的标志物，并且是潜在可调节的。许多研究显示了CVR与痴呆生活方式风险因素之间的联系，并且几项初步研究已经提供了CVR改善的证据，包括通过高血压管理、有氧运动和患者群体的炎症减少。这突显了干预措施在保护甚至恢复血管储备方面的潜力，我们认为这可能支持脑结构健康。然而，需要进一步的纵向研究来确定是否可以通过此类方法增强海马CVR来延迟或减轻神经退行性变化。
5 结论
总而言之，我们发现较低的海马CVR与痴呆相关生物标志物相关，如较小的海马体积和对认知至关重要的关键白质束中较差的白质微结构完整性。这些发现表明，海马CVR的损伤可能反映了正在进行的海马神经退行性变，并可能在痴呆相关的病理生理过程中发挥重要作用。由于CVR是潜在可调节的，未来的工作可以研究维持海马CVR是否可以保护脑结构和功能，并可能降低认知衰退的风险。
