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本文运用先进的神经突方向离散与密度成像（NODDI）结合灰质空间统计（GBSS），系统揭示了肝性脑病（HE）患者广泛存在的灰质微观结构异常，表现为神经元密度指数（NDI）降低和小脑方向离散指数（ODI）增加。研究创新性地在苍白球（GP）区域发现了NDI、ODI分别与间接胆红素、国际标准化比值（INR）和血红蛋白浓度的特异性关联，为理解HE“双重打击”病理生理假说提供了重要的神经影像学证据，提示NODDI可作为监测疾病进展和代谢影响的有用工具。
引言
肝性脑病（Hepatic Encephalopathy, HE）是肝硬化患者常见的神经系统并发症，临床表现从轻微的认知障碍到昏迷不等。随着全球人口老龄化，HE与神经退行性疾病的鉴别诊断因重叠的临床表现而日益困难。传统的诊断方法主要依赖于临床评估和血氨等血液生化标志物，但这些方法受限于主观性和敏感性不足。在众多神经影像学生物标志物中，苍白球（Globus Pallidus, GP）因其在T1加权像上常表现为双侧对称性高信号而备受关注。然而，传统结构磁共振成像对微观结构改变的敏感性有限。神经突方向离散与密度成像（Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging, NODDI）是一种先进的扩散磁共振成像技术，可通过神经元密度指数（Neurite Density Index, NDI）和方向离散指数（Orientation Dispersion Index, ODI）等参数无创量化脑组织微观结构。灰质空间统计（Gray-matter Based Spatial Statistics, GBSS）则是专门用于研究灰质微观结构空间模式的基于体素的分析方法。本研究旨在：（i）利用NODDI结合GBSS评估HE患者的脑微观结构改变；（ii）分析HE组GP的NODDI参数与血液生化指标之间的相关性，为理解HE的病理生理机制提供新的影像学证据。
材料与方法
本研究招募了2023年12月至2025年6月期间临床诊断为失代偿期肝硬化的33名HE患者和31名健康对照（Health Control, HC）。所有受试者均接受了3.0T磁共振扫描，包括用于NODDI的多壳层扩散协议。采用GBSS分析NDI和ODI的组间差异。使用皮尔逊相关分析探究HE组GP的NODDI参数与血液生化指标（间接胆红素、国际标准化比值、血红蛋白浓度等6种标志物）之间的关系。
数据处理流程包括：将原始DICOM格式数据转换为NIFTI格式并进行匿名化；使用FSL中的EDDY和TOPUP工具进行涡流校正、几何畸变校正和头动校正；应用扩散张量模型生成各向异性分数图；利用加速微观结构成像凸优化方法计算NODDI模型参数，得到NDI、ODI和自由水分数。随后进行GBSS后处理，具体步骤包括：在原生扩散空间中推导灰质分数图；创建研究特定的伪T1模板；进行仿射和非线性空间配准；提取骨架化特征（NDI_skeleton, ODI_skeleton, GM_skeleton）；最后使用填充脚本生成完整的NDI_filling和ODI_filling指标用于后续统计分析。
统计方面，在FSL中使用随机化和无阈值集群增强来探索HE组和HC组在NDI_filling和ODI_filling指标上的差异，并进行1000次迭代的非参数置换检验，使用族错误率校正进行多重比较，显著性阈值设为PFWE<0.05。对GP的NODDI参数与血液生化指标的相关性分析，在未进行多重比较校正的情况下，将p值<0.05视为具有潜在显著性的关联。
结果
组间NDI的显著差异
HE患者在广泛的灰质区域表现出NDI显著降低，主要涉及右侧额叶皮层（包括右侧内侧额上回、右侧前扣带回、右侧额上回、右侧辅助运动区和右侧额下回）、双侧顶叶皮层、左侧枕叶区域、左侧颞叶皮层、右侧岛叶、双侧中后扣带回、右侧海马、双侧海马旁回、左侧丘脑、右侧壳核和双侧小脑。除了这些主要集群外，其他一些区域也显示出孤立体素或非常小的改变集群。
值得注意的是，在全脑GBSS分析中，在FWE校正的阈值下，未在GP内发现NDI或ODI改变的显著集群。基于感兴趣区的区域分析也显示，HE组和HC组在GP的平均NDI和平均ODI上无统计学显著差异。
组间ODI的显著差异
HE患者在小脑后部和小脑蚓部表现出ODI显著增加。
GP的NODDI参数与血液生化指标的相关性
皮尔逊相关分析表明，右侧GP的NDI与间接胆红素呈正相关，与国际标准化比值也呈正相关。
此外，左侧GP的ODI与血红蛋白浓度呈正相关。
讨论
本研究中观察到的HE患者NDI广泛降低，其最大集群位于右侧内侧额上回、右侧岛叶和双侧扣带回。NDI是轴突和树突细胞内体积分数的敏感标志物。这些区域NDI的降低可能反映了神经突萎缩和由于低度脑水肿导致的细胞外空间扩张的组合效应。这些区域在执行功能、注意力和情绪调节中起着核心作用，其改变可能反映了HE患者潜在的神经元损伤和功能障碍，与患者观察到的认知能力下降相一致。
有趣的是，一项最近的GBSS-NODDI研究同样在轻微肝性脑病患者中发现了NDI降低的模式，特别是在左侧岛叶和左侧额中回。我们的HE组中，效应量最大的区域位于右侧内侧额上回、右侧岛叶和双侧扣带回，而轻微肝性脑病中报告的变化表现出左半球优势。这种模式暗示了一种潜在的轨迹：早期、细微的损伤可能优先影响或更容易在左半球的执行和突显网络枢纽中被检测到。随着肝功能不全进展和临床症状出现，损伤变得更加双侧和广泛，涉及关键的中线结构和与注意力及自我调节相关的右半球区域。
HE组在楔前叶的NDI也低于HC组。内侧前额叶皮层和楔前叶的受累凸显了默认模式网络的脆弱性。我们研究的结果通过确定了这种功能障碍的生物物理基础：模型衍生的神经突密度指数或完整性的降低，扩展了这些发现。此外，岛叶的显著参与支持了“网络切换”假说，即结构损伤阻止了大脑在中央执行和默认模式状态之间有效切换，导致患者出现行为僵化。
我们在小脑中观察到一个独特的模式，即小脑后部和蚓部的ODI增加。虽然NDI降低指示组织丢失，但ODI增加反映了更混乱或更复杂的神经突构型。在HE的背景下，这种增加的复杂性可能代表在面对持续神经毒性时的一种适应不良反应或“混乱的分支”。小脑后部在非运动认知过程中的作用日益被认识到。NDI降低和ODI增加共存表明，小脑作为全脑网络衰竭的一部分，正在经历活跃的、尽管是病理性的重塑。
由于GP在HE中的已知易损性，对其进行了探索性分析。尽管在组水平上未检测到GP的显著微观结构变化，但相关性模式表明GP内NDI和ODI改变与血液生化标志物之间存在分离。这支持了HE涉及广泛的病理生理机制的观点。我们观察到右侧GP的NDI与肝功能不全的标志物呈正相关。通常，神经退行性变涉及神经突密度的降低。然而，GP是慢性肝病患者锰沉积和铵积累的优先部位，通常表现为T1加权高信号。这种积累常导致星形胶质细胞肥大，从而增加表观细胞内体积分数。因此，NDI的“假性增加”可能反映的是毒性细胞肿胀，而非健康的神经突生长。
相反，左侧GP的ODI与血红蛋白浓度呈正相关。贫血是肝硬化常见的全身性并发症，会加剧脑缺氧。我们的发现表明，较低的血红蛋白水平与ODI降低相关，代表了树突状分支的简化或突触复杂性的丧失。这使我们能够提出一个“双重打击”机制的假说：毒性代谢物积累驱动细胞肿胀并增加NDI，而贫血和缺氧等全身性因素则导致结构复杂性的破坏。
此外，我们的发现应在HE代谢改变的更广泛背景下进行解释。先前的磁共振波谱研究一致证明，HE患者存在特征性的代谢模式，表现为谷氨酰胺/谷氨酸增加和肌醇水平降低。这些变化反映了渗透压异常和星形胶质细胞功能障碍：氨诱导的谷氨酰胺在星形胶质细胞中积累，导致渗透梯度将水吸入细胞，从而引起低度脑水肿。这些代谢变化为我们研究中NODDI检测到的微观结构改变提供了关键的生理背景，因为渗透应激和随后的细胞肿胀可能有助于在苍白球中观察到的NDI增加。
本研究存在一些局限性。首先，失代偿期肝硬化患者的临床异质性可能引入了混杂因素。其次，样本量相对较小，可能限制了检测细微皮层改变的统计效力。第三，横断面设计无法建立系统性生化变化与微观结构衰退之间的因果关系。第四，大多数HE患者因临床记录不完整而无法获得血氨水平数据，妨碍了这一关键病理生理标志物与NODDI指标的相关性分析。第五，3.0T磁共振协议可能限制了对较小皮层下结构的空间分辨率。
结论
本研究采用NODDI来表征HE中的灰质微观结构病理学，揭示了与神经突密度指数降低和小脑组织混乱相一致的广泛微观结构改变。观察到的GP中的分离相关性模式可以在神经毒性“双重打击”假说的框架内进行解释，尽管需要进一步的纵向和机制研究来验证这一解释。总之，NODDI衍生参数提供了敏感且具有生物学特异性的生物标志物，桥接了全身生物化学和脑微观结构，有望改善HE的早期检测和机制评估。
