成人脑氧代谢的年龄依赖性评估：基于三维约束定量BOLD MRI技术

《NeuroImage》：Age dependence of brain oxygen metabolism in adults assessed by 3D constrained quantitative BOLD MRI

　　

本研究旨在量化年龄效应，采用近期开发的3D约束定量BOLD（qBOLD）协议测定体素水平的氧摄取分数（OEF），并结合动脉自旋标记（ASL）衍生的脑血流（CBF）测量值计算脑氧代谢率（CMRO2）。研究人员检查了34名健康成年人（23-87岁），以确定年轻组（<35岁，n = 15）和老年组（>50岁，n = 19）之间脑氧代谢的全脑及区域模式。全脑OEF在老年组中高于年轻组（40.2 ± 5.1 % vs 34.5 ± 4.6 %，P = 0.002），而CBF较低（39.5 ± 10.3 vs 48.3 ± 8.3 mL/100g/min，P = 0.011），导致CMRO2相当（144.0 ± 31.8 vs 150.7 ± 30.0 μmol/100g/min，P = 0.537）。在所有参与者中，OEF每十年增加1.5%，CBF每十年下降2.1%。在区域分析中，老年人在内侧颞叶（MTL）、海马、杏仁核、丘脑、纹状体、额叶、顶叶和枕叶的OEF均高于年轻人（所有P < 0.05）。CMRO2仅在杏仁核区域存在组间差异（126.6 ± 35.9 vs 97.5 ± 31.6 μmol/min/100 g，P = 0.01）。探索区域异质性发现，两组中MTL及其亚结构的OEF均低于全脑平均值。总体研究结果表明，脑氧代谢在整个成年期基本得以维持。联合qBOLD-ASL技术为检测脑氧代谢的区域变化提供了一个稳健的框架，可用于表征规范性脑血管衰老以及可能的神经退行性变早期阶段。

本研究发表于《NeuroImage》，针对成人脑氧代谢随年龄变化的规律进行了深入探究。尽管大脑仅占成人体重的2%，却消耗了全身约20%的能量预算，全球及区域性的脑氧利用和血流差异与健康的衰老过程及神经退行性疾病的早期阶段密切相关。然而，传统的正电子发射断层扫描（PET）虽然被视为量化这些参数的参考标准，但其可及性低、设置复杂且依赖动脉采血，限制了其在大规模或常规评估中的应用。因此，研究人员致力于开发基于磁共振成像（MRI）的无创替代方法，以解决现有技术的局限性并确立正常衰老过程中的脑生理基线。

为达成这一目标，研究人员开展了一项横断面研究，招募了34名健康成年人（年龄范围23-87岁），分为年轻组（21-35岁，n=15）和老年组（50-90岁，n=19）。研究采用了一种名为“约束定量BOLD（qBOLD）”的新型MRI技术，该技术整合了交替不平衡稳态自由进动FID和回波（AUSFIDE）序列以及速度选择性静脉自旋标记（VS-VSL）序列，以获取R₂、R₂’、磁化率差（?χ）、宏观场不均匀性（?B₀）和静脉脑血容量（CBV_v）等参数作为先验约束，进而求解优化问题以获得氧摄取分数（OEF）。同时，结合伪连续动脉自旋标记（pCASL）序列测量的脑血流（CBF），利用Fick原理计算出脑氧代谢率（CMRO₂）。此外，研究还利用T1加权MPRAGE图像通过FreeSurfer算法进行自动分割，以定义皮质和皮质下区域。

研究结果显示，在全脑层面，老年组的OEF显著高于年轻组（40.2% vs 34.5%），而CBF显著低于年轻组（39.5 vs 48.3 mL/100g/min），这导致两组的CMRO₂没有显著差异（144.0 vs 150.7 μmol/100g/min）。这表明大脑通过增加氧气提取来补偿血流减少，从而维持代谢率的稳定。随着年龄增长，OEF以每十年1.5%的速度增加，而CBF则以每十年2.1%的速度下降。

在区域分析中，老年人在内侧颞叶（MTL）、海马、杏仁核、丘脑、纹状体、额叶、顶叶和枕叶的OEF均显著高于年轻人。然而，CMRO₂仅在杏仁核区域表现出显著的组间差异，老年组高于年轻组。进一步分析发现，MTL及其亚结构（海马、杏仁核）的OEF相对于全脑平均值在两组中均表现出降低，且这种差异在年轻人中更为明显。关于脑体积，研究发现总脑体积和灰质体积随年龄显著减少，海马体积在老年组显著降低，而杏仁核体积仅呈下降趋势。在偏侧性分析中，代谢参数在左右半球间基本保持对称，仅老年组的杏仁核OEF表现出轻微的左侧优势。

讨论部分指出，本研究结果证实了健康老年人表现出CBF减少和OEF增加的代偿模式，这与先前多项PET和MRI研究的发现一致。CMRO₂的维持揭示了衰老大脑通过紧密耦合的调节机制保持代谢稳态的非凡能力，这种稳定性反映了血管适应、有效氧扩散和神经元代谢灵活性之间的精细平衡。研究还发现MTL结构（尤其是海马和杏仁核）的OEF低于全脑平均水平，这可能反映了其独特的神经血管架构和代谢效率，使其在中年晚期更容易受到低灌注的影响。此外，约束qBOLD技术与ASL的结合提供了一种强大的无创框架，能够同时绘制OEF、CBF和CMRO₂图谱，对于表征脑血管衰老及早期神经退行性疾病具有重要的临床应用潜力。尽管研究存在横断面设计的局限，且受部分容积效应和空间分辨率的限制，但其结果为未来纵向研究和临床转化奠定了坚实的数据基础。