无症状但默认模式网络轨迹有差异的个体面临患阿尔茨

本期由流年分享Patrizia A. Chiesa等人2019年发表于Alzheimer’s & Dementia上的题为“Differential default mode network trajectories in asymptomatic individuals at risk for Alzheimer’s disease”的文章。

原文链接：https://sci-hub.mksa.top/10.1016/j.jalz.2019.03.006

01背景

具有复杂非线性动态疾病风险的个体，如阿尔茨海默氏病(AD)，具有积极的适应性反应和补偿机制来维持体内平衡。根据AD的遗传风险因素对个体进行分类是获得鉴别独特的内表型所必需的可靠措施的关键步骤。突破性的技术进步促进了遗传学家和神经科学家之间的协同研究联盟，以确定基因组因素如何影响大脑结构、功能和代谢。总的来说，越来越多的有力证据表明，几个基因与AD风险增加有关。载脂蛋白E(ApoE)4等位基因被认为是晚发性AD最相关的遗传危险因素，在所有散发性AD病例中可观察到高达50%。APOE基因参与许多不同的过程：它调节淀粉样蛋白(A)的寡聚、聚集和受体介导的清除、脑脂质转运、葡萄糖代谢、神经信号转导和神经炎症。体内病理生理或地形图生物标志物(如代谢降低、海马萎缩和皮质厚度)提供了支持性证据，证明4等位基因改变了从生理状态到AD病理生理状态的脑部变化。

在过去的十年中，脑功能连接性(FC)已成为早期识别与AD病理生理相关的脑功能改变的一个有前途的候选生物标志物。功能神经成像遗传学为确定阿尔茨海默病中间表型和提高对与大脑功能相互作用的遗传途径的理解提供了一种有效的策略。虽然这一领域相对年轻，但研究风险基因对大脑功能动力学可能的下游影响的研究数量正在迅速增长。特别是，APOE4携带者在静息状态下的默认模式网络(DMN)连接性表现出特定且一致的改变，包括中部和后部区域连通性降低，以及额部和侧部结构连接性增加。阿尔茨海默病(AD)早期静息状态FC(rsFC)的增加被解释为AD典型脑区(主要是DMN)之间的上游或下游大脑代偿机制。然而，对于认知完整的APOE4携带者和非携带者，DMN中是否存在不同的衰老轨迹，目前尚不清楚，需要在个体水平上进行纵向研究。这将是功能神经成像遗传学领域向前迈出的重要一步，因为到目前为止，研究几乎完全是使用横断面设计进行的，通过比较不同严重程度阶段遗传风险增加的横断面群体，探索DMN随时间的变化。

纵向方法在检测神经网络中的个体功能变化时特别敏感。对认知完整的阿尔茨海默病高危个体进行的长期随访研究将使研究人员能够追踪从健康到晚期痴呆症阶段的病理生理轨迹，并确定补偿机制失败的关键窗口。这对患有主观记忆障碍(SMC)的老年人特别有意义，这是一种患AD风险增加的情况。这种记忆症状可能代表了更广泛认知障碍的早期迹象，并被认为是自我报告记忆力下降的有效衡量标准。记忆障碍和至少存在一个APOE4等位基因均可预测AD早期认知能力下降。然而，到目前为止，没有证据表明无症状的AD风险个体的功能网络的纵向改变。

在一项基于大规模标准化观察大学专家中心的单中心队列研究中，我们比较了两个时间点(间隔24个月)的DMN rsFC纵向数据。研究对象为224名认知完整、无任何客观认知障碍的SMC患者。已知(1)APOE在调控A相关过程中的关键作用(2) APOE4等位基因在整个AD谱系的A阳性个体中普遍存在。(3)脑淀粉样蛋白对脑结构和功能连接性的巨大影响，我们评估了个体淀粉样蛋白状态对与APOE4状态相关的脑衰老轨迹的影响。

02材料和方法

参与者

本文所用的数据来源于“阿尔茨海默病症患者主观记忆障碍者调查” (INSIGHT-preAD)研究。INSIGHT-preAD研究包括了来自法国巴黎地区社区的318名认知完整的白色人种老人，年龄在70 - 85岁。SMC，定义如下: (1)参与者对两个问题“你在抱怨你的记忆力吗?”以及“是否已持续6个月以上的常规症状?”; (2) 参与者的认知功能完整，基于简易精神状态检查(27分)、临床痴呆评定量表(0分)和自由与线索选择性回忆测试(总分41分)。所有参与者均获得了书面知情同意。这项研究得到当地机构审查委员会的核可，并按照1975年的《赫尔辛基宣言》进行。

在本研究中，我们只考虑了在第一个时间点(M0)和24个月后(M24)均接受静息状态功能性磁共振成像(rs-fMRI)采集的参与者。表1显示了最终子集(224名参与者)的人口统计特征、认知表现和APOE基因型。

临床和神经心理评估

对INSIGHT-preAD队列的所有参与者进行了全面的神经心理测试，以评估他们在所有相关认知领域的认知完好无损。

APOE基因型

参与者根据APOE状态分为两组:携带至少一个APOE4等位基因(基因型4/4和4/3)的个体被归类为APOE4携带者(APOE4+)；其他(基因型2/2、2/3和3/3)被归类为APOE4非携带者(APOE4—)。

淀粉样蛋白状态定义

重建的正电子发射断层成像图像通过由法国阿尔茨海默计划资助的神经成像平台——图像采集和处理中心开发的管道进行分析。

根据大脑皮质标准化摄取值比值，我们的队列被分为两个亚组，即淀粉样蛋白阳性(Amy+)和淀粉样蛋白阴性(Amy—)个体。在我们的方法和Besson等人使用的方法之间进行线性相关，提取了标准化的摄取值比值阈值0.79，以确定异常摄取。使用来自另一项法国研究的53个正电子发射断层扫描—IMAP队列（关于早期阿尔茨海默病的多模态神经成像项目）。

MRI采集和预处理

MRI图像采用西门子MagnetomVerio (德国埃朗根) 3T扫描仪，配备12通道的正交检测头线圈(发射-接收圆极化头线圈)。进行了三维(3D)TurboFLASH序列（矢状方向;重复时间2300ms;回波时间2.98 ms;反转时间900ms;翻转角度9°;176片;片厚mm;视野256×240mm;矩阵256×240;带宽240 Hz/Px）。

rs-fMRI采集与预处理

基线和随访扫描都是在由法国巴黎的Cogimage团队鉴定的3T磁共振扫描仪上进行的。在rs-fMRI扫描过程中，参与者被要求闭上眼睛，尽可能保持静止。通过使用回波平面成像序列来收集磁共振功能磁共振成像图像（重复时间2460ms，回波时间30ms，片厚3mm，矩阵64×64，体素大小3 ×3×3mm3，容积数量250，切片数量45，运行1) 对血氧水平依赖的对比敏感(T2*加权)。

rs-fMRI数据使用基于FMRIB软件库(FSL)的大脑连接和行为工具包v4.0.0 进行预处理，该软件此前已成功用于识别DMN。每个参与者的前10个时间点都被排除在外，以避免与磁铁的平衡和参与者对扫描仪的适应相关的潜在噪音。在对运动进行单独校正之后，首先使用基于FMRIB的线性图像配准工具的运动校正工具对剩余的240个体积进行运动校正，然后对切片定时进行校正，使用等于最大体素尺寸1.5倍的全半宽最大值进行平滑，最后使用高斯加权局部拟合对直线进行低时间频率的过滤。这些步骤作为FMRIB软件库软件包的一部分在FEAT中提供。将fMRI图像与T1结构图像进行线性配准。估计的运动参数、脑白质和脑脊液的第一特征变量及其一阶导数从功能数据中回归出来。我们使用基于T1的三类分割阈值的模板，概率值为0.9，配准到rs-fMRI图像并二值化。最后，运动参数、脑白质和脑脊液信号的一阶导数通过它们的时间历程与[—1 0 1]向量之间的线性卷积来计算。

考虑到rs-fMRI信号会受到运动的严重影响，一种基于独立成分分析的自动去除运动伪影的策略(ICA-AROMA)被用来估计与运动相关的信号波动，然后从fMRI数据中回归出来。ICA- AROMA对数据执行ICA分解，并基于一组稳健的空间和时间特征估计哪些分量反映了fMRI信号中的运动相关噪声，这是因为运动相关分量的独特性。这种方法优于其他方法，如运动参数估计的回归，同时限制自由度的损失。与去除尖峰的方法如擦洗相比，ICA-AROMA具有保留功能磁共振成像信号时间结构的优势。

rs-fMRI独立成分分析

rs-fMRI数据的分析是使用概率独立分量分析进行的，该分析是在作为fMRI软件库一部分的多元探索性线性优化分解为独立分量中实现的。采用多元探索性线性优化独立分量分解方法，将原始拼接的4D rs-fMRI数据集分解成不同的空间和时间分量。每个参与者的预处理功能数据在时间上连接成一个4D数据集，使用ICA进行分析。

在这项分析中，数据集被分解成20个独立的成分。然而，应该指出，对于如何选择最佳成分数量还没有达成共识。进行双重回归分析以确定特定于受试者的时间进程和空间图。在第一步中，20个成分被用在与每个个体受试者的fMRI数据集相匹配的线性模型中，以创建每个受试者在每个网络内的平均时间进程(空间回归)，最终得到每个个体每次访问的20个z得分图。在第二步中，个人化的时间进程被回归到参与者的fMRI数据集，以创建个人空间图(时间回归)。这为每个人每次访问提供了20个3D图像，每个模板的体素方向都有FC的z分数。

第一步(组ICA)使用所有个体的第一个时间点(M0)进行。为了在分析中保持空间模式的一致性，在接下来的双重回归步骤中使用得到的20个独立成分来分析第二个数据点(M24)。

在参考以往文献的基础上，通过目测最终选定了DMN。

统计分析

为了进行纵向分析，我们计算了24个月后rsFC(即FC)的变化(M24)，作为第一次采集(M0)后rsFC的变化。

使用FSL的随机排列测试工具(5000个排列)检测DMN内的统计学显著差异，校正年龄。对多重比较进行FWE校正，采用显著性阈值P,＜0.05实现无阈值聚类增强(TFCE)。

时间的影响

通过对FC进行一次简单的t检验，将所得FC值与24个月后DMN FC无变化的原假设进行比较。

APOE的影响

考虑到先前工作中描述的结果模式，我们主要感兴趣的是APOE 4携带者(APOE4+)和APOE 4非携带者(APOE4-)的比较。APOE 4+和APOE参与者之间的横断面差异首先通过FSL的两个样本t检验确定。然后，我们评估了APOE4+与APOE4-对FC的纵向影响，使用两个独立的t检验。

淀粉样蛋白状态的影响

最后，我们研究了淀粉样蛋白对脑纵向动力学变化的任何潜在影响。为了达到这个目的，2 (淀粉样蛋白状态,Amy+ vs.Amy-)×2 (APOE基因风险，APOE4+ vs APOE4-)在FEAT中进行FC。使用FWE率和TFCE的校正对多次比较的结果进行了校正，这类似于基于集群的阈值，但通常更稳健，并且不需要识别任意的初始集群形成阈值。在执行随机化时，建议使用TFCE。

03结果

参与者

在INSIGHT-preAD队列中，我们只纳入了242名参与者。具体见图1。

DMN提取

在进行个别运动矫正后，ICA识别出组水平DMN，如补充材料图1所示。在可以看到经典中枢的地方，比如楔前(Pcu)，下顶叶，前扣带皮层和后扣带皮层(ACC和PCC)，以及内侧额叶和前额叶皮层。随后使用双重回归方法提取单个图。

主要纵向效应

图2显示了24个月以上DMN的rsFC纵向变化。rsFC的广泛增加涉及内侧前额叶、额叶和后DMN区域，包括ACC延伸至前内侧前额叶皮质、PCC、Pcu以及左侧海马和海马旁（图2，绿色-红色)。rsFC的显著降低对Pcu背侧大部分的影响很小(图2，蓝色)。

APOE4基因型效应

我们提出的问题是，携带APOE4等位基因是否会影响DMN rsFC。首先,我们比较在初始时间点(M0)的rsFC：APOE4携带者(APOE4+)和APOE非携带者 (APOE4+)的横断面比较显示，4等位基因的存在对DMNrsFC没有明显的调节作用。第二，我们评估了APOE4等位基因对DMN rsFC个体衰老速度的遗传影响：纵向分析表明，携带4等位基因的个体在额叶rsFC的增长较慢(P＜0.05 TFCE校正)，特别是在双侧Brodmann区BA9、BA10、BA 46 (图3)。因此，虽然APOE4+和APOE4-之间的FC水平相当，但APOE4+的速率明显低于APOE4-。

淀粉样蛋白状态对APOE 4基因型功能动态的影响

个体的淀粉样蛋白状态是否会进一步影响与APOE4等位基因存在相关的连通性动态变化，目前尚不清楚。因此，我们执行2 ×2重复测量方差分析，以评估APOE和淀粉样蛋白状态之间是否存在交互作用。结果显示，无论是淀粉样蛋白还是APOE ×amyloid相互作用在纵向变化上是显著的(P＜0.05 FEW校正)。

04讨论

综上所述，我们对一个由 224名认知完整的（没有任何客观认知障碍的）SMC被试构成的单中心队列进行了脑网络动力学研究。与我们的先验假设一致的是，在第一次rs-fMRI评估2年后，在DMN内发现了rsFC的变化。此外，我们提供了有利证据，表明管个体淀粉样蛋白状态如何，APOE4基因型导致不同的DMN功能改变。

在组水平上，DMN变化在后部、前部和前额皮质以及右侧海马体中尤为明显。与之前的研究结果一致，年龄相关机制和/或疾病进展可能导致大脑rsFC重组。老年和AD早期大脑活动的增加可能是一种代偿机制，可能反映了适应性大脑对影响特定脆弱神经区域的破坏性信号的代谢需求的增强。这种增强的弹性反应经常出现在额叶，这可能对认知储备起着关键作用。总的来说，在我们的人群中，代偿机制似乎涉及到的后-前移位，其特征是后中线皮层的激活减少，同时内侧额叶皮层的活动增加。与该模型一致，我们发现Pcu最背侧的rsFC减少。然而，我们也发现更多的腹侧Pcu活动增加，并延伸至PCC。后部改变明显表达的存在可能源于多种来源。首先，由于Pcu的功能异质性，每个亚区在AD的早期阶段可能受到不同程度的损害。在这里，我们发现背侧Pcu的rsFC降低，在上顶叶皮层表现为rsFC正向，在眶皮层和额皮质、杏仁核和小脑表现为rsFC负向。需要额外的功能研究来阐明特定的Pcu分区在整个AD连续体中是否受到不同的影响。其次，rsFC可能开始在Pcu的一个狭窄的子区域内减少，在功能损害通过分裂机制扩散到大脑其他部分之前的神经元并缓慢地干扰其他邻近区域。我们假设，在复杂的、非线性的动态疾病如阿尔茨海默病(AD)的背景下，跨脑网络的时空变化可能有一个从“网络内阶段”到整个网络，并最终进入多网络补偿阶段的逐步演变。脑部疾病阶段的病理生理过程的传播是由复杂的机制介导的，目前还不完全清楚。然而，两个纵向数据点不足以研究功能性损伤在时间上的潜在扩散。INSIGHT-preAD队列的后续研究可能在这方面为我们提供关键证据。多模式方法的实现，例如神经成像遗传学与计算生物学相结合，将提供基础来确定分子/细胞通路的轨迹是否与神经网络重组的动态模式相关联，从而潜在地映射补偿或适应性策略。

我们可以说，方法上的选择可能也影响了结果。例如，虽然SMC本身是一种有发展为AD风险的疾病，但这种异质性组中包含的不同内表型可能从脑生理衰老到AD相关特征(即临床前AD)。此外，虽然ICA在rs-fMRI研究中的应用是一种有效的分析方法，可以将BOLD信号与心跳和呼吸引起的生理噪声分开，但在各分量中仍可能存在一些残留噪声。最后，我们将注意力集中在DMN上；然而，早期的功能障碍可能涉及到更大规模的网络。更复杂的方法将使我们能够将分析扩展到包括阿尔茨海默病在内的神经疾病中通常受到影响的所有大脑网络。最后，值得注意的是，INSIGHT-preAD群组包括了受过良好教育的个体，这可能会更有效地补偿。因此，我们的队列可能会受到选择偏差的影响，这种偏差来自于选择研究参与者的错误和/或影响研究参与的因素。

随后，研究APOE4基因型的影响。在本研究中，APOE4-与APOE4+在第一个时间点(M0)之间没有显著差异。关于DMN连通性的横断面研究结果并不一致地显示APOE4-和APOE4+之间的差异，这在文献中仍存在争议。先前的研究表明，在相同的样本中包含较大的年龄范围会产生矛盾的结果:在许多DMN节点的横截面上发现降低和连接增加。在这方面，Staffaroni等人通过纳入不同年龄阶段的个体(49-87岁，只有23名老年人)，在基线或DMN rsFC的纵向轨迹中，未发现APOE4+和APOE4-之间有任何显著差异。我们的数据可能同样受到不同的内表型的影响，这些内表型的差异在以后会加剧。研究还表明，不同的神经动力学可以在几个额外基因的突变携带者中检测到，例如磷脂酰肌醇结合网格蛋白组装蛋白(PICALM)、簇蛋白(CLU)和桥接整合因子1(BIN1)基因。刘等人，研究表明，TOMM40基因可能调节局部自发脑活动，并与AD前驱期个体的进展有关。一些额外的病理生理机制、表观遗传因素以及与其他基因的相互作用可能需要在未来的研究中加以考虑和整合。

我们首次在体内证明了携带APOE4等位基因导致DMN不同的衰老轨迹。根据我们的研究结果，携带APOE4等位基因导致了不同的纵向变化:APOE4+与APOE4-相比，在额叶和前额叶区域rsFC的增加较慢。未来的研究，包括神经心理学结果测量，将揭示这种动力学是否代表了应对由APOE4基因型驱动的病理生理过程的代偿机制。

考虑到APOE4基因型与A代谢受损与随后的细胞外积累之间已建立的联系，本研究探讨了APOE 4相关的功能变化是否与A纤维沉积增加有关。我们的数据表明，APOE 4导致DMN rsFC的改变，与A的积累无关，这表明除A外，APOE4等位基因也驱动着DMN rsFC的变化。这一发现与动物和人类研究报告的APOE4在几个分子途径上的多向性效应是一致的，这些分子途径包括tau过度磷酸化、抑制轴突生长和轴突萌发。

有趣的是，最近的一项研究表明，即使在没有神经代谢不足的情况下，大脑A的沉积似乎也与特定的网络功能障碍有关。然而，个体没有APOE基因型，因此导致潜在的模糊结果。考虑到APOE4对大脑A代谢有很大影响，神经功能障碍的存在可能与APOE4等位基因下游促进A沉积有关。因此，DMN功能障碍可能是A异常通路的原因，而不是结果。先前已经表明，DMN的神经元成分由于其高度持久的激活而对生物能衰竭具有更高的脆弱性。因此，DMN内部连通性的重组模式可以确保适应生物能细胞应激。

大规模临床试验的显著失败率表明，需要新的目标和结果措施来克服临床试验设计不足。药理学研究和开发项目的新挑战是重新考虑以前的传统假说，并更好地定义临床前数据如何支持新的数据驱动假说，如何进行令人信服的、证据驱动的“临床前到临床”转化，如何绘制候选药物随时间的生物效应，最后，如何评估这种生物效应是否与功能和临床改善相关。

DMN内的连接组学已越来越多地被认为是已建立的生物标志物，甚至在疾病的临床前阶段也可用于多种情况。超出DMN的连接性改变有望被指定为更有希望的生物标志物候选，甚至是临床结果急需的替代生物标志物候选。新技术和复杂的计算分析将很快整合临床、遗传/表观遗传学和神经动力学/神经成像数据，提供完整的个体生物构成。生物标记物引导的预测轨迹将进一步允许研究人员识别和分层临床前生物学定义的“高危”人群。

精准医疗的新概念范式就是在这种背景下运作的，其目标是针对单个患者的个体遗传驱动因素、病理生理和临床特征定制医疗治疗。从这个角度来看，未来的精准医学将确保创新的个性化治疗策略的成功实现，以预防、制止和治疗AD等复杂的神经退行性疾病。