作者：刘学玲，鲁佳荧，李郁欣，左传涛，耿道颖，复旦大学附属华山医院
帕金森病（Parkinson＇s disease，PD）是中老年人常见的神经退行性疾病之一，中脑黑质（substantia nigra）的多巴胺（dopamine，DA）能神经元死亡是PD的特征性病理改变。PD诊断主要依据患者的典型临床表现，如运动迟缓、静止性震颤、肌肉强直等运动症状，但研究发现此时黑质DA能神经元已至少死亡约30%。
目前PD尚无根治方法，但尽早诊断并给予保护性治疗，可以显著改善预后，延缓疾病进程。黑质DA能神经元的病理学改变会导致磁共振成像（MRI）的信号发生改变，随着MRI技术的不断发展，越来越多的MRI序列可以清晰显示黑质的结构及其病理变化，从而有望在PD的临床症状出现之前显示黑质的病理改变，达到PD早期诊断及精准诊断的目的，实现病情评估及疾病监测。文中拟对MRI在PD患者中脑黑质的应用技术做综述。
1.中脑黑质的解剖
1.1影像和病理/解剖
文献中对黑质解剖定位的描述用词不太一致，影像学常用上、下、前、后表述；而病理学或解剖学文献常用腹侧、背侧、头侧、尾侧表述。其对应关系为：上－头侧，下－尾侧，前－腹侧，后－背侧。黑质位于中脑大脑脚的背侧（后方），中脑被盖的腹侧（前方），范围从乳头体水平至脑桥腹侧（前）部，呈斜角位于红核的尾（下）外侧。在解剖和功能学上可将其分为两个部分：腹侧头（前上）部为黑质网状部（SN pars reticulate，SNr），背侧尾（后下）部为黑质致密部（SN pars compacta，SNc）。SNr是纹状体黑质传入纤维的主要投射区，并连同苍白球内侧部形成基底节的输出核团，投射到丘脑。SNc富含DA能神经元，呈簇状分布于SNr区域，是黑质纹状体的传出纤维，投射到纹状体、苍白球、下丘脑、前部丘脑核团和前额叶皮质，内侧丘系构成其背侧（后方）边缘。
1.2SNr是纹状体黑质传入纤维的投射区域
SNc为DA能神经元所在的区域，而DA能神经元散在分布于SNr区域，所以人类SNc和SNr的边界难以区分，尤其是在尾（下）部。钙结合蛋白D28k可以将传入SNr区域的纹状体黑质传入纤维染色，利用钙结合蛋白D28k染色技术可以显示SNr区域，由于SNc区域的DA能神经元呈簇状深埋于SNr区域内，60%黑质DA能神经元散在分布于阳性的区域（又称基质区），而40%黑质DA能神经元紧密分布于5个钙结合蛋白D28k阴性区域（又称黑质小体1～5），其中黑质小体-1体积最大且位于黑质中间和尾部水平的背侧。
2.PD黑质病理改变
研究发现，PD患者SNc区含神经黑色素（neuromelanin）的DA能神经元明显缺失，同时SNc区的铁沉积明显增加。神经黑色素、铁和DA在正常老龄化及多种退行性疾病中的关系复杂，DA在三价铁离子的作用下氧化成多巴醌，多巴醌可与其下游产物半胱氨酸反应形成半胱氨酸-DA复合物，也就是合成神经黑色素的前体，而神经黑色素又可以鳌合三价铁离子。神经黑色素最初在细胞质内产生，然后在自噬体细胞器内积聚。
神经黑色素具有双重作用：一方面神经黑色素可以结合胞质内有毒性的重金属离子（如铁、铜、锰，等）、脂质体和各种蛋白质，对细胞起保护作用；另一方面神经黑色素结合的复合物无法被溶酶体有效分解，进而诱导小胶质细胞聚集并释放促炎症因子，导致细胞发生退变，细胞死亡后神经胶质细胞会将其结合的金属离子重新释放，从而对细胞产生二次损害。三价铁离子可以通过产生活性氧导致氧化应激损害，引起细胞死亡。
脑内大部分三价铁离子以铁蛋白的形式储存，而在含DA能神经元的SNc区域，神经黑色素与铁离子鳌合（神经黑色素-铁），形成稳定的复合物，从而保护DA能神经元免于铁离子的毒性损害。然而，神经黑色素与铁离子的结合有高、低黏合力两个结合位点，当铁离子过量时，两者以低黏合力位点结合，很容易在细胞内发生氧化应激反应，对细胞造成损害。因此，神经黑色素-铁复合物对细胞起保护作用还是损害作用取决于细胞内铁离子的水平。正常人黑质细胞内的铁含量为0.1～0.25μg·mg－1，神经元的神经黑色素的铁含量约为6μg·mg－1，而游离的神经黑色素的铁含量则约为11μg·mg－1，说明正常人神经元内的黑色素还未被完全饱和，可以对细胞起保护作用。但PD患者铁沉积增高，神经黑色素-铁复合物对细胞起损害作用，诱导小胶质细胞聚集而导致细胞发生退变。
PD患者黑质DA能神经元减少呈不均匀性，主要位于尾（下）部和腹（前）外侧，背（后）侧保留的最好，黑质小体的受累最严重，其中绝大部分（98%）位于黑质小体-1，进而向其他黑质小体延伸，也可累及基质区，通常从SNc的尾腹（下前）外侧开始，向头、内、背（上、内、后）侧发展。
3.黑质的MRI检查方法
根据前述黑质的结构和功能可知，SNr主要为纹状体黑质传入纤维存在的区域，而SNc主要为DA能神经元存在的区域，PD患者DA能神经元的神经黑色素细胞减少，铁沉积增多，故黑质显像的MRI技术主要利用神经纤维和神经元的不同MR信号特征实现。
3.1MR弥散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）
3.1.1DTI的原理
MR DTI可用于反映神经纤维束中水分子的弥散方向，水分子更倾向于沿着神经纤维束走行的方向进行弥散，而很少沿着垂直于神经纤维束走行的方向进行弥散，这种具有方向依赖性的弥散即称为弥散的各向异性。通过纤维跟踪成像技术可以追踪大脑内的白质纤维束，定量评价脑白质的各向异性，主要指标包括各向异性分数（fractional anisotropy，FA）、平均弥散率（mean diffusivity，MD）、径向弥散率（radial diffusivity，RD）和轴向弥散率（axial diffusivity，AD）。
3.1.2DTI的临床应用
Menke等首次利用黑质与基底节核团（壳核、尾状核、苍白球和丘脑）之间不同的纤维连接在DTI上分割SNc和SNr。认为SNc主要与纹状体后部、苍白球、内囊前肢、丘脑前部与前额叶皮质相联系；SNr主要与丘脑腹侧、内囊后肢、前运动皮质与初级感觉运动皮质相联系。由于研究入组人数较少（10例PD患者和10例正常对照者），结果并未发现PD患者黑质区的FA值降低或MD值升高，也未发现黑质区与H-Y分期及病程之间的相关性。然而之后的多项研究均发现，PD患者黑质区域的FA值降低。
一项Meta分析研究提出，黑质FA值不能单独用于反映PD患者的黑质异常：通过806例PD组与626例正常对照组比较，发现PD组FA值仅降低0.03（95%CI：0.01～0.05），诊断敏感度72%（95%CI：68%～75%），特异度63%（95%CI：57%～70%），该研究认为造成其差异无显著性的原因可能与细胞密度低、轴突半径大、纤维交叉、运动伪影等有关。虽然DTI不能反映早期PD患者白质纤维束的异常，但研究发现，DTI技术可以作为监测PD病情进展的影像学标记物。
Loane等对18例早期PD患者和14例正常对照者的纵向对照研究发现，基线水平PD组与对照组的弥散指标差异无显著性，但平均随访（19.3±3.1）个月后，PD组黑质较对照组有明显的FA值降低和MD值升高。Taylor等对71例PD患者和45例正常对照者进行的纵向研究表明，PD患者随着病情进展，大脑内多个灰、白质区域均会出现FA值降低和MD值升高。另外，多项研究发现黑质纹状体纤维束的FA值与PD患者运动损伤的程度有关，FA值越低，运动损伤越重。
3.2磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）或定量磁敏感图（quantitative susceptibility mapping，QSM）
3.2.1SWI的原理
SWI是利用组织间磁敏感率差异形成图像对比，对可以产生不同相位改变的顺磁性和逆磁性物质都很敏感，尤其是脱氧血红蛋白和颅内的矿物质沉积，可显示大脑内铁沉积的变化，但是SWI不能对磁敏感率进行定量测量。
3.2.2QSM的原理
QSM可以将每一个像素的磁敏感率作为标量进行计算，重建出磁化率图像，从而对组织的磁化率进行定量分析。
3.2.3SWI的临床应用
健康人SNc中含有DA神经元的区域中有40%的区域钙结合蛋白D28k呈阴性，Damier等将其命名为黑质小体，其中最大的黑质小体-1分布于黑质尾部背侧，包含了大部分PD患者中通常最易被破坏的神经元。Blazejewska等首次利用免疫组化（CaBP为神经纤维显示剂；酪氨酸羟化酶为DA合成过程中的限速酶；Perl染色为铁沉积和神经黑色素的显示剂）和7T MRI在尸检标本上证实了黑质背部的黑质小体-1区，正常人在该区域呈钙结合蛋白D28k低表达、酪氨酸羟化酶和神经黑色素高表达（提示DA能神经元存在区域）；PD患者该区域呈钙结合蛋白D28k、酪氨酸羟化酶和神经黑色素低表达。同时用7T MRIT2*/SWI在体直观研究显示：正常对照组的黑质小体-1表现为黑质尾部背侧（黑质小体-1的解剖定位）的高信号（因为该区域铁沉积较少），又称为“燕尾征”；PD患者中由于铁沉积增加而导致黑质小体-1高信号缺失。
Meijer等用7TMRI对尸检标本进行研究，证实了PD患者“燕尾征”消失。之后研究者在3T MRI上做了验证，发现PD患者出现“燕尾征”消失的概率更大。用“燕尾征”消失作为诊断PD的标准，与正常人区别的诊断准确率可以达到96%（敏感度98.5%，特异度93.6%，阳性预测值94.3%，阴性预测值98.3%）。
虽然，Wang等研究发现PD患者较多系统萎缩的患者更常见“燕尾征”消失，以此为指标鉴别两者的敏感度和特异度分别为87.9%和83.3%。但是用“燕尾征”消失与不典型PD或帕金森综合征的鉴别诊断准确率仅处于边缘水平［AUC曲线下面积约0.68（0.55～0.82）］或未出现差异有统计学意义，此差异可能与后两者未对帕金森综合征作进一步区分有关。此外，Noh等和Stezin等均发现黑质小体-1的异常偏侧性与临床症状的偏侧性具有较好的一致性（64.8%～79.2%的患者可以对应）。
3.2.4QSM的临床应用
Langkammer等利用尸检标本验证了QSM可以很好的显示脑灰质内铁含量，并发现3T和1.5T MRI的QSM序列有很好的一致性和可重复性，另有多项研究发现，PD患者黑质区域的铁含量增加，且与病程和疾病严重程度有关，同时还发现晚期PD患者在红核和苍白球区域也有铁沉积增加，但铁沉积增加可能仅与运动症状有关，而与非运动症状无关，震颤为主型或迟缓/僵直为主型PD患者均出现黑质区的铁沉积增加，且迟缓/僵直为主型比震颤为主型的铁沉积更高，同时发现齿状核和红核区域的铁沉积与震颤为主型PD的严重程度相关，而尾状核的铁沉积可能与迟缓/僵直为主型PD的严重程度相关。
一项针对早发PD和中晚发PD（设＜50岁发病者为早发PD）的研究显示，两者在黑质区域均有铁沉积增加，中晚发PD在壳核区域也出现铁沉积增加，且仅在中晚发PD患者中发现黑质和壳核区域的铁沉积与疾病严重程度相关，而在早发PD患者未发现其相关性。Azuma等的QSM研究显示PD患者临床症状的偏侧性也与铁沉积有关，发现PD患者黑质的铁沉积较正常人更高，且不对称性更明显，重病侧黑质后部的铁沉积比轻病侧更高。
3.3神经黑色素－MRI
3.3.1神经黑色素的原理
神经黑色素是一种黑色、复杂、不溶性的色素，为儿茶酚胺类神经递质的氧化产物，在脑内主要存在于黑质和蓝斑核的神经元中，在黑质中为DA的氧化产物，蓝斑核中为去甲肾上腺素的氧化产物，铁离子可以催化这个氧化过程。正常人黑质区的神经黑色素在2～3岁时开始出现，并随着年龄增长逐渐增多，平均年增长率约为41ng·mg－1黑质净组织，而PD患者由于DA能神经元减少，神经黑色素含量大约为同年龄段对照组的50%～60%。
3.3.2神经黑色素-MRI的临床应用
神经黑色素-铁复合物可以产生磁化转移效应（magnetization transfer，MT）和缩短T1效应，使得在神经黑色素-MRI上产生高信号，且其信号强度与神经黑色素含量相关。通过比较尸检标本的神经黑色素-MRI图像与免疫组化（髓鞘染色）后显微镜下的神经黑色素计数结果发现黑质在神经黑色素-MRI上的信号强度与其神经元数目密切相关。多项研究发现在神经黑色素-MRI上，PD患者黑质信号较正常对照者明显减低，特别是SNc的外侧区域，其减低程度与疾病严重程度和运动评分有关。
Isaias等对18例PD患者和18例正常对照者同时进行了神经黑色素-MRI与FPCIT-SPECT检查，发现PD组SNc体积与对比噪声比（CNR）均显著减小，且与纹状体DA转运体密度相关，提示神经黑色素降低可以反映脑内DA能神经元丢失情况。Castellanos等利用自动分割技术测量神经黑色素-MRI的SNc体积，根据疾病对侧SNc区域的萎缩＜103.1mm3诊断PD的准确度可以达到90%。Wang等研究发现，震颤为主型PD与特发性震颤比较，前者SNc中间和外侧区域的宽度和CNR明显减低，而ET患者与正常人之间差异无显著性；同时Wang等对51例PD和28例正常人进行的对照研究发现，虽然PD患者SNc外侧、中间和内侧区域均有信号减低，但是在不同运动亚型中无差异。
Ohtsuka等通过对30例PD、10例P型多系统萎缩、13例进行性核上性麻痹及22例正常对照者行神经黑色素-MRI研究发现，联合黑质与蓝斑核的CNR可用于PD与上述帕金森综合征的鉴别，PD和P型多系统萎缩患者SNc外侧区域的CNR较进行性核上性麻痹患者更低，PD患者蓝斑核的CNR较P型多系统萎缩或进行性核上性麻痹患者更低。近年的一项研究发现，神经黑色素-MRI显示进行性核上性麻痹患者的SNc区域体积较PD患者明显减小，说明利用神经黑色素-MRI的CNR或体积有望对帕金森综合征进行鉴别。
4.总结与展望
综上所述，以上列举的3种MRI技术不仅可以清晰显示黑质的解剖结构，还可以通过量化分析反映PD的病理变化。目前比较一致的研究结果表明，与正常人比较，PD患者的黑质体积萎缩、铁含量增加、神经黑色素减少以及黑质小体-1的高信号丢失，并且这些改变与PD亚型、病情严重程度以及偏侧性有关。目前，虽然有些结果还不能与帕金森综合征进行很好的区分，但是相信随着MRI技术的不断发展，黑质MRI将在PD的精准诊断、病情评估和疾病监测中发挥巨大作用。
来源：刘学玲,鲁佳荧,李郁欣,左传涛,耿道颖.帕金森病患者黑质在磁共振成像中表现的研究进展[J].中国临床神经科学,2019,27(01):98-104. |
