2016, Vol. 33文章信息
- 陈梅泞, 王前锋, 李改英, 张竹伟, 陈录广, 李建奇
- CHEN Mei-ning, WANG Qian-feng, LI Gai-ying, ZHANG Zhu-wei, CHEN Lu-guang, LI Jian-qi
- 人脑GABA磁共振波谱测量中大分子影响的研究
- Effects of Macromolecules on Cerebral GABA Measurements Using Magnetic Resonance Spectroscopy
- 波谱学杂志, 2016, 33(4): 618-626
- Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2016, 33(4): 618-626
- http://dx.doi.org/10.11938/cjmr20160411
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文章历史
收稿日期: 2016-04-11
收修改稿日期: 2016-10-24
DOI:10.11938/cjmr20160411
活体磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy，MRS）由于其无创性、对早期病变高敏感性（相对于T1加权和T2加权磁共振图像而言）等优点，已成为检测人脑组织代谢物含量最简单有效的方法[1]. g-氨基丁酸（g-aminobutyricacid，GABA）作为人脑中主要的抑制性神经递质，对大脑功能具有重要的调节作用，其代谢异常与很多疾病有关，如癫痫、抑郁症、精神分裂症等[2-5]. GABA含量与脑功能认知反应也有密切关系[6-9]，如GABA含量与视觉皮层血氧水平依赖法（blood oxygenation level dependent，BOLD）信号成负相关[10]；在情绪加工中，前扣带回BOLD信号受到GABA含量的调制[11].
在GABA-MRS测量方法中，MEGA-PRESS序列利用J差分谱编辑技术（两次编辑脉冲的中心频率分别设置为δH1.90和δH7.50，然后两次作差得到差谱），能有效去除肌酸（creatine，Cr）等代谢物对GABA δH3.02共振谱峰的掩盖[12]. 因此，MEGA-PRESS序列已被广泛用于定量测定GABA含量. 然而，由于大脑中大分子（macromolecule，MM）在δH3.00处的质子信号与GABA的δH 3.02接近，且受到的J偶合作用（受δH1.70偶合影响）也与GABA（受δH1.90偶合影响）相似[12]，因此MEGA-PRESS序列测量得到的GABA信号中也包含MM信号（GABA+MM：简称GABA+）[13]. 对称谱编辑技术是一种有效抑制MM信号的方法[13]，其基本原理为：将MEGA-PRESS序列中edited-off编辑脉冲中心频率设为δH 1.50，此时GABA δH1.90不被编辑，GABA δH3.02出现回波时间（echo time，TE）调制现象；而MM δH1.70被编辑，由于J耦合作用，MM δH3.00的TE调制现象被抑制；将edited-on编辑脉冲中心频率设置为δH1.90，δH1.70仍被编辑，因此MM δH3.00在edited-on和edited-off时均无TE调制现象，通过做差，即可减去MM的信号，得到GABA δH3.02的信号. 对称谱编辑技术需要高品质的编辑脉冲，编辑脉冲的波形、持续时间等都直接影响采集得到的谱图质量. 当编辑脉冲中心频率为δH 1.50时，若激发带宽过大则会对δH 1.90和δH1.00代谢物进行编辑，从而影响测量结果.
Aufhaus等人[14]采用标准MEGA-PRESS序列与对称谱编辑技术，将TE设置为68 ms，分别测量了未抑制MM的GABA+含量和抑制MM后的GABA含量，发现GABA含量比GABA+含量降低约50%. 在实际应用中，限于硬件条件的原因，为了更好的降低MM信号的影响，需要尽可能提高编辑射频脉冲的频率选择性，即需要增加编辑脉冲的持续时间，这样TE就会变长. 使用长TE的MEGA-PRESS序列测量GABA很普遍[15]，因此探究长TE下MM信号对GABA含量的影响具有重要意义.
在Mikkelsen等人[16]关于去除MM对GABA影响的研究中，将未抑制MM时的编辑脉冲持续时间设置为16 ms，TE设置为68 ms，而使用对称谱编辑技术抑制MM时，编辑脉冲持续时间设置为20 ms，TE增加到80 ms，发现GABA含量比GABA+含量低52%. 其去除MM和未去除MM扫描采用了不同的编辑脉冲持续时间和TE，因此得到的GABA含量与GABA+含量的比值变化中，包含多方面因素的影响，如MM的受抑制程度、不同TE导致的信号衰减、编辑脉冲的频率选择性不同等. 因此，在人脑GABA含量的测量中当使用较长编辑脉冲作用时间（如20 ms）和较长TE（如80 ms）时，MM信号对GABA含量的影响程度还不是很清楚.
本研究在MEGA-PRESS序列的基础上，为了提高编辑脉冲的频率选择性，将编辑脉冲持续时间延长到20 ms，TE延长到80 ms，测量得到GABA+含量；利用对称谱编辑技术原理，使用相同的参数进行MM抑制，测量得到GABA含量. 本研究的目的是探究抑制MM时GABA与未抑制MM时GABA+之间的关系；进而分析长编辑脉冲持续时间和长TE条件下，MM信号对GABA信号的影响程度.
1 材料和方法 1.1 实验对象共招募5名（全部为男性）右利手健康志愿者，平均年龄为（25.0±2.8）岁. 在实验前对5名被试进行常规磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）扫描调查.所有被试均没有神经疾病和精神类疾病，以及这类疾病的药物服药史. 被试在实验前均签署了知情同意书.
1.2 数据采集所有磁共振图像从西门子3 T MRI谱仪（Siemens 3.0 T MAGNETOM Trio Tim）上获得，系统软件版本为syngo MR B17. 使用32通道头部线圈作为信号接收线圈. 高分辨率结构像使用T1加权3D成像序列（magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo，MP-RAGE），其扫描参数为：重复时间（TR）= 2 530 ms，反转恢复时间（TI）= 1 100 ms，TE = 2.45 ms，翻转角（flip angle）= 7˚，视野（FOV）= 210 mm×210 mm，矩阵（matrix）= 256×256，层厚（slice thickness）= 1 mm.
采用在西门子序列集成开发平台（IDEA）上实现的MEGA-PRESS序列[17, 18]得到活体磁共振波谱，扫描方案如下：
（1）TE= 68 ms，编辑脉冲持续时间为14 ms，编辑脉冲中心频率分别设置为 δH 1.90和δH 7.50，两谱相减获得GABA+（TE= 68 ms）含量；
（2）TE= 80 ms，编辑脉冲持续时间为20 ms，编辑脉冲中心频率分别设置为 δH 1.90和δH 1.50，两谱相减获得GABA（TE= 80 ms）含量；
（3）TE= 80 ms，编辑脉冲持续时间为20 ms，编辑脉冲中心频率分别设置为 δH 1.90和δH 7.50，两谱相减获得GABA+（TE= 80 ms）含量.
其余扫描参数相同：TR= 2 000 ms，采样带宽（band width）= 1 200 Hz，重复次数= 256，采样点数= 1 024.MEGA-PRESS扫描前采用CHESS序列进行水抑制[19].
在结构像基础上进行波谱感兴趣容积（volume of interest，VOI）定位，定位在枕叶正中，大小为25×25×25 mm3（如图 1所示）. 对VOI以外的六个区域加饱和带，避免VOI外信号的干扰. 整个数据采集过程中要求志愿者头部及身体均保持不动.
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| 图 1 枕叶磁共振波谱VOI定位图. (a) 矢状位图；(b) 横断位图 Fig. 1 VOI of MRS voxel in the occipital lobe with sagittal (a) and transversal (b) views |
波谱数据的后处理采用jMRUI5.2频谱分析软件包[20]. 首先进行数据预处理，过程如下：将数据采集点数填0至2 048；参照残余水峰对谱进行相位和频率位移校正；使用HLSVD（Hankel lancos singular value decomposition）[21]拟合算法去除残余水峰；对差谱进行洛伦兹滤波，其半高宽为4 Hz；然后采用时域拟合算法AMARES（advanced method for accurate, robust and efficient spectral）[22]对代谢物进行定量分析. 由于氮-天门冬氨酸（N-aspartic acid，NAA）信号在差谱中可以直接获得，并且在人脑中NAA信号较高且稳定，因此本研究所有结果均是以NAA作为参照物的相对定量方式表示. 在AMARES拟合差谱算法中，NAA被拟合为一个反相的洛伦兹峰（相位为180˚），其谱宽为7 Hz，化学位移为δH 2.02，GABA被拟合为两个和NAA谱峰同样谱宽的洛伦兹峰（相位为0˚），其化学位移分别为δH 3.07和δH 2.97 [δH（3.02±0.05）].
采用SPM8软件[23]进行高分辨结构像组织成分分割. 将高分辨结构像分割为灰质图像、白质图像和脑脊液图像. 通过编写C++程序实现组织成分计算，计算每一个VOI中的灰质比例、白质比例和脑脊液比例.
2 结果所有被试枕叶部位波谱图如图 2所示，所有被试均得到高质量谱图. 每名被试枕叶处GABA定量结果见表 1. δH 3.02处GABA+（TE= 68 ms）共振谱峰和GABA+（TE= 80 ms）共振谱峰的面积均大于GABA（TE= 80 ms）共振谱峰的面积.GABA+（TE= 68 ms）测量平均值为0.157±0.028，GABA+（TE= 80 ms）测量平均值为0.132±0.024，GABA（TE= 80 ms）测量平均值为0.096±0.018. GABA（TE= 80 ms）测量值比GABA+（TE= 68 ms）测量值降低约39%，比GABA+（TE= 80 ms）测量值降低约27%，由此可见本方法可有效实现对称谱编辑技术，以抑制大分子. 两组GABA+相比，GABA+（TE= 80 ms）测量值比GABA+（TE= 68 ms）测量值降低约16%.
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| 图 2 所有被试采用MEGA-PRESS序列三次不同扫描参数得到的波谱. Glu（谷氨酸）；Gln（谷氨酰胺） Fig. 2 Individual difference spectra acquired from each subject by MEGA-PRESS sequence with different parameters. Glu (glutamate); Gln (glutamine) |
| MEGA-PRESS | TE/ms | 编辑脉冲持续时间/ms | 编辑脉冲中心频率/10-6 | 相对定量结果 |
| a | 68 | 14 | 1.90/7.50 | 0.157±0.028 (GABA+) |
| b | 80 | 20 | 1.90/1.50 | 0.096±0.018 (GABA) |
| c | 80 | 20 | 1.90/7.50 | 0.132±0.024 (GABA+) |
| *GABA+或GABA谱峰面积相对于NAA谱峰面积的比值 | ||||
所有被试VOI内灰质、白质和脑脊液比例见表 2所示，灰质、白质和脑脊液比例分别为0.597±0.037、0.254±0.031和0.148±0.033. 标准偏差较小，说明每名被试的组织成分比例是接近的.
| 志愿者 | 灰质比例 | 白质比例 | 脑脊液比例 |
| 1 | 0.651 | 0.206 | 0.141 |
| 2 | 0.602 | 0.276 | 0.121 |
| 3 | 0.548 | 0.246 | 0.205 |
| 4 | 0.601 | 0.258 | 0.140 |
| 5 | 0.583 | 0.285 | 0.131 |
| 平均值±标准差 | 0.597±0.037 | 0.254±0.031 | 0.148±0.033 |
标准MEGA-PRESS序列中，编辑脉冲持续时间一般为14～16 ms，TE为68 ms.由于GABA δH 3.02与δH1.90之间偶合常数（J）约为7.5 Hz，当TE=1/2J =68 ms时，理论上可获得GABA δH3.02信号的最大值[24]. 然而，MEGA-PRESS序列测量得到的GABA信号受到组织中MM信号的干扰. 采用对称谱编辑技术抑制MM时，由于编辑脉冲持续时间变长，TE也会变长. 本研究报道了长TE、长编辑脉冲持续时间条件下，采用对称谱编辑技术探究组织中MM信号对GABA测量的影响程度.
编辑脉冲持续时间变长，其激发带宽减小，这样可以提高编辑脉冲的频率选择性，从而获得高质量的GABA谱，而且长编辑脉冲持续时间也有利于实现对称谱编辑技术抑制MM信号. 本研究中将编辑脉冲持续时间由14 ms增加到20 ms，以提高编辑脉冲的频率选择性. 在长编辑脉冲持续时间和长TE条件下，采用对称谱编辑技术，有效抑制了MM信号，发现测量得到GABA含量是GABA+含量的73%.
Aufhaus等人[14]在TE为68 ms和编辑脉冲持续时间为20 ms条件下，测量了人脑前扣带回GABA+含量和对称谱编辑技术抑制MM后的GABA含量，发现测量得到的GABA含量是GABA+含量的50%. 我们的结果比Aufhaus等人的结果偏高，其可能原因主要是由于我们使用了较长的TE. MM的T2较短（约为40 ms），而GABA的T2更长（约为88 ms[25]）. 在长TE条件，MM和GABA信号均会衰减，但MM信号衰减更多，因此相对于短TE条件下，该方法测得的GABA+中GABA含量更高. 另一个可能的原因是，本研究测量的脑区是枕叶，不同脑区MM信号对GABA+的影响可能不同.
比较不抑制MM信号时，长TE（80 ms）和短TE（68 ms）两种情况下GABA+测量值的变化，发现GABA+（TE= 80 ms）比GABA+（TE= 68 ms）减少16%，其主要原因是GABA和MM信号的T2弛豫衰减和编辑脉冲持续时间不同.
采用对称谱编辑技术抑制大分子时，需要编辑脉冲持续时间较长，才能得到较窄的激发带宽，从而提高编辑脉冲的频率选择性. 在edited-off中编辑脉冲中心频率为δH1.50，较窄的编辑脉冲激发带宽，可以减小编辑脉冲对GABA δH1.90处和δH1.00附近脂肪分子的编辑作用，以提高波谱质量. 本研究采用的MEGA-PRESS序列中，由于梯度设计和TE要求，TE= 68 ms时，编辑脉冲持续时间最高为14 ms，要延长编辑脉冲持续时间，只能将TE增大至80 ms时，编辑脉冲持续时间可随之延长至20 ms. 由于TE超过80 ms后，GABA信号会衰减较多[25]，故TE和编辑脉冲持续时间都无法继续增大. 因此本研究使用的MEGE-PRESS序列中，要有效实现对称谱编辑技术抑制大分子，只能将TE增大到80 ms，则编辑脉冲持续时间最大可达20 ms. 编辑脉冲持续时间越长，其频率选择性越好，因此Near等人[26]提出了MEGA-SPECIAL序列，该序列采用SPECIAL进行波谱定位，与MEGE-PRESS相比，在不改变TE（TE = 68 ms）的情况下，可将编辑脉冲持续时间增大到26 ms. 更长的编辑脉冲持续时间，对应更窄的激发带宽，结合对称谱编辑技术，可更好地抑制MM信号，减小脂肪信号对谱质量的影响. 但是MEGA-SPECIAL序列需要四次扫描，两次做差，才能得到GABA信号，被试的头部运动、扫描仪器的不稳定性均会对实验结果产生很大影响，因此该方法还未广泛应用于临床[15].
4 结论综上所述，本研究在MEGA-PRESS序列的基础上采用较长编辑脉冲持续时间和较长TE，提高了编辑脉冲的频率选择性，更好地实现了对称谱编辑技术抑制MM信号，得到的GABA含量相比GABA+含量有一定程度的下降. 对称谱编辑技术抑制MM后的纯GABA含量，可以帮助我们更准确地分析GABA在人脑中的代谢过程，以及GABA含量与各种疾病和功能认知反应之间的相关性.
| [1] | Chen Yao-wen(陈耀文), Shen Zhi-wei(沈智威), Su Ji-wei(宿吉伟) et al . Quantitative measurement of γ-aminobutyric acid concentration in vivo by magnetic resonance spectroscopy:A review(MRS定量检测活体γ-氨基丁酸浓度的研究现状)[J]. Chinese J Magn Reson(波谱学杂志) , 2006, 23 (3) : 409-417 |
| [2] | Whittington M A, Traub R D, Jefferys J G . Synchronized oscillations in interneuron networks driven by metabotropic glutamate receptor activation[J]. Nature , 1995, 373 (6515) : 612-615 DOI:10.1038/373612a0 |
| [3] | Simister R J, Mclean M A, Barker G J et al . Proton MR spectroscopy of metabolite concentrations in temporal lobe epilepsy and effect of temporal lobe resection[J]. Epilepsy Res , 2009, 83 (2) : 168-176 |
| [4] | Bielau H, Steiner J, Mawrin C et al . Dysregulation of GABAergic neurotransmission in mood disorders:a postmortem study[J]. Ann N Y Acad Sci , 2007, 1096 : 157-169 DOI:10.1196/annals.1397.081 |
| [5] | Farzan F, Barr M S, Levinson A J et al . Evidence for gamma inhibition deficits in the dorsolateral prefrontal cortex of patients with schizophrenia[J]. Brain , 2010, 133 (5) : 1505-1514 DOI:10.1093/brain/awq046 |
| [6] | Sumner P, Edden R A, Bompas A et al . More GABA, less distraction:a neurochemical predictor of motor decision speed[J]. Nat Neurosci , 2010, 13 (7) : 825-827 DOI:10.1038/nn.2559 |
| [7] | Puts N A, Edden R A, Evans C J et al . Regionally specific human GABA concentration correlates with tactile discrimination thresholds[J]. J Neurosci , 2011, 31 (46) : 16556-16560 DOI:10.1523/JNEUROSCI.4489-11.2011 |
| [8] | Edden R A, Muthukumaraswamy S D, Freeman T C et al . Orientation discrimination performance is predicted by GABA concentration and gamma oscillation frequency in human primary visual cortex[J]. J Neurosci , 2009, 29 (50) : 15721-15726 DOI:10.1523/JNEUROSCI.4426-09.2009 |
| [9] | Boy F, Evans C J, Edden R A et al . Dorsolateral prefrontal gamma-aminobutyric acid in men predicts individual differences in rash impulsivity[J]. Biol Psychiatry , 2011, 70 (9) : 866-872 DOI:10.1016/j.biopsych.2011.05.030 |
| [10] | Donahue M J, Near J, Blicher J U et al . Baseline GABA concentration and fMRI response[J]. Neuroimage , 2010, 53 (2) : 392-398 DOI:10.1016/j.neuroimage.2010.07.017 |
| [11] | Northoff G, Walter M, Schulte R F et al . GABA concentrations in the human anterior cingulate cortex predict negative BOLD responses in fMRI[J]. Nat Neurosci , 2007, 10 (12) : 1515-1517 DOI:10.1038/nn2001 |
| [12] | Behar K L, Ogino T . Characterization of macromolecule resonances in the 1H NMR spectrum of rat brain[J]. Magn Reson Med , 1993, 30 (1) : 38-44 DOI:10.1002/(ISSN)1522-2594 |
| [13] | Henry P G, Dautry C, Hantraye P et al . Brain GABA editing without macromolecule contamination[J]. Magn Reson Med , 2001, 45 (3) : 517-520 DOI:10.1002/(ISSN)1522-2594 |
| [14] | Aufhaus E, Weber-fahr W, Sack M et al . Absence of changes in GABA concentrations with age and gender in the human anterior cingulate cortex:a MEGA-PRESS study with symmetric editing pulse frequencies for macromolecule suppression[J]. Magn Reson Med , 2013, 69 (2) : 317-320 DOI:10.1002/mrm.24257 |
| [15] | Edden R A, Puts N A, Barker P B . Macromolecule-suppressed GABA-edited magnetic resonance spectroscopy at 3 T[J]. Magn Reson Med , 2012, 68 (3) : 657-661 DOI:10.1002/mrm.v68.3 |
| [16] | Mikkelsen M, Singh K D, Sumner P et al . Comparison of the repeatability of GABA-edited magnetic resonance spectroscopy with and without macromolecule suppression[J]. Magn Reson Med , 2016, 75 (3) : 946-953 DOI:10.1002/mrm.v75.3 |
| [17] | Chen Lu-guang(陈录广), Li Jian-qi(李建奇), Wang Qian-feng(王前锋) . Detection of GABA in human brain on clinical 3 T MRI scanner(人脑GABA测量在临床3 T磁共振成像系统上的实现)[J]. Chinese J Magn Reson(波谱学杂志) , 2013, 30 (3) : 345-353 |
| [18] | Mescher M, Merkle H, Kirsch J et al . Simultaneous in vivo spectral editing and water suppression[J]. NMR Biomed , 1998, 11 (6) : 266-272 DOI:10.1002/(ISSN)1099-1492 |
| [19] | Harris A D, Puts N A, Edden R A . Tissue correction for GABA-edited MRS:Considerations of voxel composition, tissue segmentation, and tissue relaxations[J]. J Magn Reson Imaging , 2015, 42 (5) : 1431-1440 DOI:10.1002/jmri.v42.5 |
| [20] | Mandal P K . In vivo proton magnetic resonance spectroscopic signal processing for the absolute quantitation of brain metabolites[J]. Eur J Radiol , 2012, 81 (4) : 653-664 DOI:10.1016/j.ejrad.2011.03.076 |
| [21] | Cabanes E, Confort-Gouny S, Le F Y et al . Optimization of residual water signal removal by HLSVD on simulated short echo time proton MR spectra of the human brain[J]. J Magn Reson , 2001, 150 (2) : 116-125 DOI:10.1006/jmre.2001.2318 |
| [22] | Vanhamme L, van Den Boogaart A, van Huffel S . Improved method for accurate and efficient quantification of MRS data with use of prior knowledge[J]. J Magn Reson , 1997, 129 (1) : 35-43 DOI:10.1006/jmre.1997.1244 |
| [23] | Ashburner J, Friston K J . Unified segmentation[J]. Neuroimage , 2005, 26 (3) : 839-851 DOI:10.1016/j.neuroimage.2005.02.018 |
| [24] | Rothman D L, Petroff O A, Behar K L et al . Localized 1H NMR measurements of gamma-aminobutyric acid in human brain in vivo[J]. Proc Natl Acad Sci U S A , 1993, 90 (12) : 5662-5666 DOI:10.1073/pnas.90.12.5662 |
| [25] | Edden R A, Intrapiromkul J, Zhu H et al . Measuring T2 in vivo with J-difference editing:application to GABA at 3 tesla[J]. J Magn Reson Imaging , 2012, 35 (1) : 229-234 DOI:10.1002/jmri.v35.1 |
| [26] | Near J, Simpson R, Cowen P et al . Efficient gamma-aminobutyric acid editing at 3 T without macromolecule contamination:MEGA-SPECIAL[J]. NMR Biomed , 2011, 24 (10) : 1277-1285 DOI:10.1002/nbm.1688 |
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