静息状态下自发性脑血管反应性的年龄差异 - 心脑血管

摘要

脑血流量(CBF)和脑血管反应性(CVR)的不足可能表明易受血管功能障碍和认知障碍的影响。关于CVR年龄相关变化的先前研究结果不一，迄今为止尚无研究调查静息状态下自发性CVR(sCVR)的年龄组差异。本研究比较了24名健康年轻成人(18–34岁)和163名认知功能未受损的老年成人(55–87岁)在静息状态下的全脑和区域sCVR。与年轻人相比，老年人在静息状态下的全脑和区域sCVR均存在不足。在所检查的区域中，内侧颞叶区域在静息状态下的sCVR显示出最大的年龄差异。sCVR和CBF变异性方面的年龄差异大于平均CBF方面的年龄差异。结果表明，即使在认知功能未受损的老年人中也存在与年龄相关的sCVR不足，这表明sCVR可能是脑血管衰老的指标。进一步研究应调查sCVR作为早期检测可能先于不可逆血管性脑损伤的年龄相关血管功能障碍的方法。

引言

脑血管健康对维持整个生命周期的认知功能至关重要，因为血管功能障碍已与年龄相关的认知衰退、神经退行性疾病和痴呆相关联。除大血管疾病外，以血脑屏障通透性、脑灌注和脑血管反应性(CVR)不足为特征的脑微血管功能障碍可能在认知障碍中起关键作用。CVR反映了脑血管在稳态或实验诱导的CO₂变化下调节血流的能力。大多数研究集中于通过气体吸入或呼吸范式等方法实验操控CO₂水平的CVR反应。然而，脑血流量(CBF)也会在静息状态下对终末潮气CO₂水平的自发变化做出反应。虽然自发性血压波动也可以通过自主调节机制影响CBF，但先前研究表明，在静息和正常血压条件下，自发的BOLD/CBF波动与终末潮气CO₂变化的关联比与血压的关联更强。因此，自发性CVR(sCVR)反应通常被解释为反映CO₂驱动的波动，可以使用灌注或血氧水平依赖(BOLD)信号结合二氧化碳监测来测量。迄今为止的研究表明，静息状态方法可能提供与实验诱导CVR相似的结果。例如，我们团队最近的研究表明，与认知功能正常的老年人相比，有记忆缺陷的老年人在内侧颞叶区域的实验诱导CVR反应和静息状态下的sCVR均存在不足。进一步研究sCVR是必要的，因为其相对容易获取的特性可能为评估临床环境中难以或无法进行实验诱导CVR的情况提供机会。

尽管有这些一致的发现，其他研究认为sCVR和实验诱导的CVR在生理上可能是不同的。例如，一项比较使用BOLD fMRI在静息状态下sCVR的动态变化与诱导高碳酸血症的研究发现，脑血管对较小的CO₂自发波动与较大的诱导变化的反应存在显著差异。实验诱导CO₂水平变化的CVR反应可能量化血管储备、内皮功能和血管舒张障碍，而静息状态下的sCVR反应可能还反映了脑自主调节和自主控制自然变异性的变化。现有的sCVR研究几乎都使用静息态BOLD fMRI来获取和计算CVR值。伪连续动脉自旋标记(pCASL)-MRI的灌注成像研究较少，但提供了更定量和直接测量组织灌注的优势。本研究的目的是使用pCASL MRI测量sCVR。

在我们使用pCASL-MRI对老年人进行的sCVR初步研究中，我们报告了内侧颞叶sCVR不足与记忆障碍之间的关联。然而，衰老本身对静息状态下sCVR的影响在很大程度上仍未得到探索。实验诱导CVR的研究结果不一，一些研究表明即使在认知功能正常的老年人中也能检测到CVR反应的不足，而其他使用经颅多普勒超声的研究发现老年人的大血管CVR反应增加。迄今为止，尚无研究使用CBF的pCASL量化来调查年轻和老年成人之间sCVR的差异。本研究旨在通过比较健康年轻成人和认知功能正常的老年人之间的全脑和区域pCASL-MRI静息状态下sCVR来填补这一空白。基于先前比较实验诱导高碳酸血症的CVR反应的研究，我们假设与健康年轻成人相比，认知功能正常的老年人的全局和区域sCVR都将减弱。

材料和方法

参与者

总共招募了170名老年成人(55–89岁)和28名年轻成人(19–34岁)，他们来自洛杉矶县和橙县社区，通过南加州大学(USC)Leonard Davis老年学学院和加州大学欧文分校(UCI)阿尔茨海默病研究中心组织的外展活动、邮件列表、口口相传、在线门户和其他社区外展方式招募。所有程序作为USC和UCI的血管衰老与认知(VaSC)研究的一部分进行。所有参与者在招募时均独立生活。研究排除标准包括先前诊断为痴呆、临床中风史、显性遗传性神经退行性疾病家族史、可能影响认知功能的当前神经或主要精神疾病、中度至重度创伤性脑损伤史、可能损害中枢神经系统的药物使用(即抗胆碱能药物、苯二氮卓类药物、巴比妥类药物等)、可能影响气体交换的肺部疾病、当前器官衰竭或其他不受控制的全身性疾病，以及脑MRI的禁忌症。通过与参与者和可用时的信息提供者进行临床访谈和当前药物审查来验证研究资格。此外，在MRI采集后，由董事会认证的神经放射学家对每位参与者的T2加权扫描进行筛查，以检查任何偶然发现，包括静默性梗塞。样本中的参与者均无任何静默性梗塞或其他排除性异常的证据。

神经心理学筛查

老年成人参与者接受由训练有素的技术人员或在持证临床神经心理学家监督下的博士生进行的全面神经心理学评估，以筛查认知障碍，包括全球认知、记忆、注意力/执行功能和语言测试。测试结果由盲法神经心理学家(DAN)审查，符合Bondi/Jak神经心理学标准的认知障碍者被识别。我们先前报告了认知障碍老年人与认知功能正常老年人相比静息状态下sCVR的不足。因此，符合认知障碍标准的老年成人参与者(n = 34)被排除在本研究之外。

神经成像和脑灌注

所有参与者在3T西门子MAGNETOM Prisma系统扫描仪上完成脑MRI。在两个地点，采集方向均为前至后。本研究分析了以下序列：用于脑结构和异常定性评估的3D T1加权解剖扫描(扫描参数：TR = 2300 ms；TE = 2.98 ms；TI = 900 ms；翻转角度 = 9度；FOV = 256 mm；分辨率 = 1.0 × 1.0 × 1.2 mm³；扫描时间 = 9分钟)，以及用于CBF定量的3D梯度和自旋回波(GRASE)pCASL。pCASL的扫描参数如下：TR = 5000 ms；南加州大学的TE = 36.3 ms；加州大学欧文分校的TE = 37.46 ms；FOV = 240 mm；分辨率 = 2.5 × 2.5 × 3.4 mm³；切片厚度 = 3.42 mm；切片数 = 24；标记持续时间 = 1517 ms；标记后延迟 = 2000 ms。总共有32次采集(1个M0图像 + 1个虚拟图像 + 30个交替标记和控制图像)，总扫描时间为5分25秒，产生15对标记-控制图像。

使用ASLtbx流程在MATLAB中的SPM12内应用先前报告的方法对pCASL图像进行预处理。pCASL扫描的预处理步骤包括运动校正、与参与者个体结构T1加权图像的共配准、使用6 mm半高全宽高斯核进行空间平滑、掩蔽以去除背景，以及标记-控制减法，为每位参与者生成15对标记-控制图像，具有绝对CBF值(每100克组织每分钟毫升)。所有CBF图像被阈值化，低于10或高于150 mL/100 g/min，以排除灰质预期生理范围之外的CBF。这些CBF量化图在T1空间中生成。然后将标记-控制对扭曲到2 mm MNI空间并取平均值，为每位参与者创建平均CBF图。对生成的平均CBF图进行视觉检查，以检查质量和明显异常(例如，大信号丢失)。通过应用从T1加权结构图像的灰质组织类分割导出的参与者特定灰质掩模进行部分体积校正。分割的灰质图在0.3处阈值化，二值化，扭曲到2 mm MNI空间，并与平均CBF图相乘，使CBF仅限于灰质。

使用连接到参与者呼吸的鼻导管的M3015A旁流CO₂扩展模块(飞利浦医疗系统)的二氧化碳监测在MRI采集期间索引ETCO₂。为校正采样管延迟，ETCO₂时间序列通过预校准的持续时间(即本研究为10秒)进行移位。该时间移位在各个地点保持一致。对于基线pCASL扫描，ETCO₂根据呼吸率从原始时间序列中提取(即在每次呼气时)。向参与者提供口头和视觉指示："保持眼睛睁开并保持清醒。按正常方式呼吸。仅通过鼻子呼吸。尽可能保持静止"。如果参与者未能遵守呼吸指示(例如，原始数据中缺乏正峰表明参与者可能通过嘴呼吸)或值超出预期生理范围(负值)，则将其从分析中排除。

CVR图

静息状态下自发性CVR在文献中被以不同方式量化。为与我们团队和他人的先前研究保持一致，CVR被概念化为每单位ETCO₂变化的CBF百分比变化。具体计算方法已在先前研究中概述。在本研究中，使用静息状态CBF与同时进行的二氧化碳监测，通过以下等式(1)在每个体素中计算参与者的个体CVR图：

$$CVR (\%\Delta CBF变化/\Delta mmHg)=\frac{100 X ({CBF}_{最大值}-{CBF}_{最小值})/{CBF}_{最小值}}{{ETCO}_{2最大值}-{ETCO}_{2最小值}}$$

图1提供了此方法的视觉概述。基于先前研究和我们的假设，提取了我们感兴趣区域的全脑和区域平均CVR值。使用自动解剖标记图谱3提取区域平均CVR图和值。内侧颞叶区域使用Wake Forest大学的Pickatlas连接，包括Brodmann区域27(喙部海马旁回)、28(腹侧内嗅皮层)、34(背侧内嗅皮层)以及35和36(外嗅皮层)(见表1中检查的所有区域)。

表1 参与者人口统计学

图1

sCVR映射方法：通过取整个扫描时间的静息状态灌注值的CBF百分比变化并除以二氧化碳监测中ETCO₂的单位变化来计算CVR。创建sCVR图并提取全脑和区域值。显示了来自年轻成人(25岁)和老年成人(75岁)的代表性sCVR图

血管风险因素和血压

通过与参与者和知情信息提供者(如可用)的临床访谈评估老年参与者的血管风险因素(VRF)负担，包括心血管疾病史(心力衰竭、心绞痛、支架置入、冠状动脉旁路移植、间歇性跛行)、高血压、高脂血症、2型糖尿病、吸烟、心房颤动以及短暂性脑缺血发作或轻微中风。总VRF负担定义为这些风险因素的总和，然后基于先前研究分为较低与较高负担(0-1 vs. 2+ VRFs)。此外，在扫描前使用TeslaDUO MRI患者监护仪收集参与者的仰卧位血压测量值。这些数据用于敏感性分析。

簇大小

对于本研究中提出的基于体素的分析，Ke表示簇范围，表示为通过统计阈值的连续体素数量。该指标反映了显著效应的空间范围，并与峰值坐标和统计值一起报告，以描述观察到的簇的稳健性和分布。

数据可用性

支持本研究发现的数据可根据相应作者提出的合理请求获得，条件符合数据可用性政策和声明中概述的条件。

统计分析

数据经过异常值筛选，如果参与者大于均值+/− 3 SD，则将其移除。在CVR质量控制过程中，总共排除了四名年轻成人和七名老年成人(图2)。使用SPSS(版本29.0.1.1)和R(版本4.3.3)进行分析。使用协方差分析(ANCOVA)检查每个感兴趣区域(ROI)的年龄比较，调整性别。还使用ANCOVA对全脑CBF和CBF变异性进行年龄比较，调整性别。还评估了控制平均CBF的额外模型。除了ROI分析外，还使用SPM12进行体素分析，以无偏评估老年和年轻成人之间sCVR的区域差异。这些分析采用ANCOVA模型，年龄组作为受试者间因素，性别作为协变量。统计图在体素水平阈值为p < 0.001(未经校正)，簇水平家族wise误差(FWE)校正在p < 0.001，以控制多重比较。

图2

参与者流程图

进行了敏感性分析，使用ANCOVA确定结果是否受到老年样本中一些高VRF负担的影响。为了解决这个问题，通过比较VRF负担较低(n = 87)的老年成人较小样本(0-1个风险因素)与年轻成人组来确认所有发现。为解决老年和年轻成人之间样本量不匹配的问题，还通过比较与年轻成人组性别匹配且样本量匹配的老年成人组来确认所有发现。最后，为了解决血压对sCVR的潜在影响，在可以获得平均动脉压(MAP)的年轻(n = 18)和老年(n = 107)成人子集中进行了敏感性分析。

使用错误发现率(FDR)校正来考虑多重比较。

结果

在研究排除后，总共研究了129名老年(平均年龄 = 70.0，SD = 7.7，68.2%女性)和24名年轻成人(平均年龄 = 22.5，SD = 2.4，83.3%女性)，并根据人口统计学(表1)和全脑及区域sCVR数据进行特征描述以进行统计分析。

与年轻成人相比，老年成人表现出显著降低的全脑sCVR(老年成人平均值 = 21.06，SD = 11.08，年轻成人平均值 = 45.83，SD = 33.61，F = 44.76，p = 0.0000000042；老年相对于年轻成人sCVR降低54.05%)。

ROI分析

与年轻成人相比，老年成人在所研究的所有区域中表现出显著较低的sCVR(表2)，除了丘脑显示出相对于年轻成人较低水平的非显著趋势(p = 0.06)。在区域sCVR的显著年龄差异中，内侧颞叶区域显示出最大的效应量(*η*p²范围 = 0.221–0.246；老年相对于年轻成人sCVR降低55.17%至60.78%)，包括内嗅皮层和海马旁皮层。在控制平均CBF的模型中，年龄差异仍然显著，海马旁回具有最大的效应量(ηp² = 0.149)(见补充表1)。所有ROI分析均包含FDR校正。所有统计显著发现都通过了FDR校正。

表2 控制性别的年轻成人和老年成人静息状态平均区域sCVR值比较

年轻和老年成人静息状态全脑sCVR图的视觉比较与这些统计结果一致，表明老年成人相对于年轻成人的sCVR反应减弱(图3)。

图3

显示年轻成人和老年成人组之间视觉比较的全脑灰质平均sCVR图

CBF和CBF变异性

还调查了全脑CBF的年龄差异，表明与年轻成人相比，老年成人的静息CBF显著较低(老年成人平均值 = 49.22，SD = 7.47，年轻成人平均值 = 63.70，SD = 16.57，F = 49.52，p = 0.000000000057；老年相对于年轻成人CBF降低22.73%)。老年成人还显示出显著较低的CBF变异性(通过5分钟pCASL-MRI期间的最大值减去最小值测量)，与年轻成人相比(老年成人平均值 = 20.40，SD = 7.66，年轻成人平均值 = 36.35，SD = 11.74，F = 78.37，p = 0.0000000000000017；老年相对于年轻成人CBF变异性降低62.45%)。当控制平均CBF时，结果保持显著(老年成人平均值 = 20.40，SD = 7.66，年轻成人平均值 = 36.35，SD = 11.74，F = 43.12，p = 0.00000000072；老年相对于年轻成人CBF变异性降低62.45%)。

基于体素的形态学分析

VBM ANCOVA显示，与年轻成人相比，老年成人在12个不同簇中表现出显著的区域sCVR不足。这些簇包括左侧内侧前额叶皮层、双侧前扣带回、双侧前岛叶、双侧后岛叶、双侧顶叶和中央岛盖、双侧楔前叶、右侧距状皮层、右侧楔叶、右侧下和中枕叶、双侧横颞回、左侧上颞回、双侧planum polare、右侧海马、右侧壳核和右侧丘脑区域。这些关系在家族wise误差校正后在p = 0.001时保持显著。VBM结果如图4和表3所示。

图4

基于体素的形态学结果

表3 基于体素的形态学结果

从VBM分析导出的组级体素统计参数图，显示老年成人与年轻成人相比sCVR降低。确定了12个静态显著簇，围绕包括左侧内侧前额叶皮层、双侧前扣带回、双侧前岛叶、双侧后岛叶、双侧顶叶和中央岛盖、双侧楔前叶、右侧距状皮层、右侧楔叶、右侧下和中枕叶、双侧横颞回、左侧上颞回、双侧planum polare、右侧海马、右侧壳核和右侧丘脑在内的区域。

显示未校正p值、家族wise误差(FWE)p值、错误发现率(FDR)校正q值和簇大小(体素中的*k*E)的簇级统计，以及t统计颜色条，其中较高的t统计表示老年成人与年轻成人相比sCVR差异更大，较浅的颜色表示更大的降低。每个轴向切片沿y轴的蒙特利尔神经学研究所(MNI)坐标。

敏感性分析

利用VRF负担较低的老年成人较小队列进行了敏感性分析。

与年轻成人相比，推论统计揭示了与更广泛分析相似的结果，识别出老年成人在全脑和区域sCVR方面的降低。值得注意的是，虽然许多区域在老年成人中表现出减弱的sCVR，但效应量在包括内嗅皮层和海马旁回在内的内侧颞叶区域最大(补充表2)。使用与年轻成人队列在性别和样本量上匹配的老年成人较小队列进行了额外的敏感性分析，以确定不平衡样本量的潜在影响(补充表3)。推论统计显示与主要分析一致的结果，识别出老年成人与年轻成人相比在全脑和区域sCVR方面的不足。几乎所有脑区域都显示出大的效应量，其中楔前叶和杏仁核最大。最后，为了考虑血压对sCVR的潜在影响，在可以获得MAP的参与者子集中进行了控制MAP、VRF负担和性别的敏感性分析(补充表4)。推论统计显示与主要分析一致的结果。虽然一些区域减弱，但全脑、内侧颞叶区域和楔前叶仍然具有大的效应量且显著。

讨论

本研究首次通过直接比较年轻和老年成人静息状态下的sCVR反应来调查年龄组差异。该研究发现，与健康年轻成人相比，认知功能未受损的老年成人在全脑和几乎所有检查的区域中表现出减弱的静息状态sCVR，独立于平均CBF。这些发现与先前报道的与年轻成人相比，老年成人对实验诱导的高碳酸血症和低碳酸血症条件下CVR反应的不足一致。重要的是，这些结果强调了脑血管功能的年龄相关不足在静息状态下血流和CO₂的自发波动中显而易见，突显了它们在自然条件下对脑健康的潜在重要性。我们团队和他人的先前研究已经表明，与血管脑损伤和认知障碍较少且无认知障碍的老年成人相比，有血管脑损伤和认知障碍的老年成人的sCVR和实验诱导CVR反应均存在不足。在本研究中，我们观察到认知功能未受损的老年成人相对于年轻成人的sCVR不足，这一发现在VRF负担低(0至1个风险因素)的老年成人子样本中仍然显著。这些发现表明，静息状态下的sCVR可能作为老年人血管功能障碍的早期指标具有潜在效用，这种功能障碍可能先于不可逆的血管性脑损伤和认知障碍。需要进一步的纵向研究来确定静息状态下的sCVR不足是否预示着未来的血管性脑损伤和认知衰退。

ROI分析的结果强调了在几乎所有检查的皮层、皮下和边缘区域中静息状态sCVR的广泛年龄组差异。这与先前关于实验诱导CVR年龄组差异的研究一致，这些研究也发现了广泛的差异，而其他研究的结果表明额叶和颞叶区域可能是CVR反应最早显示下降的区域。本研究中观察到的最大效应量在主要和敏感性分析中的内侧颞叶内，这与我们先前关于实验诱导CVR年龄差异的研究结果一致。我们还观察到，与认知功能正常的老年人相比，认知功能障碍的老年人在内侧颞叶区域的sCVR和实验诱导CVR反应存在不足。另一项最近的研究还发现，血管性痴呆、阿尔茨海默病和中风后个体的海马周细胞减少。结合本研究的结果，这些发现可能表明内侧颞叶区域对脑血管功能障碍的年龄相关脆弱性，对老年人记忆障碍的发展具有重大影响。

此处我们还报告，与年轻成人相比，认知功能未受损的老年成人在静息状态下表现出降低的全脑CBF和CBF变异性。在控制平均CBF的模型中，组间CBF变异性的差异也显著，表明在老年成人中，静息状态下CBF的自发波动减少独立于仅静息平均CBF的差异。这表明，即使在血管风险低且无认知障碍的相对健康的老年成人中，也观察到基线CBF和CBF自然波动的降低，可能表明可能导致年龄相关血管性脑损伤风险的早期微血管变化。值得注意的是，CBF变异性与sCVR的年龄组差异比平均CBF的差异更为显著，这表明CBF变异性与sCVR可能是年龄相关脑血管功能变化更敏感的测量指标。

值得注意的是，基于体素分析，我们观察到右半球的sCVR减少比左半球更为明显。这一发现与先前文献一致，表明右半球对年龄相关的结构和功能衰退更为脆弱。这些侧化效应可能表明血管或代谢衰老的不对称性，并强调了在解释年龄相关的脑血管变化时考虑半球差异的重要性。此外，在我们的老年成人队列中，惯用手数据显示大多数人是右撇子(见表1)。年轻成人的惯用手数据不可用。鉴于右撇子占主导地位，观察到的右半球sCVR减少不太可能仅由惯用手解释，而可能反映了脑血管衰老中更广泛的右半球脆弱性，与先前报告一致。然而，目前关于脑血管反应性本身的侧化或衰老过程中更广泛的血管不对称模式知之甚少。未来研究应调查CVR反应的侧向性，它们如何随年龄变化，以及它们是否对年龄相关的脑脆弱性或弹性产生有意义的贡献。

此外，结合最近将静息状态下sCVR不足与认知障碍联系起来的研究结果，这些结果强调了测量静息状态下sCVR的潜在效用，部分原因在于与使用气体给药或呼吸范式操纵血液和脑脊液CO₂水平的其他方法相比，其相对简单性和耐受性。本研究的一个关键优势是使用ETCO₂计算sCVR。需要进一步研究来比较测量和量化CVR的方法，以更好地理解各种静息状态sCVR方法的相对优势和劣势。

本研究的一些局限性包括横断面设计和样本中相对缺乏多样性。此外，虽然本研究的一个优势是它比较了两个不同年龄组的sCVR，但年轻成人队列的样本量相对较低，这些组并不涵盖整个生命周期；因此，研究结果可能无法捕捉其他年龄组或整个生命周期中CVR反应的差异，因为一些文献表明CVR反应的下降始于中年并且最为迅速。有必要对静息状态下的sCVR进行未来纵向研究，以更好地了解其在整个生命周期中的变化情况。本研究也仅评估了灰质中的CBF和sCVR，因为当前序列未优化以捕获白质CBF。虽然使用pCASL MRI是一个优势，因为它是对脑灌注的直接定量测量，但由于pCASL图像的时间分辨率较低，我们在处理ETCO₂的方法中无法对ETCO₂数据进行时间移位或调整从肺到脑的血液传输时间。最后，虽然sCVR反应主要被解释为反映终末潮气CO₂的波动，但重要的是要注意血压变异性以及自发性神经活动(通过神经血管耦合)也对静息状态CBF变化有贡献，因此sCVR可能反映了这些因素的综合影响。未来研究应结合终末潮气CO₂、动脉血压和神经活动的同时测量，以区分它们对sCVR的相对贡献，并更好地表征静息状态CBF波动背后的血管和神经机制的相互作用。

结论

我们的研究结果表明，与年轻成人相比，认知功能未受损的老年成人在静息状态下表现出sCVR不足。这些不足在全脑sCVR反应和几乎所有检查的区域sCVR中均被发现。与年轻成人相比，老年成人表现出较低的静息全脑CBF和CBF变异性。这些结果表明，即使在没有低碳酸血症或高碳酸血症挑战的情况下，衰老可能对血管应对生理需求的能力产生不成比例的影响。sCVR反应捕获与衰老相关的微血管变化的能力可能具有重要价值，因为与气体给药或指导呼吸相比，这种静息状态方法相对简单且耐受性好。综上所述，这些结果强调，静息状态下的sCVR反应方法可能指示衰老个体中早期微血管功能障碍，同时也表明sCVR变化随着年龄增长而发生，即使在没有并发血管风险或认知衰退的情况下。