本篇文献发表在Journal of Neurology杂志。所发布内容旨在与大家分享学术新知促进交流学习版权归原作者或原出处所有感谢各位学者的辛勤付出与研究成果。1.引言遗传性痉挛性截瘫HSP指一组异质性神经退行性疾病以下肢进行性痉挛和无力为主要特征。由于广泛的遗传和表型变异性HSP可根据是否合并额外临床体征和症状分为单纯型和复杂型合并症状包括癫痫、共济失调、锥体外系特征、认知损害、周围神经病变及自主神经功能障碍。在单纯型中痉挛性截瘫4型SPG4亦称SPAST-HSP最为常见由编码spastin蛋白的SPAST基因致病性变异所致。尽管SPG4的病理生理基础被认为主要反映脊髓皮质脊髓束CST的结构变性其次为背柱薄束及脊髓小脑束的变性但日益增多的神经影像证据表明在SPG4等HSP单纯型变体中亦存在脑结构和功能改变。此外神经病理学研究一致证实SPG4患者初级运动皮层第V层Betz细胞丢失。总体而言这些发现为解释SPG4中下肢特异性受累的病理生理机制开辟了新的可能。既往结构MRI研究报道了HSP患者灰质GM体积减少及广泛白质WM微结构异常。更具体而言HSP神经影像研究已证实皮层厚度及皮层下结构包括丘脑和基底节感觉运动区体积的结构性改变。然而既往研究的临床队列规模较小且最重要的是临床和遗传上具有异质性。该领域的进一步进展需要更大规模且遗传同质的单纯型HSP如SPG4患者队列进行更系统的神经影像研究以探讨可能的灰质和白质结构改变。此外迄今为止尚无神经影像研究通过在大规模且经基因证实的SPG4患者队列中考察皮层、皮层下、小脑及脊髓体积的结构变化以及白质束即皮质脊髓束-CST和丘脑皮层束-TCT的完整性来探讨导致下肢特异性受累的病理生理机制。在此研究中为深入探讨SPG4的病理生理基础评估了参与运动控制的皮层初级运动区、皮层下、丘脑及小脑结构的结构特性以及脊髓完整性。此外使用概率性纤维束成像检查了皮质脊髓束和丘脑-皮层连接的结构特征特别针对上肢和下肢分别考察了不同的皮质脊髓纤维束以及连接感觉运动丘脑区与相应初级运动皮层的丘脑皮层束。最后评估了疾病严重程度与上下肢运动通路地形相关MRI指标之间可能的临床-放射学关联。2.方法受试者所有患者及健康对照均招募自意大利罗马大学人体神经科学系及罗马阿戈斯蒂诺·杰梅利大学综合医院神经内科。此研究纳入经分子诊断的SPAST-HSP患者及年龄、性别匹配且与患者无血缘关系的健康志愿者对照组。所有受试者排除标准如下i其他神经系统、精神或系统性疾病ii物质滥用iiiMRI禁忌症ivMRI检查发现伴有相关局灶性或弥漫性脑损伤征象。此研究遵循罗马大学翁贝托一世综合医院伦理委员会伦理准则编号5659/26.03.2020及赫尔辛基宣言进行。经伦理委员会批准后获得所有受试者书面知情同意。遗传学检查遗传学检查从患者队列采集的外周血样本中分离基因组DNA采用QIAamp DNA Blood Mini Kit-QIAGEN程序。使用靶向测序和Sanger测序检测SPAST基因点突变。采用多重连接依赖性探针扩增MLPA技术识别大片段的缺失和/或重复。此研究队列中发现了多种遗传变异度较高的SPAST基因变异。更具体而言在一个包含八名旁系成员的大型家族及两名独立患者中鉴定出非经典剪接位点内含子点变异即NM_014946.4(SPAST):c.1537-8 T G。此外在一个有三名同胞的家族中鉴定出剪接供体变异NM_014946.4(SPAST):c.1245 1G A。另外在两名独立先证者分别为NM_014946.4(SPAST):c.1472 AG和NM_014946.4(SPAST):c.131 CT、一个有四名成员的家族即NM_014946.4(SPAST):c.1378 CT及三名独立患者即NM_014946.4(SPAST):c.1304 CT中分别鉴定出四种不同的错义突变。相反在两个独立家族中报告了无义SPAST变异分别包含两名成员即NM_014946.4(SPAST):c.1741 CT和三名成员即NM_014946.4(SPAST):c.1291 CT。此外在三名独立受试者中分别收集到三种不同的SPAST重复即NM_014946.4(SPAST):c.1340 dupSPAST:ex5-6 dupNM_014946.4(SPAST):c.924 dup以及五种特定缺失其中三种发现于独立患者即SPAST:ex1 del、SPAST:del444G和SPAST:c.322_334 delGTGCCGGGCGGCG一种鉴定于两名同胞及一个有五名成员的家族即NM_014946.4(SPAST):c.1215_1219 del。最后在两名独立患者中揭示出两种进一步的点突变即SPAST:c.683_2 AG和SPAST:c.564GT。临床与神经心理学评估疾病严重程度采用神经系统检查、痉挛性截瘫评定量表SPRS及改良Ashworth量表MAS进行评估。此外认知功能及日常生活活动能力分别采用简易精神状态检查MMSE和巴氏指数BI进行评分。MRI数据采集图像使用3-特斯拉3 T扫描仪Siemens Magnetom Verio及专为并行成像GRAPPA设计的12通道头线圈采集。采集序列如下l 高分辨率3DT1加权T1-3D磁化准备快速梯度回波MPRAGE序列重复时间TR 2,400 ms回波时间TE 2.12 ms反转时间TI 1000 ms翻转角 8°视野FOV 256 mm矩阵 256×256176层矢状位层厚1-mm无间隔l 弥散张量成像DTI单次激发、平面回波、自旋回波序列包含10个间隔的b 0b0容积及64个梯度方向TR 4,600 msTE 78 ms多频带加速因子 2单极弥散方案FOV 192 mm矩阵 96×96b 1,000 s/mm²72层连续轴位层厚2-mml 双回波快速自旋回波、质子密度PD和T2加权图像TR 3,320 msTE1 10 msTE2 103 msFOV 220 mm矩阵 384×38425层轴位层厚4-mm30%间隔l 高分辨率3D液体衰减反转恢复FLAIR序列TR 6,000 msTE 395 msTI 2100 msFOV 256 mm矩阵 256×256176层矢状位层厚1-mm无间隔。两名资深放射科医师PP和EG分别拥有超过20年和10年经验审阅所有MRI评估T2和T2 FLAIRDTI概率性纤维追踪及网络构建WMH的存在并根据四阶段Fazekas视觉评定量表Fazekas 0–1 无至轻度WMHFazekas 2 中度WMHFazekas 3 重度WMH进行视觉评分。Fazekas评分≥2的患者被视为存在相关局灶性白质损伤因此不纳入研究以避免广泛WMH对纤维束成像可靠性的潜在混杂影响。MRI分析数据预处理解剖预处理使用fMRIPrep 23.0.2RRID:SCR_016216进行该工具基于Nipype 1.8.6RRID:SCR_002502。弥散数据使用不同的FDT工具FMRIB弥散工具箱属于FSLFMRIB软件库v.6.0.4http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/的一部分进行预处理。解剖及弥散预处理描述详见补充材料。皮层厚度与灰质体积经集成于fMRIPrep流程中的FreeSurfer版本7.3.2预处理后提取左右半球全局皮层厚度以及从Brainnetome图谱https://atlas.brainnetome.org/download.html选取的初级运动皮层感兴趣区ROIs的平均皮层厚度左右侧M1上肢区A4ul4区和下肢区A4ll4区。提取总灰质GM和白质WM体积以及上述皮层ROIs的GM体积并使用总颅内体积TIV进行标准化TIV亦直接由FreeSurfer获取。基底节与丘脑体积测定左右壳核、尾状核、苍白球及丘脑体积直接从FreeSurfer最终输出中提取。感觉运动丘脑核团前腹外侧核-VLa和后腹外侧核-VLp的体积亦采用多图谱分割技术THOMAS-丘脑优化多图谱分割在个体结构空间中获得。所有皮层下体积均使用TIV进行头围标准化并用于后续统计分析。小脑体积测定小脑体积使用在SPM12http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm中实现的空间无偏幕下模板工具箱SUIT3.4版http://www.diedrichsenlab.org/imaging.suit.htm进行计算。使用SUIT执行以下步骤1从T1-3D解剖图像中提取每位受试者的小脑2使用仿射变换矩阵和非线性流场将分离出的小脑标准化至SUIT图谱模板空间3对小脑进行重切片以保留SUIT图谱模板空间中小脑小叶的体积。最后将获得的SUIT图谱重新对齐回受试者原生空间。对每位受试者的28个小脑小叶进行分割获取全小脑体积、前部小叶I-V之和和后部小叶VI-X之和小脑及小脑蚓部体积的测量值然后使用TIV进行头围标准化并用于后续统计分析。脊髓面积脊髓分割使用脊髓工具箱SCT5.4版中的deepseg算法进行。该方法首先使用支持向量机结合方向梯度直方图算法称为OptiC方法寻找脊髓SC中心线随后围绕中心线裁剪并使用2D核的卷积神经网络进行分割。分割后使用SCT的sct_label_vertebrae工具进行椎体标记。简言之使用OptiC算法识别C2-C3椎间盘然后通过SC拉直及随后的模板匹配使用PAM50模板找到其他椎间盘。椎间盘识别后上述SC分割结果被标记相应椎体水平。数据由两名资深放射科医师EG和CG均拥有超过10年经验检查并在必要时手动调整以确保椎体标记正确。脊髓面积使用sct_process_segmentation工具计算为C2和C3椎体水平之间的平均值。纤维束成像为研究皮质脊髓束上肢和下肢纤维束及连接初级运动区与感觉运动丘脑区的纤维束的白质结构完整性选取以下ROIs进行纤维束成像分析左右侧M1上肢和下肢区选自Brainnetome图谱、大脑脚CP选自ICBM-DTI-81白质标记图谱http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas descriptions.html及丘脑亚区VLa和VLp使用THOMAS-丘脑优化多图谱分割选取。皮层及皮层下区域使用先前生成的配准参数从标准和/或结构空间转换至弥散空间。概率性纤维束成像在每位受试者的弥散空间内使用BedpostX以默认参数进行。从每个皮层区域左右M1上肢和下肢到每个皮层下目标结构左右VLa、VLP、CP生成流线概率分布图。每张图中皮层区域指定为种子点皮层下区域指定为目标区对侧半球指定为排除掩模。皮层下目标区亦被指定为终止掩模以定义特定种子点与目标区之间的精确排他连接。通过将概率图除以成功生成的总流线数对路径概率图进行种子点大小标准化并通过将所得图以5%阈值化以去除虚假连接。阈值化后的概率图随后二值化并叠加至各向异性分数FA图上从中提取平均值。为分别计算上肢和下肢纤维束的平均FA值选取从脑凸面延伸至侧脑室上部的纤维束部分图1。此举确保平均FA值专门从这些纤维束界定更为清晰的分段提取。统计分析统计分析使用SPSS统计软件22.0版进行。在每个研究组内进行Shapiro-Wilk正态性检验以检查人口学、临床、神经心理学及结构MRI参数的正态分布。由于若干变量在至少一个研究组中不满足正态性假设采用保守方法以降低I类错误假阳性风险并对所有比较使用非参数检验。人口学、临床、神经心理学及结构MRI参数的组间差异分别使用Mann-Whitney U检验和卡方检验对连续变量和二分类变量进行检验拒绝零假设标准p 0.05。为考虑年龄和性别的潜在混杂效应首先使用线性回归模型计算标准化残差随后用于组间比较。在SPG4患者中对显示显著组间差异的MRI指标的年龄校正残差与临床指标病程、SPRS和MAS进行Spearman相关分析残差通过健康对照组线性回归获得。简言之为区分正常衰老效应与SPG4中疾病相关改变使用仅限于健康对照组的线性回归对每个结构MRI指标对年龄的依赖性进行建模。然后将所得回归系数应用于患者数据以计算年龄校正残差该残差反映了与年龄匹配健康人群中预期值的偏差。这些残差随后用于评估与临床指标的相关性。所有结果均使用错误发现率FDR校正进行多重比较校正。在脑海科技云平台中内置了DTI概率性纤维追踪及网络构建模块支持用户批量处理数据并确保每一步参数设置都有据可查。此外平台的项目管理模块可清晰记录数据筛选标准、排除被试原因、分析版本等信息极大提升了研究的透明度和可复现性。感兴趣可联系咨询以及预约产品演示。3.结果此研究纳入40名患者13名女性占32.5%表现为常染色体显性遗传模式的单纯型HSP表型。40名患者及40名健康对照的人口学及临床参数描述性统计见表1。患者与对照之间在年龄或性别分布上无显著差异。在患者组中病程与SPRS评分r 0.525FDR-p 0.009及MAS评分r 0.336FDR-p 0.040呈正相关与BIr -0.519FDR-p 0.001及MMSE评分r -0.319FDR-p 0.047呈负相关。SPRS评分亦与MAS评分呈正相关r 0.742FDR-p 0.001与BIr -0.706FDR-p 0.001及MMSEr -0.398FDR-p 0.011呈负相关。此外BI与MAS评分呈负相关r -0.551FDR-p 0.001与MMSE呈正相关r 0.606FDR-p 0.001且MAS评分与MMSE呈负相关r -0.436FDR-p 0.008。皮层、皮层下及脊髓完整性与对照相比SPG4患者在整体丘脑体积以及VLa和VLp丘脑体积方面表现出显著减少表2且脊髓面积亦显著减少表2。相反两组间整体及M1上肢和下肢皮层厚度值相当。其余皮层、基底节及小脑灰质体积指标在患者与对照间均相似表2。纤维束成像重建的白质束CST的上肢和下肢束及TCT见图1。Mann-Whitney检验显示与HC相比患者双侧CST下肢及TCTVLa-下肢和VLp-下肢束的FA值显著较低表3图1。经多重比较校正后其他重建白质束的FA值在组间未出现其他显著差异表3。MRI指标与临床数据的相关性在患者组中SPRS评分与左右整体丘脑体积r -0.413FDR-p 0.049r -0.456FDR-p 0.030以及MAS评分与右侧整体丘脑体积r -0.466FDR-p 0.030之间存在显著负相关。关于感觉运动丘脑核团SPRS评分与左侧VLp体积之间存在显著负相关r -0.466FDR-p 0.030。临床评分与其他MRI衍生指标之间未发现其他经FDR校正后存活的相关性。然而作为探索性发现报告SPRS评分与左侧CST下肢FA值r -0.419p 0.011及左侧TCTVLp-下肢FA值r -0.377p 0.026之间存在未经校正的显著负相关。尽管这些关联未通过FDR校正但鉴于其与此研究先验假设一致且既往证据支持SPG4中疾病严重程度与运动通路受累之间存在显著关系故予以报告。图1上下肢运动表征相关皮质脊髓CST与丘脑皮质TCT纤维束的可视化示意图。表1健康对照组与SPG4患者的人口统计学及临床特征表2健康对照组与SPG4患者的大脑皮层厚度、皮层、基底节、丘脑及小脑体积4.讨论在此研究中于大规模SPG4患者队列中评估了皮层、皮层下、丘脑及小脑结构的结构完整性以及脊髓完整性。同时通过概率性纤维束成像检查了皮质脊髓束和丘脑-皮层连接的结构完整性重点关注与上肢和下肢地形相关的功能特异性纤维束。通过证明下肢相关运动通路中显著的灰质和白质结构改变及显著的临床-放射学关联此研究对SPG4的病理生理基础获得了更深入的认识。皮层、皮层下及脊髓结构完整性在此研究中发现SPG4患者存在双侧丘脑萎缩尤其在感觉运动区VLa和VLp。VLa和VLp核团是丘脑腹外侧核VL的亚区该核团是运动控制网络的重要中继站。VLa和VLp核团分别整合来自苍白球-丘脑和小脑-红核-丘脑通路的运动输入并继而投射至运动皮层。这些结果与既往强调SPG4中存在显著丘脑退行性变的研究完全一致从而支持其作为该疾病可能的神经影像生物标志物的作用。此研究还观察到丘脑萎缩程度与标准化临床量表评定的疾病严重程度之间存在显著相关性丘脑体积越小SPRS和MAS评分越高。总体而言此证据表明运动丘脑是SPG4病理生理学中的关键结构并提示监测丘脑萎缩可作为SPG4患者疾病进展和功能衰退的潜在标志物。相反整体及M1上肢和下肢皮层厚度以及基底节体积在患者与对照间均相当。此发现与既往在HSP患者中报道的皮层变薄部分不一致。然而需考虑既往研究队列仅包含少数SPG4患者这提示HSP中皮层变薄更可能发生在复杂型而非单纯型变体中。关于小脑此研究发现患者与对照之间灰质体积相当与既往在SPG4及其他HSP单纯型变体中的研究一致。因此得出以下结论尽管已知脊髓小脑束在SPG4中亦发生变性但小脑不太可能代表SPG4病理生理学中的关键结构。此结构分析还显示SPG4患者存在显著的脊髓受累表现为神经影像学测量的脊髓萎缩。此发现证实并扩展了既往观察结果提示SPG4患者脊髓面积减少是一个一致的发现具有重要的病理生理学意义包括未来可能作为SPG4疾病生物标志物的用途。表3健康对照组与SPG4患者中感兴趣白质束的FA值皮质脊髓束和丘脑-皮层通路的结构完整性最相关的发现是CST和TCT中存在结构异常表现为FA降低且这些异常与下肢功能具有地形相关性和显著性。FA是一种广泛使用的DTI衍生指标用于量化体素内各向异性弥散的程度较高的FA值通常表明由于体素内纤维取向一致性、轴突密度和髓鞘化程度较高而具有更好的白质完整性。因此在与下肢功能相关的纤维束中观察到的FA降低提示潜在的轴突损伤和/或脱髓鞘。此研究发现CST中FA降低与既往该领域研究完全一致既往研究报道单纯型遗传性痉挛性截瘫患者额叶连接中该白质完整性特定参数降低。尽管既往研究已报道HSP患者CST整体完整性显著降低但尚无研究探讨该神经系统疾病中的TCT异常。此外此研究是首项分别针对上肢和下肢功能探索这两种白质束微结构完整性的研究。与此研究先验假设一致观察到这些纤维束的微结构改变与SPG4患者疾病严重程度和运动损害的临床指标之间存在关联。尽管这些发现需要进一步验证但提示与下肢功能相关的CST和TCT束的白质改变可能代表SPG4患者疾病进展的新的潜在生物标志物。SPG4中灰质和白质改变病理生理学意义SPG4由位于染色体2p22.3的SPAST基因突变引起。该基因编码spastin一种属于ATP酶微管切割蛋白家族的成员该蛋白在微管动力学、轴突运输和细胞器分布中起关键作用。在SPG4中突变的spastin蛋白破坏微管稳定性和内质网功能导致中枢神经系统长神经元轴突运输受损和变性即远端轴突病。因此当前对SPG4相关临床表现的主流病理生理学解释是逆行性死亡假说该假说预测CST最长/远端轴突的逆行性变性其次为脊髓小脑束及背柱薄束的变性。该假说确实与成年早期至中期起病、缓慢进展的下肢无力和痉挛、伴有反射亢进和巴氏征的临床表现相符。此神经影像研究中报告的总体发现与逆行性死亡假说高度吻合。在此研究SPG4患者队列中观察到的与下肢地形相关的选择性CST束的显著白质束变性完全符合远端轴突病。此外概率性纤维束成像与疾病严重程度临床指标之间的相关性进一步支持了当前对SPG4相关症状的病理生理学解释。同时观察到一致的脊髓萎缩亦指向SPG4患者的轴突变性。最后尽管较难解释但此研究观察到运动丘脑VLa和VLp的一致萎缩以及与之地形相关的TCT下肢选择性束变性亦因皮质脊髓束的逆行性变性而与逆行性死亡假说相吻合。在批判性评估此研究神经影像发现时应考虑若干局限性。尽管所有患者均经基因证实但入组患者在年龄和病程方面存在较大异质性因此难以就SPG4中灰质和白质结构改变的演变及其与运动体征的因果关系得出确切结论。此外此研究未探讨此研究SPG4患者队列中spastin特定突变包括新发错义和无义突变的神经影像学基础及其与临床数据的可能相关性。再者丘脑核团的精确分割以及与上下肢功能地形相关的白质束识别可能存在若干争议这些争议与自动化分割方法和概率性纤维束成像的方法学局限性有关。最后尽管此研究证明纤维束成像是检查SPG4患者CTS和TCT完整性的有用工具但需考虑该技术无法检测到可能低于当前技术检测阈值的小纤维束或早期轴突损伤。未来的纵向研究若整合功能成像或互补的结构技术如髓鞘敏感成像或高级弥散模型或可进一步加强对这些通路的特征描述并对SPG4相关神经退行性变提供更深入的见解同时亦可探索spastin突变的特定模式。值得注意的是纵向DTI分析可能有助于阐明微结构改变是否随时间推移与临床进展一致而演变抑或反映代偿机制如Montanaro等人先前所提示。结论在此研究中于大规模SPG4患者队列中观察到显著的丘脑萎缩且该萎缩与疾病严重程度相关从而强调了丘脑萎缩作为SPG4患者疾病进展和功能衰退潜在生物标志物的相关性。此外SPG4患者表现为脊髓面积减少以及与下肢功能地形相关的白质束CST和TCT选择性变性。这些观察结果代表了SPG4患者进行性痉挛和运动损害的特定病理生理基础。相比之下大脑皮层、基底节及小脑灰质完整性的结构指标在SPG4患者与对照间均相当。未来的研究将为开发创新的脑和脊髓结构分析方法铺平道路以进一步改善临床实践中SPG4患者的诊断和监测。解读脑海科技参考文献Piervincenzi C, Asci F, Gangemi E, et al. Structural brain changes contributing to motor signs in pure hereditary spastic paraplegia type 4. J Neurol. 2025;272(6):440. Published 2025 Jun 3. doi:10.1007/s00415-025-13155-4
本篇文献发表在Journal of Neurology杂志。所发布内容旨在与大家分享学术新知促进交流学习版权归原作者或原出处所有感谢各位学者的辛勤付出与研究成果。1.引言遗传性痉挛性截瘫HSP指一组异质性神经退行性疾病以下肢进行性痉挛和无力为主要特征。由于广泛的遗传和表型变异性HSP可根据是否合并额外临床体征和症状分为单纯型和复杂型合并症状包括癫痫、共济失调、锥体外系特征、认知损害、周围神经病变及自主神经功能障碍。在单纯型中痉挛性截瘫4型SPG4亦称SPAST-HSP最为常见由编码spastin蛋白的SPAST基因致病性变异所致。尽管SPG4的病理生理基础被认为主要反映脊髓皮质脊髓束CST的结构变性其次为背柱薄束及脊髓小脑束的变性但日益增多的神经影像证据表明在SPG4等HSP单纯型变体中亦存在脑结构和功能改变。此外神经病理学研究一致证实SPG4患者初级运动皮层第V层Betz细胞丢失。总体而言这些发现为解释SPG4中下肢特异性受累的病理生理机制开辟了新的可能。既往结构MRI研究报道了HSP患者灰质GM体积减少及广泛白质WM微结构异常。更具体而言HSP神经影像研究已证实皮层厚度及皮层下结构包括丘脑和基底节感觉运动区体积的结构性改变。然而既往研究的临床队列规模较小且最重要的是临床和遗传上具有异质性。该领域的进一步进展需要更大规模且遗传同质的单纯型HSP如SPG4患者队列进行更系统的神经影像研究以探讨可能的灰质和白质结构改变。此外迄今为止尚无神经影像研究通过在大规模且经基因证实的SPG4患者队列中考察皮层、皮层下、小脑及脊髓体积的结构变化以及白质束即皮质脊髓束-CST和丘脑皮层束-TCT的完整性来探讨导致下肢特异性受累的病理生理机制。在此研究中为深入探讨SPG4的病理生理基础评估了参与运动控制的皮层初级运动区、皮层下、丘脑及小脑结构的结构特性以及脊髓完整性。此外使用概率性纤维束成像检查了皮质脊髓束和丘脑-皮层连接的结构特征特别针对上肢和下肢分别考察了不同的皮质脊髓纤维束以及连接感觉运动丘脑区与相应初级运动皮层的丘脑皮层束。最后评估了疾病严重程度与上下肢运动通路地形相关MRI指标之间可能的临床-放射学关联。2.方法受试者所有患者及健康对照均招募自意大利罗马大学人体神经科学系及罗马阿戈斯蒂诺·杰梅利大学综合医院神经内科。此研究纳入经分子诊断的SPAST-HSP患者及年龄、性别匹配且与患者无血缘关系的健康志愿者对照组。所有受试者排除标准如下i其他神经系统、精神或系统性疾病ii物质滥用iiiMRI禁忌症ivMRI检查发现伴有相关局灶性或弥漫性脑损伤征象。此研究遵循罗马大学翁贝托一世综合医院伦理委员会伦理准则编号5659/26.03.2020及赫尔辛基宣言进行。经伦理委员会批准后获得所有受试者书面知情同意。遗传学检查遗传学检查从患者队列采集的外周血样本中分离基因组DNA采用QIAamp DNA Blood Mini Kit-QIAGEN程序。使用靶向测序和Sanger测序检测SPAST基因点突变。采用多重连接依赖性探针扩增MLPA技术识别大片段的缺失和/或重复。此研究队列中发现了多种遗传变异度较高的SPAST基因变异。更具体而言在一个包含八名旁系成员的大型家族及两名独立患者中鉴定出非经典剪接位点内含子点变异即NM_014946.4(SPAST):c.1537-8 T G。此外在一个有三名同胞的家族中鉴定出剪接供体变异NM_014946.4(SPAST):c.1245 1G A。另外在两名独立先证者分别为NM_014946.4(SPAST):c.1472 AG和NM_014946.4(SPAST):c.131 CT、一个有四名成员的家族即NM_014946.4(SPAST):c.1378 CT及三名独立患者即NM_014946.4(SPAST):c.1304 CT中分别鉴定出四种不同的错义突变。相反在两个独立家族中报告了无义SPAST变异分别包含两名成员即NM_014946.4(SPAST):c.1741 CT和三名成员即NM_014946.4(SPAST):c.1291 CT。此外在三名独立受试者中分别收集到三种不同的SPAST重复即NM_014946.4(SPAST):c.1340 dupSPAST:ex5-6 dupNM_014946.4(SPAST):c.924 dup以及五种特定缺失其中三种发现于独立患者即SPAST:ex1 del、SPAST:del444G和SPAST:c.322_334 delGTGCCGGGCGGCG一种鉴定于两名同胞及一个有五名成员的家族即NM_014946.4(SPAST):c.1215_1219 del。最后在两名独立患者中揭示出两种进一步的点突变即SPAST:c.683_2 AG和SPAST:c.564GT。临床与神经心理学评估疾病严重程度采用神经系统检查、痉挛性截瘫评定量表SPRS及改良Ashworth量表MAS进行评估。此外认知功能及日常生活活动能力分别采用简易精神状态检查MMSE和巴氏指数BI进行评分。MRI数据采集图像使用3-特斯拉3 T扫描仪Siemens Magnetom Verio及专为并行成像GRAPPA设计的12通道头线圈采集。采集序列如下l 高分辨率3DT1加权T1-3D磁化准备快速梯度回波MPRAGE序列重复时间TR 2,400 ms回波时间TE 2.12 ms反转时间TI 1000 ms翻转角 8°视野FOV 256 mm矩阵 256×256176层矢状位层厚1-mm无间隔l 弥散张量成像DTI单次激发、平面回波、自旋回波序列包含10个间隔的b 0b0容积及64个梯度方向TR 4,600 msTE 78 ms多频带加速因子 2单极弥散方案FOV 192 mm矩阵 96×96b 1,000 s/mm²72层连续轴位层厚2-mml 双回波快速自旋回波、质子密度PD和T2加权图像TR 3,320 msTE1 10 msTE2 103 msFOV 220 mm矩阵 384×38425层轴位层厚4-mm30%间隔l 高分辨率3D液体衰减反转恢复FLAIR序列TR 6,000 msTE 395 msTI 2100 msFOV 256 mm矩阵 256×256176层矢状位层厚1-mm无间隔。两名资深放射科医师PP和EG分别拥有超过20年和10年经验审阅所有MRI评估T2和T2 FLAIRDTI概率性纤维追踪及网络构建WMH的存在并根据四阶段Fazekas视觉评定量表Fazekas 0–1 无至轻度WMHFazekas 2 中度WMHFazekas 3 重度WMH进行视觉评分。Fazekas评分≥2的患者被视为存在相关局灶性白质损伤因此不纳入研究以避免广泛WMH对纤维束成像可靠性的潜在混杂影响。MRI分析数据预处理解剖预处理使用fMRIPrep 23.0.2RRID:SCR_016216进行该工具基于Nipype 1.8.6RRID:SCR_002502。弥散数据使用不同的FDT工具FMRIB弥散工具箱属于FSLFMRIB软件库v.6.0.4http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/的一部分进行预处理。解剖及弥散预处理描述详见补充材料。皮层厚度与灰质体积经集成于fMRIPrep流程中的FreeSurfer版本7.3.2预处理后提取左右半球全局皮层厚度以及从Brainnetome图谱https://atlas.brainnetome.org/download.html选取的初级运动皮层感兴趣区ROIs的平均皮层厚度左右侧M1上肢区A4ul4区和下肢区A4ll4区。提取总灰质GM和白质WM体积以及上述皮层ROIs的GM体积并使用总颅内体积TIV进行标准化TIV亦直接由FreeSurfer获取。基底节与丘脑体积测定左右壳核、尾状核、苍白球及丘脑体积直接从FreeSurfer最终输出中提取。感觉运动丘脑核团前腹外侧核-VLa和后腹外侧核-VLp的体积亦采用多图谱分割技术THOMAS-丘脑优化多图谱分割在个体结构空间中获得。所有皮层下体积均使用TIV进行头围标准化并用于后续统计分析。小脑体积测定小脑体积使用在SPM12http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm中实现的空间无偏幕下模板工具箱SUIT3.4版http://www.diedrichsenlab.org/imaging.suit.htm进行计算。使用SUIT执行以下步骤1从T1-3D解剖图像中提取每位受试者的小脑2使用仿射变换矩阵和非线性流场将分离出的小脑标准化至SUIT图谱模板空间3对小脑进行重切片以保留SUIT图谱模板空间中小脑小叶的体积。最后将获得的SUIT图谱重新对齐回受试者原生空间。对每位受试者的28个小脑小叶进行分割获取全小脑体积、前部小叶I-V之和和后部小叶VI-X之和小脑及小脑蚓部体积的测量值然后使用TIV进行头围标准化并用于后续统计分析。脊髓面积脊髓分割使用脊髓工具箱SCT5.4版中的deepseg算法进行。该方法首先使用支持向量机结合方向梯度直方图算法称为OptiC方法寻找脊髓SC中心线随后围绕中心线裁剪并使用2D核的卷积神经网络进行分割。分割后使用SCT的sct_label_vertebrae工具进行椎体标记。简言之使用OptiC算法识别C2-C3椎间盘然后通过SC拉直及随后的模板匹配使用PAM50模板找到其他椎间盘。椎间盘识别后上述SC分割结果被标记相应椎体水平。数据由两名资深放射科医师EG和CG均拥有超过10年经验检查并在必要时手动调整以确保椎体标记正确。脊髓面积使用sct_process_segmentation工具计算为C2和C3椎体水平之间的平均值。纤维束成像为研究皮质脊髓束上肢和下肢纤维束及连接初级运动区与感觉运动丘脑区的纤维束的白质结构完整性选取以下ROIs进行纤维束成像分析左右侧M1上肢和下肢区选自Brainnetome图谱、大脑脚CP选自ICBM-DTI-81白质标记图谱http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas descriptions.html及丘脑亚区VLa和VLp使用THOMAS-丘脑优化多图谱分割选取。皮层及皮层下区域使用先前生成的配准参数从标准和/或结构空间转换至弥散空间。概率性纤维束成像在每位受试者的弥散空间内使用BedpostX以默认参数进行。从每个皮层区域左右M1上肢和下肢到每个皮层下目标结构左右VLa、VLP、CP生成流线概率分布图。每张图中皮层区域指定为种子点皮层下区域指定为目标区对侧半球指定为排除掩模。皮层下目标区亦被指定为终止掩模以定义特定种子点与目标区之间的精确排他连接。通过将概率图除以成功生成的总流线数对路径概率图进行种子点大小标准化并通过将所得图以5%阈值化以去除虚假连接。阈值化后的概率图随后二值化并叠加至各向异性分数FA图上从中提取平均值。为分别计算上肢和下肢纤维束的平均FA值选取从脑凸面延伸至侧脑室上部的纤维束部分图1。此举确保平均FA值专门从这些纤维束界定更为清晰的分段提取。统计分析统计分析使用SPSS统计软件22.0版进行。在每个研究组内进行Shapiro-Wilk正态性检验以检查人口学、临床、神经心理学及结构MRI参数的正态分布。由于若干变量在至少一个研究组中不满足正态性假设采用保守方法以降低I类错误假阳性风险并对所有比较使用非参数检验。人口学、临床、神经心理学及结构MRI参数的组间差异分别使用Mann-Whitney U检验和卡方检验对连续变量和二分类变量进行检验拒绝零假设标准p 0.05。为考虑年龄和性别的潜在混杂效应首先使用线性回归模型计算标准化残差随后用于组间比较。在SPG4患者中对显示显著组间差异的MRI指标的年龄校正残差与临床指标病程、SPRS和MAS进行Spearman相关分析残差通过健康对照组线性回归获得。简言之为区分正常衰老效应与SPG4中疾病相关改变使用仅限于健康对照组的线性回归对每个结构MRI指标对年龄的依赖性进行建模。然后将所得回归系数应用于患者数据以计算年龄校正残差该残差反映了与年龄匹配健康人群中预期值的偏差。这些残差随后用于评估与临床指标的相关性。所有结果均使用错误发现率FDR校正进行多重比较校正。在脑海科技云平台中内置了DTI概率性纤维追踪及网络构建模块支持用户批量处理数据并确保每一步参数设置都有据可查。此外平台的项目管理模块可清晰记录数据筛选标准、排除被试原因、分析版本等信息极大提升了研究的透明度和可复现性。感兴趣可联系咨询以及预约产品演示。3.结果此研究纳入40名患者13名女性占32.5%表现为常染色体显性遗传模式的单纯型HSP表型。40名患者及40名健康对照的人口学及临床参数描述性统计见表1。患者与对照之间在年龄或性别分布上无显著差异。在患者组中病程与SPRS评分r 0.525FDR-p 0.009及MAS评分r 0.336FDR-p 0.040呈正相关与BIr -0.519FDR-p 0.001及MMSE评分r -0.319FDR-p 0.047呈负相关。SPRS评分亦与MAS评分呈正相关r 0.742FDR-p 0.001与BIr -0.706FDR-p 0.001及MMSEr -0.398FDR-p 0.011呈负相关。此外BI与MAS评分呈负相关r -0.551FDR-p 0.001与MMSE呈正相关r 0.606FDR-p 0.001且MAS评分与MMSE呈负相关r -0.436FDR-p 0.008。皮层、皮层下及脊髓完整性与对照相比SPG4患者在整体丘脑体积以及VLa和VLp丘脑体积方面表现出显著减少表2且脊髓面积亦显著减少表2。相反两组间整体及M1上肢和下肢皮层厚度值相当。其余皮层、基底节及小脑灰质体积指标在患者与对照间均相似表2。纤维束成像重建的白质束CST的上肢和下肢束及TCT见图1。Mann-Whitney检验显示与HC相比患者双侧CST下肢及TCTVLa-下肢和VLp-下肢束的FA值显著较低表3图1。经多重比较校正后其他重建白质束的FA值在组间未出现其他显著差异表3。MRI指标与临床数据的相关性在患者组中SPRS评分与左右整体丘脑体积r -0.413FDR-p 0.049r -0.456FDR-p 0.030以及MAS评分与右侧整体丘脑体积r -0.466FDR-p 0.030之间存在显著负相关。关于感觉运动丘脑核团SPRS评分与左侧VLp体积之间存在显著负相关r -0.466FDR-p 0.030。临床评分与其他MRI衍生指标之间未发现其他经FDR校正后存活的相关性。然而作为探索性发现报告SPRS评分与左侧CST下肢FA值r -0.419p 0.011及左侧TCTVLp-下肢FA值r -0.377p 0.026之间存在未经校正的显著负相关。尽管这些关联未通过FDR校正但鉴于其与此研究先验假设一致且既往证据支持SPG4中疾病严重程度与运动通路受累之间存在显著关系故予以报告。图1上下肢运动表征相关皮质脊髓CST与丘脑皮质TCT纤维束的可视化示意图。表1健康对照组与SPG4患者的人口统计学及临床特征表2健康对照组与SPG4患者的大脑皮层厚度、皮层、基底节、丘脑及小脑体积4.讨论在此研究中于大规模SPG4患者队列中评估了皮层、皮层下、丘脑及小脑结构的结构完整性以及脊髓完整性。同时通过概率性纤维束成像检查了皮质脊髓束和丘脑-皮层连接的结构完整性重点关注与上肢和下肢地形相关的功能特异性纤维束。通过证明下肢相关运动通路中显著的灰质和白质结构改变及显著的临床-放射学关联此研究对SPG4的病理生理基础获得了更深入的认识。皮层、皮层下及脊髓结构完整性在此研究中发现SPG4患者存在双侧丘脑萎缩尤其在感觉运动区VLa和VLp。VLa和VLp核团是丘脑腹外侧核VL的亚区该核团是运动控制网络的重要中继站。VLa和VLp核团分别整合来自苍白球-丘脑和小脑-红核-丘脑通路的运动输入并继而投射至运动皮层。这些结果与既往强调SPG4中存在显著丘脑退行性变的研究完全一致从而支持其作为该疾病可能的神经影像生物标志物的作用。此研究还观察到丘脑萎缩程度与标准化临床量表评定的疾病严重程度之间存在显著相关性丘脑体积越小SPRS和MAS评分越高。总体而言此证据表明运动丘脑是SPG4病理生理学中的关键结构并提示监测丘脑萎缩可作为SPG4患者疾病进展和功能衰退的潜在标志物。相反整体及M1上肢和下肢皮层厚度以及基底节体积在患者与对照间均相当。此发现与既往在HSP患者中报道的皮层变薄部分不一致。然而需考虑既往研究队列仅包含少数SPG4患者这提示HSP中皮层变薄更可能发生在复杂型而非单纯型变体中。关于小脑此研究发现患者与对照之间灰质体积相当与既往在SPG4及其他HSP单纯型变体中的研究一致。因此得出以下结论尽管已知脊髓小脑束在SPG4中亦发生变性但小脑不太可能代表SPG4病理生理学中的关键结构。此结构分析还显示SPG4患者存在显著的脊髓受累表现为神经影像学测量的脊髓萎缩。此发现证实并扩展了既往观察结果提示SPG4患者脊髓面积减少是一个一致的发现具有重要的病理生理学意义包括未来可能作为SPG4疾病生物标志物的用途。表3健康对照组与SPG4患者中感兴趣白质束的FA值皮质脊髓束和丘脑-皮层通路的结构完整性最相关的发现是CST和TCT中存在结构异常表现为FA降低且这些异常与下肢功能具有地形相关性和显著性。FA是一种广泛使用的DTI衍生指标用于量化体素内各向异性弥散的程度较高的FA值通常表明由于体素内纤维取向一致性、轴突密度和髓鞘化程度较高而具有更好的白质完整性。因此在与下肢功能相关的纤维束中观察到的FA降低提示潜在的轴突损伤和/或脱髓鞘。此研究发现CST中FA降低与既往该领域研究完全一致既往研究报道单纯型遗传性痉挛性截瘫患者额叶连接中该白质完整性特定参数降低。尽管既往研究已报道HSP患者CST整体完整性显著降低但尚无研究探讨该神经系统疾病中的TCT异常。此外此研究是首项分别针对上肢和下肢功能探索这两种白质束微结构完整性的研究。与此研究先验假设一致观察到这些纤维束的微结构改变与SPG4患者疾病严重程度和运动损害的临床指标之间存在关联。尽管这些发现需要进一步验证但提示与下肢功能相关的CST和TCT束的白质改变可能代表SPG4患者疾病进展的新的潜在生物标志物。SPG4中灰质和白质改变病理生理学意义SPG4由位于染色体2p22.3的SPAST基因突变引起。该基因编码spastin一种属于ATP酶微管切割蛋白家族的成员该蛋白在微管动力学、轴突运输和细胞器分布中起关键作用。在SPG4中突变的spastin蛋白破坏微管稳定性和内质网功能导致中枢神经系统长神经元轴突运输受损和变性即远端轴突病。因此当前对SPG4相关临床表现的主流病理生理学解释是逆行性死亡假说该假说预测CST最长/远端轴突的逆行性变性其次为脊髓小脑束及背柱薄束的变性。该假说确实与成年早期至中期起病、缓慢进展的下肢无力和痉挛、伴有反射亢进和巴氏征的临床表现相符。此神经影像研究中报告的总体发现与逆行性死亡假说高度吻合。在此研究SPG4患者队列中观察到的与下肢地形相关的选择性CST束的显著白质束变性完全符合远端轴突病。此外概率性纤维束成像与疾病严重程度临床指标之间的相关性进一步支持了当前对SPG4相关症状的病理生理学解释。同时观察到一致的脊髓萎缩亦指向SPG4患者的轴突变性。最后尽管较难解释但此研究观察到运动丘脑VLa和VLp的一致萎缩以及与之地形相关的TCT下肢选择性束变性亦因皮质脊髓束的逆行性变性而与逆行性死亡假说相吻合。在批判性评估此研究神经影像发现时应考虑若干局限性。尽管所有患者均经基因证实但入组患者在年龄和病程方面存在较大异质性因此难以就SPG4中灰质和白质结构改变的演变及其与运动体征的因果关系得出确切结论。此外此研究未探讨此研究SPG4患者队列中spastin特定突变包括新发错义和无义突变的神经影像学基础及其与临床数据的可能相关性。再者丘脑核团的精确分割以及与上下肢功能地形相关的白质束识别可能存在若干争议这些争议与自动化分割方法和概率性纤维束成像的方法学局限性有关。最后尽管此研究证明纤维束成像是检查SPG4患者CTS和TCT完整性的有用工具但需考虑该技术无法检测到可能低于当前技术检测阈值的小纤维束或早期轴突损伤。未来的纵向研究若整合功能成像或互补的结构技术如髓鞘敏感成像或高级弥散模型或可进一步加强对这些通路的特征描述并对SPG4相关神经退行性变提供更深入的见解同时亦可探索spastin突变的特定模式。值得注意的是纵向DTI分析可能有助于阐明微结构改变是否随时间推移与临床进展一致而演变抑或反映代偿机制如Montanaro等人先前所提示。结论在此研究中于大规模SPG4患者队列中观察到显著的丘脑萎缩且该萎缩与疾病严重程度相关从而强调了丘脑萎缩作为SPG4患者疾病进展和功能衰退潜在生物标志物的相关性。此外SPG4患者表现为脊髓面积减少以及与下肢功能地形相关的白质束CST和TCT选择性变性。这些观察结果代表了SPG4患者进行性痉挛和运动损害的特定病理生理基础。相比之下大脑皮层、基底节及小脑灰质完整性的结构指标在SPG4患者与对照间均相当。未来的研究将为开发创新的脑和脊髓结构分析方法铺平道路以进一步改善临床实践中SPG4患者的诊断和监测。解读脑海科技参考文献Piervincenzi C, Asci F, Gangemi E, et al. Structural brain changes contributing to motor signs in pure hereditary spastic paraplegia type 4. J Neurol. 2025;272(6):440. Published 2025 Jun 3. doi:10.1007/s00415-025-13155-4
双梁正问题 【 torch 实战】（Python代码实现）)
