【摘要】 磁共振波谱成像能客观地反映脑内代谢物的变化，进而反映早期病变的病理改变。作者从影像学角度归纳了脑血管疾病、神经系统变性疾病、多发性硬化等神经系统疾病在磁共振波谱成像上的不同表现，提示磁共振波谱成像能从影像学角度对神经系统各疾病进行早期辅助诊断和预后判断。
【关键词】 磁共振波谱成像;神经系统疾病;早期诊断
磁共振波谱成像(magnetic resonance spectroscopy，MRS)是一种可以提供脑的代谢和生化信息的无创检查方法，能客观地检测活体脑组织内化合物含量，提供脑的代谢信息。由于代谢异常通常早于结构的变化，MRS可以检测到常规磁共振不能显示的异常[1]。因此，MRS在反映神经细胞内物质、能量代谢状态的同时，还能为磁共振成像(MRI)提供补充信息，进而提高对病变诊断的特异性和准确性。MRS的出现，实现了医学影像从传统的形态学检查到在体的生化代谢研究的飞跃，在神经系统疾病的早期诊断中具有巨大的发展前景。
1 MRS分析的原理及检测产物
1.1 MRS分析的原理 MRS是一种利用核磁共振现象和化学位移作用，进行系列特定原子核及其他化合物定量分析的方法，其基本原理与MRI一致，但与MRI根据信号的位置得到的解剖图像不同，MRS获得的是各个频率的峰图[2]。化学位移和自旋耦合现象使含有同一种原子核的不同化合物中的不同分子集团在频率轴的不同位置被分别表示出来，转换成振幅(A)与频率(f)的函数，从而可区分不同代谢产物及其含量和浓度。
1.2 MRS可以检测的原子 MRS可以检测的原子包括氢(1H)、磷(31P)、钠(23Na)、碳(12C)、氟(19F)等。由于氢(1H)在人体内含量最丰富且敏感性高，MRS信号较强，容易在MRS系统上实现，因此在临床和科研中(1H)MRS波谱的研究发展最快[3]，它可以用来检测体内多种微量代谢物，并根据这些代谢物的含量来分析脑组织代谢的改变。本文主要对(1H)MRS波谱的应用进行综述。
1.3 MRS常检测的化合物 正常人大脑中的(1H)MRS有3条最明显的谱线，分别是NAA-CH3 、PCr/Cr-N(CH3)和Cho- N(CH3)甲基质子共振峰。
1.3.1 N-乙酰天门冬氨酸(N-acetyl aspartate，NAA) 共振峰位于2.02 ppm处。NAA主要在神经元线粒体内合成，存在于神经元细胞及其轴索内，(1H)MRS波谱显示NAA为一大而尖的质子峰。NAA的降低提示神经元或轴索的功能不全，这已在神经变性疾病中逐渐得到证实。当神经细胞损伤时，NAA加速分解为乙酰辅酶A以满足胞膜、髓鞘部位修复时的脂质合成及损伤部位的能量供应，因此在神经细胞受损后首先表现为NAA含量的降低。NAA能敏感地反映神经细胞的损伤情况，在MRS研究颅内病变时NAA是神经细胞首选的标志物[4-5]。
1.3.2 肌酸(Cr) 共振峰位于3.0 ppm和3.94 ppm处。Cr是脑内能量代谢的标志物，在肝和肾中合成，由于在脑代谢物中最为稳定，所以常选择它作为内部基准，评价代谢比率[5-6]。细胞能量代谢障碍时Cr降低。在(1H)MRS 波谱中，肌酸峰由Cr和磷酸肌酸(Pcr)共同组成，两者相互转化，但总水平不变。
1.3.3 胆碱(choline，Cho) 共振峰位于3.2 ppm处。神经元不能合成胆碱，大部分胆碱来源于突触前膜的重摄取作用。在脑中，胆碱类物质包括游离胆碱、乙酰胆碱、磷脂酰胆碱等，这些物质的含量决定了波谱成像中的胆碱峰。胆碱是细胞膜磷脂代谢的中间产物，是髓鞘形成、细胞代谢和胶质增生的指标[5]，其作用是构成细胞膜和形成神经递质，因此作为指示膜的功能的胆碱，在脑损伤和脑肿瘤等病理状态下，细胞增殖加快导致Cho峰增高。
1.3.4 乳酸(lactate，Lac) 共振峰位于1.3 ppm和4.1 ppm处。通常在正常脑内观测不到Lac信号。Lac是无氧代谢的产物，肌肉运动、局部缺血或缺氧、严重的急性感染都会使Lac浓度迅速升高[5]。
1.3.5 肌醇(myo-inositol，mI) 共振峰位于3.6 ppm和4.0 ppm处。mI是一种在哺乳动物脑中具有较高浓度的糖，主要存在于神经胶质细胞中，是神经胶质细胞的标志物[5]。由于在测量技术上存在一定的技术难题，目前临床上较少应用。
2 MRS在神经系统常见病早期诊断中的作用
2.1 脑血管疾病
2.1.1 脑梗死(CI) MRS可反映脑梗死后脑细胞内酸中毒、能量代谢障碍以及脑内一些重要物质的变化，较为完整地反映出缺血性梗死和修复等整个脑梗死的病理生理过程，可对治疗和预后做出较准确的评估与判断。由于在脑梗死的超急性期，CT和MRI常不能检测到梗死灶，而理想的溶栓治疗时间窗≤6 h，且CT和MRI对缺血半暗带的识别能力有限，所以早期诊断对溶栓治疗非常关键。目前MRS在诊断和研究缺血性脑血管病中的价值已被肯定：MRS可以早期诊断脑梗死，评价急性脑梗死的严重程度及其预后，评价疗效，缩小鉴别诊断的范围，确定缺血半暗带，评价血管狭窄和闭塞的程度。
2.1.1.1 缺血半暗带 缺血半暗带的恢复是溶栓治疗的目标[7]。MRS可检测到缺血时无氧酵解和神经元的死亡，是一种确定未梗死组织的理想方法，在缺血半暗带可观察到：Lac水平升高，脑中的Lac是氧供给不足(无氧糖酵解)时的能量代谢产物，为急性脑缺血的标志;NAA 水平正常。反映神经元的功能此时尚未受到损害。
2.1.1.2 梗死急性期 进入梗死期后，与缺血半暗带相同，MRS可以检测到Lac水平升高，作为脑梗死开始阶段最敏感的标记物，在MRI发现异常之前Lac水平已有升高[8];有急性神经功能障碍的患者脑中，若有Lac存在，则是缺血的有力证据，但未必为不可逆梗死，若Lac不存在，则提示非急性梗死[9]。缺血后首先观察到的是在急性脑梗死后12 h内Lac水平升高[10]，动物实验[11]发现脑缺血后数分钟即可见Lac的升高。
NAA也是一个与脑梗死相关的标记物。既往研究认为，在Lac异常的早期，不能发现NAA异常，NAA在梗死超早期可正常;近年来发现，缺血2 h后，NAA即开始下降，缺血3～6 h时NAA持续下降，6～12 h时下降幅度最为明显，24～72 h时持续下降到几乎完全消失[12]。且NAA的下降是不可逆的。另有研究表明急性期脑梗死区NAA分布不均匀，梗死灶中心区NAA下降较周边区明显[13]。
有实验表明，存在Lac水平明显升高和NAA水平明显下降的区域，于随后的检查中发展为梗死灶[14]。提示在缺血的急性期，MRS有足够的敏感性预示有可能形成梗死的部位。由于NAA和Lac水平直接与缺血严重程度和细胞死亡的程度相关，所以MRS具有评定预后的价值[15]。
2.1.2 短暂性脑缺血发作(TIA) TIA临床表现为急性一过性的局灶性神经功能缺失，常规CT和MRI检查通常无阳性发现。有研究证明，在TIA发作后的1天内，对脑功能异常区和对侧相同脑区进行MRS检查，结果发现：功能异常区的NAA/Cr无明显异常改变，提示TIA患者一过性局部脑血流低灌注尚不足以影响局部神经元的数量与功能，而Lac峰升高，提示脑局部低灌注可能导致局部无氧代谢Lac浓度升高，因此该区是可能发展成脑梗死的高危区域。故而MRS可以较早地发现脑缺血，对TIA早期诊断有重要价值[16]。
2.2 神经系统变性疾病
2.2.1 阿尔茨海默病(AD) AD早期形态学改变不明显，在临床表现上常难与血管性痴呆、额颞叶痴呆、路易体痴呆等鉴别。在病因学诊断上，MRS为AD与其他痴呆的鉴别诊断提供了大量信息。可在海马尚未萎缩之前，检测出早期异常表现。第1个有价值的代谢异常是mI/Cr增高，目前机制尚不清楚。随病情进展，Cho/Cr升高、NAA/Cr降低，NAA及NAA/Cr的减少提示神经元缺失和功能障碍，是痴呆的共同变现。AD患者的神经元缺失是同龄无AD老年人的2～3倍。虽然NAA缺失亦见于其他类型痴呆，但AD患者的神经元缺失遵循特定的区域形式，海马→颞叶后部→额顶叶，而不包括枕叶。AD患者NAA/Cr的降低与认知障碍的严重程度具有相关性。当仅出现海马区的NAA下降时，病变较轻，而当海马和颞顶联合区均出现NAA下降时，则病变已向AD期进展[17]。因此NAA下降在AD诊断及早期诊断中有重要价值。现已有报道证明[18]，枕叶的mI/Cr可用于AD与其他类型痴呆的鉴别诊断，在AD 患者中mI/Cr的升高早于NAA/Cr的降低。尽管目前MRS 尚不能确定AD的诊断，但有助于排除或确定临床疑似病例。
如上所述，MRS能够从细胞功能代谢的角度对AD进行深入的研究，明确病理变化过程，监控疾病的发展演变，但是目前的研究结论尚未获得病理学及病理生理学的证实，检查方法本身较为复杂，尚未应用到临床实践中。随着研究的深入，MRS必将成为AD重要的影像学检查手段，可提高痴呆类型诊断的准确度，监测疾病的发展过程。
2.2.2 帕金森病(PD) 帕金森病的主要病理改变是中脑黑质致密带中多巴胺神经元减少，基底节区也有类似改变。黑质被认为是PD最初受累且最有影响的区域，黑质神经元损害达50%以上才会出现PD的临床症状[19-20]，故大多数患者明确诊断时已是中晚期，此时任何形式的神经保护治疗对于阻止神经变性的进展已失去意义。因此早期诊断亚临床期PD和临床前期PD并进行干预治疗对预后具有极大价值。
通过MRS的检测可以为黑质纹状体系统神经元变性提供依据。有研究显示，PD患者中脑黑质区Cho峰升高、NAA峰下降，而Cr波幅无明显变化，即Cho/Cr升高、NAA/Cr降低，反映了神经元或轴突的破坏和缺失以及功能异常，同时提示有神经胶质细胞增生，与临床诊断以及以往的病理研究呈正相关[21]，且Cho/Cr、NAA/Cr值的变化与PD的严重程度有关。PD早期黑质和中脑其他灰质核团以及脑的基底节受累，开始出现临床症状，后期病变进展到大脑皮质，出现典型的PD症状[22]。
通过MRS检测，可协助PD的早期诊断，并有助于PD病情的评估。但由于MRS技术水平差异，各种测量硬件及参数不同，不同研究者测量NAA、Cho、Cr含量绝对值可比性差，因此，虽然目前国内外PD波谱研究报道很多，但尚未形成定论。目前该技术用于PD临床诊断及鉴别诊断尚不够成熟，还需要更多更细致的研究。相信随着技术的进一步发展MRS必将成为PD早期诊断，疗效评价的重要手段。
2.3 多发性硬化(MS) MS是中枢神经系统的脱髓鞘疾病中最常见的一种类型，以脑白质炎症、脱髓鞘和轴索损伤为特征。以往MRI检查凭借对白质异常的敏感性，成为了MS的首选的影像学检查方法。但是，在大多数情况下，其表现无特异性，在判断疾病活动性以及病灶总量与临床表现之间的相关性方面尚不理想。
MRS从生物化学角度对研究MS的鉴别诊断提供了有价值的信息，对MS早期诊断有重要意义。MS的MRS特征表现为：NAA/Cr普遍降低，Cho/Cr普遍增高，mI/Cr增加，NAA降低，Cho、mI、Lac均增高[23]。MS早期临床尚未出现功能缺损时，其病灶NAA水平即开始降低，并随病情进展继续降低，反映了轴索损伤[24]。Cho的升高表明髓鞘崩解，见于斑块形成早期，表明MS患者脑白质病理生理学中存在急性脱髓鞘和炎症[25]。mI为神经胶质的标志物，其浓度水平的增高被认为是胶质增生的指征，有研究认为mI在判断MS严重程度方面更有临床意义，对MS早期病变具有诊断价值。Lac的增加是脱髓鞘退变的结果，与炎症相关，提示急性脱髓鞘。当MRI图像尚无法显示斑块且无强化时，MRS即可见Lac增多、NAA减少，看似正常脑白质(normal-appearing white matter，NAWM)区内也有异常改变，表现NAA降低、Cho升高，可为早期诊断做出提示。这些代谢物在随后的4～6个月可能不同程度恢复，反映急性病灶中的神经功能具有可恢复性。研究发现NAA/Cr比值可作为MS活动性的指标[26]。因此MRS检测不仅可以辅助MRI进行早期诊断，提高诊断的准确率，而且在显示与疾病结局相关的异常表现及监控治疗中作用确切。
2.4 癫疒间 癫疒间和癫疒间综合征的发病机制目前尚不清楚，MRS的应用从神经代谢和神经递质的角度提供了更多新的证据。在疾病的早期，脑组织尚未发生解剖形态改变，采用MRS方法对癫疒间进行早期诊断并及时治疗可以防止大脑的进一步损害。
有研究发现，对于MRI不能定位的癫疒间灶，MRS可以很好地发现。包括致癫疒间灶的区域往往具有NAA下降，Cho、Cr、Lac升高，NAA/(Cho+Cr)下降的特点，对癫疒间灶的判断提供了重要的依据。NAA的下降提示神经元功能受损或丧失，Cho作为神经胶质细胞膜的代谢复合物参与膜磷脂的转移，Cr是肌酸和磷酸肌酸的总和，反映大脑代谢平衡的维持情况，两者与神经胶质细胞功能相关，NAA、Cho和Cr代谢水平的绝对值重复性低，但相对代谢水平，即NAA/Cho、NAA/Cr、NAA/(Cho+Cr)比值的重复性良好。因此NAA/Cho、NAA/Cr、NAA/(Cho+Cr)的下降可以作为定性和定量反映病灶内神经元丧失或功能障碍、胶质细胞活化的指标[27]。且MRS检出病灶敏感性明显高于目前临床常用的癫疒间辅助诊断方法。因此在临床实践中，MRS可以协助临床资料、常规EEG与MRI为部分性癫疒间患者准确、早期定位癫疒间灶提供更为敏感的依据，对MRI阴性的患者手术预后的预测有一定作用。
3 结论和展望
目前，MRS作为无创性研究人体器官的组织代谢及生化改变、进行化合物定量分析的惟一方法，能够及时、动态、客观地反映脑内神经生化代谢情况。与其他检测脑组织代谢和生物能量状态的方法相比，具有较大的优越性，现已广泛应用于临床和基础研究中。它为临床医师对损伤脑组织进行活体病理生理研究提供了一种新的手段，从而为从分子水平早期诊断神经系统疾病的性质提供了新的线索。
当然，就目前的技术而言，MRS尚存在一定的局限性，如因其无明确的定位作用而需要与MRI结合、来自水和脂肪的干扰影响其准确性、实验和临床检查费较昂贵、成像相对费时等。但是可以相信，随着科学的不断进展，临床研究的不断深入，对MRS认识的不断提高，MRS必将在疾病诊治中发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1] Schaeffter T， Dahnke H. Magnetic resonance imaging and spectroscopy[J]. Handb Exp Pharmacol， 2008，(185 Pt 1):75-90.
[2] Minati L， Grisoli M， Bruzzone MG. MR spectroscopy， functional MRI， and diffusion-tensor imaging in the aging brain:a conceptual review [J]. J Geriatr Psychiatry Neurol，2007，20(1):3-21.
[3] Serkova NJ， Niemann CU. Pattern recognition and biomarker validation using quantitative 1H-NMR-based metabolomics [J]. Expert Rev Mol Diagn，2006，6(5):717-731.
[4] Caserta MT， Ragin A， Hermida AP， et al. Single voxel magnetic resonance spectroscopy at 3 Tesla in a memory disorders clinic: early right hippocampal NAA/Cr loss in mildly impaired subjects [J].Psychiatry Res， 2008，164(2):154-159.
[5] Lara A， Romeu C.脑磁共振波谱成像[M].天津:天津科技翻译出版公司，2005:10.
[6] Firbank MJ， Harrison RM， O′Brien JT. A comprehensive review of proton magnetic resonance spectroscopy studies in dementia and Parkinson′s disease [J]. Dement Geriatr Cogn Disord， 2002，14(2):64-76.
[7] Orrison J， Lewine JD， Sanders JA， et al. Functional brian imaging[M].Mosby:St Louis，1995:419.
[8] Mathews VP， Barker PB， Blackband SJ， et al. Cerebral metabolites in patients with acute and subacute strokes: concentrations determined by quantitative proton MR spectroscopy [J]. AJR Am J Roentgenol，1995，165(3):633-638.
[9] Danielsen ER， Ross B. Magnetic resonance spectroscopy diagnosis of neurological disease[M].New York: Marcel Dekker，1999:176.
[10] Giroud M， Walker P， Guy F， et al. Cerebral metabolism after transient ischemic attack. A 1H MR spectroscopy study [J]. Neurol Res， 1999，21(6):563-565.
[11] 杨振燕，靳令经. 脑梗死后代谢产物演变的磁共振化学位移成像研究[J].中国医学影像学杂志，2005，13(6):401-404.
[12] 马凤华，詹松华，杨振燕，等. 急性脑梗死磁共振波谱分析的实验研究[J].中国医学计算机成像杂志，2005，11(2):84-87.
[13] Michaelis T， Wick M， Fujimori H， et al. Proton MRS of oral creatine supplementation in rats. Cerebral metabolite concentrations and ischemic challenge [J]. NMR Biomed， 1999，12(5):309-314.
[14] Parsons MW， Li T， Barber PA， et al. Combined (1)H MR spectroscopy and diffusion-weighted MRI improves the prediction of stroke outcome [J].Neurology， 2000，55(4):498-505.
[15] 喻莉，孙艳春，王秀荣，等.磁共振波谱成像在缺血性脑血管病中的应用[J].临床神经病学杂志，2007，20(5):395-396.
[16] 杜芳，李澄，王苇，等.短暂性脑缺血发作的1H磁共振波谱分析[J].实用临床医药杂志，2007，11(6):89-90.
[17] 钱丽霞，祁吉，尹建忠，等. Alzheimer病1H磁共振波谱成像[J].中国CT和MRI杂志，2005，3(3):14-18.
[18] Kantarci K， Jack CR Jr. Neuroimaging in Alzheimer disease: an evidence-based review[J].Neuroimaging Clin N Am， 2003，13(2):197-209.
[19] Martin WR. Magnetic resonance imaging and spectroscopy in Parkinson′s disease[J].Adv Neurol， 2001，86(1):197-203.
[20] Storch A， Hofer A， Krüger R， et al. New developments in diagnosis and treatment of Parkinson′s disease--from basic science to clinical applications [J].J Neurol， 2004，251(Suppl 6):33-38.
[21] Gujar SK， Maheshwari S， Bjrkman-Burtscher I， et al. Magnetic resonance spectroscopy [J].J Neuroophthalmol， 2005，25(3):217-226.
[22] Braak H， Ghebremedhin E， Rüb U， et al. Stages in the development of Parkinson′s disease-related pathology [J]. Cell Tissue Res， 2004，318(1):121-134.
[23] 李明智，桂绍高，刘大仁，等.多发性硬化的磁共振波谱研究[J].实用临床医学，2008，9(9):99-101.
[24] Tiberio M， Chard DT， Altmann DR， et al. Metabolite changes in early relapsing-remitting multiple sclerosis. A two year follow-up study [J].J Neurol， 2006，253(2):224-230.
[25] Siger-Zajdel M， Selmaj KW. Proton magnetic resonance spectroscopy of normal appearing white matter in familial and sporadic multiple sclerosis [J]. J Neurol， 2005，252(7):830-832.
[26] 赵薛旭，常华军，李作汉，等.1H磁共振波谱分析在评价多发性硬化轴索损害中的临床价值[J].中国神经免疫学和神经病学杂志，2007，14(5):253-255.
[27] Obata T， Someya Y， Suhara T， et al. Neural damage due to temporal lobe epilepsy: dual-nuclei (proton and phosphorus) magnetic resonance spectroscopy study [J]. Psychiatry Clin Neurosci， 2004，58(1):48-53.