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目的 采用神经突方向离散度和密度成像(Neurite orientation dispersion and density imaging,NODDI)研究阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease,AD)和轻度认知功能障碍(Mild cognitive impairment,MCI)患者脑白质和灰质微观结构的改变,并探讨微观结构改变与认知功能之间的关系。材料与方法 收集14例AD患者、14例MCI患者和14例健康对照者(normal control,NC),进行全脑3.0T磁共振扩散序列和T1-MPRAGE序列扫描,采用FSL计算DTI参数图各向异性分数(fractional anisotropy,FA);采用NODDI_toolbox计算NODDI的参数图神经突密度指数(neurite density index,NDI)、方向离散度指数(orientation dispersion index,ODI)和各向同性水分子体积分数(volume fraction of isotropic water molecule,Viso)。本研究分为以下两部分:1、NODDI对脑白质微观结构变化的研究采用TBSS方法对三组间FA、NDI、ODI和Viso参数图进行单因素方差分析,年龄作为协变量,结果采用无阈值簇增强(threshold-free cluster enhancement,TFCE)校正;提取有统计学差异的纤维束的参数值,分别与简易智能状态检查量表(Mini-mental state examination,MMSE)和蒙特利尔认知评估量表(Montreal cognitive assessment,Mo CA)评分做Spearman相关性分析,对相关性最强的白质纤维束的各参数值进行受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析。2、NODDI对脑灰质微观结构变化的研究以双侧前扣带回、双侧后扣带回、双侧海马、双侧海马旁回、双侧杏仁核、双侧尾状核、双侧壳核、双侧苍白球、双侧丘脑、双侧额叶皮层、双侧枕叶皮层、双侧颞叶皮层、双侧顶叶皮层为感兴趣区(region of interest,ROI),制作ROI模板,将NDI、ODI和Viso参数图配准到标准空间,提取ROI模板各参数值,对三组间各参数值进行单因素方差分析,两两比较采用Bonferroni检验,p≤0.016认为差异有统计学意义。对有统计学差异的各参数值与MMSE和Mo CA评分进行Spearman相关性分析。结果 1、NODDI对脑白质微观结构变化的研究结果:(1)TBSS比较结果:NC组与MCI组相比较,MCI组FA值变化无统计学差异,而MCI组多个脑白质区的NDI值、ODI值显著降低(p<0.01,TFCE校正),Viso值在多个脑白质区显著升高(p<0.01,TFCE校正);MCI组与AD组相比较,AD组多个脑白质区的FA值、NDI值和ODI值显著降低(p<0.01,TFCE校正),Viso值在多个脑白质区显著升高(p<0.01,TFCE校正);在相同的层面内,NDI显示的具有统计学差异的白质结构范围最广泛;NC组与AD组相比较,AD组多个白质区域的FA值、NDI值和ODI值均显著降低,Viso值显著升高。(2)相关性分析结果:胼胝体压部NDI值(r=0.633,p<0.001)、左侧上纵束ODI值(r=0.649,p<0.001)和右侧大脑脚Viso值(r=-0.508,p=0.001)与MMSE评分具有最强相关性;胼胝体压部NDI值(r=0.647,p<0.001)、左侧上纵束ODI值(r=0.653,p<0.001)和左侧扣带束Viso值(r=-0.505,p=0.001)与Mo CA评分具有最强相关性。(3)ROC曲线分析结果:对于MCI的诊断,各参数值曲线下面积(area under the ROC curve,AUC)无统计学差异;对于AD的诊断,胼胝体压部NDI值AUC显著大于FA值(AUC=0.885,0.714,p=0.042),右侧大脑脚Viso值AUC显著大于FA值(AUC=0.934,0.531,p=0.004),左侧上纵束ODI值AUC与FA值相比较无统计学差异(AUC=0.918,0.816,p=0.282),左侧扣带束Viso值AUC与FA值相比较无统计学差异(AUC=0.837,0.740,p=0.482)。2、NODDI对脑灰质微观结构变化的研究结果:(1)两两比较Bonferroni检验结果:NC组与MCI组相比较,MCI组左侧颞叶皮层NDI值显著降低,多个ROI区域的ODI值显著降低;NC组与AD组相比较,AD组多个ROI区域的NDI值、ODI值显著降低,多个ROI区域的Viso值显著增加,ODI具有统计学差异的ROI较NDI更广泛;MCI组与AD组相比较,AD组多个ROI区域的Viso值显著增加。(2)相关性分析结果:右侧后扣带回NDI值(r=0.497,p=0.001)、左侧顶叶皮层ODI值(r=0.542,p<0.001)、左侧颞叶皮层Viso值(r=-0.712,p<0.001)与MMSE评分具有最强相关性;右侧后扣带回NDI值(r=0.520,p<0.001)、左侧顶叶皮层ODI值(r=0.569,p<0.001)、右侧海马Viso值(r=-0.661,p<0.001)与Mo CA评分具有最强相关性。结论 (1)采用NODDI对AD和MCI脑白质微观结构的研究,发现AD与MCI患者脑白质中神经突密度以及纤维分布方向离散程度的降低,NODDI可以对脑白质微观结构的变化进行更准确的评估。(2)采用NODDI对AD和MCI脑灰质微观结构的研究,表明AD与MCI阶段脑灰质中神经突的丢失以及树突复杂性的降低,AD阶段的改变还有脑灰质的萎缩,并且从MCI进展为AD,主要的变化可能是脑灰质的萎缩;脑灰质的Viso可能是预测病情进展的参考指标。(3)NODDI检测的MCI和AD脑白质与灰质微观结构的变化能够反映MCI与AD的临床认知状态,参数NDI可能较FA对白质的变化更敏感,ODI可能对灰质的变化较敏感;NODDI对于AD的诊断可能优于DTI。