1
Charakteristika a identifikace pacientů
s neurodegenerativními poruchami
Týmový projekt z matematické biologie
Jaro 2012
Autoři:
Klára Benešová
Petra Kovalčíková
Radomír Kůs
Lukáš Rosol
Vedoucí projektu:
RNDr. Eva Janoušová
2
Obsah
Úvod a cíle práce ............................................................................................................... 3
1 Teoretické pozadí .................................................................................................. 4
1.1 Alzheimerova choroba ............................................................................... 4
1.1.1 Průběh nemoci ............................................................................... 4
1.1.2 Stádia nemoci ................................................................................. 4
1.2 Mírná kognitivní porucha ........................................................................... 4
1.2.1 Diagnostika ..................................................................................... 4
1.3 MMSE ......................................................................................................... 5
1.3.1 Hodnocení ...................................................................................... 5
2 Čištění dat .............................................................................................................. 6
3 Definice souboru ................................................................................................... 7
3.1 Rozdělení skupin ........................................................................................ 7
3.2 Pohlaví ........................................................................................................ 7
3.3 Věk ............................................................................................................. 8
3.4 Hmotnost ................................................................................................... 8
3.5 MMSE ......................................................................................................... 9
3.6 MMSE po 24 měsících ................................................................................ 10
3.7 Objemy mozkových struktur ..................................................................... 11
4 Ověřování hypotéz ............................................................................................... 12
4.1 První hypotéza: Ověření, zda se liší objem mozkových struktur
v závislosti na pohlaví ................................................................................ 12
4.2 Druhá hypotéza: Ověření, zda se liší objem mozkových struktur
v závislosti na zařazení do skupiny ............................................................ 13
4.3 Třetí hypotéza: Ověření vztahu objemu jednotlivých mozkových
struktur a MMSE skóre při přijetí do studie .............................................. 15
4.4 Čtvrtá hypotéza: Ověření odlišnosti změny MMSE skóre u pacientů
s Alzheimerovou chorobou a zdravými jedinci .......................................... 17
Závěr ................................................................................................................................. 18
Používané zkratky ............................................................................................................ 20
Literatura ......................................................................................................................... 20
3
Úvod a cíle práce
Data, která jsme obdrželi, obsahovala detailní záznamy o třech skupinách pacientů.
První skupinu tvořili kontrolní jedinci, druhou skupinu pacienti s mírnou kognitivní poruchou
a poslední skupina zahrnovala jedince s Alzheimerovou chorobou.
V první řadě bylo potřeba provést úpravu dat a jejich popisnou sumarizaci. Data jsme
zkontrolovali, rekódovali a poté jsme přikročili k jejich vyčištění před samotnou analýzou.
Následně jsme provedli popisnou sumarizaci souboru vyšetřovaných pacientů a objemů
mozkových struktur.
Po úpravě dat a jejich popisné sumarizaci jsme přikročili k testování hypotéz.
Ověřovali jsme, zda se liší objem mozkových struktur podle pohlaví a také, zda se liší objem
mozkových struktur u jednotlivých skupin pacientů. Dále jsme zjišťovali, zda existuje vztah
mezi objemem jednotlivých mozkových struktur a MMSE skóre u pacientů při přijetí
do studie. Nakonec jsme se zaměřili ještě na hypotézu, zda je změna MMSE skóre odlišná
u pacientů s Alzheimerovou chorobou ve srovnání se zdravými lidmi.
V samotném závěru jsme se pokusili výsledky naší práce shrnout a konfrontovat
s fyziologickými fakty a funkcemi jednotlivých zkoumaných mozkových struktur.
4
1 Teoretické pozadí
1.1 Alzheimerova choroba (Alzheimer’s Disease – AD)
AD je neurodegenerativní onemocnění mozku, při kterém dochází k postupné
demenci. V současné době není známa příčina vzniku AD, z neuropatologických nálezů se
však ví, jak nemoc probíhá.
1.1.1 Průběh nemoci
Při AD dochází k ukládání patologických proteinů ve formě vláken nebo v okolí
nervových buněk. Vznikají tak amyloidové plaky, které způsobují poškození a zánik
nervových buněk a jejich spojů. Dochází také k úbytku acetylcholinu, který je významný
v procesu nervového vzruchu.
1.1.2 Stadia nemoci
Podle příznaků lze rozlišit tři stádia onemocnění.
 Stadium lehké demence:
Obtížné dorozumívání, zapomínání, zakládání věcí, podezíravost, vztahovačnost,
popírání problémů a poruchy paměti, dezorientace v čase, bloudění na známých
místech, obtížné rozhodování a bezradnost, známky deprese, úzkosti a agresivity,
ztráta zájmu o koníčky, změna osobnosti – sobeckost a egocentričnost.
 Stadium střední demence:
Poruchy soudnosti, nekritičnost, prohlubování změn osobnosti, neschopnost
vykonávat běžné aktivity jako je vaření a nakupování, potřeba pomoci při vykonávání
osobní hygieny a oblékání, obtížná komunikace, toulání, bloudění, poruchy chování,
halucinace, podezírání, stavy zmatenosti.
 Stadium těžké demence:
Poruchy příjmu potravy, nerozpoznání blízkých osob, nechápání okolního dění, ztráta
schopnosti souvislé řeči, velké stavy zmatenosti, obtížná chůze, poruchy vylučování
moči a stolice, úplná ztráta soběstačnosti, upoutání na invalidní vozík, tělesné
i duševní chátrání, hubnutí, smrt.
1.2 Mírná kognitivní porucha (Mild Cognitive Impairment - MCI)
Vyznačuje se postižením alespoň jedné složky kognice, nicméně u těchto pacientů
ještě nedochází k narušení běžných aktivit každodenního života – nejedná se tedy o demenci.
Nejčastěji bývá poškozena krátkodobá paměť. Průměrně 15% pacientů s MCI (zejména
s amnestickým MCI) každý rok přechází do Alzheimerovy choroby (AD). Neamnestické MCI
častěji konvertují ve vaskulární demenci (VaD).
1.2.1 Diagnostika
Diagnostika podle kritérií doporučených Petersenem:
 pacienti si sami stěžují na paměť
 paměťové funkce objektivně narušeny (pod 1,5 SD ve vztahu k normě pro daný věk)
5
 ostatní kognitivní funkce normální
 nejsou známky demence
1.3 MMSE (Mini-Mental State Examination)
MMSE je test kognitivních funkcí, v rámci něhož se zkoumají paměťové a další funkce
mozku, které bývají postiženy u demence. Testování je zaměřeno na orientaci, pozornost,
paměť, opakování, počítání, psaní, malování aj.
1.3.1 Hodnocení
 < 10 bodů: těžká kognitivní porucha
 11–20 bodů: středně těžká kognitivní porucha
 21–23 bodů: lehká kognitivní porucha
 24–26 bodů: hraniční stav, možnost demence
 27–30 bodů: normální stav
6
2 Čištění dat
Původní datový soubor obsahoval 845 pacientů, z nichž ale bylo potřeba některé
vyřadit kvůli chybějícím klíčovým údajům nebo extrémním hodnotám některých
proměnných. Dva údaje byly pozměněny jako očividné překlepy.
- 4 Chybějící údaj: skupina
- 2 Chybějící údaj: pohlaví
- 2 Chybějící údaj: věk
- 6 Chybějící údaj: MMSE
- 5 Extrémní hodnota: hmotnost
- 2 Extrémní hodnota: věk
- 7 Duplicitní záznam
Upravený datový soubor zahrnoval 817 pacientů. Pro ověření jedné z našich hypotéz
bylo nutné vytvořit druhý speciální datový soubor, který obsahoval pouze 454 pacientů,
jelikož 363 pacientů muselo být ještě dodatečně vyřazeno kvůli nevyplněné hodnotě MMSE
skóre po 24 měsících.
7
3 Definice souboru
3.1 Rozdělení skupin (n = 817)
Sumarizace podle skupin:
Bylo provedeno sloučení skupin pacientů se stabilní a progresivní formou mírné
kognitivní poruchy.
3.2 Pohlaví (n = 817)
Sumarizace podle pohlaví:
Kategorizace podle skupin:
8
3.3 Věk (n = 817)
Sumarizace podle věku (v letech):
Kategorizace věku podle skupin (v letech):
3.4 Hmotnost (n = 817)
Sumarizace podle hmotnosti [kg]:
Věk
Věk
9
Kategorizace hmotnosti podle skupin [kg]:
3.5 MMSE (n = 817)
Sumarizace MMSE:
Kategorizace MMSE podle skupin:
Hmotnost [kg]
Hmotnost [kg]
10
3.6 MMSE po 24 měsících (n = 454)
Sumarizace MMSE po 24 měsících:
Kategorizace MMSE po 24 měsících podle skupin:
MMSE
MMSE (24)
11
3.7 Objemy mozkových struktur (n = 817)
Sumarizace objemů mozkových struktur [mm3
]:
12
4 Ověřování hypotéz
4.1 První hypotéza: Ověření, zda se liší objem mozkových struktur v závislosti
na pohlaví (n = 817)
Nulová a alternativní hypotéza byla stanovena následovně:
H0: objem mozkové struktury se neliší v závislosti na pohlaví
H1: objem mozkové struktury se liší v závislosti na pohlaví
Testování bylo provedeno na hladině významnosti α=0,05. Srovnány byly objemy
mozkových struktur u žen (n1 = 340) a mužů (n2 = 477).
Postup:
 ověření normality dat (vizuálně, Shapirův-Wilkův test):
A) Splněn předpoklad normálního rozdělení
• Ověření homogenity rozptylů (F-test)
a) Shodné rozptyly – dvouvýběrový t-test
b) Odlišné rozptyly – Welchova korekce pro dvouvýběrový t-test
B) Nesplněn předpoklad normálního rozdělení
• Ověření předpokladu pro stejné pravděpodobnostní rozdělení
a) Splněno – Mannův-Whitneyho test
b) Nesplněno – Kolmogorovův-Smirnovův test
U objemu hippocampu nebyl splněn předpoklad normality, proto jsme použili
neparametrický test pro dva výběry – Mannův-Whitneyho test.
U hippocampu a thalamu byla zamítnuta nulová hypotéza na hladině významnosti
α = 0,05 ve prospěch alternativní hypotézy.
13
Závěr:
Muži mají objemnější hippocampus a thalamus než ženy. Objem amygdaly, pallida
a putamenu se u mužů a žen neliší.
4.2 Druhá hypotéza: Ověření, zda se liší objem mozkových struktur v závislosti
na zařazení do skupiny (n = 817)
Nulová a alternativní hypotéza byla stanovena následovně:
H0: objem mozkové struktury se mezi skupinami neliší
H1: alespoň u jedné skupiny pacientů se objem mozkové struktury liší
Testování bylo provedeno na hladině významnosti α=0,05. Srovnány byly skupiny
pacientů: CN (n1 = 221) x MCI (n2 = 400) x AD (n3 = 196).
Postup:
A) Analýza rozptylu (ANOVA) – nutné podmínky:
i. Nezávislost pozorovaných hodnot
ii. Normalita dat (vizuální ověření, Shapirův-Wilkův test)
iii. Homogenita rozptylů – Brownův-Forsythův test
a) Zamítnutí hypotézy o shodě středních hodnot → Scheffého test
b) Nezamítnutí hypotézy o shodě středních hodnot
B) Kruskalův-Wallisův test (neparametrická alternativa analýzy rozptylu v případě nesplnění
některého z předpokladů uvedených výše)
14
a) Zamítnutí hypotézy, že všechny výběry pocházejí z téhož rozdělení → metoda
mnohonásobného porovnávání
b) Nezamítnutí hypotézy, že všechny výběry pocházejí z téhož rozdělení
U thalamu byl zamítnut předpoklad o normalitě dat u skupiny kontrolních jedinců
a u amygdaly, thalamu a putamenu byl zamítnut předpoklad o homogenitě rozptylů, proto
jsme se rozhodli k testování použít neparametrický Kruskalův-Wallisův test.
U hippocampu, amygdaly a putamenu byla zamítnuta nulová hypotéza na hladině
významnosti α = 0,05 ve prospěch alternativní hypotézy. Metoda mnohonásobného
porovnávání ukázala, že objem hippocampu a putamenu se liší ve všech skupinách, zatímco
u amygdaly se liší objem pouze mezi CN-MCI a CN-AD.
15
   



n
i
iiS QR
nn
r
1
2
2
1
6
1
Závěr:
Objem hippocampu a putamenu: CN > MCI > AD.
Objem amygdaly: CN > MCI = AD.
Objem thalamu a pallida se mezi skupinami pacientů neliší.
4.3 Třetí hypotéza: Ověření vztahu objemu jednotlivých mozkových struktur a MMSE
skóre při přijetí do studie (n = 817)
Nulová a alternativní hypotéza byla stanovena následovně:
H0: veličiny jsou stochasticky nezávislé
H1: veličiny nejsou stochasticky nezávislé
Testování bylo provedeno na hladině významnosti α=0,05.
Postup:
Vypočetli jsme Spearmanův korelační koeficient Rs
,
kde Ri značí pořadí náhodné veličiny Xi a Qi pořadí náhodné veličiny Yi, i = 1, ..., n.
Získanou hodnotu rs jsme dosadili do testové statistiky
20
1
2
S
S
r
nr
T


 ≈ t (n-2) .
16
U hippocampu, amygdaly a putamenu byla zamítnuta nulová hypotéza na hladině
významnosti α = 0,05 ve prospěch alternativní hypotézy.
17
Závěr:
Čím je nižší objem hippocampu, amygdaly a putamenu, tím je nižší hodnota MMSE skóre.
Objem thalamu a pallida s hodnotou MMSE skóre nesouvisí.
4.4 Čtvrtá hypotéza: Ověření odlišnosti změny MMSE skóre u pacientů s Alzheimerovou
chorobou a zdravými jedinci (n=241)
Nulová a alternativní hypotéza byla stanovena následovně:
H0: změna MMSE skóre po 24 měsících se neliší u CN a AD
H1: změna MMSE skóre po 24 měsících se liší u CN a AD
Testování bylo provedeno na hladině významnosti α=0,05. Srovnávány byly změny
MMSE skóre u skupin pacientů: CN (n = 145) x AD (n = 94).
Postup:
Zavedli jsme si novou proměnnou změna MMSE definovanou následovně:
změna MMSE skóre = MMSE při přijetí do studie – MMSE po 24 měsících.
Jelikož data nesplňují předpoklady parametrického testu, použili jsme neparametrický
Mannův-Whitneyho test. Sledovaná p-hodnota se realizovala hodnotou menší než 0,001,
tedy jsme na hladině významnosti α=0,05 zamítli nulovou hypotézu ve prospěch alternativní
hypotézy.
Závěr:
U pacientů s AD je větší průměrný pokles MMSE skóre (m = 5,03; 95% IS: <3,87; 6,19>) než
u kontrolních jedinců (m = 0,21; 95% IS: <0,00; 0,41>).
18
Závěr
Jako poslední bod naší práce by bylo vhodné doplnit statistický popis o to, co nám její
výsledky říkají a jak (popř. jestli vůbec) se shodují s teoretickým pozadím problematiky
neurodegenerativních onemocnění mozku. Nejprve si ale budeme muset uvést některé
charakteristiky jednotlivých struktur mozku.
Stručný nástin funkcí částí mozku:
Hippocampus:
 Hraje významnou roli v procesu krátkodobého uchovávání informací a vzpomínek
a v jejich přechodu do paměti dlouhodobé. Mimo to souvisí i s prostorovou orientací.
Amygdala:
 Zpracovává dovednosti, postupy a návyky. Úzce komunikuje s hippocampem.
Amygdala je také střediskem emocí.
Putamen:
 Ovlivňuje různé typy učení, kupř. zpětnovazební, implicitní.
Thalamus:
 Podílí se na vegetativních funkcích a přenosech signálů z periferních receptorů
do příslušných korových oblastí.
Pallidum:
 Je jedním z bazálních ganglií a spolu se subthalamem je součástí extrapyramidálního
motorického systému. Ovládá tedy nevolní motorické funkce (jako jsou např. reflexy
nebo koordinace v prostoru).
Nyní si rozdělme jednotlivé mozkové struktury do dvou skupin s pracovním
označením skupina A a skupina B.
Skupina A:
 Skupina A zahrnuje mozkové struktury, které jsou právě u Alzheimerovy choroby
nejvíce ovlivněny. Našimi daty jsme potvrdili odlišnost objemů těchto struktur
u jednotlivých skupin pacientů i jejich vztah k MMSE skóre.
Skupina B:
 Skupina B obsahuje ty mozkové struktury, jejichž hlavní funkce nejsou Alzheimerovou
chorobou výrazně ovlivněny. Naše data neprokázala, že by byl mezi jejich objemy
a MMSE skóre nějaký vztah, ani že by u nich docházelo při nemoci k atrofii.
Podíváme-li se na výsledky našich hypotéz, konkrétně druhé a třetí, zjistíme, že
do skupiny A se řadí hippocampus, amygdala a putamen. Thalamus a pallidum spadají
do skupiny B.
Ve druhé hypotéze se zabýváme tím, zda se liší objem mozkových struktur v závislosti
na zařazení pacienta do skupiny, a ve třetí hypotéze tím, zda se liší objem jednotlivých
mozkových struktur v závislosti na MMSE skóre při přijetí pacienta do studie. Pokud se
nad tím hlouběji zamyslíme, měly by obě tyto hypotézy ukázat závislost mezi stejnými
mozkovými strukturami, protože zařazení pacienta do skupiny se odvíjí od výsledku MMSE
skóre při jeho přijetí do studie. Nyní přirozeně vyvstává otázka, jestli se dá opodstatnit
19
závislost MMSE skóre a jednotlivých struktur mozku fyziologickými znalostmi dané
problematiky.
Při podrobnějším pohledu na MMSE skóre zjistíme, že atrofování nebo nějaká
dysfunkce hippocampu, amygdaly a putamenu by se měla výrazně projevit na výsledku testu.
Jak již bylo řečeno, hippocampus slouží ke krátkodobému uchovávání informací. V rámci
testu pro stanovení hodnoty MMSE skóre se například po pacientovi požaduje krátkodobé
zapamatování a vybavení si několika slov. Správná činnost hippocampu je tedy třeba.
Amygdala pomáhá hippocampu a zároveň pomáhá s některými psychickými úkony, které se
v testu také vyskytují. Putamen kupříkladu zprostředkovává zpětnou vazbu, tedy když je
pacientovi řečeno (případně písemně sděleno na papíře), aby nějaký úkon provedl, musí tato
informace přejít přes putamen a být zde zpracována.
Na druhou stranu role thalamu a pallida by neměla být přímo propojena s hodnotou
MMSE skóre. Thalamus slouží jako převodník signálů a má vliv na vegetativní funkce
organismu a pallidum hraje roli v motorice. Jejich vliv na psychické funkce (které jsou
zkoumány v testu) je tedy menší než vliv předchozích tří.
Roli samozřejmě hrají i různé další funkce zmíněných struktur, které zde ale
pro zjednodušení nezmiňujeme.
Ve stručnosti se ještě podíváme na závěr první a čtvrté hypotézy a na srovnání
s fyziologickými skutečnostmi. K první hypotéze nemáme žádný rozumný podklad, proč by se
měly objemy struktur lišit v závislosti na pohlaví. Čtvrtá hypotéza je na druhou stranu
víceméně logická. Když totiž nějaká struktura funguje špatně, bude v budoucnu hůře
využívána čili méně trénována. Snížení tréninku bude mít za následek další zhoršení funkce.
Zde se kruh typu pozitivní zpětné vazby uzavírá a následuje opět pokles tréninku. Toto zde
uvádíme jako důvod, proč se stav pacientů s AD zhoršuje s uplynulým časem více než
u kontrolních jedinců.
Závěrem je třeba ještě zmínit, že naše testování bylo provedeno na mužích i ženách
společně. Vzhledem k tomu, že ženy a muži podle výsledku první hypotézy nemají stejný
objem některých mozkových struktur a že poměrné zastoupení pohlaví není u všech skupin
pacientů stejné, bylo by korektní provést všechny testy zvlášť na mužích a ženách. Tuto
variantu si dovolíme ponechat jako motivaci pro další potenciální práci.
20
Používané zkratky
AD Alzheimerova choroba
CN kontrolní jedinci
IS interval spolehlivosti
MCI mírná kognitivní porucha
MMSE Mini-Mental State Examination
SD směrodatná odchylka
Literatura
Budíková, Marie – Lerch, Tomáš – Mikoláš, Štěpán: Základní statistické metody. První dotisk
prvního vydání. Brno : Masarykova univerzita, 2009. 180 s. ISBN 978-80-210-3886-8
Pavlík, Tomáš – Dušek, Ladislav: Biostatistika. První vydání. Brno : Akademické nakladatelství
CERM, s.r.o., 2012. 131 s. ISBN 978-80-7204-782-6
Internetové zdroje:
URL 1: http://www.alzheimer.cz/
URL 2: http://www.medicabaze.cz/
URL 3: http://www.wikipedia.org/