健康成年人腦葡萄糖代謝性別差異的SPM分析*

徐衛(wèi)平， 徐 浩， 李金花， 王淑俠， 朱林波

(1廣東省人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科, 廣東 廣州 510080; 2暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科, 廣東 廣州 510630)

1000-4718(2012)03-0538-04

2011-06-29

2012-01-09

廣東省普通高校人文社會(huì)科學(xué)“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)研究項(xiàng)目(No.06ZD74001)；廣東省哲學(xué)社會(huì)科學(xué)規(guī)劃心理學(xué)研究項(xiàng)目(No.06SXY005)

△ 通訊作者 Tel: 020-38688405; E-mail: txh@jnu.edu.cn

健康成年人腦葡萄糖代謝性別差異的SPM分析*

徐衛(wèi)平1,2， 徐 浩2△， 李金花2， 王淑俠1， 朱林波1

(1廣東省人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科, 廣東 廣州 510080;2暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科, 廣東 廣州 510630)

目的采用統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖(SPM)法分析健康成年人安靜狀態(tài)下大腦葡萄糖代謝水平的性別差異。方法對(duì)306例健康成年人進(jìn)行靜息狀態(tài)下的18氟-脫氧葡萄糖(18F-FDG) 正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層(PET) 腦顯像。采用SPM 5軟件將男性組(n=218)和女性組(n=88)PET腦顯像數(shù)據(jù)進(jìn)行基于體素水平的圖像分析。男、女性之間腦代謝水平進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，獲得有差異區(qū)域的Talairach坐標(biāo)值，并查出各坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的腦功能區(qū)。結(jié)果女性組總體腦葡萄糖代謝水平較男性組高。男性組腦葡萄糖代謝水平較女性組增高的腦區(qū)為右額葉旁中央小葉，而較女性組減低的腦區(qū)為左扣帶后回、右顳葉中央后回、左額葉中央前回和右額葉上回。結(jié)論安靜狀態(tài)下健康成年人腦葡萄糖代謝水平存在明顯的性別差異。

腦葡萄糖代謝； 性別差異； 統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖

男女兩性的大腦有著明顯的差異，這些差異廣泛存在于大腦結(jié)構(gòu)、大腦化學(xué)物質(zhì)和大腦功能等諸多方面[1-2]。正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層(positron emission tomography，PET)腦顯像是一種能無創(chuàng)反映活體大腦葡萄糖代謝的功能性神經(jīng)影像學(xué)手段[3-4]。目前關(guān)于正常健康人大腦葡萄糖代謝特征的PET影像學(xué)研究結(jié)果大多不一致[4-10]。統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖(statistical parametric mapping, SPM)法是基于體素水平的腦功能圖像處理軟件,具有較強(qiáng)的客觀性和可重復(fù)性,已成為研究正常人腦功能或腦神經(jīng)、精神疾病引起腦功能異常的常用方法[11]。本研究采用SPM法分析218例男性和88例女性健康成年人安靜狀態(tài)下18氟-脫氧葡萄糖(18F-fluorodeoxy glucose，18F-FDG) PET 腦顯像結(jié)果, 以探討健康成年人大腦葡萄糖代謝水平的性別差異。

材 料 和 方 法

1研究對(duì)象

正常健康者共306例(其中男性218例，年齡29～83歲，女性88例，年齡25～78歲，均為右優(yōu)勢(shì)手)均來自廣東省人民醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科PET中心1999～2004年健康體檢者。檢查前簽署知情同意書。根據(jù)病史及相應(yīng)的臨床和實(shí)驗(yàn)室檢查、腦部X 線計(jì)算機(jī)斷層(X-ray computed tomography，CT)或磁共振顯像(magnetic resonance imaging，MRI)等影像學(xué)檢查,排除中樞系統(tǒng)器質(zhì)性病變、感染性、血管性病變及其他認(rèn)知功能障礙的精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病。所有受試者均無心、肺、肝、胰、腎等臟器的嚴(yán)重疾病。

2腦18F-FDGPET顯像方法

PET顯像儀為Siemens公司生產(chǎn)ECAT7 HR+型掃描儀。顯像劑18F-FDG的制備由CTI公司生產(chǎn)RDS111型回旋加速器加速產(chǎn)生18F負(fù)離子，再通過親核取代反應(yīng)合成。所有受試者檢查前空腹6 h 以上,于暗光、安靜環(huán)境條件下休息30 min,肘靜脈注射18F-FDG 185～370 MBq，在暗室靜臥休息45 min 后進(jìn)行PET 腦顯像。掃描范圍包括整個(gè)大腦和小腦，并且使定位線平行于顱腦OM 線,并用綁帶固定患者頭部以保持位置不動(dòng)。采用腦3D模式采集，散射掃描6分鐘/床位，穿透掃描40%，衰減校正源68Ga，迭代法重建腦數(shù)據(jù)3次，獲得橫斷面、冠狀面及矢狀面影像。

3數(shù)據(jù)處理及SPM分析

將重建后腦數(shù)據(jù)通過文件傳輸協(xié)議(file transfer protocol，F(xiàn)TP)軟件從PET工作站導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，圖像格式為ECAT7格式；采用MRIcro專用軟件對(duì)腦圖像資料格式轉(zhuǎn)換成Analyze格式。SPM圖像處理及分析步驟：(1)采用SPM5軟件對(duì)轉(zhuǎn)換后的圖像先歸一化(Normalize)，再進(jìn)行平滑(Smooth)處理；(2)分別建立男女性別組的兩兩對(duì)照模型，采用兩獨(dú)立樣本的t檢驗(yàn)，對(duì)納入的受試者的腦數(shù)據(jù)進(jìn)行組間分析；(3)查看結(jié)果：統(tǒng)計(jì)閾值概率設(shè)定為P<0.01，有效范圍的閾值設(shè)定為50個(gè)像素，獲得平均差異圖，結(jié)果顯示有差異腦區(qū)域的透視圖、投影圖及其Talairach坐標(biāo)；(4)采用Talairach計(jì)算軟件得到坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的腦功能區(qū)(對(duì)有差異的腦功能區(qū)進(jìn)行定位)，若坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)腦區(qū)為白質(zhì)區(qū)則予剔除。

結(jié) 果

男性組相對(duì)于女性組的腦皮質(zhì)葡萄糖代謝水平減低的腦區(qū)有：左側(cè)扣帶后回(Brodmann 31區(qū))、右側(cè)顳葉中央后回(Brodmann 40區(qū))、左側(cè)額葉中央前回(Brodmann 6區(qū))、右側(cè)額葉上回(Brodmann 6區(qū)),見圖1、表1。男性組相對(duì)于女性組的腦皮質(zhì)葡萄糖代謝水平增高的腦區(qū)為右側(cè)額葉旁中央小葉(Talairach坐標(biāo)：x=2，y=-26，z=52；t=3.77，P<0.01)，見圖2。

表1男性組腦葡萄糖代謝水平較女性組降低的腦區(qū)

Table 1. Regions with lower cerebral glucose metabolism in the male group than the female group

Talairachcoordinate(mm)xyzAnatomicalstructureBrodmann’sareaP-16-6616LeftposteriorcingulateBrodmann31<0.01-38-654LeftfrontalprecentralgyrusBrodmann6<0.01241256RighttemporalpostcentralgyrusBrodmann6<0.0132-3656RightsuperiorfrontalgyrusBrodmann40<0.01

Figure 1. Regions with lower cerebral glucose metabolism in the male group than the female group. A：perspective drawing；B：projective drawing.

圖1男性組相對(duì)于女性組腦葡萄糖代謝水平降低的腦區(qū)

Figure 2. Regions with higher cerebral glucose metabolism in the male group than the female group. A：perspective drawing；B：projective drawing.

圖2男性組較女性組腦葡萄糖代謝水平增高的腦區(qū)

討 論

大腦的發(fā)育具有性別差異，性激素對(duì)大腦神經(jīng)細(xì)胞組織具有結(jié)構(gòu)化和激活兩種作用。當(dāng)某種特定的性激素活動(dòng)或一組性激素共同活動(dòng)時(shí)，會(huì)使神經(jīng)元增殖、軸突生成和局部一些神經(jīng)元組織存活等，而當(dāng)生物組織不去積極使用或停止使用這些性激素時(shí)，大腦中的某種特殊功能也會(huì)隨之降低或逐漸消失[12]。一般認(rèn)為，女性的口語能力和言語流暢性優(yōu)于男性，而男性擅長(zhǎng)于視覺空間處理;在數(shù)學(xué)能力上男性優(yōu)于女性;在情感調(diào)節(jié)機(jī)制中，男性傾向于具體化表達(dá)他們的感情，而女性則傾向于通過聲樂等抽象的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。這些男女兩性在認(rèn)知和情感處理過程中的差異被認(rèn)為可采用功能神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)得以客觀顯示。

PET腦顯像是一種能無創(chuàng)反映活體大腦葡萄糖代謝的功能性神經(jīng)影像學(xué)手段。由于人類大腦活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)是能量代謝，葡萄糖幾乎是腦細(xì)胞能量的唯一來源，腦的生理活動(dòng)或病理過程都伴隨著葡萄糖代謝水平的變化。神經(jīng)細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取量與細(xì)胞的功能狀態(tài)密切相關(guān)，大腦神經(jīng)元的活動(dòng)需要以葡萄糖作為能量供應(yīng)，神經(jīng)元的活性與葡萄糖代謝率成正比。大腦某一區(qū)域神經(jīng)元活動(dòng)越強(qiáng)，葡萄糖消耗就越多，局部腦血流量也越大。因此，局部葡萄糖代謝率的變化能反映該腦區(qū)的能量代謝情況，間接反映出局部的神經(jīng)元活動(dòng)，并可客觀地反映腦局部功能狀態(tài)。因此，觀察大腦神經(jīng)細(xì)胞的葡萄糖代謝狀況是揭示男女思維方式和行為方式差異的有效、直接的重要科學(xué)手段之一。

PET腦顯像測(cè)量葡萄糖代謝率的顯像劑多選擇18F-FDG，PET掃描圖像腦內(nèi)各區(qū)域的放射活性的量與該區(qū)內(nèi)葡萄糖攝取和代謝相關(guān)，因而測(cè)定的腦區(qū)內(nèi)放射活性的量就代表該區(qū)內(nèi)葡萄糖代謝。目前有關(guān)正常健康人大腦葡萄糖代謝特征的PET影像學(xué)研究結(jié)果大多不一致。國(guó)外部分學(xué)者的研究結(jié)果表明，女性大腦的葡萄糖代謝率高于男性，但大腦某些區(qū)域的葡萄糖代謝率男性高于女性[6-9]。也有研究結(jié)果表明，男性與女性整體的大腦葡萄糖代謝率是相似的，不存在性別差異[5,10]。不一致的原因可能是由于其研究對(duì)象數(shù)量不足、采取的定量分析方法不同所致。

在18F-FDG PET腦顯像的研究中，用來表示大腦功能的是腦皮質(zhì)及神經(jīng)核團(tuán)的葡萄糖代謝程度，即葡萄糖的利用率，其定量分析方法主要包括傳統(tǒng)的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)分析法和SPM法。ROI分析法是對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行量化分析，用手動(dòng)方式畫出特定區(qū)域，計(jì)算該區(qū)域的放射性計(jì)數(shù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，從中得到這些區(qū)域的腦功能信息。但由于人工方法受到圖像分辨率和人為因素的影響，主觀性強(qiáng)、重復(fù)性較差，易漏掉圖像間小區(qū)域像素差別，往往不能準(zhǔn)確地定位腦部激活區(qū)的解剖位置，對(duì)于研究不同對(duì)象間腦區(qū)功能差異的誤差較大。SPM法是以腦功能成像圖像的像素為基本單位，逐像素對(duì)數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)分析，得到某個(gè)顯著性水平下的腦激活圖，并可以此為基礎(chǔ)給出某些激活區(qū)的生理信號(hào)時(shí)間變化或任務(wù)相關(guān)曲線。由于是逐像素分析，不存在人為因素，并可由計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理。其結(jié)果較ROI法有更強(qiáng)的客觀性和可重復(fù)性。因此，基于SPM分析的PET等功能顯像已成為研究正常人腦功能或腦神經(jīng)、精神疾病引起腦功能異常的常用方法[8]。

采用SPM分析正常人腦安靜狀態(tài)下葡萄糖代謝性別差異的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道不多。Kawachi等[9]采用SPM研究了44例健康志愿者在安靜狀態(tài)下的腦葡萄糖代謝的性別差異，結(jié)果表明男女性之間存在明顯的差異，男性右側(cè)島葉、顳中回和額中回局部腦葡萄糖代謝率較女性明顯增高，女性下丘腦的局部腦葡萄糖代謝率較男性明顯增高。但也有文獻(xiàn)報(bào)道腦葡萄糖代謝不存在明顯的性別差異[4]。本研究采用SPM法觀察了218例男性和88例女性健康成年人在安靜狀態(tài)下的腦葡萄糖代謝水平，結(jié)果也表明安靜狀態(tài)下女性大腦總體葡萄糖代謝高于男性，與國(guó)外大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)果一致[5-9]。

本研究還顯示部分局部區(qū)域葡萄糖代謝男女也存在差別，女性部分腦區(qū)(如左側(cè)扣帶后回、右側(cè)顳葉中央后回、左側(cè)額葉中央前回、右側(cè)額葉上回)的葡萄糖代謝高于男性，而男性右側(cè)額葉旁中央小葉的葡萄糖代謝高于女性。這提示大腦在靜息狀態(tài)下葡萄糖代謝的性別差異以及區(qū)域代謝的不對(duì)稱性，表明男女兩性的大腦有著不同的生理學(xué)基線，例如在額葉，女性的大腦葡萄糖代謝高于男性，這可能與男女兩性不同的情感處理模式有關(guān)。在本文中我們僅對(duì)靜息狀態(tài)下的大腦功能進(jìn)行了研究，沒有進(jìn)行任務(wù)狀態(tài)的探測(cè)。在任務(wù)狀態(tài)下檢測(cè)時(shí)大腦功能的性別差異將可能變得更加顯著。靜息狀態(tài)下的大腦活動(dòng)將影響任務(wù)狀態(tài)下大腦的激活，反映了大腦在認(rèn)知或情緒過程中的神經(jīng)基礎(chǔ)，有助于解釋在行為學(xué)方面的性別差異。

[1] Bao AM, Swaab DF. Sex differences in the brain, behavior, and neuropsychiatric disorders[J]. Neuroscientist, 2010,16(5):550-565.

[2] Cosgrove KP, Mazure CM, Staley JK. Evolving knowledge of sex differences in brain structure, function, and chemistry[J]. Biol Psychiatry, 2007, 62(8):847-855.

[3] 翟瓊香，楊惠玲，曹素珍，等.小兒癲癇及其發(fā)作類型、頻率與腦細(xì)胞葡萄糖代謝的相關(guān)性研究[J]. 中國(guó)病理生理雜志, 2009,25(8):1538-1542.

[4] Kim IJ, Kim SJ, Kim YK. Age- and sex-associated changes in cerebral glucose metabolism in normal healthy subjects: statistical parametric mapping analysis of F-18 fluorodeoxyglucose brain positron emission tomography[J]. Acta Radiol, 2009, 50(10): 1169-1174.

[5] Gur RC, Mozley LH, Mozley PD, et al. Sex differences in regional cerebral glucose metabolism during a resting state[J]. Science, 1995, 267(5197):528-531.

[6] Baxter LR Jr, Mazziotta JC, Phelps ME, et al. Cerebral glucose metabolic rates in normal human females versus normal males[J]. Psychiatry Res, 1987, 21(3):237-245.

[7] Andreason PJ, Zametkin AJ, Guo AC, et al. Gender-related differences in regional cerebral glucose metabolism in normal volunteers[J]. Psychiatry Res, 1994, 51(2):175-183.

[8] Fujimoto T, Matsumoto T, Fujita S, et al. Changes in glucose metabolism due to aging and gender-related differences in the healthy human brain[J]. Psychiatry Res, 2008, 164(1):58-72.

[9] Kawachi T, Ishii K, Sakamoto S, et al. Gender differences in cerebral glucose metabolism: a PET study[J]. J Neurol Sci, 2002, 199(1-2):79-83.

[10]Azari NP, Rapoport SI, Grady CL, et al. Gender differences in correlations of cerebral glucose metabolic rates in young normal adults[J]. Brain Res, 1992, 574(1-2):198-208.

[11]Jeong Y, Cho SS, Park JM, et al.18F-FDG PET findings in frontotemporal dementia: an SPM analysis of 29 patients[J].J Nucl Med， 2005， 46(2):233-239.

[12]徐光興.性別差異的腦半球功能特殊化及其認(rèn)知模塊觀[J]. 華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)：教育科學(xué)版, 2007, 25(2): 48-52.

Analysisofsexdifferencesincerebralglucosemetabolisminnormaladultsusingstatisticalparametricmapping

XU Wei-ping1,2, XU Hao2, LI Jin-hua2, WANG Shu-xia1, ZHU Lin-bo1

(1DepartmentofNuclearMedicine,GuangdongGeneralHospital,Guangzhou510080,China;2DepartmentofNuclearMedicine,TheFirstAffiliatedHospitalofJinanUniversity,Guangzhou510630,China.E-mail:txh@jnu.edu.cn)

AIM: To investigate the sex differences in regional cerebral glucose metabolism in normal adults under the resting state by statistical parametric mapping (SPM).METHODSCerebral glucose metabolic images were obtained by positron emission tomography (PET) with18F-fluorodeoxy glucose (18F-FDG) in 306 normal subjects (218 males and 88 females). All individual data were transferred to standard space. The data between male group and female group were compared by SPM (P<0.01). The coordinates of regions of sex difference were obtained, and then the brain function locations of these regions were checked by Talairach software.RESULTSThe total cerebral glucose metabolism in male group was lower than that in female group. The glucose metabolism in right paracentral lobule gyrus in male group was higher than that in female group. However, in male group, the glucose metabolism in some regional cortexes including left posterior cingulate, left frontal precentral gyrus, right temporal postcentral gyrus and right superior frontal gyrus was lower than that in female group.CONCLUSIONThere is sex difference of glucose metabolism between males and females at resting state.

Brain glucose metabolism; Sex differences; Statistical parametric mapping

R363

A

10.3969/j.issn.1000-4718.2012.03.027