聽覺皮層網(wǎng)絡(luò)老化的靜息態(tài)功能磁共振成像研究

朱新，黃志純，劉斌，楊明，李晶，季慧

(1.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院 耳鼻咽喉-頭頸外科，江蘇南京 210009;2.東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院放射科，江蘇南京 210009)

耳聾是臨床中的常見病、多發(fā)病，隨著年齡的增大，其發(fā)病率也增加［1］。目前臨床上常用的聽力學(xué)檢查只能夠?qū)β犛X狀況作出評(píng)價(jià)，常規(guī)的CT、MRI檢查也只能觀察有無器質(zhì)性病變，不能反映大腦聽覺皮層的功能狀況。功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)是無創(chuàng)、可重復(fù)性研究大腦功能的影像方法，尤其是靜息態(tài)腦功能磁共振成像(resting state functional MRI，rfMRI)無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，克服了既往掃描噪聲對(duì)聽覺實(shí)驗(yàn)的影響［2］，進(jìn)一步豐富了fMRI的研究?jī)?nèi)涵。本實(shí)驗(yàn)的目的就是觀察不同年齡受試者聽覺皮層的功能連接，以了解老化對(duì)該網(wǎng)絡(luò)的影響，以期作為不同年齡耳聾患者的聽覺皮層網(wǎng)絡(luò)功能重組研究的正常對(duì)照。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

分別選取不同年齡段A、B兩組正常聽力受試者各30例。A組中女16例，男14例，年齡20～36歲，平均(25.23±3.89)歲;B組中女17例，男13例，年齡50～63歲，平均(56.52±3.48)歲。所有受試者身體健康，無嚴(yán)重的神經(jīng)系統(tǒng)疾病史和精神病藥物服用史，無心血管疾病史，無耳鳴、眩暈等。所有受試者均為右利手，純音測(cè)聽雙耳平均聽閾值均小于20 dB HL。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案經(jīng)東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院倫理委員會(huì)論證并同意，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 方法

使用西門子3.0 T Verio MRI儀，受試者安靜平躺，掃描整個(gè)過程中受試者戴眼罩以消除視覺的干擾。使用標(biāo)準(zhǔn)12通道頭線圈固定頭部以減少運(yùn)動(dòng)。掃描中先使用自旋回波脈沖序列獲取20層橫軸面T2WI圖像，以排除顱內(nèi)病變，然后使用自旋回波脈沖序列掃描T1WI解剖圖像，掃描參數(shù)為:TR 2 000 ms，TE 9 ms，翻轉(zhuǎn)角(flip angle)150°，層厚 4 mm，無間隔，矩陣320×320。然后采用血氧水平依賴成像(BOLD)技術(shù)，應(yīng)用單次激發(fā)成像梯度回波序列(gradient EPI)，在T1WI同樣的層面上進(jìn)行功能成像。EPI掃描參數(shù)為:TR 2 000 ms，TE 25 ms，翻轉(zhuǎn)角 90°，視野240 mm ×240 mm，距陣 64 ×64，層厚 4 mm，無間距，36 層，240個(gè)TR，掃描持續(xù)時(shí)間8 min 6 s。同時(shí)對(duì)每個(gè)受試者作全腦容積掃描以獲得全腦3D圖像。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

fMRI數(shù)據(jù)處理及分析:在MATLAB平臺(tái)下使用DPARSF軟件對(duì)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去掉前10幀圖像后，fMRI圖像經(jīng)過空間預(yù)處理，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正，舍棄頭部三維平移超過1 mm、三維旋轉(zhuǎn)超過1°的樣本數(shù)據(jù);再標(biāo)準(zhǔn)化到蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所(MNI)標(biāo)準(zhǔn)頭解剖模板上，然后再分割為3×3×3大小的體素，最后進(jìn)行空間平滑高斯濾過(6 mm FWHM)。

fMRI數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè):首先對(duì)預(yù)處理數(shù)據(jù)低頻濾過，濾波帶寬0.01～0.08 Hz，以便去除高頻生理噪音和低頻漂移;然后利用WFU-PickAtlas(http://www.fmri.wfubmc.edu/)軟件獲得左右側(cè)初級(jí)聽覺皮層［Talairach左側(cè)(-43，-29，11)，右側(cè)(41，-29，12)］模板作為種子區(qū)，提取種子區(qū)的平均信號(hào)強(qiáng)度，將其與全腦各像素信號(hào)進(jìn)行線性相關(guān)分析，用閾值化的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)掩膜像。相關(guān)系數(shù)經(jīng)過菲舍爾z值轉(zhuǎn)化，每個(gè)受試者個(gè)體的z值輸入SPM8軟件通過隨機(jī)效應(yīng)單樣本t檢驗(yàn)得到低頻信號(hào)與左、右側(cè)AⅠ區(qū)顯著正相關(guān)的腦激活圖，組內(nèi)單樣本數(shù)據(jù)分析激活區(qū)閾值采用FWE檢驗(yàn)，A、B組之間的差異采用雙樣本t檢驗(yàn)，閾值采用AlphaSim檢驗(yàn)。

2 結(jié) 果

2.1 A、B組分別以AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活腦圖

A組以左、右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活腦區(qū)主要包含雙側(cè)的顳橫回(BA41、42)、顳上回(BA22)、島回(BA13)、前扣帶回(BA24、32)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(BA6，主要是中央前回、中央后回及內(nèi)額下回的部分區(qū)域)等。B組以左、右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的的正激活腦區(qū)與A組類似，主要包含雙側(cè)的顳橫回(BA41、42)、顳上回(BA22)、島回(BA13)、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(BA6，主要是中央前回、中央后回及內(nèi)額下回的部分區(qū)域)及少部分扣帶回(表1、圖1)。

表1 A、B組分別以左、右AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活區(qū)域Tab 1 A、B groups about AⅠ for the activation area of the seed point

圖1 AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活區(qū)域(標(biāo)尺為左側(cè))Fig 1 AⅠarea for the activation region of the seed point

2.2 A、B組激活腦圖的組間比較

以右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，B組比A組連接減少的區(qū)域?yàn)樽髠?cè)島葉、右側(cè)基底節(jié)(主要為尾狀核)、中央后回;連接增多的區(qū)域?yàn)橛覀?cè)頂葉后部、右側(cè)楔前葉(BA7)。以左側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，B組比A減少連接的區(qū)域?yàn)橛覀?cè)島葉、左側(cè)基底節(jié)、前扣帶回(BA24、32);連接增多的區(qū)域?yàn)樾ㄈ~、小腦(表2、圖2)。

表2 A、B組激活腦圖的組間比較Tab 2 Comparison of activation of brain diagram between A and B groups

圖2 A、B組激活腦圖的組間比較，紅色代表A＞B，藍(lán)色代表A＜B(標(biāo)尺為左側(cè))Fig 2 A、B groups activation brain mapping group，the red represents A＞B，Blue represents the A＜B

3 討 論

在以往的fMRI研究中［3-5］，研究聽覺最常用的方法是設(shè)計(jì)特定的聽覺任務(wù)來觀察聽覺皮層的反應(yīng)，即“任務(wù)功能性磁共振”。這種聽覺任務(wù)的fMRI的研究困難較大的主要原因?yàn)镋PI掃描時(shí)產(chǎn)生的巨大掃描噪音以不可預(yù)料的方式影響真實(shí)的試驗(yàn)聽覺反應(yīng)，如:提高試驗(yàn)刺激的聽閾，影響前景及背景噪聲的鑒別;另外MRI噪音還產(chǎn)生不需要的BOLD信號(hào)，而且分散了受試者的注意力，從而影響了感受外加刺激的效果。近年來靜息態(tài)fMRI的研究成為了研究的熱點(diǎn)［6-8］。所謂靜息態(tài)指的是受試者閉眼、放松、靜止不動(dòng)的狀態(tài)。近來的研究［9］發(fā)現(xiàn)，人即使處于靜息狀態(tài)，仍存在腦自發(fā)性和持續(xù)性的功能活動(dòng)。這種rsMRI無需設(shè)計(jì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，患者容易配合，使研究的可重復(fù)性和可操作性增強(qiáng)。與有任務(wù)設(shè)計(jì)的fMRI研究［10-11］相比，我們認(rèn)為靜息狀態(tài)研究更有利于反映基礎(chǔ)狀態(tài)下患者聽覺皮層的腦功能連接。目前，靜息狀態(tài)下的功能連接分析已經(jīng)被大量應(yīng)用到諸如精神分裂癥、阿爾茨海默癥、抑郁癥、小兒多動(dòng)癥［12］等疾病的病理研究中，但是在聽覺方面的研究報(bào)道不多。

本實(shí)驗(yàn)組內(nèi)分析顯示，A、B組分別以AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活腦網(wǎng)絡(luò)均主要包括雙側(cè)AⅠ區(qū)、AⅡ區(qū)、島葉、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)及扣帶回。AⅠ區(qū)主要包括Brodamn41區(qū)，是聽覺的初級(jí)中樞，而AⅡ區(qū)是聽覺的次級(jí)聽覺中樞，位于初級(jí)聽覺皮層的周圍，主要包括Brodamn22、42區(qū)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示以AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的聽覺網(wǎng)絡(luò)主要局限在聽覺系統(tǒng)之內(nèi)，以同側(cè)為主，與既往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［13］一致。但是本實(shí)驗(yàn)兩組人群以左側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活腦網(wǎng)絡(luò)均表現(xiàn)為兩側(cè)聽覺網(wǎng)絡(luò)大致類似;而以右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)的正激活網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)為明顯的同側(cè)優(yōu)勢(shì)，A、B組同側(cè)聽覺皮層連接的范圍分別是對(duì)側(cè)的1.6、1.9倍，這可能和聽覺皮層的左側(cè)半球優(yōu)勢(shì)有關(guān)，亦可能由于實(shí)驗(yàn)用MRI機(jī)型不同、個(gè)體差異較大及統(tǒng)計(jì)閾值設(shè)定等因素有關(guān)。島葉、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)及扣帶回的連接與既往文獻(xiàn)報(bào)道［13］一致。

組間分析顯示分別以左、右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，隨著年齡的增長(zhǎng)，聽覺皮層老化后存在一些失連接的部位:對(duì)側(cè)島葉及同側(cè)基底節(jié)區(qū)。島葉不僅在探測(cè)聲音和聲音到語(yǔ)意的轉(zhuǎn)化過程中起重要作用，還參與聽覺注意的分配和視覺、聽覺整合;基底節(jié)區(qū)對(duì)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)具有重要功能，在穩(wěn)定隨意運(yùn)動(dòng)、控制肌緊張及處理本體感覺傳入沖動(dòng)信息方面具有重要作用。B組較A組對(duì)側(cè)島葉和同側(cè)基底節(jié)區(qū)失連接說明了高級(jí)聽覺功能的下降，可能是聽覺網(wǎng)絡(luò)老化的結(jié)果。另外，以右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，B組比A組失連接的區(qū)域還有中央后回;以左側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，B組比A組減少連接的區(qū)域?yàn)榍翱蹘Щ兀f明了聽覺網(wǎng)絡(luò)老化存在左右側(cè)的差異。

另外組間分析顯示分別以左、右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，B組較A組還存在一些連接增多的部位:以右側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，連接增多的部位為右側(cè)頂葉后部、右側(cè)楔前葉;以左側(cè)AⅠ區(qū)為種子點(diǎn)，連接增多的部位為楔葉、小腦。這符合募集代償假說，大腦出現(xiàn)某些功能下降時(shí)，會(huì)募集更多的功能區(qū)參與功能。楔葉和楔前葉均屬于視覺皮層，正常情況下視、聽通道間存在連接，聽覺老化后，可能導(dǎo)致視聽之間的連接增加。類似于盲人完成聽覺任務(wù)時(shí)視覺皮層的激活，聾人完成視覺任務(wù)時(shí)聽覺皮層的激活［14］。

本研究表明，靜息態(tài)功能磁共振得到的聽力正常人聽覺皮層的功能連接是相對(duì)穩(wěn)定的，但是隨著年齡增長(zhǎng)有腦區(qū)的功能重組，這種功能重組可能與機(jī)體老化有關(guān)，具體機(jī)制及原因有待進(jìn)一步研究。

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