慢性吸煙者的腦靜息態(tài)fMRI局部一致性研究

劉佳麗，王冬翠，莫少鋒，李宏周，陳真誠

(1.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004；2.中南大學(xué)湘雅醫(yī)院，湖南長沙410008；3. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083)

慢性吸煙者的腦靜息態(tài)fMRI局部一致性研究

劉佳麗1，王冬翠2，莫少鋒3，李宏周1，陳真誠1

(1.桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004；2.中南大學(xué)湘雅醫(yī)院，湖南長沙410008；3. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙410083)

為了縱向研究慢性吸煙者在未戒煙和戒煙一段時間后靜息態(tài)局部腦功能活動發(fā)生的變化，本文結(jié)合功能磁共振成像(fMRI)和局部一致性(ReHo)方法，對12名慢性吸煙的健康志愿者，在未戒煙和戒煙一周后的腦靜息態(tài)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)比較分析，結(jié)果：與未戒煙狀態(tài)相比，吸煙者戒煙一周后額葉(左側(cè)眶內(nèi)額葉、右側(cè)額中回、右側(cè)背外側(cè)額葉)、左側(cè)楔前葉、左側(cè)后扣帶皮層、左側(cè)楔葉和右側(cè)初級運動皮層的ReHo顯著降低；雙側(cè)顳上回、左側(cè)距狀裂溝回、左側(cè)舌回、左側(cè)梭狀回、左側(cè)海馬旁回、右側(cè)中央后回和左側(cè)豆?fàn)顨ず说腞eHo顯著增強。研究表明，慢性吸煙者在戒煙一周后上述腦區(qū)的神經(jīng)元活動一致性發(fā)生了變化，這為ReHo應(yīng)用于戒煙療法提供了一定依據(jù)。

慢性吸煙；靜息態(tài)功能磁共振成像；局部一致性；戒煙

煙堿作為一種烈性興奮劑，已經(jīng)成為當(dāng)今社會影響最廣泛的成癮物質(zhì)。由于慢性吸煙導(dǎo)致死亡的人數(shù)每年至少達(dá)到一百萬人[1]，煙草問題對中國乃至世界造成了巨大的負(fù)擔(dān)。盡管多數(shù)吸煙者有著強烈的戒煙愿望，但僅僅14%～49%的人能成功戒煙6個月以上。因此，增強人們對吸煙危害的認(rèn)識，并提高人們戒煙、控?zé)熞庾R，是一個重要而緊迫的社會問題。功能磁共振成像(fMRI)作為一種無侵害、無輻射、同時具有高時空分辨率的成像技術(shù)，在吸煙者腦功能活動的研究中發(fā)揮了不可替代的作用。

已有的多數(shù)研究基于任務(wù)范式(如對吸煙者靜脈注射尼古丁，讓吸煙者觀看吸煙圖片等)，并結(jié)合不同的腦成像技術(shù)和實驗方法，發(fā)現(xiàn)吸煙者的額葉皮層、扣帶皮層以及它們的邊緣系統(tǒng)等腦區(qū)結(jié)構(gòu)或功能發(fā)生了變化[2-7]。另外，Tang等[8]結(jié)合fMRI和局部一致性(ReHo)方法，發(fā)現(xiàn)慢性吸煙者靜息態(tài)下右下額葉皮層的ReHo降低，左上頂葉的ReHo增加。Yu等[9]用同樣方法，發(fā)現(xiàn)重度吸煙依賴者靜息態(tài)下前額葉區(qū)域的ReHo降低，同時島葉和后扣帶皮層的ReHo增強。雖然研究結(jié)果有差異，但大部分文章發(fā)現(xiàn)的腦區(qū)都與認(rèn)知功能密切相關(guān)[10-19]。

盡管大量文章對吸煙者的腦結(jié)構(gòu)和腦功能變化進(jìn)行了研究，但關(guān)于慢性吸煙者靜息態(tài)下腦功能局部性連接的縱向報道還很少。局部一致性方法研究的是靜息態(tài)下給定體素與其相鄰體素之間的功能一致性活動，已被成功用于多種精神疾病的研究[20]。本文結(jié)合功能磁共振成像和局部一致性方法，探討慢性吸煙者在未戒煙和戒煙一周后自發(fā)腦活動的局部一致性變化。

1 方法和材料

1.1 研究對象

12名來自當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和學(xué)校的健康正常男性同意參與此次實驗。我們事先了解到這些被試既無藥物成癮史、戒煙史，也無家族及其他精神疾病史。排除標(biāo)準(zhǔn)包括：主要的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如癲癇或癲癇發(fā)作史、中風(fēng)、伴有意識喪失的頭部創(chuàng)傷等。另外，每人每天需抽煙至少10支，煙齡5年以上，并且滿足美國精神障礙診斷統(tǒng)計手冊第4版(DSM—IV)關(guān)于物質(zhì)依賴的診斷標(biāo)準(zhǔn)。

掃描前一個月至全部試驗完成，被試沒有發(fā)生受傷、巨大心理創(chuàng)傷事件，也沒有接受任何藥物治療。所有被試在性別(男)、年齡(24～51歲)、漢族、利手(右)、受教育程度(高中及以上)等方面均匹配。要求被試體內(nèi)無金屬植入物，無磁共振檢查禁忌，經(jīng)過磁共振顱腦檢查未發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)異常。實驗前，所有被試及家屬被告知實驗?zāi)康?、方法和可能存在的不適與風(fēng)險， 并簽署實驗參與知情同意書；另外，每次掃描后，我們都要對被試進(jìn)行FTND量表得分調(diào)查，然后對其進(jìn)行尿液樣本采集，檢測其可鐵寧含量，只有通過尿檢的被試才能納入數(shù)據(jù)分析。

MRI掃描一共進(jìn)行了2次，分別是第0天和第7天：第0天指的是被試當(dāng)天正常吸煙，并在吸最后一支煙5min后的掃描；第7天是指戒煙一周后的掃描，并把第0天的掃描數(shù)據(jù)作為對照組數(shù)據(jù)。

1.2 MRI數(shù)據(jù)采集

功能磁共振圖像數(shù)據(jù)采集在桂林醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院完成，使用Siemens 3.0T(Allegra；Siemens Medical System)磁共振成像系統(tǒng)，在標(biāo)準(zhǔn)頭線圈內(nèi)完成掃描。受試者頭部用配套泡沫墊固定以減小頭動，并戴上隔音耳塞減小掃描噪聲。掃描時不添加任何認(rèn)知任務(wù)，受試者仰臥閉眼，全身保持不動，并被告知盡可能保持清醒，但不能有意識的思考任何事情。具體參數(shù)為：TR=2 s，TE=30 ms，F(xiàn)OV=220 mm×220 mm，翻轉(zhuǎn)角=90°，矩陣=64×64，層數(shù)=43，層厚=3.2 mm，層間隔=0，時間點=240，掃描時間8 min 8 s。

最終成功納入數(shù)據(jù)分析的吸煙者共9人，3名被試尿液中可鐵寧含量在戒煙過程中升高。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用DPARSF軟件對功能磁共振信號進(jìn)行預(yù)處理[21-22]。首先，去除前10個時間點，以使被試適應(yīng)掃描環(huán)境；接下來，依次進(jìn)行時間層校正(考慮到每個層面的掃描時間不同)；頭動校正(被試在掃描過程中可能會頭動)；T1像標(biāo)準(zhǔn)化到SPM8的標(biāo)準(zhǔn)EPI模板以及將體素重采樣為3 mm×3 mm×3 mm。經(jīng)過頭動校正后，剔除在任一方向(x，y，z)的平動大于2.5 mm或轉(zhuǎn)動角度大于2.5°的被試，共剔除1例。然后，進(jìn)行去線性漂移和帶通濾波處理(0.01-0.08 Hz)，減少數(shù)據(jù)采集過程中機器溫度上升帶來的線性趨勢及高頻生理噪聲。個體局部一致性圖像，通過計算給定體素和它相鄰近的26個體素時間序列的肯德爾和諧系數(shù)(KCC)得到[23]。為了對ReHo值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，在默認(rèn)mask內(nèi)將每個體素的ReHo值除以全腦ReHo均值。最后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行了全寬半高為4 mm×4 mm×4 mm的高斯平滑，以降低空間噪聲并減少空間標(biāo)準(zhǔn)化過程所帶來的誤差。

為比較2次掃描數(shù)據(jù)組內(nèi)ReHo值的差異，用rest軟件[22]在BrainMask_05_61*73*61內(nèi)進(jìn)行了以體素為基礎(chǔ)的配對T檢驗。然后，對配對T檢驗結(jié)果進(jìn)行AlphaSim校正，統(tǒng)計閾值取為P<0.01，且當(dāng)cluster size>18時才被視為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。最后，我們選取屬于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的楔前葉和楔葉為ROI，并提取出戒煙前每個被試在ROI區(qū)的ReHo均值，對戒煙前的FTND量表得分(尼古丁依賴程度)和提取的ReHo均值進(jìn)行相關(guān)分析，P<0.05考慮為相關(guān)。

2 結(jié)果

兩組配對T檢驗結(jié)果見表1和圖1(T=3.25，P<0.01，已校正)。與未戒煙狀態(tài)相比，吸煙者戒煙一周后額葉(左側(cè)眶內(nèi)額葉、右側(cè)額中回、右側(cè)背外側(cè)額葉)、左側(cè)楔前葉、左側(cè)后扣帶皮層、左側(cè)楔葉和右側(cè)初級運動皮層的ReHo顯著降低；雙側(cè)顳上回、左側(cè)距狀裂溝回、左側(cè)舌回、左側(cè)梭狀回、左側(cè)海馬旁回、右側(cè)中央后回和左側(cè)豆?fàn)顨ず说腞eHo顯著增強。此外，相關(guān)分析沒有發(fā)現(xiàn)ROI區(qū)的ReHo均值和戒煙前的FTND得分存在相關(guān)性。

表1 吸煙者戒煙一周較未戒煙時ReHo變化的腦區(qū)

注：P<0.01， 18 voxels， Alphasim corrected。

a圖為吸煙者戒煙一周后靜息態(tài)腦功能活動ReHo增強的腦區(qū)，b圖為戒煙一周后靜息態(tài)腦功能活動ReHo降低的腦區(qū)。(P<0.01，18個體素，Alphasim校正)。圖1 吸煙者戒煙一周后較未戒煙狀態(tài)ReHo有顯著差異的腦區(qū)Fig.1 Brain areas of ReHo difference between smoking state and smoking abstinence for 1 week

3 討論

局部腦區(qū)ReHo的下降或升高表明其神經(jīng)元活動一致性的降低或增強，暗示這些腦區(qū)功能可能發(fā)生了變化。

研究發(fā)現(xiàn)，吸煙者戒煙一周后前額葉(左側(cè)眶內(nèi)額葉、右側(cè)額中回、右側(cè)背外側(cè)額葉)、左側(cè)楔前葉、左側(cè)后扣帶皮層、左側(cè)楔葉和右側(cè)初級運動皮層的ReHo顯著降低。大量研究表明，前額葉在人的執(zhí)行控制、獎賞期望等認(rèn)知功能中起重要作用[12-14， 16， 24]。吸煙者戒煙一周后前額葉ReHo的降低可能與以上認(rèn)知功能的變化有關(guān)；楔前葉、后扣帶皮層和楔葉均屬于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network， DMN)，Hong等研究認(rèn)為尼古丁可能會改變靜息態(tài)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)[25]。我們的研究則暗示吸煙者在戒煙一周后靜息態(tài)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了變化；另外，有人發(fā)現(xiàn)初級運動皮層在維持自愿活動的前期準(zhǔn)備階段起著一定的作用[23]。

本研究還發(fā)現(xiàn)雙側(cè)顳上回、左側(cè)距狀裂溝回、左側(cè)舌回、左側(cè)梭狀回、左側(cè)海馬旁回、右側(cè)中央后回和左側(cè)豆?fàn)顨ず说腞eHo增強。Bigler等[26]認(rèn)為顳上回參與人的社會認(rèn)知過程；舌回、距狀裂溝回和梭狀回均是枕葉的一部分，主要負(fù)責(zé)視覺信息(文字識別、文字加工、面孔識別等)的處理，海馬旁回則負(fù)責(zé)面孔識別，Ernst等[15-16]研究發(fā)現(xiàn)尼古丁攝入對視覺注意網(wǎng)絡(luò)有影響。本研究中雙側(cè)舌回、雙側(cè)距狀裂溝回、右側(cè)梭狀回、右側(cè)海馬旁回和左側(cè)楔葉ReHo的增強可能與尼古丁攝入戒斷有關(guān)；此外，調(diào)查發(fā)現(xiàn)吸煙者在戒煙后往往出現(xiàn)手足癢、頭皮酸痛等癥狀。中央后回是初級軀體感覺皮層，所以吸煙者戒煙后右側(cè)中央后回ReHo的增強可能是受到上述戒煙癥狀的影響。有研究發(fā)現(xiàn)豆?fàn)顨ず嗽诙囝愡\動技能中起著重要作用[27]。

然而，本文還存在一定的局限性，如樣本量太少，相關(guān)分析沒有發(fā)現(xiàn)ROI區(qū)的ReHo均值和戒煙前的FTND得分存在相關(guān)性。本研究為局部一致性方法應(yīng)用于戒煙療法提供了一定依據(jù)。另外，我們還可以將ReHo顯著變化的腦區(qū)作為感興趣區(qū)域(ROI)進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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(責(zé)任編輯 馬殷華)

Alterations in Regional Homogeneity of Resting-stateBrain Activity in Chronic Cigarette Smokers

LIU Jiali1， WANG Dongcui2， MO Shaofeng3， LI Hongzhou1， CHEN Zhencheng1

(1.School of Life and Environmental Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin， Guangxi 541004， China;2. Xiangya Hospital， Central South University， Changsha Hunan 410008， China;3. School of Geosci and Info-physics， Central South University， Changsha Hunan 410083， China)

Most previously studies on chronic smokers are transversal studies based on task paradigm. In this study, longitudinal studies of regional brain activity alterations between smoking and quitting smoking for some time in resting state are carried. Twelve healthy chronic smokers participated in this study and were imaged with resting state functional magnetic resonance imaging (fMRI) in two stages, i.e., under smoking and after quitting smoking for one week. Then regional homogeneity (ReHo) method was used to conduct a comparative analysis of the statistics of the two stages. Compared with those in smoking state, smokers who had quitted smoking for one week showed decreased level of ReHo in frontal lobe (orbital, medial, middle), left precuneus, left posterior cingulate cortex (PCC), left cuneus, and right supplementary motor area, as well as increased level of ReHo in bilateral superior temporal gyrus, left calcarine, left lingual gyrus, left fusiform gyrus, left parahippocampa gyrus, right postcentral gyrus, and left putamen. The results indicate that coherence of neural activities have been altered in the above brain regions after quitting smoking for one week among the chronic smokers, which offers references for the application of ReHo in smoking cessation therapy.

chronic smokers; resting-state fMRI; regional homogeneity; smoking cessation

10.16088/j.issn.1001-6600.2016.04.023

2015-09-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(61271119)；國家科技支撐計劃基金資助項目(2013BAI03B01)

陳真誠(1965—)，男，湖南永州人，桂林電子科技大學(xué)教授，博士。E-mail:chenzhcheng@163.com

R395.1

A

1001-6600(2016)03-0151-05