年輕人海馬亞區(qū)體積與空間導(dǎo)航的相關(guān)性研究*

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 (江蘇 南京 210000)

王芳芳 梁 雪 劉任遠(yuǎn) 武文博 吳思楚 陸加明 王 坤 邵明冉 王慧婷 張 鑫 李 茗 張 冰

論 著

年輕人海馬亞區(qū)體積與空間導(dǎo)航的相關(guān)性研究*

南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 (江蘇 南京 210000)

王芳芳 梁 雪 劉任遠(yuǎn) 武文博 吳思楚 陸加明 王 坤 邵明冉 王慧婷 張 鑫 李 茗 張 冰

目的本文旨在研究正常年輕人性別對(duì)其空間導(dǎo)航能力的影響及其與海馬亞區(qū)體積的聯(lián)系。方法招募63名正常年輕志愿者進(jìn)行空間導(dǎo)航測(cè)試及頭顱磁共振檢查，并通過(guò)FreeSurfer軟件分割及計(jì)算海馬亞區(qū)體積。全部受試者按照性別分為兩組。將有差異的空間導(dǎo)航能力值與海馬亞區(qū)體積做偏相關(guān)分析。結(jié)果正常年輕人中男性的綜合空間導(dǎo)航能力較女性的差(P=0.047)，這種差異與由于右側(cè)海馬前下托(r=0.313,P=0.013)和下托(r=0.262,P=0.040)的體積較小有關(guān)。結(jié)論在健康年輕人中，男女的綜合空間導(dǎo)航能力有差異，這可能是由于右側(cè)海馬前下托與下托的體積差異引起的，這一研究強(qiáng)調(diào)了空間導(dǎo)航能力與海馬亞區(qū)之間的關(guān)系，為下一步更細(xì)致地揭示空間導(dǎo)航差異的結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)打下了良好的基礎(chǔ)。

空間導(dǎo)航；性別；海馬亞區(qū)

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，空間導(dǎo)航能力是一種非常重要的基本生活能力。空間導(dǎo)航是指人們基于自身和環(huán)境線索在不同地點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)，選擇合適路徑的一種能力，包含了多個(gè)復(fù)雜的認(rèn)知及感知過(guò)程[1]。2014年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者發(fā)現(xiàn)了大腦內(nèi)的定位系統(tǒng)，大鼠海馬位置細(xì)胞和內(nèi)嗅皮層網(wǎng)格細(xì)胞組成了認(rèn)知地圖和坐標(biāo)系統(tǒng)，共同協(xié)調(diào)完成空間導(dǎo)航任務(wù)，這揭示了高等空間認(rèn)知能力的細(xì)胞層面機(jī)制[2-4]。空間導(dǎo)航基本能力有兩種-自我導(dǎo)航(egocentric)和環(huán)境(allocentric)導(dǎo)航[5-6]。它們的不同點(diǎn)在于參照物不同，即選擇自身或者環(huán)境為參照物。自我導(dǎo)航的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)腦區(qū)是頂葉皮層、紋狀體和尾狀核[7]，環(huán)境導(dǎo)航的是海馬、海馬旁回及內(nèi)嗅皮層等[3,8-9]。在老年癡呆病人中，空間導(dǎo)航能力受損與萎縮的海馬體積明顯相關(guān)，且各個(gè)亞區(qū)的相關(guān)程度并不一致[10]。不同海馬亞區(qū)在空間導(dǎo)航中的作用不盡相同。如CA1區(qū)主要負(fù)責(zé)當(dāng)前的導(dǎo)航，CA3負(fù)責(zé)記憶導(dǎo)航路線，在再次導(dǎo)航時(shí)，CA3負(fù)責(zé)給CA1提供已存儲(chǔ)的記憶供其選擇[11]。

性別不同所引起的空間認(rèn)知能力不同已經(jīng)被廣泛地報(bào)道過(guò)[12]，包括記憶及物體定位等認(rèn)知表現(xiàn)[13-14]。大量的性別差異研究表明在導(dǎo)航測(cè)試中雄性動(dòng)物有更明顯的優(yōu)勢(shì)[13]，然而女性在物體定位記憶上較男性有明顯優(yōu)勢(shì)[12,15-16]，所以性別對(duì)空間導(dǎo)航能力的影響還不是很明確。因此，本文旨在研究正常年輕人中性別對(duì)空間導(dǎo)航能力的影響，以及其與海馬亞區(qū)體積的聯(lián)系。

1 材料與方法

1.1 一般資料自2015年4月至2015年12月，我們招募了63名正常年輕志愿者(男性33人，女性30人)納入本研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：年齡21～29歲，右利手，視力正常，受教育程度均為本科及以上學(xué)歷。排除標(biāo)準(zhǔn)：(a)頭部外傷史；(b)精神性疾?。?c)酗酒和藥物濫用史；(d)青少年糖尿病；(e)長(zhǎng)期糖皮質(zhì)激素激素使用史；(f)自主認(rèn)知功能下降；(g)頭顱常規(guī)MRI掃描顯示明顯異常病灶。該研究已經(jīng)得到南京鼓樓醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，所有受試者均被告知實(shí)驗(yàn)內(nèi)容征得同意后簽署知情同意書(shū)。

1.2 空間導(dǎo)航測(cè)試所有被試均參與空間導(dǎo)航測(cè)試。測(cè)試方法為隱藏目標(biāo)實(shí)驗(yàn)[17]，基于人類(lèi)模擬水迷宮實(shí)驗(yàn)原理，利用計(jì)算機(jī)模擬空間導(dǎo)航測(cè)試工作站[18-19]進(jìn)行測(cè)試。電腦版(personalcomputerized version,PC version)的空間導(dǎo)航測(cè)試與真實(shí)空間版的空間導(dǎo)航測(cè)試有相似的結(jié)果[18]。

被試者需使用鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中尋找一個(gè)隱藏的目標(biāo)。測(cè)試由白圈構(gòu)成的迷宮和紅圈代表的起點(diǎn)以及迷宮旁邊的兩個(gè)方向線索(綠色和黃色的標(biāo)記)構(gòu)成，圈內(nèi)的紫圈代表目標(biāo)(圖1A)。開(kāi)始前，起點(diǎn)、線索與目標(biāo)的位置關(guān)系會(huì)顯示給受試者使其形成空間位置記憶，開(kāi)始后目標(biāo)圈會(huì)被隱藏，受試者需借由線索尋找目標(biāo)(圖1B)。每一輪測(cè)試起點(diǎn)、線索與目標(biāo)的位置的相對(duì)位置關(guān)系不變(圖1C)。按照線索的參與與否，分為自我+環(huán)境參照導(dǎo)航(allo-ego virtual，AEV)，自我參照導(dǎo)航(egovirtual，EV)，環(huán)境參照導(dǎo)航(allovirtual，AV)。測(cè)試結(jié)束時(shí)受試者可以重新記憶并修正其的空間導(dǎo)航記憶策略。最終計(jì)算鼠標(biāo)停止位置與目標(biāo)中心的像素(pixel)差，作為評(píng)分的依據(jù)。平均誤差距離越大，說(shuō)明偏離目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，其導(dǎo)航能力越差[18-19]。

本實(shí)驗(yàn)不計(jì)時(shí)間，主要為了排除感官、生理及心理因素等的影響,同時(shí)也不會(huì)對(duì)受試者試用誘導(dǎo)性詞語(yǔ)，如“方向相反”等，旨在在受試者自己發(fā)現(xiàn)并糾正偏差。

1.3 圖像采集與后處理所有受試者均采用Philips3.0T全數(shù)字磁共振成像儀(I n g e n i a,P h i l i p s MedicalSystems,Eindhoven, Netherlands)，32通道頭線圈掃描。采用高分辨三維加速場(chǎng)回波(three-dimensionalturbo fastecho,3D-TFE)T1加權(quán)成像獲得全腦結(jié)構(gòu)成像。掃描參數(shù)：TR=7.7ms，TE=3.4ms，F(xiàn) O V=2 5 6×2 5 6×1 7 8 m m 3，voxlesize=8×8×8mm3。海綿固定受試者頭部，橡膠耳塞塞耳，并囑其盡可能保持頭部不動(dòng)。雙側(cè)海馬亞區(qū)體積由FreeSurferV5.3.0軟件計(jì)算獲得,海馬被分割為CA1、CA2_3、CA4_DG、下托(subiculum)、前下托(presubiculum)、海馬裂(fissure)、海馬傘(fimbria)以及無(wú)法分割的尾區(qū)(標(biāo)記為hippocampus)，如圖2。其中，海馬裂、海馬傘及海馬尾部無(wú)實(shí)際意義，未納入本研究。之后，人工檢查分割結(jié)果，將分割嚴(yán)重超出海馬區(qū)域的腦區(qū)進(jìn)行手動(dòng)分割，然后再次計(jì)算。同時(shí)，利用Freesurfer估算的顱內(nèi)容積(estimated totalintracranial volume，eTIV)作為協(xié)變量來(lái)校正海馬體積，以去除每個(gè)人頭部大小不一所導(dǎo)致的體積差異。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析運(yùn)用SPSS23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。受試者按照性別分為兩組。利用兩個(gè)獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)兩組的一般資料及空間導(dǎo)航能力做組間比較。將有差異的空間導(dǎo)航能力值與海馬亞區(qū)體積做偏相關(guān)分析，P＜0.05時(shí)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 空間導(dǎo)航能力與海馬及海馬亞區(qū)體積的偏相關(guān)分析根據(jù)兩組空間導(dǎo)航能力比較得到的有差異的綜合導(dǎo)航能力，與雙側(cè)海馬亞區(qū)體積控制顱內(nèi)容積(eTIV)后作偏相關(guān)分析。結(jié)果顯示綜合導(dǎo)航能力與右側(cè)海馬前下托、下托體積呈顯著正相關(guān)(P＜0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.313和0.262，其他相關(guān)分析結(jié)果未見(jiàn)顯著相關(guān)性，見(jiàn)表3。

3 討 論

本文研究發(fā)現(xiàn)在健康年輕人中，不同性別的空間導(dǎo)航能力有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，男性組較女性組在綜合導(dǎo)航能力差。并且，綜合導(dǎo)航能力與右側(cè)海馬前下托及下托相關(guān)。

在空間記憶中性別不同所引起的認(rèn)知不同已經(jīng)被廣泛地報(bào)道過(guò)[12]。大量的性別差異研究表明在導(dǎo)航測(cè)試中雄性動(dòng)物有更明顯的優(yōu)勢(shì)[13]，也有研究表明性別在空間導(dǎo)航中沒(méi)有差異[20-22]，而且，雖然男性在空間導(dǎo)航方面有優(yōu)勢(shì)，但是女性在物體定位記憶上有明顯優(yōu)勢(shì)[12,15-16]，在處理短時(shí)記憶任務(wù)上也比男性好[23]。本研究的結(jié)果表明男性的綜合空間導(dǎo)航能力較女性差，可能是因?yàn)楸狙芯恐心行越M的海馬體積及海馬亞區(qū)體積較女性組小。海馬在處理空間的導(dǎo)航及背景信息中發(fā)揮著重要的作用[24-25]。在人群中，男女的海馬體積存在性別差異，女性的比男性的略小[26]。這可能是男性空間導(dǎo)航能力較女性好的原因。我們的研究結(jié)果表明男性的綜合空間導(dǎo)航能力較女性的差，而男性海馬體積及海馬亞區(qū)體積均較女性的小，體積的研究結(jié)果與以往的研究相反，可能是人群種族不同造成的。但在總體上，它符合以往的研究結(jié)果，即海馬體積越大，空間導(dǎo)航能力越好。

在本研究中，綜合導(dǎo)航、環(huán)境導(dǎo)航和自我導(dǎo)航三者在測(cè)試過(guò)程中是相互獨(dú)立的，并不能進(jìn)行簡(jiǎn)單地加減。我們的研究結(jié)果表明綜合空間導(dǎo)航能力與右側(cè)海馬下托及前下托體積相關(guān)。各個(gè)亞區(qū)在空間導(dǎo)航中的功能不盡相同。海馬的主要輸出細(xì)胞，CA1區(qū)的錐體細(xì)胞，以其在形態(tài)學(xué)、電生理特性上的獨(dú)特特點(diǎn)使其在環(huán)境記憶中能夠提供一個(gè)更穩(wěn)定的地圖作用，而CA1其它的組成部分更為靈活以便于可以在環(huán)境的學(xué)習(xí)中被塑形[27]。前下托含有編碼人類(lèi)頭向的細(xì)胞以及對(duì)空間導(dǎo)航和記憶重要的格子細(xì)胞等，是內(nèi)側(cè)顳葉的主要輸入?yún)^(qū)，參與空間導(dǎo)航和記憶的網(wǎng)絡(luò)工作[28]。也有研究發(fā)現(xiàn)下托及CA1-2體積越大，尋找復(fù)雜路徑的距離越短[29]。

綜上所述，在健康年輕人中，男女的綜合空間導(dǎo)航能力有差異，這可能是由于右側(cè)海馬前下托與下托的體積差異引起的，這一研究強(qiáng)調(diào)了空間導(dǎo)航能力與海馬亞區(qū)之間的關(guān)系，提示不同的海馬亞區(qū)在空間導(dǎo)航中的不同作用，為下一步更細(xì)致地揭示空間導(dǎo)航差異的結(jié)構(gòu)與功能基礎(chǔ)打下了良好的基礎(chǔ)。

表1 兩組被試的一般特征及空間導(dǎo)航能力檢測(cè)結(jié)果

表2 兩組被試的海馬亞區(qū)體積結(jié)果

表3 AEV與海馬亞區(qū)體積偏相關(guān)分析結(jié)果

圖1 自我+環(huán)境導(dǎo)航示意圖，A=示范正確的相對(duì)位置關(guān)系。B=隱藏目標(biāo)并旋轉(zhuǎn)后，請(qǐng)被試者使用鼠標(biāo)找到隱藏目標(biāo)；C=計(jì)算被試者實(shí)際停留位置與真實(shí)位置之間的誤差距離(白色箭頭)。圖2 海馬亞區(qū)示意圖，不同顏色代表不同亞區(qū)，共CA1、CA2_3、CA4_DG、下托（subiculum）、前下托（presubiculum）、海馬裂（fissure）、海馬傘（fimbria）以及無(wú)法分割的尾區(qū)（hippocampus）8個(gè)亞區(qū)。

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(本文編輯： 張嘉瑜)

The Correlation between Hippocampal Subf i elds’ Volume and Spatial Navigation in Young People*

WANG Fang-fang, LIANG Xue, LIU Ren-yuan, et al．, Affiliated Drum Tower Hospital of Nanjing University Medical School, Nanjing 210000, Jiangsu Province, China

ObjectiveIt is intended to study the impact of normal young people's gender on their spatial navigation capabilities, and its relationship with the volume of the hippocampal subfields．MethodsSixty-three normal young volunteers were recruited to subject spatial navigation test and head magnetic resonance examination． The volume of the bilateral hippocampal subfields was obtained by FreeSurfer software． All subjects were divided into two groups by gender． Using partial correlation analysis to get the relationship between the spatial navigation ability and the hippocampal subfields' volume．ResultsThe mixed spatial navigation ability of men in normal young healthy people was lower than that of women． The difference was found to be related to the smaller size of the right presubiculum and subiculum．ConclusionIn healthy young people, there is a difference in the mixed spatial navigation ability between men and women, which due to the difference in the volume of the right presubiculum and subiculum． This study emphasizes the relationship between spatial navigation and hippocampus, lays a structural foundation for further understanding the spatial navigation processing capability．

Spatial Navigation; Gender; Hippocampal Subfield

R816.1

A

國(guó)家自然科學(xué)基金，編號(hào)：81571040：

10.3969/j.issn.1672-5131.2017.05.001

2017-04-07

張 冰