輕度尼古丁依賴對人體大腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)影響的MRI評價(jià)

董安珂， 張勇， 程敬亮， 李顏良， 朱晨迪， 許珂

吸煙造成了嚴(yán)重的健康、經(jīng)濟(jì)以及社會(huì)問題，并且也是目前世界上最主要的可預(yù)防性死因[1]。在我國吸煙人群已高達(dá)3.16億[2]，每年有100多萬人死于與吸煙相關(guān)的疾病，而且預(yù)計(jì)到2025年這類人群將增加1倍，到2050年將增加2倍[3]。雖然多數(shù)吸煙者有戒煙欲望，但是大多數(shù)戒煙者一般在一周內(nèi)復(fù)吸[4]。尼古丁是吸煙成癮的重要原因，長期攝入尼古丁會(huì)導(dǎo)致多巴胺能受體等敏感性下降及數(shù)量上調(diào)，迫使吸煙者攝入更多的尼古丁來維持和提高腦內(nèi)的多巴胺(dopamine，DA)水平，以維持或獲得欣快感，否則就會(huì)出現(xiàn)抑郁、煩躁不安等戒斷癥狀。近年來研究發(fā)現(xiàn)所有被濫用的藥物(如可卡因、尼古丁等)均可對神經(jīng)細(xì)胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)造成損害，進(jìn)而影響其功能[5]。因此研究吸煙對腦結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而指導(dǎo)戒煙治療具有重要的臨床意義?；隗w素的形態(tài)學(xué)分析法(voxel-based morphometry，VBM)磁共振成像技術(shù)能定量計(jì)算腦灰質(zhì)和白質(zhì)的體積[6]，通過對全腦灰質(zhì)和白質(zhì)的密度或體積進(jìn)行基于體素的對比分析，可了解腦神經(jīng)元的損傷情況，有助于進(jìn)一步闡明吸煙對大腦的作用機(jī)制，為臨床治療提供相關(guān)依據(jù)。

材料與方法

1.研究對象

本研究于2014年8月-2016年8月通過網(wǎng)絡(luò)廣告、宣傳單等手段共招募輕度尼古丁依賴者(FTND<6分)77例，所有吸煙者均采用尼古丁依賴水平測試(Fagerstrom Nicotine Dependence Test，F(xiàn)TND)來評估其尼古丁依賴性[7]，并采用量表法記錄被試者的吸煙指數(shù)(吸煙年限×每天吸煙支數(shù)/20)及飲酒程度等相關(guān)資料[8]。

吸煙者入組標(biāo)準(zhǔn)要求均符合均符合第5版精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(The Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders-V，DSM-V)關(guān)于物質(zhì)依賴的診斷標(biāo)準(zhǔn)[9]，即每日吸煙≥10根、煙齡≥2年。排除標(biāo)準(zhǔn)：①伴有精神病性癥狀或有精神障礙家族史者；②既往有癲癇病史或者有癲癇病家族史者；③有酒精、藥物等尼古丁以外的依賴或行為(賭博、網(wǎng)絡(luò)游戲)成癮史；④正在接受任何藥物治療者或2周內(nèi)有服用苯二氮卓類藥物者或接受過抗精神病藥物治療者；⑤有顱腦損傷史、昏迷史、腦器質(zhì)性或嚴(yán)重軀體疾病者、顱內(nèi)有金屬物植入或人工種植牙者；⑥不能耐受磁共振檢查者。

另外招募年齡、性別、教育程度和飲酒情等與吸煙組相匹配的37例不吸煙者作為對照組，對照組納入標(biāo)準(zhǔn)要求一生中吸煙不超過10根，排除標(biāo)準(zhǔn)與吸煙組相一致。

此次研究中的所有受試者均為男性，年齡20～55歲，右利手，MR結(jié)構(gòu)像掃描前確認(rèn)無腦內(nèi)病灶或結(jié)構(gòu)異常[10]。所有受試者自愿參加本實(shí)驗(yàn)，依從性好。

本實(shí)驗(yàn)通過本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受試者在實(shí)驗(yàn)前簽署知情同意書。

2.磁共振檢查方法

使用Siemens Magnetom Skyra 3.0T磁共振掃描儀和16通道頭顱相控陣線圈。受試者取仰臥位，雙側(cè)外耳內(nèi)塞入棉球減小噪音干擾，用軟海綿充分固定頭部，囑其閉上眼睛、保持清醒狀態(tài)、身體靜止不動(dòng)、盡量不思考任何事情。先進(jìn)行頭部常規(guī)MRI掃描，包括T1WI、T2WI、T2-FLAIR序列、DWI(b=0、1000 s/mm2)和2D小角度激發(fā)梯度回波(2D-FL)序列。然后采用3D磁化梯度回波序列(magnetization prepared rapid gradient echo，MPRAGE)行矢狀面高分辨率T1WI，掃描參數(shù)：TR 2000 ms，TE 2.06 ms，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1.0 mm，層間隔0 mm，層數(shù)192，TI=900 ms，翻轉(zhuǎn)角9°，體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。

本研究采用基于Matlab平臺的SPM8軟件先對3D MPRAGE序列T1WI(本研究中稱為結(jié)構(gòu)像)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，從而進(jìn)行基于體素的形態(tài)學(xué)分析(VBM)分析。主要包括以下幾個(gè)步驟：①轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的格式。把原始圖像的醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(digital imaging and communications in medicine，DICOM)格式轉(zhuǎn)變成為神經(jīng)影像信息技術(shù)處理方案(neuroimaging informatics tchnology initiative，NIFTI)格式。②分割結(jié)構(gòu)。采用SPM8軟件自有的標(biāo)準(zhǔn)腦結(jié)構(gòu)圖像模版，分割出結(jié)構(gòu)像的腦白質(zhì)、灰質(zhì)及腦脊液[11]。③配準(zhǔn)和空間的標(biāo)準(zhǔn)化。為了減少受試者因大腦不同而帶來的個(gè)體差異性，本研究利用DARTEL軟件工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化處理。首先把灰質(zhì)密度圖仿射到標(biāo)準(zhǔn)空間的灰質(zhì)模版，對灰質(zhì)密度圖行非線性高階配準(zhǔn)從而得到其空間標(biāo)準(zhǔn)化版本，采用雅克比橫列式將其轉(zhuǎn)換成灰質(zhì)體積圖，然后重新采樣，最后得出相對的灰質(zhì)體積圖。④空間平滑。運(yùn)用半高全寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)三維高斯核(8 mm×8 mm×8 mm)對所得圖像進(jìn)行空間平滑處理，從而減少配準(zhǔn)偏差、提高圖像的信噪比，也使圖像更符合高斯分布。

3.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

3D結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)經(jīng)過VBM處理后得到全腦基于每個(gè)體素分析的灰質(zhì)體積。采用SPM8軟件的一般線性模型，將受試者的年齡和教育年限作為協(xié)變量，使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05)比較輕度尼古丁依賴組與對照組間灰質(zhì)體積的差異。分析結(jié)果采用Cluster-level FWE(family wise error)進(jìn)行校正，每個(gè)體素的閾值設(shè)為P<0.05(雙側(cè))，F(xiàn)WE校正后簇體素>318 voxels，當(dāng)P<0.05時(shí)，認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。使用XJ-view軟件(http://www.alivelearn.net/xjview8/)顯示并制作腦區(qū)的模板(mask)，選擇疊加背景模板，顯示不同組間的差異腦區(qū)。

圖1 MRI VBM腦偽彩圖。與對照組比較，輕度尼古丁依賴組雙側(cè)丘腦(標(biāo)號1為右側(cè)、2為左側(cè))、雙側(cè)緣上回(標(biāo)號3為右側(cè)、4為左側(cè))的灰質(zhì)體積減小(藍(lán)色區(qū)域，藍(lán)色標(biāo)尺代表t值大小，顏色越亮代表灰質(zhì)體積減小的程度越大)，未發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)體積增大區(qū)域。 圖2 直方圖顯示輕度尼古丁依賴組的雙側(cè)丘腦(標(biāo)號1為右側(cè)、2為左側(cè))、雙側(cè)緣上回(標(biāo)號3為右側(cè)、4為左側(cè))的灰質(zhì)體積明顯小于較對照組。

影像學(xué)結(jié)果與吸煙資料的相關(guān)性分析采用SPSS 17.0軟件。將輕度尼古丁依賴組與對照組間灰質(zhì)體積差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的區(qū)域分別與吸煙者的吸煙年限、日吸煙量以及吸煙指數(shù)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.受試者的基本臨床數(shù)據(jù)

兩組受試者的年齡差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；而受教育年限的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，對照組的受教育年限稍高于輕度尼古丁依賴組(表1)?；颊呓M吸煙情況相關(guān)指標(biāo)：初始吸煙年齡10～30歲，平均(19.7±3.5)歲；吸煙年限2～40年，平均(16.1±8.1)年；日吸煙量10～35支，平均(15.9±6.4)支；FTND評分2.5±1.5；吸煙指數(shù)0.3～39.0，平均13.0±8.8。

表1 輕度尼古丁依賴組與對照組基本信息表

2.影像學(xué)分析結(jié)果(VBM分析結(jié)果、灰質(zhì)體積差異區(qū)與吸煙資料的相關(guān)性分析)

輕度尼古丁依賴組與對照組比較灰質(zhì)體積減小的腦區(qū)主要為雙側(cè)丘腦和雙側(cè)緣上回，詳見表2；未發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)體積增大區(qū)域(圖1、2)。

表2 吸煙組與對照組比較體積減小的腦區(qū)

Spearman相關(guān)分析顯示(表3)：雙側(cè)丘腦、右側(cè)緣上回的灰質(zhì)體積與吸煙指數(shù)及吸煙年限均呈負(fù)相關(guān)，右側(cè)丘腦灰質(zhì)體積還與日吸煙量呈負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表3 兩組間有差異腦區(qū)的灰質(zhì)體積與吸煙相關(guān)指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：*差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。

討 論

1.VBM研究灰質(zhì)體積與吸煙(尼古丁)成癮性的關(guān)系

腦結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)研究的常用方法有兩種：感興趣區(qū)(region of interest,ROI)法和基于體素的形態(tài)學(xué)測量(VBM)。VBM方法由Ashburner等[6]提出，是一種基于全腦的分析技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)處理，在全腦內(nèi)對灰、白質(zhì)的局部密度或體積進(jìn)行基于體素的對比分析，定量計(jì)算局部灰、白質(zhì)密度和體積的改變，從而精確顯示腦組織的形態(tài)變化，進(jìn)而可了解腦神經(jīng)元的損傷情況[12]。VBM在體素水平對全腦高分辨率解剖像進(jìn)行整體分析，不需要手動(dòng)設(shè)置感興趣區(qū)，客觀性、準(zhǔn)確性均較高，目前在中樞神經(jīng)疾病所致的腦結(jié)構(gòu)改變的研究中已廣泛使用[13]。吸煙對大腦結(jié)構(gòu)變化的影響，尤其是煙草消費(fèi)量與腦組織體積或組織局部密度之間的關(guān)聯(lián)最近受到越來越多的關(guān)注[14]，然而，以往的形態(tài)學(xué)研究結(jié)果并未達(dá)成共識，并且較少有關(guān)于尼古丁依賴程度的研究。尼古丁依賴性是吸煙成癮嚴(yán)重性一個(gè)相對穩(wěn)定的性狀，F(xiàn)TND評分是從物理角度來評估吸煙者尼古丁依賴性及成癮性的一個(gè)相對客觀的指標(biāo)，也從心理方面來測量對吸煙依賴的程度，是評價(jià)吸煙相對穩(wěn)定和可遺傳特性的可靠指標(biāo)，也是反映吸煙者和不吸煙者間大腦解剖差異的潛在量化指標(biāo)[15]。此外，由于較少暴露/輕度依賴性吸煙者之間可能具有中間的大腦表型，將所有吸煙者組合成一個(gè)組可能不能顯示出差異較小的腦區(qū)，研究認(rèn)為當(dāng)FTND評分<6分時(shí)，該吸煙者對尼古丁屬于輕度依賴[16]，因此本研究中將FTND評分<6分的吸煙者納入輕度尼古丁依賴組，以識別輕度尼古丁依賴者與不吸煙者(對照組)間行為學(xué)差異的相關(guān)腦區(qū)，這對指導(dǎo)戒煙治療也具有重要意義。

2.丘腦灰質(zhì)體積減小程度與吸煙成癮性的關(guān)系

研究發(fā)現(xiàn)尼古丁是通過獎(jiǎng)賞回路(主要是中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)(Mesolimbic Dopamine System，MLDS))引起成癮效應(yīng)。尼古丁通過與中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的煙堿乙酰膽堿受體(nicotinic acetylcholine receptor，nAChR)有高度的親和力，尼古丁通過激活nAChR來調(diào)節(jié)多種中樞神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞和釋放，導(dǎo)致成癮效應(yīng)[17]。研究表明全腦中nAChR含量最高的部位在丘腦，nAChR激動(dòng)劑能促使丘腦活性增加[18]；其次，丘腦還含有多巴胺受體，尼古丁可直接或間接增加多巴胺的釋放，作用于多巴胺受體，完成獎(jiǎng)賞效應(yīng)，從而導(dǎo)致機(jī)體對尼古丁產(chǎn)生依賴；同時(shí)，多巴胺還與尼古丁成癮的渴求及增強(qiáng)作用相關(guān)，主要是刺激多巴難信號傳導(dǎo)，放大藥物以及藥物相關(guān)線索的作用，從而導(dǎo)致強(qiáng)迫性的使用藥物以致于成癮[19]。丘腦的高受體性使其成為尼古丁長期刺激的靶目標(biāo)，本組結(jié)果顯示輕度尼古丁依賴者雙側(cè)丘腦的灰質(zhì)體積較不吸煙者明顯減小，這一結(jié)果與既往的研究結(jié)果(長期吸煙刺激會(huì)引起丘腦體積減小及功能減弱)相一致，本研究還發(fā)現(xiàn)丘腦灰質(zhì)體積的減小與吸煙指數(shù)呈負(fù)相關(guān)，吸煙指數(shù)是評價(jià)吸煙者到目前為止吸煙總量的相對客觀的指標(biāo)，本研究結(jié)果說明丘腦受損傷的程度與一生中接受的煙霧刺激有關(guān)，吸煙量越多導(dǎo)致丘腦損傷越嚴(yán)重，這與以往研究一致[20]。

3.大腦皮層腦區(qū)灰質(zhì)體積減小與吸煙成癮性的關(guān)系

本研究還發(fā)現(xiàn)輕度依賴組中雙側(cè)緣上回灰質(zhì)體積較對照組減小，且右側(cè)緣上回的灰質(zhì)體積與吸煙指數(shù)及吸煙年限呈負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明輕度尼古丁依賴者吸煙量越多，右側(cè)緣上回萎縮越嚴(yán)重。緣上回即BA40區(qū)，與語言工作記憶及空間注意等功能有關(guān)[21]。Addicott等[19]使用尼古丁噴霧研究吸煙者腦功能發(fā)現(xiàn)，吸煙者雙側(cè)緣上回激活使其BOLD信號增加，說明尼古丁刺激可能在一定程度上激活雙側(cè)緣上回。注意控制還會(huì)通過緣上回的額頂葉回路，來促進(jìn)空間注意控制網(wǎng)絡(luò)對認(rèn)知功能的控制[22]。有研究表明，吸煙者視覺皮層注意相關(guān)神經(jīng)激活的減少和在做時(shí)間任務(wù)相關(guān)活動(dòng)時(shí)頂葉皮層神經(jīng)激活的增加是相關(guān)的[23]。這些均可能與慢性吸煙者緣上回灰質(zhì)體積的減小有關(guān)。因此，本研究結(jié)果顯示雙側(cè)緣上回灰質(zhì)體積減小，而緣上回與記憶及注意力均有關(guān)，這也進(jìn)一步印證了輕度尼古丁依賴者/短期吸煙者的記憶及注意力增強(qiáng)。

4.本研究的局限性

本研究存在以下不足之處：在輕度尼古丁依賴組與對照組比較時(shí)，未包括女性受試者，研究結(jié)果可能不適用于女性吸煙群體。因此，未來需要擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步研究。本研究結(jié)果表明輕度尼古丁依賴者的腦結(jié)構(gòu)與不吸煙者間確實(shí)存在一定的差異，但是不能確定其它因素(比如遺傳因素)是否也是引起這些腦區(qū)差異的內(nèi)在混雜因素，因此仍然需要進(jìn)一步研究來解釋這個(gè)問題。

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