利用動(dòng)態(tài)功能連接對健康危險(xiǎn)性行為特征的預(yù)測

蔣偉雄，曾令李，秦 鍵，劉華生，沈 輝，王 維

(1. 湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410205；2. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院 長沙 410073；3. 中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院放射科 長沙 410013)

健康危險(xiǎn)行為是對人們的身體健康和精神狀態(tài)產(chǎn)生危害或潛在危害的行為[1]，與情感和認(rèn)知有密切關(guān)系。尤其是青春期的個(gè)體，由于身心發(fā)展不平衡，更容易卷入危害健康的行為之中，但目前對青少年健康危險(xiǎn)行為的研究主要是行為學(xué)的研究。文獻(xiàn)[2]對6 633名青少年的研究中發(fā)現(xiàn)，在所有的危險(xiǎn)行為上有較高概率的高危險(xiǎn)組占全體人員的13.6%，這對青少年的身心健康乃至成年后的生活造成了嚴(yán)重的傷害。實(shí)證研究發(fā)現(xiàn)，不同形式的健康危險(xiǎn)行為(比如暴力攻擊、吸毒、違反紀(jì)律等)常常伴隨發(fā)生[3]，為了解釋這種現(xiàn)象，文獻(xiàn)[4]提出了危險(xiǎn)行為理論，認(rèn)為各種不同形式的危險(xiǎn)行為是由潛在的共同問題行為因子決定的。這種潛在的問題行為因子是否跟大腦的網(wǎng)絡(luò)組織有關(guān)呢？可能跟哪些腦區(qū)有關(guān)，腦區(qū)間有怎樣的相互作用，以及又有怎樣的腦網(wǎng)絡(luò)特征？本文擬通過利用動(dòng)態(tài)功能連接對健康危險(xiǎn)性行為特征的預(yù)測來研究與青少年健康危險(xiǎn)行為相關(guān)的腦網(wǎng)絡(luò)模式。

在目前有關(guān)功能連接的研究中，功能連接主要是通過計(jì)算在整個(gè)靜息態(tài)fMRI掃描時(shí)程中各腦區(qū)的時(shí)間序列相關(guān)性得到，稱之為靜態(tài)功能連接[5]。然而最近研究表明在靜息態(tài)下的功能連接也是動(dòng)態(tài)變化的，顯示出顯著的振幅波動(dòng)性[6]，而且在靜息態(tài)下觀測到的低頻振蕩呈現(xiàn)出復(fù)雜的空時(shí)結(jié)構(gòu)，包含多個(gè)離散的穩(wěn)定模式[7]。因此，研究認(rèn)為靜息態(tài)下功能連接的動(dòng)態(tài)性反應(yīng)了與認(rèn)知和行為能力相關(guān)的腦區(qū)間動(dòng)態(tài)的相互作用[8]。猜想這種動(dòng)態(tài)的相互作用可能與青少年的健康危險(xiǎn)行為相關(guān)。因此，本文的研究通過使用基于支持向量機(jī)(SVM)的回歸分析(SVR)利用動(dòng)態(tài)功能連接對個(gè)體的健康危險(xiǎn)行為評(píng)分進(jìn)行預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)對青少年健康危險(xiǎn)行為的腦網(wǎng)絡(luò)研究。

1 材料與方法

1.1 對象

為獲得健康危險(xiǎn)行為比較嚴(yán)重的對象，本文從湖南省少年犯管教所招募已到法定年齡的男性志愿者23名(進(jìn)入時(shí)未到法定年齡)，并同時(shí)在社區(qū)召募了30名年齡和教育程度匹配的健康對象一起進(jìn)行研究。所有的參與人員均為右利手，至少半年沒有吸毒或接觸酒精，也沒有精神類疾病(比如抑郁癥，焦慮癥和精神分裂癥)，年齡在18～23歲，教育年限6～9年，智商正常。

實(shí)驗(yàn)前向所有參與人員告知實(shí)驗(yàn)的相關(guān)過程及可能的不適，然后簽署知情同意書。本研究經(jīng)過湖南省少年犯管教所和中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院倫理委員會(huì)同意。

1.2 健康危險(xiǎn)性行為特征的測量

為了測量每一個(gè)對象的健康危險(xiǎn)性行為特征分?jǐn)?shù)，本文使用了HBICA量表(the health-risk behavior inventory for Chinese adolescents)[2]。HBICA量表是一個(gè)自我報(bào)告式的問卷調(diào)查，一共包含33個(gè)相關(guān)條目，每一個(gè)條目的內(nèi)容用1～5分進(jìn)行打分，1分表示該種行為從來沒有，5分表示該種行為經(jīng)常出現(xiàn)?？偡衷?3～155的范圍內(nèi)，分?jǐn)?shù)越高表明危險(xiǎn)性行為的水平越高。HBICA量表能有效地檢測青少年的危險(xiǎn)性行為特征并有效的辨別出高危險(xiǎn)性的個(gè)體，有著良好的信度(0.66～0.76)和效度(0.77～0.86)[2]。

1.3 圖像數(shù)據(jù)的獲取和預(yù)處理

所有參與者的靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)均使用中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院的Philips磁共振成像3T系統(tǒng)得到。掃描前，告知被試閉眼、放松，保持清醒，不要進(jìn)行特定的認(rèn)知活動(dòng)，頭部保持不動(dòng)。掃描后詢問被試是否在掃描中睡著，當(dāng)時(shí)在想什么，來證實(shí)被試是否滿足上述條件。使用梯度平面回波成像(EPI)序列進(jìn)行掃描，相關(guān)參數(shù)如下：TR：2 000 ms，TE：30 ms，F(xiàn)OV：240 mm，層數(shù)：36，層厚：4.0 mm，無間隙，翻轉(zhuǎn)角：90°，掃描矩陣128×128。掃描時(shí)程為400 s共得到200幅全腦圖像。

使用SPM8對靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：考慮到磁場飽和的時(shí)間，去掉每個(gè)被試的前5幅圖像，對剩下的195幅圖像進(jìn)行空間校正和頭動(dòng)校正，去掉三維平移超過1 mm、三維旋轉(zhuǎn)超過1°的4個(gè)被試；然后空間標(biāo)準(zhǔn)化到EPI模板(MNI坐標(biāo))，重采樣為3×3×3的體素大小；再進(jìn)行空間平滑和時(shí)間濾波，分別使用8 mm半高全寬的高斯核函數(shù)和Chebyshev帶通濾波器(0.01＜f＜0.1Hz)；最后對幾個(gè)無關(guān)的變量進(jìn)行回歸，包括頭動(dòng)參數(shù)、全腦平均信號(hào)、白質(zhì)信號(hào)和腦脊液信號(hào)，以去除一些生理噪聲在功能連接分析中的潛在影響[9]。

1.4 動(dòng)態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和特征計(jì)算

按照功能把大腦分成160個(gè)感興趣腦區(qū)(ROI)[10]，根據(jù)此模板，本文求取動(dòng)態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)。首先對每個(gè)對象預(yù)處理后的全腦圖像計(jì)算每個(gè)ROI腦區(qū)內(nèi)全部體素的平均時(shí)間序列，然后計(jì)算在滑動(dòng)窗為40 s時(shí)任意兩個(gè)ROI腦區(qū)信號(hào)的Pearson相關(guān)系數(shù)，得到176個(gè)對稱的相關(guān)系數(shù)矩陣(160×160)表示的動(dòng)態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)，去除矩陣對角線上的元素，提取矩陣的下三角元素并進(jìn)行Fisher’s Z-變換使其標(biāo)準(zhǔn)化，得到一個(gè)12 720維相關(guān)系數(shù)向量。最后求取相關(guān)系數(shù)時(shí)間序列的波動(dòng)振幅(ALFF-FC)，ALFF-FC表示了每一條連接的動(dòng)態(tài)特性，之前的研究表明ALFF-FC能很好的度量信號(hào)的波動(dòng)，被定義為在低頻范圍內(nèi)整體的信號(hào)能量[7,11]。為了去除由于滑動(dòng)窗的使用而引入的冗余波動(dòng)，本文根據(jù)滑動(dòng)窗大小w對得到的相關(guān)系數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行1/w的低通濾波，再應(yīng)用快速傅里葉變換(FFT)，并對FFT系數(shù)求和從而得到從0到1/w的動(dòng)態(tài)功能連接頻段內(nèi)的ALFF-FC指數(shù)[12]。相關(guān)系數(shù)向量的ALFF-FC值反應(yīng)了全腦動(dòng)態(tài)功能連接網(wǎng)絡(luò)的變化，作為下面預(yù)測分析的特征[13]。

1.5 利用連接特征對健康危險(xiǎn)性行為分?jǐn)?shù)的預(yù)測

為了確定全腦功能連接是否與這些晚期青少年的健康危險(xiǎn)性行為相關(guān)，本文使用基于SVM的SVR檢驗(yàn)了全腦連接特征是否能用于預(yù)測個(gè)體的健康危險(xiǎn)性行為分?jǐn)?shù)[10]。由于對象有限，使用了留一法交叉驗(yàn)證，即在迭代過程中，留出一個(gè)對象的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證，剩下的n-1個(gè)對象的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集。每一次迭代包括3步：1) 特征選擇，在訓(xùn)練集中計(jì)算每一條連接與健康危險(xiǎn)性行為的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，并使用不同的p閾值選擇出與健康危險(xiǎn)性有顯著相關(guān)的邊，本文選擇了典型的p閾值，即0.005，0.008，0.01，0.015，0.02；2) 模型建立，基于選出的連接數(shù)據(jù)使用支持向量回歸的方法訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式核函數(shù)擬合；3) 預(yù)測，把留出的對象數(shù)據(jù)放入每一個(gè)模型以產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測的健康危險(xiǎn)性行為分?jǐn)?shù)。所有的迭代完成之后，通過計(jì)算所有對象的預(yù)測值和實(shí)際測量值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)來評(píng)估每一種模型的預(yù)測能力[14]。

為了進(jìn)一步研究與HBICA的相關(guān)性呈現(xiàn)正的、負(fù)的特征網(wǎng)絡(luò)在對健康危險(xiǎn)性行為的預(yù)測中所發(fā)揮的作用大小，本文根據(jù)特征選擇符號(hào)中的皮爾遜相關(guān)系數(shù)的符號(hào)(正或負(fù))建立了正的特征模型和負(fù)的特征模型[14]，并分別重復(fù)上述迭代過程，通過訓(xùn)練數(shù)據(jù)分別擬合了兩個(gè)方向的回歸，并對這兩個(gè)模型下的預(yù)測值和實(shí)際測量值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)來評(píng)估正負(fù)特征網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測能力。

1.6 與健康危險(xiǎn)性行為相關(guān)的功能連接和腦網(wǎng)絡(luò)分析

由于留一法交叉驗(yàn)證的屬性，在每一次迭代中所選擇的功能連接會(huì)略有差異，其中出現(xiàn)在每一輪交叉驗(yàn)證里的功能連接被稱之為一致性的功能連接[10]。這些一致性功能連接呈現(xiàn)出了對健康危險(xiǎn)性行為較強(qiáng)的預(yù)測能力。

基于一致功能連接，本文進(jìn)一步進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析，文獻(xiàn)[10]按照功能把全腦分成6個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即小腦、帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、額頂網(wǎng)絡(luò)、枕葉網(wǎng)絡(luò)和感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。為了考察各個(gè)網(wǎng)絡(luò)對預(yù)測能力的貢獻(xiàn)情況，計(jì)算這些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)邊和網(wǎng)絡(luò)間邊的權(quán)重，即把與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的連接權(quán)重加起來，如果功能連接屬于不同網(wǎng)絡(luò)，則每個(gè)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)各取權(quán)重的一半。

2 結(jié)果

2.1 對健康危險(xiǎn)性行為的預(yù)測結(jié)果

作為第一步，本文評(píng)估了全腦連接是否能預(yù)測晚期青少年的健康危險(xiǎn)性行為。基于特征選擇閾值P＜0.01，預(yù)測和觀察值之間的相關(guān)系數(shù)r=0.388 2(P = 0.005 8)，產(chǎn)生了顯著的預(yù)測，其他閾值P＜0.008,0.015下也有顯著性，本文選取P＜0.01進(jìn)行分析[14]。

對正的特征模型，基于特征選擇閾值P＜0.01，預(yù)測和觀察值之間的相關(guān)系數(shù)r=0.426 2 (P =0.002 3)，對負(fù)的特征模型在多項(xiàng)式核函數(shù)下沒有產(chǎn)生顯著的預(yù)測，但是負(fù)的特征模型在線性核函數(shù)下顯示出了顯著性r=0.446 2 (P =0.001 3)。

2.2 與健康危險(xiǎn)性行為相關(guān)的功能連接和網(wǎng)絡(luò)分析

由于留一法交叉驗(yàn)證中，每一次迭代中所選擇的訓(xùn)練樣本集略有差異，當(dāng)P＜0.01時(shí)，出現(xiàn)在每一輪交叉驗(yàn)證里的一致性功能連接一共有31條(如表1、圖1所示)，可見這31條動(dòng)態(tài)功能連接具有較強(qiáng)的預(yù)測能力，其中14條功能連接與健康危險(xiǎn)性行為呈正相關(guān)，17條功能連接與健康危險(xiǎn)性行為呈負(fù)相關(guān)。

表1 與HBICA相關(guān)的連接

圖1 與健康危險(xiǎn)性行為(HBICA)相關(guān)的功能連接

為了考察各個(gè)網(wǎng)絡(luò)對健康危險(xiǎn)性行為的預(yù)測能力情況，本文計(jì)算了這些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)邊和網(wǎng)絡(luò)間邊的權(quán)重。對每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特征權(quán)重計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)相對有較大的總權(quán)重，意味著這4個(gè)網(wǎng)絡(luò)對健康危險(xiǎn)性行為有較大的影響，如圖2所示。按照正負(fù)相關(guān)的進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在正相關(guān)中感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)性最強(qiáng)，而負(fù)相關(guān)中帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)有較強(qiáng)的預(yù)測能力。

圖2 網(wǎng)絡(luò)權(quán)重分析(T表示各網(wǎng)絡(luò)的總權(quán)重(total)，P表示正相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重(positive)，N表示負(fù)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重(negative))

基于功能連接是屬于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接還是網(wǎng)絡(luò)之間的連接進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的連接相對較豐富，且與健康危險(xiǎn)性行為呈負(fù)相關(guān)。其他網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接都比較少，絕大部分連接位于網(wǎng)絡(luò)之間，且主要呈現(xiàn)為帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)之間的連接，以及感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)之間的連接呈現(xiàn)出了異常(見圖2和表1)。

2.3 有較大預(yù)測能力的腦區(qū)

不同腦區(qū)對預(yù)測的貢獻(xiàn)大小不同，有些腦區(qū)發(fā)揮的作用大，有些腦區(qū)發(fā)揮的作用小。本文利用腦區(qū)加權(quán)來標(biāo)示腦區(qū)對預(yù)測所起的作用，即對所有跟該腦區(qū)相連的一致性功能連接進(jìn)行權(quán)重求和并除以2。與一致性功能連接相關(guān)的腦區(qū)如圖1所示，球的直徑大小表示了腦區(qū)權(quán)重，直徑越大，預(yù)測能力越強(qiáng)。由圖可知幾個(gè)腦區(qū)相比其他腦區(qū)直徑更大，表明它們具有較強(qiáng)的預(yù)測能力，主要是位于帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)的扣帶后回(post_cingulate)、丘腦(thalamus)、前額葉腹部(vFC)，位于感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的中央前回(precentral_gyrus)、頂葉中部及后部(parietal，post_parietal)、腦島(insula)，位于額頂控制網(wǎng)絡(luò)的前額葉前部(aPFC)，前額葉背側(cè)(dFC)，頂下小葉(IPL)，位于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的前扣帶回(ACC)，腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層(vmPFC)。

3 結(jié) 束 語

本文使用支持向量回歸分析發(fā)現(xiàn)全腦動(dòng)態(tài)功能連接能較好地用于預(yù)測個(gè)體的健康危險(xiǎn)性行為，可見全腦動(dòng)態(tài)功能連接的波動(dòng)是一個(gè)敏感而有信息量的指標(biāo)，它提供了靜息態(tài)下大腦動(dòng)態(tài)組織的重要信息[15]。

同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了與健康危險(xiǎn)性行為相關(guān)的功能連接模式。這些連接絕大部分位于網(wǎng)絡(luò)之間，其中感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的預(yù)測能力。帶狀蓋網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)是人類兩個(gè)分開而平行的控制網(wǎng)絡(luò)，它們之間是一種既分工又合作的關(guān)系[16]，這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)間的連接減弱意味著他們之間平衡性的破壞。這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)與感覺運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性變?nèi)?，可能?dǎo)致個(gè)體對危險(xiǎn)性行為的不敏感，或是對行為的控制能力變?nèi)?。研究中出現(xiàn)的腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層和扣帶回是大腦的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要腦區(qū)[17]，研究認(rèn)為默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行著一些重要功能，比如情感調(diào)整、自我監(jiān)測[18]，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)自身連接的減弱和跟外界連接的改變可能反應(yīng)了在自適應(yīng)調(diào)整情感和自我監(jiān)測上出現(xiàn)了問題。可能正是由于這些網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和網(wǎng)絡(luò)之間連接出現(xiàn)了問題，從而導(dǎo)致了個(gè)體高危險(xiǎn)性行為的發(fā)生。