模擬失重狀態(tài)對(duì)情緒穩(wěn)定性影響的磁共振腦功能成像研究

劉 剛，李 科，曾亞偉，朱 磊，李勇枝，金 真

1解放軍306醫(yī)院磁共振室暨國(guó)家“認(rèn)知科學(xué)與學(xué)習(xí)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腦功能成像中心，北京 100101；2解放軍總醫(yī)院 放射診斷科，北京 100853；3中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094

模擬失重狀態(tài)對(duì)情緒穩(wěn)定性影響的磁共振腦功能成像研究

劉 剛1,2，李 科1，曾亞偉1，朱 磊1，李勇枝3，金 真1

1解放軍306醫(yī)院磁共振室暨國(guó)家“認(rèn)知科學(xué)與學(xué)習(xí)”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腦功能成像中心，北京 100101；2解放軍總醫(yī)院 放射診斷科，北京 100853；3中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心，北京 100094

目的 應(yīng)用功能性磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)掃描觀察模擬失重對(duì)情緒穩(wěn)定性的影響。方法選取8名航天志愿者完成臥床3周的模擬失重實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前后使用fMRI行功能性磁共振掃描測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用恐懼情緒圖片刺激。結(jié)果臥床前，在完成任務(wù)時(shí)，雙側(cè)枕葉枕中回、枕葉楔葉、雙側(cè)額葉額中回及雙側(cè)丘腦出現(xiàn)顯著的腦激活區(qū)；雙側(cè)邊緣葉海馬旁回及右側(cè)杏仁核出現(xiàn)了小范圍的激活區(qū)。臥床后進(jìn)行同一任務(wù)掃描，激活腦區(qū)的范圍及信號(hào)強(qiáng)度與臥床前相似。結(jié)論模擬失重狀態(tài)后，對(duì)情緒激發(fā)圖片反應(yīng)的腦區(qū)激活模式與模擬失重狀態(tài)前較為接近。說(shuō)明模擬失重狀態(tài)對(duì)航天訓(xùn)練員情緒穩(wěn)定性的影響較小。

功能性磁共振；模擬失重；情緒

國(guó)內(nèi)外載人航天及模擬失重實(shí)驗(yàn)研究表明，航天員或航天訓(xùn)練員雖不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的心理障礙，但存在一定的心理問(wèn)題，常見(jiàn)的有超常體驗(yàn)、情緒變化、性格改變、視知覺(jué)改變等[1]。上述變化對(duì)航天員執(zhí)行任務(wù)有可能產(chǎn)生不良的影響。因此，國(guó)內(nèi)外在對(duì)航天員及飛行員選拔和訓(xùn)練時(shí)一直非常重視心理素質(zhì)的考評(píng)和心理訓(xùn)練[2-3]。心理素質(zhì)包含多方面的內(nèi)容，其中情緒穩(wěn)定性是最為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于恐懼情緒的進(jìn)化和適應(yīng)功能，相對(duì)于其他基本情緒來(lái)說(shuō)，對(duì)恐懼情緒影響的評(píng)估是重要的研究?jī)?nèi)容之一，也是評(píng)價(jià)情緒穩(wěn)定性的最重要因素[4]。神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域研究中功能磁共振成像技術(shù)(functional magnetic resonance imaging，fMRI)作為全新的研究手段，可以無(wú)創(chuàng)地對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行精確空間定位，對(duì)腦功能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，有良好的可行性及可重復(fù)性，已大量應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)、心理及認(rèn)知科學(xué)的各個(gè)研究領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)使用功能性磁共振掃描技術(shù)，比較模擬失重狀態(tài)前后航天訓(xùn)練員對(duì)恐懼圖片刺激的腦部激活區(qū)變化，以探討模擬失重狀態(tài)對(duì)情緒穩(wěn)定性的影響。

對(duì)象和方法

1 研究對(duì)象 選取8名航天訓(xùn)練員，年齡17 ～ 22歲，均為男性，常規(guī)體檢結(jié)論健康，無(wú)特殊疾病病史。

2 模擬失重 采用-6°頭低位臥床3周。實(shí)驗(yàn)期間除排便時(shí)，由平板床轉(zhuǎn)送至衛(wèi)生間，其余時(shí)間均頭低腳高位臥床，可以翻身，但不可進(jìn)行身體鍛煉。模擬失重前、后各進(jìn)行1次fMRI試驗(yàn)。

3 fMRI任務(wù)設(shè)計(jì) 從國(guó)際情緒圖片系統(tǒng)(international affective picture system，IAPS)中選擇經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理的恐懼圖片54張作為實(shí)驗(yàn)條件的刺激材料，其中目標(biāo)刺激18張，9張自然的恐怖刺激如蛇、昆蟲(chóng)、鯊魚(yú)等，9張人造的恐懼刺激如暴力威脅情境、交通事故(飛機(jī)失事、沉船)、人為死亡和醫(yī)療手術(shù)血腥場(chǎng)面等[5-6]。選擇簡(jiǎn)單的幾何圖形如圓形、水平和垂直的橢圓形作為控制條件的刺激材料。本實(shí)驗(yàn)采用組塊設(shè)計(jì)方法，在屏幕上同時(shí)呈現(xiàn)3張恐懼圖片，上面的1張是目標(biāo)刺激，1張恐懼圖片，下面兩張是恐懼圖片，其中有1張任務(wù)刺激與目標(biāo)刺激是一樣的，要求被試者從同時(shí)呈現(xiàn)的兩張恐懼圖片中，選擇出1張與目標(biāo)刺激相匹配，按相應(yīng)按鍵。每組圖片呈現(xiàn)5 s，以讓被試者觀察清楚，每個(gè)組塊6組圖片，共呈現(xiàn)30 s，測(cè)試時(shí)間共6 min 9 s。該實(shí)驗(yàn)條件是讓被試者直接加工情緒刺激－恐懼圖片，通過(guò)匹配任務(wù)讓被試者注意刺激的恐懼內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，詳細(xì)向被試者交待并多次練習(xí)，直至被試者完全理解實(shí)驗(yàn)要求。?

圖 1 8名模擬失重志愿者完成恐懼情緒圖片刺激的腦內(nèi)激活圖(組分析結(jié)果，不矯正P＜0.001，激活范圍＞3個(gè)相連體素，其t值范圍由圖右側(cè)的色度尺表示，圖下方的數(shù)字代表蒙特利爾坐標(biāo)的Z軸坐標(biāo)值) A： 模擬失重前完成任務(wù)時(shí)的腦區(qū)激活圖； B： 模擬失重后完成任務(wù)時(shí)的腦區(qū)激活圖Fig. 1 Brain activation in 8 volunteers who completed horror emotion tasks before (A) and after (B) simulated weightlessness experiments

4 fMRI數(shù)據(jù)采集 采用全身掃描儀(2T prestige，GE/Elscint，Haifa，Israel)，頭線圈獲取功能像數(shù)據(jù)。采用單次激發(fā)梯度回波EPI序列，主要參數(shù)為T(mén)R(repetition time)=3 000 ms，TE(echo time)=45 ms，F(xiàn)lip Angle=90°，F(xiàn)OV(Field of View)=373×212 mm， Matrix size=128×72。軸位掃描，層厚6 mm，層間距為0。掃描時(shí)間為6 min 9 s(120 volumes)。

5 功能影像數(shù)據(jù)分析 在Matlab程序中運(yùn)行SPM5(Statistical Parametric Mapping)軟件包。將功能像與掃描時(shí)間點(diǎn)最接近的解剖像進(jìn)行校準(zhǔn)。應(yīng)用正玄Sinc插值法進(jìn)行頭動(dòng)校正，以腦內(nèi)腦脊液、灰質(zhì)及白質(zhì)的信號(hào)差異進(jìn)行去頭皮分割。分割后的功能像與蒙特利爾模板進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化配準(zhǔn)。在確認(rèn)無(wú)圖像扭曲變形的情況下，以Gaussian核心法(8×8×8)將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用每一刺激開(kāi)始后延遲6 s的延遲半正玄法計(jì)算血紅蛋白動(dòng)態(tài)反應(yīng)的延遲。將功能掃描的前3個(gè)采樣點(diǎn)(前9 s內(nèi))的數(shù)據(jù)刪除，以保證機(jī)器狀態(tài)的平穩(wěn)及排除信號(hào)漂移，減少初期不穩(wěn)定的血流動(dòng)力學(xué)對(duì)腦區(qū)信號(hào)的影響。標(biāo)準(zhǔn)化激活情況的判定：由t檢驗(yàn)來(lái)判定激活腦區(qū)。不校正P＜0.001，激活區(qū)＞3個(gè)相連體素以上視為激活腦區(qū)。

結(jié) 果

1 模擬失重前腦激活圖分析 結(jié)果顯示雙側(cè)枕葉枕中回、枕葉楔葉、雙側(cè)額葉額中回及雙側(cè)丘腦出現(xiàn)顯著的腦激活區(qū)；雙側(cè)邊緣葉海馬旁回及右側(cè)杏仁核也出現(xiàn)了小范圍的激活區(qū)；激活的腦區(qū)還包括右側(cè)顳葉梭狀回及雙側(cè)頂葉頂上小葉(表1、圖1)。

2 模擬失重后腦激活圖分析 結(jié)果顯示雙側(cè)枕葉梭狀回、雙側(cè)枕葉楔葉出現(xiàn)顯著的激活區(qū)，雙側(cè)額葉額中回、右側(cè)額葉額下回及雙側(cè)丘腦出現(xiàn)較明顯的腦激活區(qū)，同時(shí)激活的腦區(qū)還有雙側(cè)頂葉楔前葉及右側(cè)頂葉頂上小葉。模擬失重前后激活腦區(qū)及強(qiáng)度無(wú)顯著變化，但存在優(yōu)勢(shì)側(cè)的改變，杏仁核的激活由左轉(zhuǎn)右，枕葉由左優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)為雙側(cè)激活甚至右優(yōu)勢(shì)，額葉由雙側(cè)激活轉(zhuǎn)為左側(cè)激活，丘腦無(wú)變化。模擬失重前后，激活腦區(qū)范圍及強(qiáng)度變化較小，說(shuō)明模擬失重3周時(shí)對(duì)航天訓(xùn)練員情緒穩(wěn)定性影響很小。見(jiàn)表1、圖1。

表1 8例模擬失重志愿者完成恐懼情緒圖片刺激的腦內(nèi)激活圖Tab. 1 Brain activation in 8 simulated weightlessness volunteers who completed horror emotion tasks before and after simulated weightlessness experiments

討 論

微重力環(huán)境使人體體液重新分布，對(duì)人的生理功能、認(rèn)知功能、情緒均產(chǎn)生一定的影響，是航天醫(yī)學(xué)研究的重要課題[7]。以往對(duì)微重力條件下情緒改變的研究方法主要采用心理測(cè)量對(duì)情緒穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定，以探討在航天過(guò)程中情緒穩(wěn)定性的變化[8-9]。

fMRI作為近些年迅速發(fā)展起來(lái)的腦功能成像技術(shù)，以血管內(nèi)血紅蛋白為內(nèi)源性對(duì)比劑，通過(guò)血氧飽和度的變化導(dǎo)致局部磁場(chǎng)的改變而成像，可無(wú)創(chuàng)、實(shí)時(shí)地觀察腦的活動(dòng)變化，對(duì)人腦進(jìn)行精確功能定位[10]。其成像原理如下：腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)引起伴行毛細(xì)血管內(nèi)血流量和血流容積增加，相應(yīng)腦區(qū)氧和血紅蛋白含量增加，神經(jīng)元活動(dòng)區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度高于非活動(dòng)區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度。這一微小信號(hào)差別(3% ～ 6%)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)處理將其呈現(xiàn)。將腦功能成像技術(shù)應(yīng)用于微重力環(huán)境對(duì)情緒穩(wěn)定性的影響的研究鮮有報(bào)道。

恐懼情緒和調(diào)節(jié)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)研究顯示，杏仁核參與多種不同的情緒加工，尤其在恐懼情緒處理調(diào)節(jié)中具有重要的作用。Phan等[11]的研究表明，1990 - 2000年查詢55項(xiàng)研究(PET 33項(xiàng)，fMRI 22項(xiàng))，通過(guò)對(duì)不同刺激方法、不同情緒任務(wù)、不同類型情緒產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)恐懼情緒同杏仁核之間存在密切的聯(lián)系。60%的研究證實(shí)恐懼情緒刺激導(dǎo)致了杏仁核的激活。Young等[12]在腦損傷患者的研究中發(fā)現(xiàn)，在杏仁核損傷時(shí)，病人恐懼條件作用明顯減少，并且對(duì)恐懼刺激不產(chǎn)生反應(yīng)。Whalen等[13]在一項(xiàng)fMRI研究中發(fā)現(xiàn)迅速呈現(xiàn)隱蔽的恐懼面孔時(shí)，盡管被試者主觀沒(méi)有意識(shí)到看到刺激圖片，但左側(cè)杏仁核卻出現(xiàn)了顯著的激活區(qū)。這意味著左側(cè)杏仁核參與了恐懼刺激的無(wú)意識(shí)狀態(tài)下情緒加工，右側(cè)杏仁核沒(méi)有激活，推測(cè)可能參與恐懼刺激的有意識(shí)加工。上述研究表明，杏仁核負(fù)責(zé)識(shí)別與威脅和恐懼有關(guān)的刺激，產(chǎn)生與恐懼情緒相關(guān)的體驗(yàn)和行為反應(yīng)。

Davidson[14]根據(jù)動(dòng)物的大腦損傷的包括臨床神經(jīng)心理學(xué)、心理生理學(xué)和人類的功能成像研究的不同證據(jù)，提出了恐懼情緒的加工協(xié)調(diào)過(guò)程通常由前額葉皮層(即眶額葉皮層、背側(cè)前額皮層和前扣帶回皮層)和大腦的邊緣系統(tǒng)如杏仁核、下丘腦的不同區(qū)域組成的神經(jīng)回路來(lái)執(zhí)行。Mayne和Bonnano[15]認(rèn)為情緒產(chǎn)生和調(diào)節(jié)的過(guò)程是由自動(dòng)和控制的多重加工水平來(lái)完成的。自動(dòng)和控制二者間的調(diào)節(jié)過(guò)程，包括了由杏仁核、丘腦、外側(cè)前額皮層及皮層聯(lián)合區(qū)、前扣帶回皮層、眶額葉皮層和腹側(cè)前額皮層5個(gè)不同的腦區(qū)協(xié)同執(zhí)行。

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M失重狀態(tài)前分析結(jié)果顯示：雙側(cè)枕葉枕中回、枕葉楔葉、雙側(cè)額葉額中回及雙側(cè)丘腦出現(xiàn)顯著的腦激活區(qū)；雙側(cè)邊緣葉海馬旁回及右側(cè)杏仁核也出現(xiàn)了小范圍的激活區(qū)；激活的腦區(qū)還包括右側(cè)顳葉梭狀回及雙側(cè)頂葉頂上小葉(表1、圖1)。雙側(cè)額葉及雙側(cè)丘腦的顯著激活腦區(qū)與恐懼情緒的自我調(diào)節(jié)回路一致。同時(shí)雙側(cè)海馬旁回及右側(cè)杏仁核也參與了恐懼情緒的自我調(diào)節(jié)過(guò)程。我們注意到，右側(cè)杏仁核僅出現(xiàn)了小范圍的腦激活區(qū)，一方面說(shuō)明杏仁核是恐懼情緒調(diào)節(jié)中重要的功能核團(tuán)，但另一方面，僅僅出現(xiàn)了小范圍的激活可能與青年男性航天訓(xùn)練員情緒穩(wěn)定性較好，不易被外來(lái)恐懼刺激所干擾有關(guān)。在正常狀態(tài)下的腦激活區(qū)與現(xiàn)有的相關(guān)研究基本相符。模擬失重狀態(tài)后對(duì)照組腦區(qū)激活模式與模擬失重前類似，但存在激活區(qū)優(yōu)勢(shì)側(cè)的改變，這種變化可能為腦灌注的改變所致，左側(cè)優(yōu)勢(shì)半球的灌注在微重力環(huán)境是減少的[16]。

Ishizaki[17]在20 d頭低位臥床實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，緊張、焦慮、抑郁等負(fù)性情緒相對(duì)穩(wěn)定，這與本研究的結(jié)果一致。秦海波等[18]通過(guò)人工量表測(cè)試及抽血查相關(guān)激素水平的結(jié)果表明，在60 d的頭低位臥床模擬失重環(huán)境中，受試者負(fù)性情緒變化呈現(xiàn)高-低-高-低的變化趨勢(shì)，在第3周生理改變適應(yīng)后為受試者情緒平穩(wěn)期。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示：模擬失重狀態(tài)前后腦區(qū)激活模式較為接近。說(shuō)明模擬失重第3周時(shí)對(duì)航天訓(xùn)練員的情緒影響很小。本研究不足之處在于受模擬失重實(shí)驗(yàn)受試規(guī)模，磁共振掃描轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程需保持頭低臥位狀態(tài)等客觀因素影響，受試樣本偏少，數(shù)據(jù)采集僅為模擬失重起床前的一個(gè)時(shí)間點(diǎn)。后續(xù)研究應(yīng)增加樣本量及數(shù)據(jù)采集時(shí)間點(diǎn)，以更詳實(shí)、準(zhǔn)確地探知模擬失重對(duì)情緒穩(wěn)定性的影響。

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Application of functional magnetic resonance imaging in showing the effect of simulated weightlessness on emotional stability

LIU Gang1,2, LI Ke1, ZENG Ya-wei1, ZHU Lei1, LI Yong-zhi3, JIN Zhen1
1Functional MRI Center and State Key Laboratory of Cognition Science and Learning, Chinese PLA 306 Hospital, Beijing 100101, China;2Department of Radiology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China;3China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China

JIN Zhen. Email：mdjinzhen@163.com

ObjectiveTo study the application of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in showing the effect of simulated weightlessness on emotional stability.MethodsEight male astronaut volunteers underwent stimulated weightlessness experiments in bed for 3 weeks, followed by fMRI.ResultsSignifcantly activated areas were observed in bilateral mid-occipital gyrus, occipital cuneus, bilateral mid-frontal gyrus of prefrontal and bilateral thalamus, and a small activated area appeared in bilateral limbic lobe subiculum hippocampi and right amygdaloid nuclei at simulated weightlessness experiments before lying in bed. The size and signal intensity of activated brain were similar at simulated weightlessness experiments before and after lying in bed.ConclusionThe effect of stimulated weightlessness is similar on emotional stability of astronaut volunteers.

functional magnetic resonance imaging; simulated weightlessness; emotion

R 853

A

2095-5227(2014)07-0747-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.07.028

時(shí)間：2014-03-20 08:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140320.0839.002.html

2014-01-10

全軍十二五重大項(xiàng)目(AWS11J003-15)

Supported by the 12th Five Years Major scientific research Program of General Logistics Department of PLA(AWS11J003-15)

劉剛，博士，男，主治醫(yī)師。Email：lgwzl@126.com

金真，女，主任醫(yī)師，教授，博士生導(dǎo)師。Email：mdjinzhen@163.com