東西方人大腦皮層結(jié)構(gòu)偏側(cè)化的差異

周思中，高家紅

(北京大學(xué)物理學(xué)院重離子物理研究所醫(yī)學(xué)物理與工程北京市重點實驗室，北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院磁共振成像研究中心，北京 100871)

大腦具有很強可塑性，生活環(huán)境和經(jīng)歷會對大腦功能甚至大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極大影響[1]。目前已有大量行為學(xué)和fMRI研究[2]表明東西方人群在多種認(rèn)知加工活動中存在差異，但針對東西方人大腦結(jié)構(gòu)差異的研究尚不充分。既往對東西方人大腦結(jié)構(gòu)的對比研究[3-4]均針對某些大腦形態(tài)學(xué)參數(shù)本身，缺少對于大腦結(jié)構(gòu)偏側(cè)化這一重要大腦結(jié)構(gòu)學(xué)參數(shù)的東西方對比研究。偏側(cè)化有利于左右大腦半球同時高效處理多個任務(wù)，是大腦適應(yīng)性的重要特征。大腦皮層厚度、皮層表面積和皮層曲率是大腦皮層特征的重要參數(shù)，也是大腦皮層偏側(cè)化的研究重點[5]。本研究采用全新的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜“Brainnetome Atlas”[6]對不同年齡段中國漢族人和西方高加索人大腦皮層進(jìn)行精細(xì)化分區(qū)(大腦皮層分為左右半球各105個腦區(qū))，從大腦皮層表面積、皮層厚度和皮層平均曲率多個維度研究大腦結(jié)構(gòu)偏側(cè)化在東西方不同年齡段人群中的差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2017年10月—2018年6月于北京大學(xué)附近社區(qū)招募60名中國漢族志愿者，青年組和老年組各30名；青年組男女各15名，年齡24～32歲，平均(27.0±1.8)歲；老年組男女各15名，年齡64～79歲，平均(67.5±3.2)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①青年被試者18～45歲，老年被試者60歲及以上；②右利手；③簡易精神狀態(tài)評價量表評分>27分。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有精神系統(tǒng)疾病或其他腦部疾??；②MR圖像質(zhì)量差，不符合后處理要求。本研究經(jīng)北京大學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)，被試者均簽署知情同意書。

60名西方被試者數(shù)據(jù)來自于IXI dataset(http://brain-development.org/ixi-dataset/)，數(shù)據(jù)均在英國倫敦Hammersmit醫(yī)院采集，均為高加索人，青年組和老年組各30名；青年組男女各15名，年齡22～34歲，平均(27.1±3.2)歲；老年組男女各15名，年齡60～81歲，平均(66.5±5.8)歲。

1.2 儀器與方法 對60名中國被試者采用Siemens Prisma 3.0T MR掃描儀，64通道頭頸聯(lián)合線圈。三維T1W結(jié)構(gòu)像采用磁化強度預(yù)備梯度回波序列(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequences， MPRAGE)，TR 2 400 ms，TE 2.24 ms，翻轉(zhuǎn)角8°，矩陣320×320，體素大小0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm。60名西方被試者均采用Philips Intera 3.0T MR掃描儀，TR 9 600 ms，TE 5.6 ms，翻轉(zhuǎn)角8°，矩陣208×208，體素大小0.9 mm×0.9 mm×1.2 mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理 將所有結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)調(diào)整到相同坐標(biāo)空間，并重采樣為相同體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。

采用Freesurfer處理軟件(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)重建T1WI并對齊大腦皮層表面，選取10 mm平滑核進(jìn)行平滑，使用慧腦云平臺(www.humanbrain.cn)加速計算并簡化操作流程。利用平臺內(nèi)置的“Brainnetome Atlas”對重建的大腦皮層進(jìn)行自動分割，進(jìn)而獲得各腦區(qū)(左右半球各105個腦區(qū))大腦皮層表面積、皮層厚度及平均曲率值。采用偏側(cè)化系數(shù)(lateralization index， LI)定義各腦區(qū)偏側(cè)性，LI=(L-R)/(L+R)，L和R分別代表左右半球腦區(qū)參數(shù)值，LI>0代表具有左偏側(cè)化，LI<0代表具有右偏側(cè)化。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示，2組間年齡比較采用兩獨立樣本t檢驗。采用單樣本t檢驗比較各腦區(qū)LI與0之間是否存在差異(FDR校正，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義)，以此判斷該腦區(qū)是否存在偏側(cè)化。分別對東西方青年組和老年組腦皮層形態(tài)學(xué)LI進(jìn)行獨立樣本t檢驗，獲得東西方不同年齡組間LI差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)(FDR校正，P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義)。

2 結(jié)果

東西方青年組和老年組被試者年齡差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(青年組：t=-0.053，P=0.958；老年組：t=0.829，P=0.410)。

2.1 腦皮層偏側(cè)化結(jié)果 東西方青年組及老年組被試者皮層表面積、皮層厚度以及平均曲率呈現(xiàn)出不同偏側(cè)化結(jié)果(圖1、2)。無論是中國人還是西方人、青年組還是老年組，具有皮層表面積偏側(cè)化的腦區(qū)均明顯多于皮層厚度和皮層曲率偏側(cè)化腦區(qū)。在偏側(cè)化腦區(qū)數(shù)目(表1)方面，西方老年組皮層表面積、皮層厚度、平均曲率3個形態(tài)學(xué)參數(shù)上出現(xiàn)偏側(cè)化的腦區(qū)數(shù)目均低于青年組；中國老年組除皮層表面積右側(cè)偏側(cè)化腦區(qū)數(shù)目略高于中國青年組外，其他參數(shù)偏側(cè)化腦區(qū)數(shù)目均低于青年組。

圖1 中國青年組和老年組被試者皮層偏側(cè)化結(jié)果，暖色代表腦區(qū)具有顯著左偏側(cè)化，冷色代表腦區(qū)具有顯著右偏側(cè)化(FDR校正，P<0.05) A、B.皮層表面積偏側(cè)化結(jié)果(A為青年組，B為老年組)； C、D.皮層厚度偏側(cè)化結(jié)果(C為青年組，D為老年組)； E、F.皮層平均曲率偏側(cè)化結(jié)果(E為青年組，F(xiàn)為老年組)

圖2 西方青年組和老年組被試者皮層偏側(cè)化統(tǒng)計結(jié)果，暖色代表腦區(qū)具有顯著左偏側(cè)化，冷色代表腦區(qū)具有顯著右偏側(cè)化(FDR校正，P<0.05) A、B.皮層表面積偏側(cè)化結(jié)果(A為青年組，B為老年組)； C、D.皮層厚度偏側(cè)化結(jié)果(C為青年組，D為老年組)； E、F.皮層平均曲率偏側(cè)化結(jié)果(E為青年組，F(xiàn)為老年組)

圖3 東西方被試者皮層LI有顯著差異的腦區(qū)，暖色代表東方LI>西方，冷色代表東方LI<西方(FDR校正，P<0.05) A、B.皮層表面積偏側(cè)化有顯著差異腦區(qū)(A為青年組，B為老年組)； C、D.皮層厚度偏側(cè)化有顯著差異腦區(qū)(C為青年組，D為老年組)； E、F.皮層平均曲率偏側(cè)化有顯著差異腦區(qū)(E為青年組，F(xiàn)為老年組)

全部被試者中，皮層表面積偏側(cè)化幾乎出現(xiàn)在全腦各大腦區(qū)，包括額葉、顳葉、頂葉、腦島、枕葉以及扣帶回，且腦區(qū)內(nèi)偏側(cè)化存在區(qū)域性差異。顳葉中，左側(cè)偏側(cè)化腦區(qū)主要位于顳上回、顳下回、梭狀回和后顳上溝，右側(cè)偏側(cè)化腦區(qū)主要位于顳中回；額葉大部分區(qū)域呈現(xiàn)出偏側(cè)化，左側(cè)偏側(cè)化位于額下溝以及額下回腹側(cè)，右側(cè)偏側(cè)化位于背外側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)前額葉等區(qū)域。皮層厚度和平均曲率的偏側(cè)化區(qū)域明顯少于皮層表面積偏側(cè)化區(qū)域。皮層厚度偏側(cè)化腦區(qū)主要位于顳上回和頂下小葉。皮層曲率偏側(cè)化腦區(qū)主要位于顳上回、顳中回以及扣帶回的大部分區(qū)域。

2.2 東西方青年組和老年組腦皮層偏側(cè)化差異 分別對東西方青年組和老年組被試者的3個參數(shù)的LI進(jìn)行獨立樣本t檢驗分析，獲得東西方LI有顯著性差異的腦區(qū)(表2、3及圖3)。東西方青年組偏側(cè)化差異腦區(qū)主要位于“Brainnetome Atla”分區(qū)中的A45c(BA45尾部)、A13(BA13)及vmPOS(腹內(nèi)側(cè)頂枕溝)腦區(qū)，在A13腦區(qū)，中國青年組皮層表面積LI顯著高于西方青年組，而在A45c和vmPOS腦區(qū)，中國青年組皮層表面積LI顯著低于西方青年組；東西方老年組偏側(cè)化差異腦區(qū)主要位于A13(BA13)和A38l(BA38)腦區(qū)，這兩個腦區(qū)中國老年組皮層表面積LI顯著高于西方老年組。

皮層厚度偏側(cè)性對比中，東西方青年組偏側(cè)化差異腦區(qū)主要位于A9m(BA9內(nèi)側(cè)區(qū))、A14m(BA14內(nèi)側(cè)區(qū))和G(多顆粒腦島)腦區(qū)，其中A9m和A14m腦區(qū)中國青年組皮層厚度LI顯著高于西方青年組，而G腦區(qū)中國青年組皮層厚度LI顯著低于西方青年組；東西方老年組皮層厚度偏側(cè)化差異主要位于A9/46v(BA9/46)和A1/2/3ll(BA1/2/3)腦區(qū)，且中國老年組皮層厚度LI均顯著低于西方老年組。

皮層曲率偏側(cè)化對比中，在東西方青年組偏側(cè)化差異腦區(qū)僅見于A44op(BA44的島蓋部)腦區(qū)，且中國青年組皮層曲率LI顯著低于西方青年組(表2)。東西方老年組在皮層曲率偏側(cè)化上無顯著差異腦區(qū)(表3)。

東西方被試者不同年齡組間皮層厚度、皮層表面積和皮層曲率的LI差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(FDR校正，P均>0.05)。

表1 東西方被試者各年齡組存在顯著皮層偏側(cè)化的腦區(qū)數(shù)目

表2 東西方青年組被試者皮層LI有顯著差異的腦區(qū)

表3 東西方老年組被試者皮層LI有顯著差異的腦區(qū)

3 討論

本研究首次采用全新腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜“Brainnetome Atlas”[6]對東西方不同年齡段群體大腦皮層偏側(cè)化進(jìn)行分區(qū)對比，發(fā)現(xiàn)大腦結(jié)構(gòu)偏側(cè)化普遍存在，其中表面積偏側(cè)化腦區(qū)數(shù)目明顯多于皮層厚度和皮層平均曲率，與既往研究[7]結(jié)果一致。東西方老年組中出現(xiàn)偏側(cè)化的腦區(qū)數(shù)目相比青年組均有所減少，這可在一定程度上解釋老齡化過程中大腦認(rèn)知功能下降的神經(jīng)機(jī)制。

本研究在東西方腦皮質(zhì)LI對比中發(fā)現(xiàn)，東西方青年組偏側(cè)化出現(xiàn)差異的腦區(qū)集中在A13、A45c、vmPOS(皮層表面積)，A9m、A14m和G(皮層厚度)以及A44op(皮層曲率)。A9m腦區(qū)位于額中回，在外顯記憶加工中發(fā)揮重要作用[8]，也是中文語言加工的重要腦區(qū)[9]。既往研究[2]發(fā)現(xiàn)，在社會認(rèn)知任務(wù)中，A9m區(qū)東西方激活強度存在顯著不同，西方人右半球A9m區(qū)激活強度顯著大于東方人。本研究也同樣發(fā)現(xiàn)，A9m區(qū)中國青年組皮層LI顯著高于西方青年組。BA13/14腦區(qū)與情緒及面孔識別有關(guān)[10]。Han等[2]采用Meta分析研究發(fā)現(xiàn)，東西方大腦激活強度在BA13腦區(qū)呈現(xiàn)明顯功能偏側(cè)化差異，本研究中同樣發(fā)現(xiàn)此腦區(qū)東西方大腦皮層表面積偏側(cè)化具有顯著性差異。Broca區(qū)(BA44/45)在語言加工中發(fā)揮重要作用，且其在語言加工中存在明顯的偏側(cè)化。本研究發(fā)現(xiàn)并不是整個Broca區(qū)均存在東西方偏側(cè)化差異，而是在A45c(BA45尾部)和A44op(BA44的島蓋部)腦區(qū)具有顯著偏側(cè)化差異。

東西方老年組出現(xiàn)皮層偏側(cè)化差異的腦區(qū)集中在A9/46v和A1/2/3ll(皮層厚度)，A13和A38l(皮層表面積)。A9/46v區(qū)與工作記憶、詞語生成及語言理解等活動有關(guān)[11]，本研究發(fā)現(xiàn)東西方人此腦區(qū)皮層厚度偏側(cè)化存在顯著差異，或可部分解釋東西方大腦語言加工的不同。A38l區(qū)主要參與面孔識別及語言句法與語義加工等活動[12-13]，既往研究[2]發(fā)現(xiàn)西方人此區(qū)域在認(rèn)知加工活動中的大腦激活程度遠(yuǎn)高于東方人，本研究結(jié)果與其一致。

本研究發(fā)現(xiàn)東西方青年組出現(xiàn)偏側(cè)化差異腦區(qū)主要是與語言功能相關(guān)的A45c(皮層表面積)、A44op(皮層曲率)以及中文加工的特有腦區(qū)A9m(皮層厚度)；但在老年組，與語言功能相關(guān)的有顯著偏側(cè)化差異的腦區(qū)只有A9/46v(皮層厚度)，可能隨年齡增加，文化差異對大腦的影響逐漸降低[14]；而東西方青年組和老年組在與情緒和面孔加工相關(guān)的A13區(qū)均存在皮層表面積偏側(cè)化差異，可以部分解釋東西方人群面孔識別認(rèn)知活動的不同。

本研究發(fā)現(xiàn)東西方人群在皮層結(jié)構(gòu)偏側(cè)化上存在差異，可在一定程度上解釋之前有關(guān)東西方人行為以及腦功能有所差異的研究結(jié)果。本研究局限性：①未對被試者是否為單語者加以限制；②數(shù)據(jù)來自2個中心，設(shè)備參數(shù)等因素可能會對結(jié)果產(chǎn)生影響，但設(shè)備對Freesurfer皮層厚度重建結(jié)果影響較小[15]，且已盡可能加以限制；③設(shè)備因素對皮層表面積和曲率重建結(jié)果的影響需進(jìn)一步探究；④配準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)化時采用的腦模板基于西方數(shù)據(jù)建立，可能對結(jié)果產(chǎn)生一定影響[16]。