劉夢婉,盧虹冰,徐守軍,楊春蘭,李佳銘,鄭凱中,燕寶玉,劉 健,李寶娟*
(1.空軍軍醫(yī)大學軍事生物醫(yī)學工程學系醫(yī)學信息技術教研室,西安 710032;2.深圳市兒童醫(yī)院放射科,廣東深圳 518000;3.深圳市兒童醫(yī)院血液二病區(qū),廣東深圳 518000;4.空軍軍醫(yī)大學網(wǎng)絡中心,西安 710032)
自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder,ASD)是一種神經(jīng)發(fā)育異常疾病,常在兒童時期出現(xiàn)異常表現(xiàn),主要特征為社會交往障礙、重復刻板行為和興趣缺乏[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn),在美國8歲以下的兒童中每59名中就有一名是ASD患者[2]。ASD終身難以治愈,給個人和家庭帶來了沉重的負擔,其早期診斷和干預已成為研究的熱點。神經(jīng)影像學的發(fā)展為ASD的診斷提供了新的視角。
功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)已廣泛應用于ASD的腦連接分析,其原理是腦活動會引起相應區(qū)域血液中氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白比例變化,進而導致該區(qū)域MRI T2加權像信號變化[3]?;趂MRI的功能連接是通過研究空間獨立的腦區(qū)之間在時間序列上的相關性來探究ASD的神經(jīng)生理學機制。研究發(fā)現(xiàn),伴有破壞行為的ASD兒童杏仁核與腹外側前額葉皮質的連通性降低[4],內(nèi)側前額葉皮質與軀體感覺皮質、后扣帶回之間的功能連接降低[5]。與此同時,還有大量研究發(fā)現(xiàn)ASD患者在尾狀核、楔前葉、海馬、腦島等關鍵腦區(qū)的功能連接不足[6-7]。
上述研究都是針對同個腦半球內(nèi)的功能連接,目前對ASD半球間的同位腦區(qū)的功能連接強度并無深入研究。傳統(tǒng)理論認為大腦兩半球中間由纖維束板胼胝體連接,右腦主要負責空間注意力、視覺識別和情緒調(diào)節(jié),左腦負責邏輯運算、語言表達、閱讀書寫[8],但兩者的功能不是絕對單側化的,任何功能的實現(xiàn)都需要兩半球的相互協(xié)調(diào)溝通[9]。有研究表明,大腦半球間關于信息傳遞的功能整合能夠在人臉感知過程中協(xié)調(diào)個體的信息處理能力[10]。此外,研究發(fā)現(xiàn)觸覺刺激引起雙側軀體感覺區(qū)域激活,該過程需要依賴于胼胝體的完整性[11]。更為重要的是,有研究認為腦半球間不同步的獨特特征可能與患者認知障礙有關[12]。另外,ASD的結構連接研究顯示,作為連接大腦兩半球的部位,ASD患者胼胝體的體積[13]、軸突數(shù)目和軸突大小都顯著減小[14],這也提示可以從大腦兩半球間的信息溝通尋找ASD的潛在神經(jīng)機制。
體素鏡像同倫連接(voxel-mirrored homotopic connectivity,VMHC)是 Zuo 等[15]在 2010 年提出的,用于研究大腦兩半球相同位置的腦區(qū)功能連接強度,旨在分析退行性疾病及精神類疾病的功能同倫所隱藏的機制背景。目前,有學者對精神分裂[16]、抑郁癥[17]、創(chuàng)傷后應激障礙[18]等精神類疾病的VHMC進行了初步探索。2011年Anderson等[19]對VMHC在成年ASD患者中的應用進行了研究,認為同位功能連接存在顯著性下降。但是在兒童中,尤其是在學齡前兒童中,VMHC是否發(fā)生變化尚不清楚。
本研究采集了ASD兒童的fMRI影像數(shù)據(jù)用于對比ASD兒童與典型發(fā)育(typically developing,TD)兒童之間鏡像同倫連接強度。由于ASD患者在社會認知方面存在典型缺陷,本文假設ASD兒童在相關腦網(wǎng)絡可能出現(xiàn)VMHC異常的現(xiàn)象。
自閉癥組(ASD組)被試為深圳市兒童醫(yī)院初次就診的ASD兒童,均符合美國精神障礙診斷統(tǒng)計手冊第V版(DSM-V)ASD診斷標準,由專業(yè)的精神科醫(yī)生通過ABC(autism behavior checklist)量表和CARS(childhood autism rating scale)量表進行診斷。入組標準:(1)年齡 2~8 歲;(2)無血常規(guī)及臨床檢查生化及血液異常;(3)無 MRI禁忌證;(4)近期未使用安定類藥物;(5)無腦外傷,無精神分裂癥或其他精神類、神經(jīng)類疾病。典型發(fā)育組(TD組)招募健康兒童,入組標準:(1)年齡 2~8 歲;(2)無精神發(fā)育遲滯、注意力缺陷多動障礙、學習障礙等疾患;(3)無頭部及軀體外傷;(4)無精神分裂癥或其他精神類、神經(jīng)類疾??;(5)無MRI禁忌證。ASD組共入組121例,TD組共入組119例。由于掃描參數(shù)不同、掃描過程被試蘇醒、頭動過大、左利手等原因ASD組排除36例,TD組排除44例。通過觀察樣本分布發(fā)現(xiàn)3~4歲兒童被試較多,而7~8歲兒童被試較少,無法納入研究,因此去除2組中7~8歲兒童被試,ASD組排除2例,TD組排除5例。最終ASD組83例、TD組70例納入研究。本研究經(jīng)過了深圳市兒童醫(yī)院倫理委員會批準,并且所有被試兒童家長在實驗前都簽訂了知情同意書。2組被試資料見表1。
表1 2組被試的人口學資料
使用Siemens 3.0T磁共振掃描儀進行掃描,所有被試口服或經(jīng)灌腸給予0.5%水合氯醛0.5 ml/kg(最大劑量10 ml)后保持睡眠狀態(tài),fMRI的掃描參數(shù):重復時間(repetition time,TR)2 000 ms,回波時間(echo time,TE)30 ms,視野(field of view,F(xiàn)OV)230 mm×230 mm,矩陣 64×64,翻轉角度 90°,層數(shù) 35,層厚3.6 mm,層間距0.72 mm。
本研究數(shù)據(jù)使用基于MATLAB平臺的REST-plus(http://www.restfmri.net/forum/RESTplusV1.2)和SPM(https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)工具包進行數(shù)據(jù)預處理。數(shù)據(jù)預處理主要步驟包括:(1)時間層校正:校正不同層在采樣時的時間差異。(2)頭動校正:校正被試在掃描過程中的頭動影響,剔除頭動過大(坐標位移超過3 mm,轉動角度超過3°)的被試數(shù)據(jù)。(3)空間標準化:將每個被試的大腦配準到蒙特利神經(jīng)學研究所定義的標準MNI(Montreal Neurological Institute)模板。(4)空間平滑:以半高寬度為6 mm進行高斯平滑。(5)去線性漂移。(6)濾波:采用 0.01~0.08 Hz的帶通濾波器進行濾波。(7)回歸協(xié)變量:去除白質信號、腦脊液信號、全腦平均信號及6個頭動參數(shù)等協(xié)變量的影響。
在MATLAB平臺上使用DPABI工具包進行VMHC分析,分別計算ASD組和TD組的每個體素與另一半球對應位置體素的Pearson相關系數(shù),得到VMHC強度。再對該相關系數(shù)進行Fisher-Z變換,使其符合正態(tài)分布,算法的詳細過程可參見Zuo等[15]的研究。
使用SPM12分別對2組進行單樣本t檢驗,得到2組的VMHC強度圖譜。再對兩者連接強度進行雙樣本t檢驗比較,將年齡及性別作為協(xié)變量進行全腦基于體素的分析,經(jīng)過錯誤發(fā)現(xiàn)率(false discovery rate,F(xiàn)DR)控制校正得到二者存在顯著差異(P<0.05)的VMHC圖譜,之后將2組存在顯著差異的腦區(qū)定義為感興趣區(qū)域。最后提取ASD組感興趣區(qū)域的平均VMHC值并與ABC量表得分之間做相關性分析。
分別對2組進行單樣本t檢驗,2組的VMHC連接強度如圖1所示。
圖1 TD組與ASD組的VMHC連接強度(單樣本t檢驗,P<0.05,F(xiàn)DR校正)
圖2和表2表示ASD組與TD組之間VMHC對比結果。分析發(fā)現(xiàn),ASD組在楔前葉、內(nèi)側額葉、尾狀核、顳上回的VMHC強度較TD組顯著降低,并未發(fā)現(xiàn)ASD組VMHC強度增強的腦區(qū)。2組間存在差異腦區(qū)在ASD組中的VMHC值與ABC量表評分之間無顯著相關性(P>0.05)。
圖2 ASD組與TD組之間VMHC對比結果
本文首次實現(xiàn)對ASD兒童全腦VMHC進行研究,通過對稱位置相同腦區(qū)的功能連接分析,探究ASD兒童大腦半球間信息交流溝通與正常兒童的差異。結果發(fā)現(xiàn),與TD兒童相比,ASD患兒在顳上回、楔前葉、內(nèi)側額葉、尾狀核的VMHC強度顯著降低,這可能與ASD兒童社會功能和社會認知方面的異常相關。
表2 ASD組較TD組VMHC減弱的腦區(qū)
顳上回體積、活動等異常已被廣泛認為是ASD認知障礙的因素之一[20]。顳上回在結構上與中央前回、中央后回、頸上回、運動前皮層、額下回、額中回相連,可能構成負責運動、觸覺和聽覺處理的不同網(wǎng)絡,形成語音產(chǎn)生和感知之間的語音反饋回路[21],ASD患者存在這些方面的功能異常。采用頻譜重組技術對靜止狀態(tài)和基于任務的功能數(shù)據(jù)進行自下向上的數(shù)據(jù)驅動分析,發(fā)現(xiàn)顳上回是與聽覺有關的關鍵區(qū)域[22]。同時ASD患者語言功能的障礙可能與顳上回相關[23],尤其與語音或語言的產(chǎn)生有關[24]。此外,在一項研究中對幼兒講睡前故事使其進入自然睡眠狀態(tài)并監(jiān)測大腦信號,發(fā)現(xiàn)ASD患兒的顳葉處理語言功能存在單側化異常,左側顳葉的活動減少而右側活動不變[25],這與本研究的結果具有一定的一致性。在以往研究的基礎上,本研究還發(fā)現(xiàn)顳上回的VMHC強度顯著下降,這提示顳上回半球間溝通不足可能也是ASD患兒出現(xiàn)語言障礙的原因。
楔前葉是默認網(wǎng)絡的中心節(jié)點,而默認網(wǎng)絡主要參與社會心理認知的過程,其功能的異常與ASD患者推斷他人心理能力缺失和自我參照能力下降有關。楔前葉的活動受不同的自我意識模式調(diào)節(jié),當注意力集中于內(nèi)部刺激時,楔前葉活動增加,在對外界環(huán)境的自我參照過程中活動減少,同時,神經(jīng)系統(tǒng)疾病或藥物引起的意識受損時楔前葉的活動也會減少[26]。另有研究發(fā)現(xiàn)認知障礙患者常做出非理性活動與楔前葉的調(diào)節(jié)有關,尤其是在做出非理性決定時,楔前葉的高頻活動增加[27]。本研究發(fā)現(xiàn)楔前葉VMHC強度降低,可能為ASD患兒自我意識調(diào)節(jié)障礙提供一定的神經(jīng)生物學依據(jù)。
內(nèi)側額葉結構和功能的損傷是很多精神類疾病共同的神經(jīng)生理學基礎。內(nèi)側額葉參與調(diào)節(jié)多種心理過程,包括社會認知、推斷他人心理、認知控制和情感,其中最重要的是關注當前行為并指導后續(xù)動作[28]。內(nèi)側額葉及前扣帶回可以將外界信息與運動和感知信息集合以采取行動或制訂決策,尤其是在檢測到對外界刺激的錯誤反應及可能帶來的不利后果時內(nèi)側額葉一直處于激活狀態(tài),這有助于自適應行為。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)側額葉是通過對紋狀體自上而下的控制影響神經(jīng)元間隔放電時間從而指導行為的,內(nèi)側額葉活動降低將會破壞指導動作的時機[29]。在一項預測獎勵/懲罰反饋的任務研究中發(fā)現(xiàn),對于面對輸贏的反饋中,ASD組相較于TD組在內(nèi)側額葉的神經(jīng)活動一致性降低,提示ASD患者預測行為結果和事件發(fā)生時間能力的降低[30],而單側的內(nèi)側皮質的損傷會加重這種決策能力的缺失[31]。本研究發(fā)現(xiàn)ASD組內(nèi)側額葉的VMHC強度降低,這可能與ASD患兒收集感知信息并做出相應反應的障礙有關,在面對錯誤判斷時無法調(diào)整自身行為以適應特定的環(huán)境,繼而導致社會交往障礙。
尾狀核是獎勵網(wǎng)絡中的關鍵腦區(qū),在行為監(jiān)測方面起重要作用。重復刻板是ASD患者的典型癥狀,同時也發(fā)生在其他神經(jīng)精神疾病如多動癥、強迫癥中,這些疾病的神經(jīng)影像學研究提示,該癥狀與基底神經(jīng)節(jié)-額葉回路的異常有關[32],但是目前對尾狀核如何影響ASD患者的重復刻板行為還存在爭議。研究發(fā)現(xiàn)ASD患者強迫行為與雙側尾狀核體積正相關且隨著年齡的增長體積增大速度增加[33],另有研究認為重復行為的嚴重程度與紋狀體生長有關,而與體積本身無關[34]。進一步研究發(fā)現(xiàn)重復行為可能是由于鈣調(diào)蛋白濃度降低而破壞尾狀核的興奮/抑制平衡,從而導致皮質紋狀體回路功能障礙[35]。此外,研究發(fā)現(xiàn)多巴胺D3受體(dopamine D3 receptor,DRD3)基因與重復刻板行為高度相關,DRD3基因在基底神經(jīng)節(jié)中高度表達,尤其是尾狀核過度激活[32]。缺失Shank3基因(SH3 and Multiple Ankyrin Repeat Domains 3)的ASD小鼠模型在發(fā)育早期時皮質過度活躍,紋狀體過度連接從而導致ASD小鼠行為異常,這與之前的人腦研究具有一致性,因此可以一定程度解釋ASD患者的重復刻板行為[36]。但是對強迫癥患者的腦功能連接分析發(fā)現(xiàn),左側尾狀核-丘腦功能連接的降低與強迫癥的病程呈正相關[37]。本研究發(fā)現(xiàn)尾狀核的VMHC強度下降,這可能與雙側尾狀核溝通不良有關,為理解ASD患兒的重復刻板行為的發(fā)生機制提供了新的神經(jīng)影像學視角。
本研究存在以下不足:(1)由于ASD發(fā)病率存在顯著的性別差異等因素,本文中2組樣本在性別、年齡方面并未完全匹配。針對這一問題,在進行統(tǒng)計分析時,我們將性別和年齡作為協(xié)變量進行了處理。在下一步工作中將重點增加更多被試使得2組的性別和年齡匹配。(2)VMHC對ASD的發(fā)病機制做了初步探索,但是只能發(fā)現(xiàn)兩半球間相同位置腦區(qū)的連接強度,對于連接彼此如何調(diào)控的方向性無法獲得,因此,下一步工作將基于腦有效連接的分析方法,尋找兩半球對應腦區(qū)之間的連接的方向及因果關系,進一步探索腦區(qū)之間的相互作用。
綜上,本研究通過對2~6歲的ASD兒童的影像學資料進行腦VMHC分析,發(fā)現(xiàn)與TD組相比,ASD患者在顳上回、楔前葉、內(nèi)側額葉、尾狀核的VMHC強度顯著降低。這些腦區(qū)的連接強度降低可能與ASD患兒的語言功能障礙、社會交往障礙、自我參照能力缺失以及重復刻板行為相關,為進一步闡明ASD神經(jīng)生物學機制提供了新思路。