中國(guó)人優(yōu)勢(shì)大腦半球島葉高分辨率MRI形態(tài)學(xué)研究

王嘉琪，劉麗萍，張 旭，劉懷軍，田 欣*

(1.河北醫(yī)科大學(xué)2014級(jí)醫(yī)學(xué)影像學(xué)專業(yè)，河北 石家莊 050017；2.河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，河北 石家莊 050000)

島葉，也稱腦島，在精神疾病、慢性疼痛患者的頭顱MRI中，可見(jiàn)島葉灰質(zhì)發(fā)生改變。由此可以推測(cè)，島葉的功能可能與情緒控制[1]以及內(nèi)臟自主神經(jīng)調(diào)節(jié)有關(guān)[2]。但目前臨床上尚無(wú)統(tǒng)一的島葉形態(tài)學(xué)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，故難以準(zhǔn)確判斷島葉是否發(fā)生了疾病相關(guān)的結(jié)構(gòu)改變。本研究通過(guò)對(duì)不同年齡段人群島葉MRI圖像進(jìn)行測(cè)量，試圖建立正常人島葉形態(tài)范圍值，旨在為臨床影像診斷提供參考。

1 資料與方法

1.1一般資料 選取2017年1月—2018年7月在河北醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院參與MRI掃描的健康志愿者75例，均為右利手。所有志愿者均通過(guò)臨床檢查，無(wú)精神、神經(jīng)類疾患，無(wú)MRI檢查禁忌證。按照最新人類年齡劃分標(biāo)準(zhǔn)，將志愿者劃分為:青年組(20～40歲)18例，平均年齡(31.22±5.41)歲；中年組(41～65歲)31例，平均年齡(51.52±6.36)歲；老年組(66～87歲)26例，平均年齡(74.57±6.33)歲。檢查前告知志愿者檢查中注意事項(xiàng)，志愿者詳細(xì)閱讀并簽署知情同意書(shū)。檢查前對(duì)所有志愿者進(jìn)行培訓(xùn)，包括告知該項(xiàng)檢查對(duì)身體無(wú)害無(wú)輻射，檢查全程要保持體位不可移動(dòng)，檢查期間噪音較大會(huì)配備耳塞保護(hù)聽(tīng)力，不必驚慌，如有需求可以舉手示意。

本研究符合倫理要求，經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2掃描設(shè)備 志愿者均應(yīng)用Signal Excite HD 3.0T磁共振(GE healthcare， Fairfield， CT， USA)及頭顱8通道正交線圈進(jìn)行MRI檢查。志愿者均進(jìn)行橫斷、冠狀、矢狀位T1WI掃描。掃描時(shí)，志愿者采取仰臥位，身體長(zhǎng)軸與檢查床長(zhǎng)軸一致，未成年及頸部較短者囑咐其放低肩胛骨，以減少不相關(guān)部位重疊對(duì)圖像造成的影響，使志愿者頭顱進(jìn)入頭線圈。掃描基線為OM線，橫斷面以AC-PC平面為定位，冠狀面、矢狀面均垂直于AC-PC平面。

1.3掃描參數(shù) 掃描均采用T1加權(quán)三維時(shí)間飛躍擾相穩(wěn)態(tài)梯度回波序列(3D-TOF-SPGR)，脈沖重復(fù)間隔時(shí)間為450 ms，回波時(shí)間為25 ms，層厚0.05 cm，層間距0.6 mm。翻轉(zhuǎn)角60 °，矩陣320×224，掃描視野20 cm×20 cm。

1.4測(cè)量工具 采用3D-Slicer 軟件(公司名稱：The Slicer Community，軟件版本4.8.1)進(jìn)行測(cè)量。為保證相同觀察條件，減少視覺(jué)誤差，規(guī)定統(tǒng)一在相同灰度的條件下進(jìn)行測(cè)量。用3D-slicer三維重建功能對(duì)掃描圖像重建，并用ruler對(duì)圖像進(jìn)行測(cè)量分析。

1.5圖像測(cè)量 由3名放射科醫(yī)生進(jìn)行測(cè)量，3名醫(yī)生均未被告知志愿者年齡。用3D-slicer進(jìn)行3D圖像重建。統(tǒng)一規(guī)定選取矢狀面中島葉形態(tài)最大、最清晰的層面作為測(cè)量層面。島葉中最明顯腦溝為中央溝，識(shí)別中央溝后，向頭側(cè)依次出現(xiàn)三腦溝，分別為中央前溝、島短溝、島橫溝；中央溝向背側(cè)走形為島中央后溝。根據(jù)腦溝即可判斷腦回，橫回位于最頭端，且是唯一水平走形腦回，若圖像未出現(xiàn)島橫溝則可判定為無(wú)橫回；島橫溝與島短溝間為短前回；島短溝與中央前溝間為短中回；中央前溝與中央溝間為短后回；中央溝與中央后溝間為長(zhǎng)前回；島中央后溝至背側(cè)為長(zhǎng)后回。各結(jié)構(gòu)解剖見(jiàn)圖1。用校正后的ruler工具，對(duì)左側(cè)島葉灰質(zhì)寬度、白質(zhì)寬度、島溝深度、寬度進(jìn)行線性測(cè)量[3-4]，線性測(cè)量簡(jiǎn)便易行，結(jié)果可靠，已被多數(shù)學(xué)者接受運(yùn)用。針對(duì)每個(gè)測(cè)量，每名醫(yī)生均對(duì)同一測(cè)量點(diǎn)測(cè)量3次，取3次測(cè)量值的平均值，將3名醫(yī)生所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，取匯總數(shù)據(jù)的最大值，這樣可以將由于肉眼測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)所造成的人為誤差降到最小。并將所得結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)計(jì)算灰質(zhì)、白質(zhì)寬度比值?；屹|(zhì)寬度為島葉邊界至島葉灰質(zhì)白質(zhì)交界線的垂直距離；白質(zhì)寬度為一側(cè)灰質(zhì)白質(zhì)交界線至對(duì)側(cè)灰質(zhì)白質(zhì)交界線的垂直距離；灰質(zhì)、白質(zhì)寬度比值為灰質(zhì)寬度除以白質(zhì)寬度所得值；島溝寬度為島葉向內(nèi)褶皺處兩相鄰邊界的垂直距離；島溝深度為褶皺凹陷最深處至褶皺消失2點(diǎn)間直線距離。測(cè)量標(biāo)示點(diǎn)見(jiàn)圖2～4。

圖1 左側(cè)島葉解剖模式圖

1.島中央后溝；2.島中央溝；3.島中央前溝；4.島短溝；5.島橫溝；a.長(zhǎng)后回；b.長(zhǎng)前回；c.短后回；d.短中回；e.短前回；f.橫回

Figure1Leftanatomicalpatternoftheinsularlobel

圖2 島葉灰質(zhì)測(cè)量標(biāo)示圖

A.橫回灰質(zhì)寬度；B.短前回灰質(zhì)寬度；C.短中回灰質(zhì)寬度；D.短后回灰質(zhì)寬度；E.長(zhǎng)前回灰質(zhì)寬度；F.長(zhǎng)后回灰質(zhì)寬度

Figure2Graymatterwidthsurveyingplotoftheinsularlobel

圖3 島葉白質(zhì)寬度測(cè)量標(biāo)示圖

a.橫回白質(zhì)寬度；b.短前回白質(zhì)寬度；c.短中回白質(zhì)寬度；d.短后回白質(zhì)寬度；e.長(zhǎng)前回白質(zhì)寬度；f.長(zhǎng)后回白質(zhì)寬度

Figure3Whitematterwidthsurveyingplotoftheinsularlobel

圖4 島葉島溝測(cè)量標(biāo)示圖

1.橫溝深度；2.橫溝寬度；3.島短溝深度；4.島短溝寬度；5.島中央前溝深度；6.島中央前溝寬度；7.島中央溝深度；8.島中央溝寬度；9.島中央后溝深度；10.島中央后溝寬度

Figure4Insularsulcussurveyingplot

1.6統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SAS 9.0統(tǒng)計(jì)軟件分析數(shù)據(jù)。正態(tài)分布的計(jì)量資料比較分別采用F檢驗(yàn)和SNK-q檢驗(yàn)；偏態(tài)分布的計(jì)量資料以中位數(shù)(四分位間距)[M(QR)]表示，比較采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1各年齡組島葉橫回相關(guān)參數(shù) 75例志愿者掃描圖像無(wú)明顯變形及偽影，不影響觀察及測(cè)量。75例志愿者中23例可見(jiàn)橫回；75例志愿者中49例可見(jiàn)長(zhǎng)后回，其余未見(jiàn)長(zhǎng)后回。見(jiàn)表1，2。

表1 橫回形態(tài)參數(shù)Table 1 Morphological paramaters of transverse gyrus

表2 長(zhǎng)后回形態(tài)參數(shù)Table 2 Morphological paramatters of long posterior gyrus

2.2各年齡組腦回相關(guān)形態(tài)學(xué)參數(shù)比較 各年齡組腦回相關(guān)形態(tài)學(xué)參數(shù)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見(jiàn)表3。

2.3各年齡組腦溝相關(guān)形態(tài)學(xué)參數(shù)比較 各年齡組橫溝長(zhǎng)度差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而各年齡組其余相關(guān)腦溝形態(tài)學(xué)參數(shù)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見(jiàn)表4。

表3 各年齡組腦回相關(guān)形態(tài)學(xué)參數(shù)比較Table 3 Relevant morphological parameters of gyrus in different age groups [M(QR)]

表4 各年齡組腦溝相關(guān)形態(tài)學(xué)參數(shù)比較Table 4 Relevant morphological parameters of sulcus in different age groups [M(QR)，mm]

*P值<0.05與青年組比較 #P值0.05與中年組比較(SNK-q檢驗(yàn))

3 討 論

3.1島葉的結(jié)構(gòu) 島葉一般呈三角形島帶狀，位于外側(cè)溝深面，被額頂顳葉所覆蓋。島葉中央溝將島葉分為前島、后島。前島包括橫回(僅部分人可見(jiàn))、短前回、短中回、短后回；后島包括長(zhǎng)前回、長(zhǎng)后回(僅部分人可見(jiàn))。但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)島葉形態(tài)學(xué)亞分區(qū)及島葉灰質(zhì)白質(zhì)的測(cè)量研究還比較少。本研究主要通過(guò)利用高分辨率MRI測(cè)量大腦左側(cè)島葉形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)，以得到正常中國(guó)人優(yōu)勢(shì)大腦半球島葉形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)，從而為臨床疾病診斷、手術(shù)入路、島葉功能研究提供參考。

3.2島葉的功能 島葉的功能相當(dāng)復(fù)雜，影像學(xué)研究表明，前島、后島可以作為島葉功能分區(qū)，前島主要參與疼痛、情感認(rèn)知和共情，后島主要與疼痛識(shí)別功能有關(guān)[5]。近年來(lái)有研究表明，島葉有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)區(qū)域分別與運(yùn)動(dòng)感覺(jué)、社會(huì)情感、認(rèn)知和嗅、味覺(jué)相關(guān)，其中運(yùn)動(dòng)感覺(jué)主要激活島葉中后部，社會(huì)情感主要激活島葉前部腹側(cè)區(qū)域，味覺(jué)與嗅覺(jué)刺激主要激活島葉中央?yún)^(qū)域，而認(rèn)知任務(wù)完成的過(guò)程激活島葉前部背側(cè)區(qū)域；在島葉的背側(cè)有一個(gè)功能重疊區(qū)域，能夠?qū)⒆陨砀杏X(jué)的瞬間圖像、環(huán)境和動(dòng)機(jī)、社會(huì)交往進(jìn)行綜合，從而形成一個(gè)有知覺(jué)的自我；單純的感覺(jué)信息首先在島葉后部進(jìn)行加工處理，經(jīng)過(guò)整合感覺(jué)與認(rèn)知評(píng)價(jià)，最終在島葉前部完成整合[6]。Goerilich等[7]研究表明，島葉體積大小與精神疾患嚴(yán)重程度相關(guān)。Stephani等[8]通過(guò)電刺激發(fā)現(xiàn)，島葉中央?yún)^(qū)功能與自主神經(jīng)調(diào)節(jié)有關(guān)。

3.3島葉橫回及長(zhǎng)后回變異情況 有研究顯示，在瞬態(tài)受體電位通道超家族的非特異性陽(yáng)離子通道trpm2、trpm7表達(dá)下，大鼠大腦神經(jīng)元發(fā)育期受到影響[9]。由此推測(cè)，人類大腦在分化也受到各類基因調(diào)控。大腦在發(fā)育過(guò)程中還受環(huán)境因素影響[10]。因此，受到各種復(fù)雜因素影響，大腦結(jié)構(gòu)也會(huì)有各種分化差異。本研究測(cè)量75例健康中國(guó)人左側(cè)島葉，島葉的分化出現(xiàn)了個(gè)體差異，島橫回僅見(jiàn)于部分志愿者，與Faillenot等[11]研究相符；橫回在人群中的結(jié)果與Jaya等[12]測(cè)量結(jié)果相符。本研究結(jié)果顯示，正常人左側(cè)島葉橫回白質(zhì)平均寬度為(2.73±0.10) mm，橫回灰質(zhì)白質(zhì)比為1.02±0.35，均符合正態(tài)分布，與年齡無(wú)直接關(guān)系(P>0.05)；橫溝的長(zhǎng)度隨年齡增長(zhǎng)而增加，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。這可能與島葉橫回隨年齡增加邊界細(xì)胞構(gòu)筑改變[13]，進(jìn)而發(fā)生功能改變有關(guān)。本研究還發(fā)現(xiàn)，75例健康中國(guó)人左側(cè)島葉，長(zhǎng)后回的分化出現(xiàn)了個(gè)體差異，長(zhǎng)后回僅見(jiàn)于部分志愿者。

3.4島葉形態(tài)學(xué)參數(shù)及年齡的影響 本研究得到了正常人左側(cè)島葉各腦回的形態(tài)學(xué)參數(shù)，其中除了橫溝長(zhǎng)度，其余參數(shù)與年齡均無(wú)直接關(guān)系。這是因?yàn)椋谌伺吣X發(fā)育過(guò)程中，端腦套層細(xì)胞分化為神經(jīng)細(xì)胞，并遷移至腦表面形成大腦皮質(zhì)，而邊緣層細(xì)胞則分化為大腦白質(zhì)，越早產(chǎn)生的細(xì)胞位置越深，故島葉皮質(zhì)屬于古老皮質(zhì)。大腦發(fā)育過(guò)程中，胚胎第4周，神經(jīng)管出現(xiàn)3個(gè)膨大腦泡，其中前腦泡在第5周形成左右端腦，繼而大腦半球向前、上、后3個(gè)方向不均勻擴(kuò)展，使兩半球下外側(cè)面凹陷，形成腦島區(qū)。因此，腦島區(qū)屬于發(fā)育較早的腦區(qū)。Anderson等[14]對(duì)島葉神經(jīng)元形態(tài)研究表明，島葉的神經(jīng)元比高級(jí)集合的皮層神經(jīng)元細(xì)胞在形態(tài)上更尖，更短。腦島代表的是一種特殊的異質(zhì)性皮層，這種特殊皮層，從胎兒生命的第6周開(kāi)始發(fā)育，之后分化為島葉的皮質(zhì)區(qū)域。島葉作為最先分化和發(fā)育的皮質(zhì)，出生前已比較成熟，出生后個(gè)體形態(tài)學(xué)隨年齡而發(fā)生的變異較小。本研究結(jié)果顯示島葉灰質(zhì)寬度在各年齡組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也印證了這樣的觀點(diǎn)，即進(jìn)化發(fā)育越早，越低級(jí)，越鄰近低級(jí)中樞的結(jié)構(gòu)，其個(gè)體空間變異與年齡相關(guān)性越小。另外，有人提出使用手語(yǔ)的聾啞人，其左后島葉葉灰質(zhì)顯著增加[15]。Mueller等[16]對(duì)成年社交焦慮障礙患者灰質(zhì)體積的研究發(fā)現(xiàn)，患者島葉灰質(zhì)體積顯著增加。還有研究表明，述情障礙患者島葉灰質(zhì)體積及功能有所減少[7]。Scottd等[17]研究提示，島葉腹前核、腹中核的體積縮小與厭惡情緒識(shí)別下降有相關(guān)性。表明人出生后島葉皮質(zhì)的形態(tài)學(xué)參數(shù)差異代表著島葉多感覺(jué)功能，而與出生后年齡無(wú)關(guān)，此類參數(shù)不能作為島葉發(fā)育評(píng)估指標(biāo)。

一般認(rèn)為，腦溝增寬是由于腦萎縮，腦萎縮分為生理性萎縮和病理性萎縮[18]。隨年齡增長(zhǎng)，腦細(xì)胞數(shù)量和體積的減少，繼而表現(xiàn)為腦溝增寬[19]。因此，部分腦溝的寬度在影像學(xué)上可以用作評(píng)估大腦發(fā)育及萎縮程度。本研究結(jié)果顯示島葉腦溝寬度在各年齡組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這可能是由于島葉腦溝處于大腦深部，深部神經(jīng)元出生前即發(fā)生髓鞘化，不同構(gòu)筑細(xì)胞由于功能差異被腦溝分隔開(kāi)，腦溝代表的是島葉功能分區(qū)，而與年齡并無(wú)直接關(guān)系，故島葉腦溝不可以作為影像學(xué)診斷腦萎縮的指標(biāo)。這一點(diǎn)也進(jìn)一步說(shuō)明了島葉是屬于中間皮質(zhì)的旁邊緣結(jié)構(gòu)部分之一，解剖和功能上介于舊皮質(zhì)與新皮質(zhì)之間，在大腦的演化中屬于較低級(jí)的部分。