基于獨(dú)立成分分析的青年吸煙者大腦靜息態(tài)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能連接變化研究

王憲福，謝東東，劉暢，程永欣，崔永婷，田時(shí)雨，喻大華

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010

前言

近幾十年來(lái)，吸煙被全世界認(rèn)為是導(dǎo)致人類早期死亡和疾病的主要風(fēng)險(xiǎn)因素之一，由吸煙引起的各種疾病正在不斷地對(duì)身體的各種疾病的副作用逐漸趨于明顯［1］。盡管全球吸煙人數(shù)在減少，但在中國(guó)14～22 歲青年的吸煙率仍然很高（男性為10.6%）［2］。在青年時(shí)期吸煙會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)生理和大腦結(jié)構(gòu)的變化，這可能會(huì)促進(jìn)生命后期的尼古丁依賴［3］。青少年階段尼古丁成癮是成年后煙癮成癮的重要階段，但目前對(duì)于青少年階段吸煙的神經(jīng)影像學(xué)的研究較少。以前的研究表明，吸煙可以增加或減少某些大腦區(qū)域的功能連接性，但是關(guān)于青年時(shí)期以及右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的研究是存在空白的［4-5］。而此次的研究主要集中于青年吸煙者和非吸煙對(duì)照組在靜息態(tài)下大腦中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能連接的變化。靜息態(tài)功能連接（RSFC）測(cè)量了大腦區(qū)域之間的活動(dòng)相關(guān)性，因此可用來(lái)研究尼古丁成癮的腦網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)機(jī)制［6-7］。在本研究中，假設(shè)青年吸煙者在靜息態(tài)下中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中的功能連接性發(fā)生了一定的變化，通過(guò)使用獨(dú)立成分分析（ⅠCA）和雙重回歸來(lái)研究青年吸煙者相對(duì)健康對(duì)照組的功能連接可能發(fā)生的變化，希望這項(xiàng)研究可以提高對(duì)青年吸煙者病理學(xué)的理解。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究經(jīng)內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，按照赫爾辛基宣言進(jìn)行。參加本研究的所有被試均為內(nèi)蒙古科技大學(xué)的學(xué)生（男性，年齡18～25歲，漢族，大學(xué)本科）。根據(jù)量表要求篩選合格的被試之后，詢問他們是否自愿參與本實(shí)驗(yàn)，與此同時(shí)讓他們了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程之后簽署了知情同意書。

根據(jù)美國(guó)《精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)》第5 版（DSM-V）中關(guān)于尼古丁依賴診斷標(biāo)準(zhǔn)（Fagerstrom Test for Nicotine Dependence,FTND）篩選被試，最終挑選出40 名合格的青年吸煙成癮者，其主要納入標(biāo)準(zhǔn)為：（1）吸煙年數(shù)一般大于兩年，同時(shí)每天吸煙的根數(shù)需大于等于10 根；（2）在過(guò)去3 個(gè)月內(nèi)沒有嘗試戒煙的行為且沒有其他物質(zhì)的依賴性（如藥物）；（3）當(dāng)香煙產(chǎn)生的效應(yīng)減弱時(shí)，需要吸煙來(lái)得到先前的效應(yīng)。被試的排除標(biāo)準(zhǔn)主要如下：（1）根據(jù)臨床評(píng)估和醫(yī)療記錄評(píng)估的任何身體疾病，如腦腫瘤、阻塞性肺病、肝炎或癲癇；（2）任何精神疾病，包括DSM-V的結(jié)構(gòu)化臨床細(xì)節(jié)中的其他藥物濫用（吸煙者的尼古丁除外）；（3）磁共振掃描前2周內(nèi)仍在接受藥物治療的患者；（4）非漢族，年齡不在18～25周歲之間。被試只要有以上任何一項(xiàng)就會(huì)被排除，同時(shí)，他們無(wú)磁共振檢查禁忌，磁共振檢查未發(fā)現(xiàn)腦結(jié)構(gòu)異常。同時(shí)吸煙被試者還填寫了尼古丁依賴量表和簡(jiǎn)單渴求量表，得知他們尼古丁依賴分?jǐn)?shù)大于等于6 分，對(duì)煙草的渴求相對(duì)強(qiáng)烈。所有被試者均根據(jù)愛丁堡利手問卷標(biāo)準(zhǔn)篩選出他們均為右利手。被試的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息如表1 所示。同時(shí)篩選出40 名年齡、教育程度和性別匹配的青年非吸煙者作為對(duì)照組（吸煙數(shù)量要少于5支，且平時(shí)生活學(xué)生中不受父母或同學(xué)二手煙的影響）。

1.2 數(shù)據(jù)采集

被試的所有功能性磁共振成像（fMRⅠ）數(shù)據(jù)均來(lái)自內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院MRⅠ室的飛利浦3.0T掃描儀（Achieva,飛利浦,荷蘭）。在掃描之前讓被試者緩慢躺下并且在頭下墊上泡沫墊以使被試者保持舒適性和防止亂動(dòng)，使用耳塞降低噪音。在靜息狀態(tài)功能磁共振成像運(yùn)行之前，通過(guò)使用體素大小為1 mm3的三維MRⅠ序列，使用軸向快速變質(zhì)梯度回憶序列（TR=1 900 ms；TE=2.26 ms；數(shù)據(jù)矩陣=256×256；視場(chǎng)=256 mm×256 mm）獲得每個(gè)被試者的高分辨率功能圖像，然后用回波平面成像序列獲取靜息狀態(tài)功能圖，功能圖像掃描的主要參數(shù)如下：TR=2 000 ms，TE=30 ms，切片厚度=5 mm，翻轉(zhuǎn)角=90°，F(xiàn)OV=（224×224）mm2，數(shù)據(jù)矩陣=64×64，采集時(shí)間點(diǎn)數(shù)為180 個(gè)時(shí)間點(diǎn)。在掃描過(guò)程中間會(huì)詢問所有被試者是否睡著，以確保他們能夠保持清醒的狀態(tài)，若被試在掃描過(guò)程中有頭動(dòng)或睡著的情況則數(shù)據(jù)作廢或者重新掃描。

表1 青年被試人口統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)Tab.1 Demographic data of adolescent subjects

1.3 ⅠCA處理方法

為了研究青年吸煙者和非吸煙者之間在大腦連接的差異，選擇ⅠCA 方法［8-9］，ⅠCA 是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，用于區(qū)分由涉及藥物濫用的大腦區(qū)域組成的靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)（RSN）；同時(shí)運(yùn)用“雙重回歸”技術(shù)，它是用來(lái)區(qū)分兩者腦網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接性差異［10］。使用來(lái)自腦功能磁共振成像（FMRⅠB）軟件庫(kù)（FSL；www.fmrib.ox.ac.uk/fsl）的工具進(jìn)行ⅠCA 和雙重回歸分析。為了確定所有受試者共同的靜息狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)集合，來(lái)自40 名青年吸煙者和40 名青年非吸煙者重新抽樣的功能數(shù)據(jù)在時(shí)間上連接，使用FSL MELODⅠCⅠCA［8］進(jìn)行多變量組概率ⅠCA。在進(jìn)行ⅠCA 之前先對(duì)靜息態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括運(yùn)動(dòng)校正、去除非腦結(jié)構(gòu)、空間平滑（半高全寬5 mm 的高斯核）、通過(guò)相同因子所有體積的平均強(qiáng)度歸一化、高通時(shí)間濾波（100 s）。然后進(jìn)行ⅠCA 處理，將獨(dú)立分量（ⅠC）的數(shù)量限制為25（約為相應(yīng)掃描時(shí)間點(diǎn)的七分之一），以限制ⅠC分裂為子組件［11-12］，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)集進(jìn)行ⅠCA分析，并把fMRⅠ數(shù)據(jù)注冊(cè)到Montreal NeurologicalⅠnstitute-152 標(biāo)準(zhǔn)空間以獲得基于所有受試者右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。基于之前描述的功能網(wǎng)絡(luò)的空間相似性和低頻波動(dòng)的存在來(lái)選擇中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)［13-14］，中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)主要涉及背外側(cè)前額葉皮質(zhì)和頂葉區(qū)域（圖1）。

圖1 由ICA分離出的右執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Right execution network isolated by ICA

1.4 雙重回歸

為了研究RSN 功能連接性，首先估計(jì)青少年煙癮組和不吸煙健康對(duì)照組的所有被試對(duì)應(yīng)的ⅠC 空間圖，其次使用雙重回歸方法估計(jì)每個(gè)被試所對(duì)應(yīng)的ⅠC 圖［15］。最后使用非參數(shù)置換檢驗(yàn)（5000迭代）來(lái)測(cè)量青年吸煙者和非吸煙者之間的ⅠC 圖的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著差異［16］，結(jié)果經(jīng)過(guò)無(wú)閾值聚類增強(qiáng)校正，統(tǒng)計(jì)顯著性設(shè)定為P＜0.05。

2 結(jié)果

為了評(píng)估青年吸煙者和非吸煙者之間的右中央網(wǎng)絡(luò)功能連接差異，使用多元回歸的廣義線性模型框架中的線性模型對(duì)比，以體素方式探測(cè)來(lái)自雙重回歸第二階段的受試者特定空間圖。通過(guò)使用雙重回歸第二階段輸出的偏回歸系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)空間映射來(lái)比較RSN 中的右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的連貫性，使用振幅來(lái)評(píng)估兩組功能連通性差異。結(jié)果表明青年吸煙者與不吸煙者相比，吸煙者在右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的功能連接性有所增強(qiáng)，即背外側(cè)前額葉的部分功能連接性增強(qiáng)，頂葉區(qū)域的部分功能也有所增強(qiáng)（圖2）。

本研究還評(píng)估了吸煙相關(guān)指標(biāo)（年齡、煙齡、尼古丁依賴測(cè)試指數(shù)和包年）和右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能連接性之間的相關(guān)性，由Pearson's雙變量相關(guān)分析得知右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的右背外側(cè)前額葉皮質(zhì)與煙齡有顯著性的負(fù)相關(guān)（r=-0.339,P=0.032）（圖3）。

3 討論

圖2 青年吸煙者和健康對(duì)照組的功能連接性差異（紅色體素表示功能連接性增強(qiáng)）Fig.2 Differences in functional connectivity between adolescent smokers and healthy controls(red voxels indicate enhanced functional connectivity)

圖3 煙齡和右背外側(cè)前額葉的顯著相關(guān)性Fig.3 Significant correlation between smoking duration and the right dorsolateral prefrontal cortex

研究結(jié)果表明，與青年非吸煙者相比，吸煙者在靜息狀態(tài)下的右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)耦合和功能連接性發(fā)生改變，即功能連接性增強(qiáng)（圖2），同時(shí)通過(guò)雙變量相關(guān)分析得知青年吸煙組的右背外側(cè)前額葉與煙齡有顯著的負(fù)相關(guān)性（圖3）。這些發(fā)現(xiàn)表明右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部之間RSFC 強(qiáng)度與青年吸煙者的嚴(yán)重程度有關(guān)。本文研究結(jié)果與了解青年吸煙者的大腦機(jī)制有關(guān)，由此可能為青年吸煙者的進(jìn)一步分析和研究奠定基礎(chǔ)。

在功能性神經(jīng)影像學(xué)研究中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)吸煙者中額葉腦區(qū)域的異常，例如前扣帶皮層（參與抑制控制和意識(shí)）和背外側(cè)前額葉皮質(zhì)（參與高級(jí)認(rèn)知操作和決策）的功能障礙［17］。最近的物質(zhì)使用障礙研究表明，獎(jiǎng)勵(lì)區(qū)域和認(rèn)知控制區(qū)域之間的異常連接模式在物質(zhì)使用障礙的病理學(xué)中起到重要作用［18-19］。在本文研究中，右背側(cè)前額葉皮質(zhì)的RSFC 與青年吸煙者的煙齡呈負(fù)相關(guān)，表明右內(nèi)側(cè)前額葉RSFC 強(qiáng)度可能是尼古丁成癮嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物。

已有研究表明尼古丁成癮者的靜息狀態(tài)下腦功能連接出現(xiàn)異常，如吸煙可導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)的有效連接發(fā)生改變，女性吸煙者的皮質(zhì)下邊緣網(wǎng)絡(luò)和前額皮質(zhì)功能連接變化等［20-22］。迄今為止，還未有研究探討青少年吸煙者大腦靜息狀態(tài)下右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的功能連接性變化。因此，本文嘗試探討吸煙對(duì)青年右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的功能連接性產(chǎn)生的影響，通過(guò)ⅠCA方法并結(jié)合雙重回歸技術(shù)，來(lái)觀察青少年吸煙成癮者右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的功能連接性變化，研究結(jié)果進(jìn)一步證明吸煙會(huì)導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)功能連接性的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，青年的右中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中的功能連接發(fā)生了改變，此項(xiàng)研究結(jié)果可能有助于縮小尋找青年吸煙者對(duì)大腦功能影響的單一機(jī)制的范圍。

本項(xiàng)研究受限于參加被試的人數(shù)相對(duì)較少，且研究只涉及男性，對(duì)于女性尼古丁成癮者是否適用于本研究結(jié)論尚不明確。