BOLD-fMRI基于體素鏡像同倫連接方法分析高原缺氧對(duì)高原正常人群腦功能的影響

吳海松，劉海鵬，銀 武，沈 亞

（1.西藏阜康醫(yī)院放射科，西藏 拉薩 850000；2.西藏自治區(qū)人民醫(yī)院放射科，西藏 拉薩 850000）

近年來，由于高原經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，越來越多的人來高原定居、工作或旅游，因此高原特殊環(huán)境對(duì)人體的影響也越來越受到關(guān)注。隨著神經(jīng)影像學(xué)研究技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的神經(jīng)及影像學(xué)學(xué)者開始研究高原環(huán)境對(duì)大腦功能和結(jié)構(gòu)的影響，以及大腦對(duì)高原環(huán)境的適應(yīng)性改變。本研究利用靜息態(tài)fMRI分析高原藏族和初入高原漢族基于體素的鏡像同倫連接（voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC）之間的差異，探討高原缺氧對(duì)大腦功能連接的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集世居高原健康藏族大一理科生（實(shí)驗(yàn)組）及年齡、性別、受教育年限、海拔高度及利手情況相匹配的初入高原2個(gè)月內(nèi)健康大一漢族理科志愿者（對(duì)照組）各30例，均行全腦常規(guī)MRI平掃+DWI掃描，除實(shí)驗(yàn)組1例有多發(fā)慢性缺血灶及對(duì)照組1例頭動(dòng)較大無法配合檢查排外，余受試者顱腦均未發(fā)現(xiàn)器質(zhì)性病變及先天發(fā)育異常。實(shí)驗(yàn)組：男17例，女12例，平均年齡（18.88±0.99）歲，平均居住海拔（3 695.00±69.91）m，平均受教育年限13年，均為右利手，簡易智力狀態(tài)檢查量表（minimental state examination，MMSE）評(píng)分（27.63±1.30）分；對(duì)照組：男18例，女11例，平均年齡（18.92±1.06）歲，平均居住海拔（3 670.00±51.86）m，平均受教育年限13年，均為右利手，MMSE評(píng)分（28.37±1.16）分。2組年齡、海拔高度、MMSE評(píng)分之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P=0.90，0.134，0.15）。

1.2 儀器與方法

1.2.1 設(shè)備 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0 T MRI掃描機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)20通道頭頸聯(lián)合線圈。

1.2.2 常規(guī)顱腦掃描 首先排除MRI檢查禁忌證者。2組均行常規(guī)頭顱MRI平掃，獲取軸位T1WI、T2WI、FLAIR及矢狀位T2WI序列圖像，由2名影像診斷醫(yī)師對(duì)圖像進(jìn)行診斷，未發(fā)現(xiàn)明顯腦白質(zhì)病變者納入研究。

1.2.3 腦功能掃描 ①采用超快速場回波（TFE）序列獲得3D-T1WI結(jié)構(gòu)像，掃描參數(shù)：TR/TE 1 900 ms/2.27 ms，激發(fā)角度7°，層厚、層距均為1 mm，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，連續(xù)獲取196層矢狀位圖像覆蓋全腦，掃描時(shí)間為5 min 26 s。②靜息態(tài)BOLD-fMRI像：采用單次激發(fā)平面回波成像（echo planna imaging，EPI）序列，掃描參數(shù)：TR/TE 3 000 ms/30 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚3.0 mm，層距0.4 mm，層數(shù)39層，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，連續(xù)掃描180個(gè)動(dòng)態(tài)，掃描時(shí)間9 min 11 s。數(shù)據(jù)采集過程中，受試者盡量放松、保持不動(dòng)、睜眼、平靜呼吸、大腦不做特定的思維活動(dòng)等。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理BOLD-fMRI及3D-T1WI結(jié)構(gòu)像的數(shù)據(jù)處理使用基于MATLAB軟件平臺(tái)（https：//www.mathworks.com/products），工具包是由中國科學(xué)院心理研究所嚴(yán)超贛研究員開發(fā)的腦影像數(shù)據(jù)處理與分析平臺(tái)（toolbox for Data Processing &Analysis of Brain Imaging，DPABI）。首先利用DPABI軟件中Utilities-dicom sorter對(duì)BOLD-fMRI原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。磁場達(dá)到穩(wěn)定需要一定的時(shí)間，因此首先去除每個(gè)受試者前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)，后應(yīng)用DPABI軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理、統(tǒng)計(jì)分析及結(jié)果顯示。預(yù)處理包括：時(shí)間層校正、頭動(dòng)矯正、空間標(biāo)準(zhǔn)化、高斯平滑處理、去除線性漂移及低頻濾波。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用DPABI軟件中Statistical Analysis行基于體素的雙樣本t檢驗(yàn)，將灰質(zhì)體積、頭動(dòng)、性別、年齡作為協(xié)變量，采用TFCE（Threshol-Free Cluster Enhancement）行多重比較校正，隨機(jī)5 000次。提取VMHC值與MMSE評(píng)分，使用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件行相關(guān)性分析。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2組VMHC有明顯差異的腦區(qū) 靜息態(tài)下對(duì)照組相對(duì)于實(shí)驗(yàn)組腦半球間VMHC呈局部對(duì)稱性增強(qiáng)，主要分布在雙側(cè)島蓋部額下回、三角部額下回，表明額部腦區(qū)兩側(cè)功能連接增強(qiáng)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001，Cluster＞5，TFCE校正）（表1，圖1）。

2.2 2組VMHC值與認(rèn)知功能MMSE評(píng)分的相關(guān)性分析2組VMCH值與認(rèn)知功能MMSE評(píng)分無相關(guān)性（r=0.04，0.29；均P＞0.05）。

3 討論

大腦是目前所知的最完善、動(dòng)態(tài)變化最復(fù)雜的系統(tǒng)，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，也是意識(shí)、語言、學(xué)習(xí)、精神及記憶等各種高級(jí)神經(jīng)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有運(yùn)動(dòng)、感覺、語言、情緒、執(zhí)行等功能。fMRI是一種新型高效的無輻射、非介入性損傷的成像技術(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于腦功能的研究［1］。近年來，靜息態(tài)fMRI日益受到腦科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、生命科學(xué)及神經(jīng)影像學(xué)等學(xué)者的廣泛關(guān)注，現(xiàn)已成為神經(jīng)心理學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)相關(guān)疾病的基礎(chǔ)與臨床研究的重要手段。

大腦是身體的控制中心，且大腦皮層解剖具有可塑性，可在結(jié)構(gòu)和功能上進(jìn)行適應(yīng)性改變，在高原低氧環(huán)境下，心血管和呼吸系統(tǒng)的適應(yīng)及非適應(yīng)性改變通過傳入神經(jīng)反饋?zhàn)饔糜诖竽X的控制中心，可引起相應(yīng)腦區(qū)結(jié)構(gòu)和功能的改變［2-3］。近年來，隨著高原經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，很多學(xué)者把焦點(diǎn)放在缺氧對(duì)大腦功能和結(jié)構(gòu)影響的研究上。最初研究［4］發(fā)現(xiàn)，將機(jī)體暴露在4 700 m以上的環(huán)境中能引起大腦行為學(xué)的一些變化。高原低壓、低氧的獨(dú)特環(huán)境可對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成不同程度的影響，可引起甚至加重認(rèn)知功能的障礙，而情感、學(xué)習(xí)、記憶又是認(rèn)知功能的一部分，所以認(rèn)知功能可直接決定并影響著高原居民的生活質(zhì)量。對(duì)適應(yīng)高海拔生活2年的人腦研究［5］發(fā)現(xiàn)，右側(cè)海馬旁回灰質(zhì)體積較低海拔人群增加，另有研究［2］發(fā)現(xiàn)，海馬旁回的局部一致性升高，可能與海馬旁回神經(jīng)細(xì)胞代償增生有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)，靜息狀態(tài)下高原正常對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組相比兩大腦半球間VMHC呈局部對(duì)稱增強(qiáng)。VMHC改變的腦區(qū)主要包括雙側(cè)島蓋部額下回及三角部額下回，漢族相對(duì)于藏族該腦區(qū)的功能連接增強(qiáng)可能是初入高原漢族學(xué)習(xí)、記憶力下降后的一種延緩損傷的代償機(jī)制，可能與對(duì)高原缺氧環(huán)境的適應(yīng)性調(diào)節(jié)有關(guān)。前額葉皮層還參與交感神經(jīng)、心率和血壓的調(diào)節(jié)［6］，平原居民初入高原時(shí)由于低氧暴露會(huì)引起交感神經(jīng)興奮，心率加快，血壓升高，而長期居住于高原的居民收縮壓和舒張壓均低于平原居民、且血流動(dòng)力學(xué)也較平原居民反應(yīng)延遲，可能為高原居民長期低氧暴露下進(jìn)行的適應(yīng)性調(diào)節(jié)［7-9］，而額葉的VMHC增強(qiáng)可能與該機(jī)制有關(guān)。

MMSE是根據(jù)張明園修訂的簡易智力狀態(tài)檢查改編，它可全面、準(zhǔn)確、迅速地反映被試者智力狀態(tài)及認(rèn)知功能缺損狀態(tài)。本研究表明，VMCH值與MMSE評(píng)分無相關(guān)性。

本研究不足之處：樣本量較小，未設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)纳窠?jīng)心理學(xué)測試，對(duì)研究結(jié)果的解釋主要依賴于其他學(xué)者的研究。今后將繼續(xù)擴(kuò)大樣本量，加入心理學(xué)的測試及更多的靜息態(tài)腦功能指標(biāo)的分析。