未服藥注意缺陷/多動(dòng)障礙兒童的個(gè)體形態(tài)學(xué)腦網(wǎng)絡(luò)研究☆

燕子 陳穎茜 戴艷 劉美娜 張洪宇 趙靜 楊智云 蘇舒

注意缺陷/多動(dòng)障礙（attention-deficit/hyperactivity disorder, ADHD）是兒童時(shí)期起病的神經(jīng)發(fā)育障礙類疾病，主要特征是注意力不集中和多動(dòng)/沖動(dòng)行為[1-2]，約2/3的患兒癥狀會(huì)持續(xù)到成年。結(jié)構(gòu)和功能神經(jīng)影像學(xué)的研究表明，ADHD不僅與灰質(zhì)結(jié)構(gòu)體積異常、神經(jīng)環(huán)路連接異常有關(guān)[3]，還與大尺度結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)連接異常有關(guān)[4-5]?；趥€(gè)體的腦灰質(zhì)形態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)可以在個(gè)體水平上反映腦發(fā)育過程中解剖區(qū)域之間的同步成熟強(qiáng)度[6]。然而，ADHD個(gè)體的腦灰質(zhì)形態(tài)學(xué)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩约捌渑c臨床癥狀的關(guān)系仍有待進(jìn)一步研究。本研究以高分辨T1加權(quán)像和基于圖論的分析方法，探討未經(jīng)藥物治療的ADHD兒童大腦灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘淖兓?，及其與注意力缺陷癥狀之間的關(guān)系。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 ADHD組為2019年4月至2021年2月在中山大學(xué)附屬第一醫(yī)院注意缺陷/多動(dòng)障礙?？崎T診就診的ADHD兒童。入組標(biāo)準(zhǔn)：①年齡6～13歲，右利手；②符合《精神障礙診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)第5版》（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，5th Edition，DSM-5）的ADHD診斷標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)2位主治及以上職稱兒科專科醫(yī)師確診；③未服用過任何精神科藥物。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有癲癇發(fā)作或自閉癥譜系障礙病史；②有超過5 min的意識(shí)喪失，或腦外傷史；③有其他精神疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病史；④有磁共振禁忌證。

同期從社會(huì)招募典型發(fā)育（typically developing，TD）兒童為TD組。入組標(biāo)準(zhǔn)：①年齡6～13歲，右利手；②無符合診斷標(biāo)準(zhǔn)的精神障礙及精神疾病家族史。排除標(biāo)準(zhǔn)同ADHD組。

本研究已獲得本機(jī)構(gòu)的倫理審查委員會(huì)批準(zhǔn)（No.[2019]328），并已在https://clinicaltrials.gov/注冊(cè)（注冊(cè)號(hào)：ChiCTR2100048109）。所有被試及監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 臨床癥狀評(píng)估 入組患兒在首次就診時(shí)，使用康納斯（Conners）家長(zhǎng)問卷和教師問卷，由家長(zhǎng)和教師對(duì)患兒進(jìn)行行為學(xué)評(píng)價(jià)，家長(zhǎng)問卷＞15分且教師問卷＞9分則被考慮診斷為ADHD[2]。采用電腦端的注意力劃消測(cè)試評(píng)價(jià)ADHD患兒的注意力缺陷癥狀嚴(yán)重程度[7]。

1.2.2 影像數(shù)據(jù)采集 所有被試進(jìn)行高分辨T1加權(quán)MRI掃描。使用32通道相控陣頭部線圈，3.0 T磁共振成像系統(tǒng)（SIGNA Pioneer GE Healthcare, WI,USA）進(jìn)行矢狀位三維T1WI掃描。采用快速擾相梯度回波（FSPGR）序列，重復(fù)時(shí)間7.5 ms，回波時(shí)間3.1 ms，視野256 mm×256 mm，矩陣256 mm×256 mm，翻轉(zhuǎn)角度12°，斷層厚度1 mm，無層間距，共188層。圖像剔除標(biāo)準(zhǔn)：由2位經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師手動(dòng)剔除掃描缺陷和有運(yùn)動(dòng)偽影的MRI數(shù)據(jù)，最終剔除不滿足數(shù)據(jù)分析要求的ADHD組5例患兒，TD組1名兒童。

1.2.3 圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理 影像數(shù)據(jù)使用FSL工具進(jìn)行預(yù)處理（https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FSLVBM）。過程如下：①將T1加權(quán)DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為NIFTI格式，剝腦后，使用FMRIB的自動(dòng)分割工具FSAT將原始圖像分割成灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液；②以MNI空間的灰質(zhì)圖像作為參考標(biāo)準(zhǔn)，原始圖像分割后的灰質(zhì)為源圖像，迭代地使用圖像配準(zhǔn)和圖像分割的方法將所有被試的腦結(jié)構(gòu)圖像標(biāo)準(zhǔn)化至MNI空間，并將圖像的變換信息保存在雅可比行列式中，得到每名被試用于表征腦組織結(jié)構(gòu)密度的灰質(zhì)概率圖像；③使用DPABI工具箱[8]和各向同性高斯平滑核6 mm進(jìn)行圖像平滑。

1.2.4 個(gè)體形態(tài)相似網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建 應(yīng)用解剖自動(dòng)標(biāo)記（AAL）模板圖像作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[9]。首先，基于AAL大腦圖譜，計(jì)算90個(gè)腦區(qū)的灰質(zhì)體積值，然后使用自動(dòng)選擇帶寬的核密度估計(jì)（kernel density estimation，KDE）計(jì)算90個(gè)腦區(qū)值的概率密度函數(shù)。再基于Kullback-Leibler計(jì)算90個(gè)腦區(qū)的相似性度量（描述個(gè)體灰質(zhì)體積分布的區(qū)域間相似性）。最后，構(gòu)建每名被試的個(gè)體灰質(zhì)形態(tài)學(xué)腦網(wǎng)絡(luò)（90×90）[10]。

1.2.5 基于圖論的分析 采用GRETNA（http://www.nitrc.org/projects/gretna/）計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的全局屬性和節(jié)點(diǎn)屬性。全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩园ň垲愊禂?shù)、特征路徑長(zhǎng)度、歸一化聚類系數(shù)、歸一化特征路徑長(zhǎng)度、小世界參數(shù)、全局效率、局部效率。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩园ü?jié)點(diǎn)局部效率、節(jié)點(diǎn)度中心性和節(jié)點(diǎn)介數(shù)中心性。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。性別比較采用χ2檢驗(yàn)，年齡、受教育年限比較采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。使用非參數(shù)置換檢驗(yàn)比較網(wǎng)絡(luò)的全局屬性和節(jié)點(diǎn)屬性[11]，采用Benjamini-Hochberg錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率進(jìn)行多重校正[12]。將年齡、性別作為協(xié)變量，使用偏相關(guān)分析組間有差異的網(wǎng)絡(luò)屬性指標(biāo)與ADHD注意力劃消測(cè)試總得分的相關(guān)性。檢驗(yàn)水準(zhǔn)α=0.05，雙側(cè)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 一般資料 ADHD組和TD組的年齡 （t=0.199，P=0.657）、性別（χ2=0.065，P=0.799）及受教育年限（t=0.074，P=0.786）無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（表1）。

表1 ADHD與TD一般人口學(xué)資料及臨床癥狀評(píng)分

2.2 腦灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)全局屬性值 在稀疏度≥0.1且≤0.4范圍內(nèi)，ADHD組和TD組均表現(xiàn)出歸一化的聚類系數(shù)值（大于1）和特征路徑長(zhǎng)度（近似等于1）（圖1）。但與TD組相比，ADHD組的特征路徑長(zhǎng)度升高（P=0.001），全局效率降低（P=0.001），而局部效率（P=0.496）、聚類系數(shù)（P=0.557）、歸一化聚類系數(shù)P=0.340）、歸一化特征路徑長(zhǎng)度（P=0.508）、小世界參數(shù)（P=0.294）差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖2）。

圖1 ADHD組和TD組的個(gè)體灰質(zhì)腦網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性參數(shù) 稀疏度≥0.1且≤0.4范圍內(nèi)，ADHD組和TD組均表現(xiàn)γ＞1（A），λ約等于1（B），σ＞1（C），均表現(xiàn)出典型“小世界”拓?fù)涮卣?。γ，歸一化聚類系數(shù)；λ，歸一化特征路徑長(zhǎng)度；σ，小世界特征；Sparsity，稀疏度。

圖2 ADHD組與TD組個(gè)體大腦灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的全局屬性值差異 與TD組相比，ADHD組全局效率降低（P=0.001；P＜0.05，F(xiàn)DR校正），但Lp增加（P=0.001；P＜0.05，F(xiàn)DR校正）。Cp，聚類系數(shù)；Lp，特征路徑長(zhǎng)度；Eglob，全局效率；Eloc，局部效率；λ，歸一化特征路徑長(zhǎng)度；γ，歸一化聚類系數(shù)；δ=λ/γ，小世界特征。

2.3 腦灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性值 與TD組相比，ADHD組在左側(cè)顳上回的節(jié)點(diǎn)度中心性和節(jié)點(diǎn)局部效率增加（P＜0.05，未校正），左側(cè)眶部額下回、右側(cè)眶內(nèi)側(cè)額上回、右側(cè)蒼白球和右側(cè)顳上回的節(jié)點(diǎn)介數(shù)中心性增加（P＜0.05，未校正），右側(cè)中央前回、右側(cè)距狀裂周圍皮質(zhì)、雙側(cè)殼核和右側(cè)顳橫回的節(jié)點(diǎn)屬性值降低（P＜0.05，未校正）。經(jīng)FDR校正后，左側(cè)梭狀回和右側(cè)顳橫回的節(jié)點(diǎn)度中心性和節(jié)點(diǎn)局部效率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，F(xiàn)DR校正）（圖3，表2）。

表2 ADHD組和TD組節(jié)點(diǎn)屬性值發(fā)生改變的區(qū)域

圖3 ADHD組與TD組的大腦灰質(zhì)形態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性值有差異的區(qū)域 與TD組相比，ADHD組的節(jié)點(diǎn)屬性值增加（紅色）和降低（黃色）的區(qū)域。ORBinf，額下回，眶部；ORBsupmed，額上回，內(nèi)側(cè)眶；PUT，殼核；PAL，蒼白球；STG，顳上回；TPOsup，顳極-顳上回；PreCG，中央前回；CAL，距狀裂周圍皮層；FFG，梭狀回；Heschl，顳橫回；L，左；R，右。

2.4 ADHD組節(jié)點(diǎn)屬性值與臨床癥狀的關(guān)聯(lián)分析 偏相關(guān)分析顯示，ADHD組左側(cè)梭狀回的節(jié)點(diǎn)局部效率與注意力劃消測(cè)試得分呈正相關(guān)（r=0.106，P=0.038，F(xiàn)DR校正）。未發(fā)現(xiàn)其他全局或節(jié)點(diǎn)指標(biāo)與劃消測(cè)試得分存在統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)性（P＞0.05）。

3 討論

人類大腦網(wǎng)絡(luò)通常被認(rèn)為具備“小世界網(wǎng)絡(luò)（small-worldness network）”屬性。該屬性主要有兩個(gè)特征：分離屬性，體現(xiàn)為高的聚類系數(shù)、歸一化聚類系數(shù)或局部效率；整合屬性，體現(xiàn)為更短的特征路徑長(zhǎng)度、歸一化特征路徑和高的全局效率[13]。在本研究中，ADHD組灰質(zhì)腦網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長(zhǎng)度更長(zhǎng)，全局效率更低，這意味著小世界整合屬性的紊亂[14]，提示ADHD的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣飨颉案醯男∈澜鐚傩浴蹦Ｊ睫D(zhuǎn)變，這與之前基于DTI的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究[15-16]和基于fMRI的腦功能網(wǎng)絡(luò)研究[17]結(jié)論相一致。本研究也與之前的灰質(zhì)腦網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果一致[18-19]，個(gè)體灰質(zhì)水平上解剖區(qū)域之間不一致的同步成熟強(qiáng)度導(dǎo)致了ADHD轉(zhuǎn)向“更弱的小世界”屬性。ADHD不匹配的灰質(zhì)成熟區(qū)域提示存在灰質(zhì)發(fā)育延遲，進(jìn)一步影響了ADHD灰質(zhì)腦網(wǎng)絡(luò)全局和局部連接強(qiáng)度。本研究結(jié)果可幫助全面理解ADHD患兒個(gè)體灰質(zhì)成熟對(duì)大尺度網(wǎng)絡(luò)屬性的影響，繼而影響ADHD的注意力調(diào)控，可能協(xié)助發(fā)現(xiàn)新的ADHD神經(jīng)影像標(biāo)志物。

與TD組比較，ADHD組除了整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩愿淖兺猓€存在廣泛區(qū)域的節(jié)點(diǎn)屬性改變，主要位于執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)及基底節(jié)區(qū)域等。本研究的結(jié)果部分支持了基于靜息狀態(tài)功能連接分析的大尺度“三重網(wǎng)絡(luò)模型”受累在ADHD中具有病理生理作用，即ADHD的功能連接改變不僅存在于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、額頂葉網(wǎng)絡(luò)（亦為執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)），還存在于獎(jiǎng)賞相關(guān)回路和情感回路[5]。此外，在節(jié)點(diǎn)水平上，本研究還發(fā)現(xiàn)ADHD基底節(jié)區(qū)涉及雙側(cè)殼核和右側(cè)蒼白球的節(jié)點(diǎn)指標(biāo)改變。既往形態(tài)學(xué)研究報(bào)道ADHD相關(guān)的中央前回、內(nèi)側(cè)和眶額皮質(zhì)[20]、左梭狀回[21]、蒼白球/殼核和島葉的灰質(zhì)形態(tài)/體積改變[22]。既往結(jié)構(gòu)和功能神經(jīng)影像學(xué)研究表明，殼核體積減小和右側(cè)蒼白球/殼核存在異常神經(jīng)活動(dòng)[3,22]，證實(shí)了殼核參與ADHD的重要作用。因此，了解雙側(cè)殼核和右側(cè)蒼白球的形態(tài)/體積及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接改變，以及基底神經(jīng)節(jié)的連接異常有助于理解ADHD的病理生理機(jī)制。

本研究還發(fā)現(xiàn)在這些有節(jié)點(diǎn)改變的區(qū)域中，左側(cè)梭狀回的節(jié)點(diǎn)局部效率越低，則ADHD注意力缺陷嚴(yán)重程度越高。梭狀回是位于顳葉和枕葉基底表面的結(jié)構(gòu)，也被稱為顳枕回，是高級(jí)視覺功能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，如面孔感知、物體識(shí)別和閱讀[23]。最近一項(xiàng)研究報(bào)道ADHD患者左梭狀回灰質(zhì)體積減少[21]，且與ADHD癥狀密切相關(guān)。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)左側(cè)梭狀回的節(jié)點(diǎn)局部效率存在減低，且與ADHD注意力缺陷癥狀相關(guān)，進(jìn)一步證實(shí)了左側(cè)梭狀回在ADHD病理生理機(jī)制中的重要作用。

本研究有一定的局限性。首先，本研究為橫斷面研究，需要縱向隨訪研究以探討大腦發(fā)育灰質(zhì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在ADHD發(fā)生發(fā)展中的特征變化。其次，本研究涉及的患者數(shù)量較少，沒有分析灰質(zhì)形態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)與ADHD臨床亞型之間的關(guān)系。因此，需要納入更多患者進(jìn)一步分析。