基于動態(tài)低頻振幅方法的飛行員靜息態(tài)fMRI研究

徐開俊，肖成坤，陳 曦，楊 泳，陳錫硼，王泉川

（中國民用航空飛行學(xué)院，廣漢 618300）

0 引言

2020年9月，為深化改革運(yùn)輸航空飛行訓(xùn)練，結(jié)合我國實(shí)際，中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司發(fā)布了《中國民航運(yùn)輸航空飛行員技能全生命周期管理體系建設(shè)實(shí)施路線圖》征求意見稿，提出構(gòu)建的飛行員技能全生命周期管理體系（professionalism lifecycle management system，

PLM）是以崗位勝任力為核心，通過實(shí)證訓(xùn)練、作風(fēng)建設(shè)等手段，提質(zhì)民航飛行訓(xùn)練和管理，對于提升飛行員防范“灰犀?！焙汀昂谔禊Z”的能力具有重要作用。在選拔崗位勝任力強(qiáng)的飛行員時(shí)，需要客觀的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，本文利用數(shù)據(jù)驅(qū)動，進(jìn)行崗位勝任力評估。

靜息態(tài)功能磁共振成像作為一種無創(chuàng)觀察大腦內(nèi)部自發(fā)性神經(jīng)活動的方法，以血氧水平對比增強(qiáng)為原理，成像方式是通過利用腦內(nèi)神經(jīng)細(xì)胞活動引起的大腦局部腦血流的血氧動力學(xué)改變，通過此技術(shù)，研究者可觀察特定人群的大腦內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有無創(chuàng)、高空間分辨率等多種優(yōu)勢，是探索腦科學(xué)的重要工具。個(gè)體大腦局部神經(jīng)活動的強(qiáng)度大小可以從低頻振幅（ALFF）這一指標(biāo)中反映出來，其原理是通過血氧水平依賴信號的自發(fā)波動強(qiáng)度，定位腦區(qū)的自發(fā)性神經(jīng)活動和生理狀態(tài)，這項(xiàng)技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛用于神經(jīng)疾病及局部神經(jīng)功能的評估。但是目前絕大部分研究都是基于“靜態(tài)”條件下的腦功能活動變化，即研究者假設(shè)掃描過程中的BOLD信號是平穩(wěn)的，而忽略了大腦隨時(shí)間自發(fā)性神經(jīng)活動的動態(tài)特征。人腦是一個(gè)復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行非靜止的神經(jīng)活動和快速變化的神經(jīng)交互作用，人的大腦與各種生理功能緊密相關(guān)，如意識和認(rèn)知。動態(tài)低頻振幅（dALFF）在基于靜態(tài)ALFF的基礎(chǔ)上，將大腦內(nèi)部神經(jīng)活動時(shí)間劃分成若干個(gè)時(shí)間窗口，以便在研究大腦內(nèi)部神經(jīng)活動的同時(shí)，量化其時(shí)間變異性。在自發(fā)性神經(jīng)活動中，Biswal等發(fā)現(xiàn)，在人體全身運(yùn)動系統(tǒng)中，腦內(nèi)血氧水平依賴性信號的低頻波動是時(shí)間同步的，因此，腦活動的動態(tài)變化反映了腦認(rèn)知適應(yīng)性的時(shí)間變異性以及大腦發(fā)育及病變變化的特點(diǎn)，研究基于飛行員大腦的動態(tài)低頻振幅（dALFF）顯得至關(guān)重要。

臧玉峰等以低頻振幅為指標(biāo)來表征大腦的自發(fā)性神經(jīng)活動，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低頻振幅在反映腦區(qū)功能方面具有優(yōu)勢；前期實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)通過比較飛行員與健康職業(yè)者的低頻振幅，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長期的飛行訓(xùn)練和飛行經(jīng)驗(yàn)的累計(jì)，飛行員在視覺處理和言語方面的腦區(qū)發(fā)生了明顯的變化；Aviat Space Environ Med等發(fā)現(xiàn)飛行員隨著飛行經(jīng)驗(yàn)的增加，他們的海馬體有增大的趨勢，海馬體的大小可以隨著訓(xùn)練程度的強(qiáng)弱而變化；在低頻振幅的基礎(chǔ)上，張牧等人加入了滑動時(shí)間窗口，以動態(tài)低頻振幅為指標(biāo)，探究了乒乓球運(yùn)動員在不同訓(xùn)練程度下，腦功能相關(guān)機(jī)制的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動員在不同訓(xùn)練程度下，部分腦區(qū)發(fā)生了變化。因此，本文將在實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)前期研究成果的基礎(chǔ)上，以動態(tài)低頻振幅為指標(biāo)，探究飛行員與普通職業(yè)者的腦區(qū)差異。

當(dāng)前已有的研究主要集中在大腦內(nèi)部動態(tài)特異性的功能連接上，就是將大腦內(nèi)部的BOLD信號進(jìn)行平均值操作，但是很少有關(guān)于自發(fā)性神經(jīng)活動的動態(tài)變化研究。為了更加深入的研究飛行員腦內(nèi)神經(jīng)機(jī)制的動態(tài)變化過程，本文利用滑動時(shí)間窗的分析方法，利用低頻振幅（ALFF）值隨時(shí)間的變化來量化腦內(nèi)活動的動態(tài)變化特征，即利用動態(tài)低頻振幅（dynamic amplitude of low-frequency fluctuation，dALFF）指標(biāo)來探究飛行員與普通職業(yè)對照者之間的腦區(qū)差異，為以后的飛行人員選拔和飛行課程的開發(fā)提供較為客觀的評價(jià)指標(biāo)。

1 方法

采用動態(tài)低頻振幅對飛行員與普通職業(yè)者進(jìn)行研究，滑動時(shí)間窗是一個(gè)很重要的動態(tài)分析方法，在滑動時(shí)間窗中，窗寬和步長是靜息態(tài)動力學(xué)中兩個(gè)很重要的計(jì)算參數(shù)，已有的研究表明，窗寬最小不能低于（即采樣周期），其中表示的是采集時(shí)間序列的最小頻率。在本研究中，選取50 TR的最佳窗寬，2 TR的步長進(jìn)行動態(tài)截取，對窗口截取的數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)ALFF分析，最后用方差量化其變異性，該方差即dALFF值。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本研究實(shí)驗(yàn)還使用了2 TR的步長和50 TR、75 TR的窗寬進(jìn)行輔助驗(yàn)證，其結(jié)果與本研究中的2 TR步長和50 TR窗寬的主要結(jié)果相似。

1.1 被試者

飛行組：從中國民用航空飛行學(xué)院、各航空運(yùn)輸公司、部分通用航空公司招募了26名在職飛行教員和飛行員，他們均為男性，年齡在23～35歲之間，飛行小時(shí)數(shù)為200～9800 h。其中受試者中14名是來自中國民用航空飛行學(xué)院的飛行教員，執(zhí)教機(jī)型有C172R、PA44、MA600和CE525；12名是來自不同航空公司的副駕駛，執(zhí)飛機(jī)型是Boeing737或Airbus320。

對照組：參加工作23名健康被試者，他們與飛行員在性別和受教育年限上沒有顯著差異。

49名被試者中沒有色盲和色弱，大腦均未受過創(chuàng)傷，右利手，左右雙眼視力未矯正或矯正視力正常，學(xué)歷全部為本科，被試者本人及近親屬無神經(jīng)系統(tǒng)或者影響腦功能與結(jié)構(gòu)的疾病，滿足電子科技大學(xué)磁共振成像中心磁共振檢查清單的要求。所有參加實(shí)驗(yàn)的被試者在對本研究實(shí)驗(yàn)流程有了充分了解后，簽署了書面的知情同意書，研究得到了電子科技大學(xué)醫(yī)學(xué)研究倫理委員會的批準(zhǔn)（批準(zhǔn)編號:NO2018-042002）后實(shí)施，在實(shí)驗(yàn)過程中嚴(yán)格遵循《赫爾辛基宣言》。

表1 研究對象人口統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)獲取

實(shí)驗(yàn)的49名被試者大腦磁共振數(shù)據(jù)是在電子科技大學(xué)磁共振成像中心（中國成都）進(jìn)行采集。掃描之前，使用泡沫填充以控制被試頭動，被試者佩戴實(shí)驗(yàn)耳塞來減少掃描產(chǎn)生的噪聲，同時(shí)告訴被試者平臥、閉眼、保持放松和清醒，頭部保持不動，不要進(jìn)行特定的認(rèn)知活動，實(shí)驗(yàn)采用被試者頭先進(jìn)的掃描方式。使用的設(shè)備是3.0T GE DISCOVERY MR750（美國通用電氣公司），配備8通道原型線圈和高速梯度儀。功能像采用梯度平面回波成像序列（EPI）采集，相關(guān)參數(shù)為：TR=2000 ms，TE=30 ms，F(xiàn)OV=240×240 mm，F(xiàn)A=90°，Matrix64×64，層厚4 mm（無層間距）。在掃描過程中，關(guān)閉磁共振室內(nèi)的所有燈光，避免掃描室燈光對被試者產(chǎn)生影響，掃描結(jié)束后，詢問每一位被試者是否在實(shí)驗(yàn)中入睡，大腦是否進(jìn)行思想活動，以此來判斷是否滿足上述條件。通過以上參數(shù)，共采集了255個(gè)全腦體積，每個(gè)全腦體積35層，排除了2個(gè)頭動超過2 mm的飛行組被試。

1.3 數(shù)據(jù)處理及分析方法

基 于MATLAB2014a軟 件 包、SPM12、RESTplus v1.25實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。分別對每位被試者的大腦磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行以下幾步操作：①考慮磁場飽和時(shí)間，去除了每個(gè)功能像時(shí)間序列的前5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，同時(shí)一定程度上降低了掃描機(jī)器啟動時(shí)磁場不穩(wěn)定及被試者適應(yīng)環(huán)境對采集的圖像質(zhì)量的影響；②對余下的250個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間層校正和頭動校正，篩掉了頭動參數(shù)控制在平移大于2 mm，轉(zhuǎn)動幅度大于2°的2個(gè)飛行組被試；③使用EPI模板將體素重采樣至3×3×3的MNI標(biāo)準(zhǔn)空間；④使用半高全寬8 mm的高斯核函數(shù)進(jìn)行空間平滑；⑤去線性化趨勢。最后回歸了無關(guān)變量（頭動參數(shù)、白質(zhì)信號、灰質(zhì)信號和腦脊液信號），目的是為了去除部分生理噪聲在接下來的研究中帶來的潛在影響。

通過以上預(yù)處理后，采用快速傅里葉變換將動態(tài)功能矩陣轉(zhuǎn)換到頻域范圍（濾波器參數(shù)為0.01～0.1 Hz），同時(shí)獲得功率譜。將功率譜開方求出均值，得到ALFF，最后通過滑動時(shí)間窗分析和方差量化計(jì)算出dALFF。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

本研究利用全腦灰質(zhì)模板（mask）對飛行員組與對照組進(jìn)行了雙尾、雙樣本t檢驗(yàn)，把年齡作為協(xié)變量回歸，使用高斯隨機(jī)場（GRF）校正方法（p＜0.01），得到飛行員組與健康對照組的差異腦區(qū)，并且將結(jié)果疊加在ch2模板進(jìn)行展示。

1.5 結(jié)果

表2 飛行組和對照組d ALFF有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義腦區(qū)

AAL：解剖學(xué)自動標(biāo)記模板；MNI：蒙特利爾神經(jīng)研究所

圖1 飛行組和對照組d ALFF差異腦區(qū)示意圖

2 討論

本文研究的動態(tài)低頻振幅（dALFF）通過滑動時(shí)間窗將被試的一整段時(shí)間序列分成101個(gè)時(shí)間窗口，實(shí)驗(yàn)假設(shè)是大腦神經(jīng)活動的時(shí)間序列不是一直不變的，以此來探究民航飛行員大腦局部神經(jīng)活動的時(shí)間動態(tài)性。實(shí)驗(yàn)采用dALFF方法對飛行員的靜息態(tài)磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究了飛行員與健康職業(yè)對照組隨時(shí)間變化，他們的局部腦神經(jīng)活動的波動情況，為在較短的時(shí)間尺度內(nèi)飛行員的局部大腦活動提供更為精細(xì)的信息。結(jié)果顯示，飛行組的左三角部額下回、右額中回、右中央后回三個(gè)腦區(qū)得dALFF值顯著低于對照組。

額葉包含額中回、額下回等腦區(qū)，額中回位于背外側(cè)前額葉皮質(zhì)，背外側(cè)前額葉是大腦的高級神經(jīng)中樞，與多種高級認(rèn)知功能和情緒處理有關(guān)。也有研究提出右側(cè)額中回可能是連接背側(cè)和腹側(cè)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)腦區(qū)，除此之外，右側(cè)額中回的積極功能由有關(guān)注意任務(wù)組成，是持續(xù)注意的一個(gè)關(guān)鍵特征。額下回是與工作記憶、語言相關(guān)的腦區(qū)，是人類認(rèn)知的一個(gè)重要功能，已有的研究表明，在涉及言語處理、詞匯提取和語義識別等方面，該腦區(qū)可能被激活。在加工熟悉的事物的過程中，左三角部額下回和左顳極的連通性顯著變化。同時(shí)，額下回三角區(qū)也是高級認(rèn)知與執(zhí)行功能的關(guān)鍵腦區(qū)，在情緒調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。此外，左三角部額下回一直被認(rèn)為是與視聽多感覺整合有關(guān)的重要區(qū)域，已有的研究已經(jīng)將額下回在感覺加工的作用延伸到言語以外的范圍，發(fā)現(xiàn)左三角部額下回在知覺決策任務(wù)中發(fā)揮著視聽信息積累的作用，也是多感覺統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)。

位于大腦半球頂葉前端的中央后回腦區(qū)，屬于右側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)的核心區(qū)域，主要與軀體感覺運(yùn)動有關(guān)，中央后回是大腦的體感皮層所在的腦區(qū)，中央后回受損可能導(dǎo)致位置覺和辨別覺降低。相關(guān)資料表明，約九成的飛行員發(fā)生過在飛行中不能正確感知飛機(jī)的位置、運(yùn)動和飛行姿態(tài)的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，在低氧暴露環(huán)境下，飛行員的額上回腦區(qū)的fALFF和ReHo降低，活動減弱；前期，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)成員的成果也發(fā)現(xiàn)相比健康普通職業(yè)者，飛行員的楔葉與中央后回之間的功能連接程度降低。綜上，我們推測，民航飛行員經(jīng)過長期的飛行訓(xùn)練和飛行經(jīng)驗(yàn)的累積，他們的大腦與軀體感覺相關(guān)的功能、注意力等方面可能會受到影響。

3 不足與展望

本研究使用dALFF方法對飛行員與普通對照組腦自發(fā)活動的時(shí)間變異性進(jìn)行研究，不足之處在與本研究的數(shù)據(jù)只進(jìn)行了橫向比較，對于縱向的數(shù)據(jù)并未進(jìn)行收集，同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的樣本量還不夠多，結(jié)果外推性不強(qiáng)，不足以說明一些問題。在接下來的實(shí)驗(yàn)研究和設(shè)計(jì)中，將通過增加實(shí)驗(yàn)樣本量，采集縱向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析不同飛行時(shí)間的飛行員，希望能找到飛行員這一特殊職業(yè)活動程度更高的腦區(qū)，為飛行員的選拔培養(yǎng)和飛行課程的開發(fā)提供更多影像學(xué)證據(jù)和支持。

4 結(jié)語

本研究采用靜息態(tài)fMRI探究了飛行員與普通職業(yè)者的動態(tài)區(qū)域神經(jīng)活動，結(jié)果顯示，飛行員在與軀體運(yùn)動相關(guān)方面的腦區(qū)的活動性程度降低，驗(yàn)證了這些腦區(qū)在飛行員培養(yǎng)訓(xùn)練中的重要性，同時(shí)該指標(biāo)也是對靜態(tài)低頻振幅的有力補(bǔ)充，能更全面的幫助我們了解飛行員的神經(jīng)活動，為我國民航飛行員的選拔和飛行學(xué)員課程開發(fā)提供相關(guān)的影像學(xué)支持。