飛行員靜息態(tài)腦功能局部一致性研究

徐開俊，劉 銳，陳錫硼，陳 曦

（中國民用航空飛行學院飛行技術(shù)學院，廣漢 618307）

0 引言

近年來，中國民用航空局出臺了《關(guān)于全面深化運輸航空公司飛行訓練改革的指導意見》，該文件明確指出了今后飛行員訓練體系的發(fā)展方向，從飛行員的培訓理念、訓練方式、管理模式等方面進行全方位改革，建立飛行員技能全生命周期管理體系。飛行員核心勝任力需要通過理論分析和訓練落地綜合考量，理論分析主要從經(jīng)典心理學角度對飛行員的崗位勝任力、心理勝任力和作風勝任力進行分析，訓練落地則通過數(shù)據(jù)驅(qū)動分析去推進，對飛行員的作風數(shù)據(jù)、心理測評數(shù)據(jù)、醫(yī)學腦影像數(shù)據(jù)和飛機的QAR數(shù)據(jù)進行分析，將飛行員核心勝任力的訓練落地進行科學量化，養(yǎng)成飛行員不同階段的核心勝任力，形成全生命周期管理，進而滿足民航局對民航發(fā)展提出的新要求。其中醫(yī)學腦影像數(shù)據(jù)可以從高級神經(jīng)機制層面發(fā)現(xiàn)飛行員內(nèi)在腦功能的改變，是當今無創(chuàng)研究腦結(jié)構(gòu)和腦功能的重要方式，本文通過對飛行員腦功能機制的研究，定位與飛行訓練相關(guān)聯(lián)的腦區(qū)，為飛行員的選拔和培訓提供新思路。

國內(nèi)外的大量研究表明，飛行員的腦功能和腦結(jié)構(gòu)與普通職業(yè)者相比有明顯差異。劉潔等人使用分數(shù)低頻振幅和局域一致性方法研究飛行員在低氧暴露環(huán)境下對腦功能的影響，為低氧暴露后飛行員認知功能的變化提供了神經(jīng)影像學方面的證據(jù)；Adamson MM、Taylor JL等人發(fā)現(xiàn)通過飛行訓練會致使飛行員的大腦功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生一些改變；本實驗的前期研究還發(fā)現(xiàn)飛行員的腦內(nèi)默認模式網(wǎng)絡(luò)（default mode network，DMN）發(fā)生改變，DMN的連通性通過飛行員的飛行訓練得到增強。由此可見，與普通職業(yè)者相比飛行員的腦功能和腦結(jié)構(gòu)確實因長期飛行訓練發(fā)生改變。通過精確定位差異腦區(qū)，討論分析差異腦區(qū)的結(jié)構(gòu)和功能，找到促使腦區(qū)發(fā)生改變的原因，為選拔和培養(yǎng)高素質(zhì)飛行員提供影像學依據(jù)。

本研究使用了局部一致性（regional homoge?neity，ReHo）研究方法來探究在靜息狀態(tài)下飛行員與正常人腦活動的不同。局部一致性是假設(shè)一個活動的功能區(qū)內(nèi)相鄰體素的時間序列具有相似性，用肯德爾和諧系數(shù)（Kendall’s Coeffi?cient of Concordance，KCC）來度量這種相似性，KCC值越大代表這些時間序列越相似。KCC值又稱ReHo值，通過利用各個腦區(qū)神經(jīng)元進行活動的同步性比較強的特點來反映腦區(qū)的活動性，腦區(qū)神經(jīng)元活動的同步性又是通過ReHo值的大小來間接反映的，而ReHo值直接反映的不是信號強度，而是腦區(qū)腦區(qū)局部血氧水平依賴（BOLD）信號時間序列的同步性。計算ReHo值首先通過計算出受試者大腦的每個體素的ReHo值，進而得到受試者的ReHo腦圖。

1 對象和方法

1.1 研究對象

本次實驗的受試者分為由飛行人員組成的實驗組和由普通地面工作者組成的對照組，實驗組所有的受試者為年齡在23～25歲之間的男性，總計26名，其中包括中國民用航空學院飛行教員、民用航空飛行員和通用航空飛行員，對照組為與實驗組年齡、性別、受教育程度相匹配的普通職業(yè)者，總計24名。

入組標準：①所有的被試都是右利手。②受試者均身體健康，頭部均未曾受到過創(chuàng)傷。③被試自己和被試的一級家屬沒有過神經(jīng)系統(tǒng)方面的病史。④本科學歷。⑤受試者均為自愿參與本次實驗研究，對實驗內(nèi)容均知情并得到本人同意。本實驗經(jīng)電子科技大學磁共振成像研究中心倫理與人體保護委員會批準，所有參加實驗的人員都在實驗前了解了實驗過程并簽署了被試同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 影像學數(shù)據(jù)采集

本實驗所有核磁共振數(shù)據(jù)采用中國電子科技大學磁共振成像中心的3.0T MRI掃描儀（DISCOVERY MR 750，GE Healthcare,Wauke?sha WI,United States）獲取。功能性磁共振圖像采集使用標準梯度回波脈沖序列，具體參數(shù)設(shè)置如下：重復時間/回波時間=2000/30 ms，翻轉(zhuǎn)角=90°，掃描矩陣=64×64，視野=24×24 cm，層厚=4 mm（無間隔）。每名受試者共采集255次全腦，每次全腦35層。進入掃描室前要求受試者摘除身上所有金屬材質(zhì)的物品并佩戴防噪聲耳塞，為避免實驗過程中受試者頭動過大，在實驗前將受試者頭部用泡沫墊等物體固定，隨后關(guān)閉磁共振室內(nèi)的所有燈光，避免光亮對受試者產(chǎn)生影響；在掃描的過程中，為避免進行特定的思考對受試者產(chǎn)生影響，所有受試者都是平臥閉目休息。

1.2.2 影像學數(shù)據(jù)處理

磁共振儀掃描得到的圖像數(shù)據(jù)均為DICOM格式，通過dcm2nii軟件對掃描的原始數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，便于后續(xù)的處理計算。進行預處理之前去除每個受試者數(shù)據(jù)的前5個時間點，用以消除機器啟動時其磁場不穩(wěn)定而對圖像質(zhì)量產(chǎn)生的影響。基于MATLAB2013b平臺，采用靜息態(tài)腦功能數(shù)據(jù)輔助處理工具SPM12對采集的原始數(shù)據(jù)進行預處理。對每個受試者的功能磁共振成像數(shù)據(jù)分別進行以下操作：①時間層校正。②頭動校正。③空間標準化。將個體腦影像配準到蒙特利爾神經(jīng)研究所（montreal neurological institute，MNI），標準化空間3×3×3 mm。④去除線性飄移。⑤濾波（去除頻率在0.01～0.08 Hz以外的信號）。

根據(jù)頭動校正曲線，飛行員組去除兩個受試者，對照組去除一個受試者，去除的標準是頭動平移＞1.5 mm或轉(zhuǎn)動角度＞1.5°。

1.2.3 ReHo計算

將經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)使用REST軟件計算出每個被試的ReHo值，最后對計算完成的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析。在計算ReHo值時首先比較全腦每個體素與其周圍相鄰的26個體素在時間序列上的相似程度，計算得到該體素的肯德爾和諧系數(shù)即KCC值，計算特定一個體素的KCC值的計算如下所示，接下來用每個體素的KCC值除以全腦的所有體素的KCC均值，得到的就是標準化的ReHo值。最后，以一個半高全寬（fullwidth at half maximum，F(xiàn)WHM）為6 mm的各向同性的高斯核對ReHo圖進行平滑處理。

在公式（1）中，指的是特定體素的肯德爾系數(shù)KCC，指的是時間點的個數(shù)，本研究中=255；指的是某一特定的體素以及與他相鄰體素的個數(shù)，本文中=27，27個體素最終構(gòu)成了一個團塊；R是指第個時間點各個體素的體素值等級總數(shù)，指的是該體素的所有時間點的等級平均數(shù)。

1.2.4 統(tǒng)計學分析

基于MATLAB2013b平臺使用SPM12工具包進行兩組受試者ReHo值的統(tǒng)計學分析，在統(tǒng)計的過程中將受試者的年齡作為協(xié)變量，使用雙樣本檢驗統(tǒng)計飛行組與對照組的ReHo值存在差異的腦區(qū)。計算之后使用高斯隨機場（Gauss?ian Random-Field，GRF）多重比較校正對統(tǒng)計結(jié)果進行校正處理。校正以后，兩組之間的ReHo值在P＜0.005的差異腦區(qū)具有統(tǒng)計學意義，最后將結(jié)果疊加到Ch2模板上進行展示。

2 結(jié)果

ReHo分析結(jié)果顯示，與對照組相比，飛行組左側(cè)額上回（Peak點坐標：=24，=54，=27，連續(xù)體素值為63，＜0.005，GRF校正，voxel＞62）的ReHo值顯著降低，未發(fā)現(xiàn)ReHo值增高的腦區(qū)。如表1、圖1所示。

表1 兩組ReHo值有差異的腦區(qū)

圖1 兩組腦區(qū)ReHo值雙樣本t檢驗結(jié)果

3 結(jié)語

本文采用的ReHo分析法可以用來評估大腦一些區(qū)域的神經(jīng)元自發(fā)活動的協(xié)調(diào)水平。ReHo對鄰近體素活動的相似程度進行了描述，將不同體素的時間序列用肯德爾和諧系數(shù)計算相似性，整個大腦所有體素都會獲得一個KCC值，組成全腦的ReHo圖。本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飛行員與普通職業(yè)者相比，其左側(cè)額上回的的ReHo值出現(xiàn)明顯下降。額上回屬于前額葉皮質(zhì)，可以接受來自感覺皮層的神經(jīng)信號，在人類的情緒、認知活動以及執(zhí)行功能中扮演著重要的角色，其中還包括保存工作記憶并進行處理，目的性活動，注意的控制以及抽象化思維等。背外側(cè)額葉上回屬于皮質(zhì)運動區(qū)的一部分，參與運動的調(diào)節(jié)，包括控制速度、力度、運動方向等。通過調(diào)查，在長期飛行訓練的影響下，飛行員對于運動物體的捕獲能力會有所提高，但是在對于速度、力度、運動方向的認知方面是有所衰退的。飛機的起飛是從二維轉(zhuǎn)為三維的運動過程，因個人身體素質(zhì)不同，在此過程中經(jīng)常會導致運動錯覺的發(fā)生。尤其是在惡劣天氣下，由于能見度降低，無法建立目視參考系，飛行員常會迷失方向，甚至出現(xiàn)“倒飛的錯覺”。據(jù)統(tǒng)計，至少90%以上的飛行員都發(fā)生過飛行錯覺，即飛行員在飛行時很可能不能正確地判斷出飛機的位置、運動或者飛機的姿態(tài)發(fā)生的改變。經(jīng)過長期飛行訓練以及飛行過程中飛行錯覺的影響，使得飛行員左側(cè)額上回腦區(qū)的活動強度有所下降。

綜上所述，采用ReHo分析法，分析了飛行員與普通職業(yè)者靜息態(tài)下大腦神經(jīng)元自發(fā)活動的協(xié)調(diào)水平，結(jié)果顯示飛行員在速度、運動方向等方面的感知程度有所下降，有望為飛行員職業(yè)病預防方面提供參考，同時也為飛行員腦機制的研究提供了神經(jīng)影像學方面的依據(jù)。未來的研究將增加樣本的容量，選出飛行時間較長的有代表性的飛行員繼續(xù)研究，探究其腦區(qū)變化特性，以圖像形式解釋飛行員在經(jīng)過長期飛行訓練之后與普通職業(yè)者之間存在的腦功能機制差異，找到飛行員這一特殊職業(yè)激活程度發(fā)生改變的腦區(qū)，為優(yōu)質(zhì)飛行員的選拔提供影像學依據(jù)。