基于靜息態(tài)fMRI 的酒精使用障礙者大尺度腦網(wǎng)絡(luò)研究

張海波 戴西勇 余金鳴 張建龍 王小廣 趙虎

我國是酒精消耗大國，飲酒所誘發(fā)的各類疾患及病死率不斷攀升，其背后衍生的健康及社會等問題不可小覷［1,2］。酒精使用障礙（alcohol use disorder，AUD）是一類以對酒精渴求、強迫性飲酒且失去抑制能力為特征的精神疾患，也可以說是一種慢性易復(fù)發(fā)的大腦疾患。長期過量飲酒可對人體多器官、系統(tǒng)造成損害，尤以神經(jīng)系統(tǒng)受損為著，并表現(xiàn)出諸多的臨床癥狀。越來越多的神經(jīng)影像學(xué)證據(jù)表明，長期大量飲酒對包括小腦在內(nèi)的多個關(guān)鍵腦區(qū)造成結(jié)構(gòu)性損害，并與特定的大腦區(qū)域網(wǎng)絡(luò)連接功能缺陷相關(guān)［3-6］，如默認模式網(wǎng)絡(luò)（default mode network，DMN）［7-11］、突顯網(wǎng)絡(luò)（salience network，SN）［12］、注意網(wǎng)絡(luò)（attentional network，AN）［13,14］等等，以DMN 研究最多。研究發(fā)現(xiàn)物質(zhì)使用障礙者的DMN 功能連接模式存在異常，并且與物質(zhì)渴求和復(fù)發(fā)相關(guān)［15,16］。大腦是一個整體，其每一項認知活動需要在各系統(tǒng)的有序協(xié)作下才能完成。先前的大多數(shù)研究主要集中在單個腦網(wǎng)絡(luò)水平上，大尺度的腦網(wǎng)絡(luò)功能連接研究相對較少［17,18］，全面探討腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及網(wǎng)絡(luò)間的功能連接，即在靜息狀態(tài)下分析大尺度腦網(wǎng)絡(luò)功能連接，將有助于理解AUD 神經(jīng)生物學(xué)的相互作用，為其神經(jīng)生理學(xué)機制提供新的見解。

本研究假設(shè)AUD 腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及網(wǎng)絡(luò)間功能連接存在異常。為了驗證上述假設(shè)，本研究采用基于血氧水平依賴（blood oxygenation level dependent，BOLD）的靜息態(tài)功能磁共振成像（rest-stating functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）方法研究AUD大尺度腦網(wǎng)絡(luò)功能連接，以期進一步闡明長期過量飲酒對腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和腦網(wǎng)絡(luò)間的相互影響，為探討其發(fā)病機制提供有價值的神經(jīng)影像學(xué)依據(jù)。

資料與方法

1.研究對象

本研究共收集40 例酒精使用障礙患者，數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中其中2 例影像數(shù)據(jù)部分圖像丟失，最后納入AUD 患者38 名，平均年齡（47.03±9.09）歲。納入標準為：（1）全為右利手、男性；（2）依據(jù)美國精神病協(xié)會2013 年出版的第5 版《精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊》，所有患者都符合診斷標準；（3）密西根酒精使用障礙調(diào)查表（Michigan Alcoholism Screening Test，MAST），加權(quán)法后評分大于等于7分；（4）無MRI 檢查禁忌并能順利完成MRI 檢查。排除標準：（1）既往患有精神疾病史及家族史，如抑郁、雙相障礙等；（2）既往有頭部外傷和腦器質(zhì)性疾??；（3）其他物質(zhì)濫用和依賴史，但酒精除外；（4）患有慢性疾病，如高血壓、糖尿病、冠心病等；（5）其他MRI 檢查禁忌證（如心臟支架、人工耳蝸植入、大關(guān)節(jié)置換術(shù)）。

另外同期招募38 名年齡、文化程度相匹配的男性健康志愿者［平均年齡（47.71±5.29）歲］作為對照組。依據(jù)愛丁堡利手量表（Edinburgh Handedness Questionnaire，EHQ）［19］，被試者均為右利手。蒙特利爾認知評估量表（Montreal Cognitive Assessment，MoCA）［20］、簡易精神狀態(tài)檢查量表（Mini-Mental State Examination，MMSE）［21］均要求在MRI 數(shù)據(jù)采集前/后24 h 內(nèi)完成。由中級職稱及以上醫(yī)師負責(zé)診斷AUD 被試及臨床量表數(shù)據(jù)收集。本研究經(jīng)過廣東省中山市第三人民醫(yī)院倫理委員會的批準，且全部被試者均簽署了書面知情同意書。

2.MRI 數(shù)據(jù)采集

要求所有被試在MR 掃描前禁酒至少24 h。本研究數(shù)據(jù)在我院影像科Siemens 1.5 T 超導(dǎo)掃描儀上收集，8 通道頭部相控陣線圈，包括3D-T1WI結(jié)構(gòu)像、rs-fMRI。掃描過程中，被試者采取仰臥位，泡沫軟墊充填于頭部與線圈之間以盡可能減少因頭動而產(chǎn)生的偽影影響，使用耳塞降低背景噪音。同時要求所有被試在該掃描過程中保持安靜，閉上眼睛，盡量不去思考問題，也不能入睡。首先進行顱腦常規(guī)掃描序列，包括T1WI、T2WI和T2FLAIR 以排除腦器質(zhì)性病變，然后進行rsfMRI、3D-T1WI 掃描序列。

3D-T1WI 掃描參數(shù)：磁化強度準備快速采集梯度回波（magnetization-prepared rapid acquisition gradient-echo，MPRAGE）序列，重復(fù)時間2200 ms，回波時間5.12 ms，視野256 mm×256 mm，層厚1 mm，層間距0，層數(shù)176，反轉(zhuǎn)角15°，體素1 mm×1 mm×1 mm，耗時5 min 7 s。

rs-fMRI 掃描參數(shù)：單次激發(fā)回波平面成像（single short echo planar imaging，SS-EPI）序列，重復(fù)時間2800 ms，回波時間45 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，視野224 mm×224 mm，層厚3.5 mm，層間距1 mm，層數(shù)32，獲得240 幅圖像，耗時11 min 18 s。由高年資的技師對掃描圖像質(zhì)量進行初步判斷，只有圖像質(zhì)量符合要求的被試方納入數(shù)據(jù)分析流程。

3.rs-fMRI 數(shù)據(jù)預(yù)處理及功能腦網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

本研究的rs-fMRI 數(shù)據(jù)預(yù)處理在SPM12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）和DPABI（http://www.restfmri.net）軟件包上進行。主要步驟如下：（1）格式轉(zhuǎn)換，DICOM 格式轉(zhuǎn)為NIFTI；（2）去除前10 個時間點的數(shù)據(jù)，主要是排除機器剛啟動等原因造成的前數(shù)個時間點數(shù)據(jù)不穩(wěn)定；（3）時間層校正（slice timing）；（4）頭動校正（realign），頭動的平移距離≤2 mm，旋轉(zhuǎn)角度≤2°；（5）空間標準化（normalize），T1WI像配準到其功能像的平均像上，并將變換后的T1WI 像分割成灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液，再重采樣得到體素大小為3 mm×3 mm×3 mm功能像；（6）空間平滑（smoothing），使用半高全寬（full width half maximum，F(xiàn)WHM）高斯核進行平滑 處理，去線性漂移（detrend），低頻濾波（filter）（0.01～0.1 Hz），將信號中的高頻成分消除或抑制，以此減小圖像的噪聲，最后提取種子點ROI的平均時間序列。使用Schaefer2018_300Parcels_7Networks_order 定義的功能圖譜腦區(qū)作為種子點，建立一個300×300 的功能連接矩陣，反映大尺度人腦功能網(wǎng)絡(luò)。

Schaefer2018_300Parcels 是目前較為廣泛使用的功能連接圖譜，具有較為適中的ROI 數(shù)目，同時按照學(xué)者Yeo 等［22］將大腦劃分為7 大腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼具了網(wǎng)絡(luò)模塊的劃分功能。在預(yù)處理數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，由Schaefer2018_300Parcels 圖譜提取的時間序列形成相關(guān)系數(shù)矩陣，再經(jīng)過Fisher R-to-Z變換，改善正態(tài)分布，形成功能連接Z 矩陣，用于組內(nèi)的平均和組間差異的計算。

4.統(tǒng)計分析

使用SPSS Statistics 22 軟件進行統(tǒng)計學(xué)分析。兩組被試者的臨床資料（年齡、教育年限、飲酒年限、MAST、MMSE、MoCA）的統(tǒng)計學(xué)分析：首先采用Shapiro-Wilk 檢驗方法對樣本數(shù)據(jù)的正態(tài)分布情況進行檢驗，如果數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，則統(tǒng)計描述以均數(shù)±標準差表示，組間比較采用獨立樣本t 檢驗；如果數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布，則采用非參數(shù)檢驗，統(tǒng)計描述以中位數(shù)。以P＜0.05 為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。根據(jù)Schaefer2018_300Parcels 圖譜的300 個腦區(qū)劃分成7 大腦網(wǎng)絡(luò)，然后對其平均時間序列兩兩進行Pearson 相關(guān)系數(shù)分析。

結(jié)果

1.人口統(tǒng)計學(xué)信息

AUD 組日均飲酒量（純乙醇質(zhì)量）范圍100～336 g[（204.69±69.42）g]，飲酒年限4～43 年[（21.92±11.17）年]，主要為中高度白酒系列。兩組被試在年齡、受教育年限方面無顯著的統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05），然而在MMSE 和MoCA 評分方面顯著偏低（P＜0.0001），即認知功能存在不同程度障礙（表1）。

表1 人口統(tǒng)計學(xué)信息和臨床量表得分結(jié)果分析（）

表1 人口統(tǒng)計學(xué)信息和臨床量表得分結(jié)果分析（）

注：數(shù)據(jù)描述為平均值±標準差；*：具有顯著性差異；-：無法獲取

2.功能連接

首先計算AUD 和HC 兩組的組內(nèi)平均，根據(jù)Schaefer2018_300Parcels 圖譜的300 個腦區(qū)劃分成7 大腦網(wǎng)絡(luò)，分左右半球側(cè)別。雖然沿著對角線可見AUD 和HC 具有典型的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)強連接，但依然呈現(xiàn)不同的連接模式（圖1）。

圖1 AUD 組與HC 組組內(nèi)功能連接差異圖（Schaefer2018_300Parcels 圖譜）。a)AUD 組組內(nèi)功能連接差異圖；b)HC 組組內(nèi)功能連接差異圖 圖2 AUD 組與HC 組組間功能連接差異圖。a)功能連接矩陣；b)環(huán)形連接圖；c)3D 立體呈現(xiàn)組間功能連接差異，功能連接減低（藍色）、功能連接增強（橙黃色）。環(huán)形連接圖中紫色長箭所示為網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)連續(xù)的Cluster 序號排列。SMN：感覺運動網(wǎng)絡(luò)；DAN：背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)；SN：突顯網(wǎng)絡(luò)；DMN：默認網(wǎng)絡(luò)

組間差異比較提示AUD 呈現(xiàn)顯著的功能連接減低，特別是在感覺運動網(wǎng)絡(luò)（sensorimotor network，SMN）、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（dorsal attentional network，DAN）、SN 及DMN。此外，在AUD 內(nèi)DMN與SN 之間的功能連接增強。這些結(jié)果分別用功能連接矩陣、環(huán)形連接圖及3D 呈現(xiàn)顯示（P＜0.05，連邊FDR 校正）（圖2）。

討論

本研究采用BOLD 的rs-fMRI 研究AUD 大尺度腦網(wǎng)絡(luò)功能連接，分析長期過量飲酒對腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和腦網(wǎng)絡(luò)間的相互影響，以期在腦網(wǎng)絡(luò)水平更好地理解AUD 神經(jīng)生理學(xué)機制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)AUD組和HC 組均具有典型的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)強連接，但呈現(xiàn)不同的連接模式。組間差異分析揭示AUD 呈現(xiàn)顯著的功能連接減低，特別是在SMN、DAN、SN 及DMN。此外，在AUD 內(nèi)DMN 與SN 之間的功能連接增強。

空間位置不同的腦區(qū)通過白質(zhì)纖維束相互連接、相互作用，構(gòu)成了復(fù)雜的大腦網(wǎng)絡(luò)，正是基于這種相互作用來協(xié)調(diào)完成各項腦功能活動；而腦功能網(wǎng)絡(luò)是基于不同腦區(qū)間BOLD 成像序列在時間維度上的相關(guān)性來構(gòu)建，同步的大腦區(qū)域活動通常被稱為網(wǎng)絡(luò)。通過大腦自發(fā)活動評估區(qū)域內(nèi)和區(qū)域間水平的相關(guān)性，已被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)成癮以 及其他腦功能疾病的研究［23,24］。Raichle 等［25］于2001 年提出了一種未知網(wǎng)絡(luò)，即在靜息狀態(tài)時活躍，而在任務(wù)態(tài)時呈負激活，并將其命名為DMN，主要包括后扣帶回、楔前葉、內(nèi)側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)顳葉、部分小腦等腦區(qū)［5］。雖然目前對大腦DMN的確切意義仍未完全明了，但一般認為其涉及自我參照、情景記憶的提取、對周圍環(huán)境的監(jiān)控、持續(xù)進行的認知與情感過程有關(guān)［26,27］。在DMN 中，處于靜息態(tài)下楔前葉、后扣帶回的代謝率較高，被認為是DMN 的重要節(jié)點，對整體DMN 的腦區(qū)功能協(xié)調(diào)與資源分配起著關(guān)鍵作用。本研究發(fā)現(xiàn)組間DMN 功能連接減低，這與先前的研究結(jié)果不謀而合［28,29］。DMN 的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)連接改變，有學(xué)者提示可作為預(yù)測酗酒者酒精使用嚴重程度的潛在生物學(xué)標志物［30,31］。

筆者最近的一項基于體素的鏡像同倫功能連接研究也印證AUD 者局部鏡像同倫功能連接缺失腦區(qū)和其他區(qū)域間的連接遭到破壞，特別是參與DMN、SN、主要軀體運動和語言系統(tǒng)的腦區(qū)［5］。因為酒精的神經(jīng)毒性效應(yīng)會對大腦功能網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間的同步性造成破壞，腦功能連接的下調(diào)（如DMN 功能連接減低，腦功能分離）使患者對活性物質(zhì)相關(guān)記憶和獎賞效應(yīng)增強、自我監(jiān)測功能減弱，從而導(dǎo)致AUD 的發(fā)生，出現(xiàn)臨床癥狀及神經(jīng)心理與行為障礙。本研究采用MMSE、MoCA 量表測評發(fā)現(xiàn)患者組的總分值明顯偏低，與對照組的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，提示本組AUD 患者存在較差的認知功能障礙［32］。另外，因本組患者長期大量飲酒，酒精持續(xù)性使用的累積效應(yīng)可能會導(dǎo)致成癮相關(guān)環(huán)路與腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的完整性受損［33］，這或許是AUD 發(fā)病機制和臨床癥狀的神經(jīng)病理基礎(chǔ)。

除了組間DMN 功能連接減低以外，本研究還發(fā)現(xiàn)DMN 與SN 之間的功能連接增強，這與多數(shù)研究結(jié)果不一致。雖然郭靈紅等［34］、喻婷婷等［35］指出楔前葉、后扣帶回功能連接增強，這是DMN內(nèi)部的功能連接增強，而不是DMN 外部的功能連接增強。Menon 等［36］提出的精神病學(xué)三重網(wǎng)絡(luò)模型，表明DMN、SN、中央執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)之間的動態(tài)交互作用是大腦各種認知功能完成的基礎(chǔ)。又有研究指出SN 在具有共同節(jié)點的腦網(wǎng)絡(luò)靜息狀態(tài)和激活狀態(tài)間進行切換，例如可以控制DMN 到其他腦網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換［37］。功能連接增加可以理解為一種重要的功能代償機制，也認為是大腦遭受創(chuàng)傷后一種自我修復(fù)的神經(jīng)機制，但大腦是一個高度分化、協(xié)調(diào)合作的中樞神經(jīng)結(jié)構(gòu)，各部分腦區(qū)的功能是既定的，損傷腦區(qū)鄰近的腦組織為了彌補缺失的功能表現(xiàn)出代償作用，但功能代償具有一定的限度，當(dāng)超過其代償范圍則出現(xiàn)臨床癥狀及認知障礙。同時Park 等［38］指出AUD 楔前葉等腦區(qū)與對酒精的渴求相關(guān)，并認為這是因為楔前葉的情景記憶提取功能異常所致。酒精使用的情景相關(guān)記憶被激活，并在楔前葉內(nèi)進行再加工，當(dāng)AUD 患者接觸到酒精相關(guān)線索刺激時，因楔前葉的情景記憶提取功能障礙，將原屬于線索性質(zhì)的酒精攝入刺激混淆為條件刺激［39］，從而導(dǎo)致飲酒行為，推測這可能是AUD 患者長期成癮及戒斷后復(fù)發(fā)的原因。大腦功能連接的減弱或增強，被認為是臨床癥狀和認知能力障礙的一種病理基礎(chǔ)，為探討AUD 發(fā)病機制提供了有參考價值的神經(jīng)生理學(xué)依據(jù)。

雙側(cè)半球?qū)ψ⒁夤δ艿募庸な遣粚ΨQ的，正常個體的注意網(wǎng)絡(luò)向左側(cè)半球偏側(cè)化有利于定向功能［40］。fMRI 研究表明，AUD 患者具有更高的酒精線索誘發(fā)注意偏向［41,42］。同時一些神經(jīng)心理學(xué)研究的結(jié)果表明，AUD 患者的注意損害與酒精使用復(fù)發(fā)者之間存在相關(guān)性，這可以作為戒酒成功的預(yù)測指標［43］。本研究發(fā)現(xiàn)DAN 功能連接減低，這與先前的研究結(jié)果較為一致［44,45］。DAN 又稱作視空間注意網(wǎng)絡(luò)或者任務(wù)正網(wǎng)絡(luò)（task-positive network，TPN），與DMN 相互拮抗，其主要功能是提供自上而下的注意定向。當(dāng)DAN 激活時，人們往往處于一種高度專注的狀態(tài)來保證某項任務(wù)的完成。因此推測長期飲酒可能是通過抑制目標相關(guān)信息的加工能力和阻礙額頂葉回路來影響注意力［46］。

筆者也發(fā)現(xiàn)SN、SMN 功能連接減低，國內(nèi)外的學(xué)者也得出了類似的結(jié)果。一項關(guān)于靜息態(tài)動態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)連通性的研究表明，以突顯-感覺-運動網(wǎng)絡(luò)為特征的連通效率降低［47］。另外，Gorka 等［48］、Grodin 等［49］和Sullivan 等［50］指出酒精導(dǎo)致作為SN關(guān)鍵節(jié)點的前島葉、背側(cè)前扣帶回灰質(zhì)體積減小、血流灌注減低以及兩者間的功能連接減低，推測這可能與情緒信息的檢查與評估、記憶功能障礙、個體行為沖動性有關(guān)，相互印證了SN 在物質(zhì)使用障礙發(fā)生、進展、預(yù)后等過程中的重要作用。酒精之于SMN 影像的文獻相對較少，但少部分研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)前酒精暴露患兒導(dǎo)致SMN與DMN 的功能連接減低［51］，也與本研究相契合，提示可能是因為SMN 與SN、DMN、DAN 等腦網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接異常來間接發(fā)揮酒精對大腦功能及認知的影響。

需要指出的是本研究也存在一定局限性：基于性別、酒精之于腦結(jié)構(gòu)與功能的影響存在交互作用，且酒精對于女性大腦的影響可能會更大［52］，因此本研究只納入男性患者，沒有納入女性患者。筆者評估了AUD 靜息態(tài)下全腦功能連接模塊（組內(nèi)及組間）改變，未涉及腦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；另外，有研究表明靜息態(tài)功能連接性具有隨時間動態(tài)變化的特點［53］，因此開展基于AUD 者動態(tài)腦功能連接方法的分析很有意義；最后，本研究使用的是Schaefer 2018_300 圖譜分割整個大腦皮層（劃分300 個區(qū)域），分割方案的差異可能會導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的輕微變化［54］，對比其他分割方案是否具有相同的發(fā)現(xiàn)也值得進一步探討和驗證。

如上所述，本研究結(jié)果表明長期過量飲酒可能打破了腦網(wǎng)絡(luò)水平的層次結(jié)構(gòu)，造成信息整合、傳輸網(wǎng)絡(luò)的改變和功能網(wǎng)絡(luò)的重組。AUD 患者腦功能網(wǎng)絡(luò)連接異常，提示腦功能分離，這些發(fā)現(xiàn)擴展了先前的研究，并在腦網(wǎng)絡(luò)視角下為探討其發(fā)病機制提供了神經(jīng)影像學(xué)依據(jù)。