獨立成分分析觀察不同性別正常人靜息態聽覺網絡差異

孫桂洋，陳井亞，馮源，張玲玲，陸照璇，陳碩楠，劉斌

(1.東南大學醫學院，江蘇南京 210009;2.東南大學附屬中大醫院放射科，江蘇 南京 210009)

腦功能聽覺網絡研究中較少關注性別差異對聽覺網絡的影響［1-2］，對這種可能存在差異的忽略可能是近年來腦功能研究可重復性較低的一個原因。獨立成分分析(ICA)方法是近年來腦功能研究的熱點［3］，這種腦功能數據分析方法具有不需要先驗假設的盲源性，在多種疾病研究中均得到了廣泛的應用。本實驗采用ICA方法來觀察正常男性及女性人群的靜息態聽覺網絡，并觀察兩者之間可能存在的差異，為下一步的研究提供依據。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2012年6月到10月間搜集健康受試者40例，按性別分為兩組，其中男20名，女20名。兩組受試者年齡(20～62歲)匹配，平均(35.8±4.2)歲。所有受試者純音聽閾測試均正常，身體均健康，無神經系統疾病史，均為右利手。實驗設計方案經東南大學附屬中大醫院倫理委員會論證并同意，所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

采用Simens Verio 3.0T MR，標準12通道頭部線圈。受試者仰臥，保持靜息狀態，頭部兩側用海綿墊固定，以減少頭部運動。首先使用SE序列獲得36層T1WI解剖圖像，掃描參數:TR 2 000 ms，TE 9 ms，層厚4 mm，無間距，FOV 240 mm ×240 mm，矩陣320×320。然后采用EPI序列在與T1WI相同的層面進行BOLD圖像采集，掃描參數:TR 2 000 ms，TE 25 ms，翻轉角90°，層厚4 mm，無間距，FOV 240 mm ×240 mm，矩陣64×64。掃描時間486 s。同時對每個受試者行全腦容積掃描以獲得全腦3D圖像，掃描參數:TR 1 900 ms，TE 2.48 ms，翻轉角9°，FOV 256 mm ×256 mm，矩陣256 ×256，層數176，層厚1 mm，無間距。掃描過程中囑受試者閉眼不動并保持清醒狀態。

1.3 數據預處理

使用DPARSF軟件(http://www.restfmri.net)在MATLAB平臺下進行數據預處理。為得到穩定的BOLD信號，將每個受試者的前10個時間點數據去掉，然后對剩余數據進行時間和頭動校正，再標準化到蒙特利爾神經病學研究所(MNI)坐標空間并重新采樣到每體素3 mm×3 mm×3 mm。然后將標準化后的功能數據采用濾波尺寸為6 mm的各向同性高斯濾波器進行空間平滑，為了減小高頻生理噪聲的影響，對數據均進行帶寬為0.01～0.08 Hz的帶通濾波。最后，利用線性回歸的方法將頭動校正參數、全腦信號、腦白質和腦脊液信號從功能數據中去除。

1.4 數據分析

采用GIFT軟件(http://icatb.sourceforge.net/)對兩組受試者預處理后的數據進行ICA組分析，選擇分離50個獨立成分，對分離出的各成分結果歸一化為Z值，得到50個獨立的腦區激活分布圖和相應的時間序列。Z值代表的是單個體素的時間序列與整個成分的時間序列的相關度，Z值越大，相關性越強。在分離出的50個獨立成分內選擇聽覺網絡成分采用SPM8軟件進行統計分析，組內分析采用單樣本T檢驗，FDR校正，P＜0.05，最小激活體素為30;組間分析采用雙樣本T檢驗，Alphasim矯正(Mask file:Brain Mask_05_61×73×61)，P＜0.005，最小激活體素為26。最終獲得兩組受試者靜息態聽覺網絡及兩者之間的差異腦區圖。

2 結 果

2.1 組內比較

兩組受試者組內分析所獲取靜息態聽覺網絡腦區，男性組包括雙側的顳葉(含顳上回)、顳中回、顳下回及島葉、雙側扣帶回;女性組包括顳上回、顳中回、顳下回及島葉，兩組激活范圍主要位于雙側聽覺中樞，即顳上回區(表1，圖1、2)。

表1 獨立成分分析所獲取兩組受試者靜息態聽覺網絡分布Tab 1 Resting-state auditory brain area of two groups acquired by ICA analysis

圖1 獨立成分分析提取男性組靜息態聽覺網絡分布圖(色條圖為T值)Fig 1 Resting-state auditory network of male group acquired by ICA analysis(color bar represents T value)

圖2 獨立成分分析提取女性組靜息態聽覺網絡分布圖(色條圖為T值)Fig 2 Resting-state auditory network of female group acquired by ICA analysis(color bar represents T value)

2.2 組間比較

兩組間差異腦區主要包括右側顳上回，左側海馬及其周圍區域，左側額中下回(表2，圖3)。

表2 兩組受試者靜息態聽覺網絡差異腦區分布Tab 2 The different brain area between two groups

圖3 兩組受試者靜息態聽覺網絡差異腦區分布圖(色條圖為T值)Fig 3 The different auditory network between two groups(color bar represents T value)

3 討 論

3.1 ICA方法觀察靜息態聽覺網絡的有效性

以往關于聽覺靜息態的腦功能研究大部分采用種子點相關的分析方法［4］，但聽覺皮層在人腦中具有相對對稱的分布特點，在這種情況下，種子點的選擇成為難點之一，不同的種子點選擇所獲取的功能網絡具有不同的分布特點，而同時選擇雙側聽覺皮層區域內的種子點又給后期的統計分析帶來了很大的工作量，增加了運算的復雜性及其可信程度。ICA方法在近幾年腦功能研究中日益成為熱點［5］，與種子點分析法不同的是，ICA不需要預先選擇種子點進行處理分析，而是在全腦尋找空間上信號相對獨立的腦區，這些腦區被定義為靜息態功能網絡，它能夠在全腦范圍內獲得信號上相對獨立的成分，這些成分可以很簡單地進行組內及組間分析。這種分析方法的盲源性使研究者即使無任何先驗假設，也可以對噪聲和各種功能信號進行分離。

董國珍等［6］利用種子點分析方法對ICA方法定位的準確性進行驗證，結果證實ICA方法可以準確地分離出聽覺系統，且在解剖定位上與種子點分析法高度一致。本研究男性和女性兩組受試者的組內分析結果表明，靜息態默認網絡均位于雙側初級及次級聽覺皮層，即雙側顳葉及相鄰的島葉，雙側的扣帶回等區域，這與本小組前期采用種子點分析方法所獲取的結果［7］一致，表明ICA方法可以有效地獲取受試者的靜息態聽覺網絡。

ICA方法同樣具有其限制性，在ICA數據處理過程中，獨立成分數量的選擇以及對目標網絡的選取均會對結果造成一定的影響。本研究對兩組受試者均選擇相同的50個獨立成分數量，并依照本小組前期的實驗結果選取匹配程度最佳的靜息態聽覺網絡，以最大程度減少該方法對結果可能造成的影響。

3.2 靜息態聽覺網絡的性別差異

很多生理學及神經科學學者進行試驗研究時，都基于人類感覺系統功能并無性別相關差異的假設，大部分科研工作未關注性別差異對感覺功能的影響。事實上，男性和女性對環境和周圍事物的感知是有差異的。我們假設這種差異源自于腦功能網絡的差異性，基于這種假設，我們進行了這項研究。

本研究結果表明，男性和女性靜息態聽覺網絡具有差異，男性組較女性組激活減低的腦區主要位于右側顳上回后部以及左側額中下回。顳上回后部的主要功能［8］是整合聽覺刺激，并進一步加工處理，再傳導至聽覺中樞，而額中回、額下回的主要功能是情緒以及感知的調節。與男性相比女性在這些腦區激活較高表明，女性的情緒以及感知功能腦區部分參與了聽覺信息的整合過程，從而可能導致女性對聽覺信息具有較多的情緒理解，對周圍環境具有更加感性的感知過程，而這種感知源自于信息的加工處理及整合過程。這與國外學者［9］的研究一致。同時，男性在海馬及其周圍區域具有更強的激活，海馬及其周圍區域具有短時記憶功能。此外，Teki等［10］近期研究表明，海馬區與顳上回功能上具有聯合性，共同參與復雜聲音感知，這種感知基于海馬所存在的記憶模板及經驗性依賴記憶。這表明，男性可能具有更多的腦區參與對聽覺信息的理解及記憶能力，從而積累更多的經驗性信息，以對周圍的環境具有更加強大的適應性。同時，在組內分析時男性組雙側扣帶回有激活，女性組該區域未見明顯激活，但在組間統計分析時該區域在兩組之間并未見明顯差異，結合本小組及以往研究者的實驗結果［7，11］，以種子點相關方法獲取的男性及女性受試者均可見雙側扣帶回的激活，這表明在女性組可能雙側扣帶依然參與了聽覺網絡的功能，但聯絡程度稍低，故組間統計學分析未見明確差異。我們在后續實驗中將加大樣本量并進一步驗證這種假設。

我們的研究表明，聽覺網絡在正常人不同的性別之間有差異。這種差異不僅僅存在于聽覺中樞，而且存在于與聽覺中樞聯合參與聽覺感知的腦區如海馬、額葉等區域。同時，我們的研究年齡跨度較大(20～62歲)以及受試者數量較少，而這種年齡的跨度及數量可能會影響到最終的結果，我們將在后續的實驗中予以完善。

總之，應用ICA方法可以滿意地獲取人腦的靜息態聽覺網絡，而且可以滿意地觀察到男女性別聽覺網絡之間的差異，這些差異可能與不同性別之間對周圍環境的感知不同相關。

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