基于纖維束空間統(tǒng)計(jì)學(xué)的吸煙成癮青少年左右腦白質(zhì)不對稱研究

張曉花，王憲福，陳雅靜，謝東東，劉暢，喻大華

內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014010

前言

煙草中含有大量的尼古丁，長時(shí)間的尼古丁攝入會(huì)嚴(yán)重危害人體身體健康，引起神經(jīng)生理上的改變和認(rèn)知控制能力的下降，進(jìn)而影響其工作和學(xué)習(xí)［1-3］。煙草危害已經(jīng)成為世界上最為嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題之一，我國在2012年發(fā)布的官方報(bào)告《中國吸煙危害健康報(bào)告》中指出，全球每年有高達(dá)600多萬人死于煙草疾病，而中國又是世界上最大的煙草消耗國，每年因吸煙所致的死亡人數(shù)高達(dá)100萬［4］，這已經(jīng)引起了全世界研究者的高度關(guān)注［5-7］。先前有研究發(fā)現(xiàn)，青少年時(shí)期的前額葉皮層的發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜而又持續(xù)的非線性變化過程，而且腦白質(zhì)的發(fā)育還不成熟，受環(huán)境的影響作用比較大，很容易嘗試接觸香煙，他們對尼古丁的刺激很敏感［8-10］。研究發(fā)現(xiàn)吸煙成癮者的大腦灰質(zhì)出現(xiàn)了異常結(jié)構(gòu)變化［7,11-12］，部分腦區(qū)白質(zhì)的功能和結(jié)構(gòu)的完整性發(fā)生變化［12-14］。然而卻很少有學(xué)者研究青少年吸煙成癮大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不對稱性變化。通過采用基于纖維束的空間統(tǒng)計(jì)學(xué)研究（Tract-Based Spatial Statistics,TBSS）分析方法來觀察吸煙成癮青少年大腦白質(zhì)出現(xiàn)左右異常不對稱的腦區(qū)，為吸煙成癮者的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化規(guī)律和神經(jīng)機(jī)制提供更多證據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

該研究已得到內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。參與到本次研究中的吸煙成癮青少年全部篩選自包頭市當(dāng)?shù)卦盒５脑谛４髮W(xué)生（男性，年齡18～25歲，漢族，教育程度為本科）。在實(shí)驗(yàn)開始之前，我們詳細(xì)告知了所有被試及其家屬該實(shí)驗(yàn)研究的目的、實(shí)驗(yàn)的流程、可能會(huì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)和軀體的不適感。所有的被試均自愿參與本研究并在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集之前簽署了知情同意書。

前期我們通過填寫問卷調(diào)查的形式篩選了大約3 000名學(xué)生，并根據(jù)美國《精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊》第5版（DSM-V）中關(guān)于尼古丁依賴診斷標(biāo)準(zhǔn)篩選出了符合要求并愿意參與到本研究中的23名青少年吸煙成癮者。主要的納入標(biāo)準(zhǔn)如下:（1）吸煙者的吸煙年限≥2年，每天吸煙的根數(shù)≥10根；（2）在過去沒有嘗試過3個(gè)月以上的戒煙行為，并且除了煙草以外，沒有其它任何物質(zhì)（如酒精）成癮的歷史；（3）香煙的效應(yīng)不斷減弱，需要增加吸煙量來獲得相同的效應(yīng)等。被試的排除標(biāo)準(zhǔn)包括：患有有幽閉恐懼癥，有精神性疾病的癥狀，伴有除尼古丁外的藥物依賴史，有腦器質(zhì)性及嚴(yán)重的軀體疾病，有顱腦損傷史，癲癇病或家族中有癲癇病史者，磁共振掃描前2周內(nèi)仍在接受藥物治療的患者，非漢族，年齡不在18～25周歲之間。被試不滿足以上其中的一條即不符合我們的被試篩選要求。此外，所有的被試者要求：無磁共振檢查禁忌，磁共振檢查未發(fā)現(xiàn)腦結(jié)構(gòu)異常。所有受試者均填寫了愛丁堡利手問卷、吸煙者尼古丁依賴量表（Fagerstrom Test for Nicotine Dependence,FTND）和簡單渴求量表，我們根據(jù)問卷調(diào)查篩選出的被試均為右利手，F(xiàn)TND程度分?jǐn)?shù)≥6分，對煙草的渴求比較強(qiáng)烈。被試的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)信息詳見表1。

1.2 研究方法

彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging,DTI）技術(shù)是目前唯一一種可在活體中無損觀察腦白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的方法。TBSS分析方法能夠準(zhǔn)確分析多個(gè)DTI參數(shù)，其中分?jǐn)?shù)各向異性（Fractional Anisotropy,FA）是使用最廣泛的彌散參數(shù)，它的數(shù)值大小表征了白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的完整性。

表1 成癮青少年人口學(xué)資料Tab.1 Demographic data of young smokers

1.3 數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)的所有DTI數(shù)據(jù)均采自包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院核磁共振室中的飛利浦3.0 T核磁共振掃描儀，該掃描儀采用的是8通道的正交頭部線圈。我們要求被試在掃描前一天要有良好的睡眠，禁止攝入酒精，掃描前使用一氧化碳（CO）測量儀測量被試呼出氣體的CO濃度并要求CO濃度≥10 ppm。掃描時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)的頭部成像體位，被試要仰臥并且頭先進(jìn)入，雙手放在身體兩側(cè)，人體長軸與床面長軸一致，定位中心要位于鼻根或眉間。擺位時(shí)，肩部必須靠近線圈，頭頂部在線圈內(nèi)，左右居中，用柔軟的泡沫墊固定住被試的頭部以減少掃描過程中因頭部的運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的偽影。整個(gè)掃描過程都由專業(yè)的醫(yī)師來操作。掃描時(shí)先確定定位像和T1結(jié)構(gòu)像，然后再進(jìn)行DTI圖像的掃描。DTI圖像數(shù)據(jù)掃描過程中采用單次激發(fā)平面回波成像序列技術(shù)（45個(gè)連續(xù)軸向切片，層厚=3mm，重復(fù)時(shí)間（TimeRepeat,TR）=6800ms，回波時(shí)間（TimeEcho,TE）=70ms，數(shù)據(jù)矩陣=128×128，視場（FOV）=（240×240）mm2。擴(kuò)散敏化梯度沿著32個(gè)非共線方向（b=1 000 s/mm2）并且沒有彌散加權(quán)（b=0 s/mm2）的采集。在掃描過程中，需要提醒被試保持清醒。

1.4 圖像后處理

本研究中DTI圖像數(shù)據(jù)的處理和分析使用的是FMRIB軟件包FSL5.0.0（美國牛津大學(xué),http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl）［15］。FSL是分析FMRI、MRI和DTI圖像數(shù)據(jù)的綜合分析工具包庫。首先是對原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括：將DICOM格式的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成NIFTI的nii.gz格式的數(shù)據(jù)；提取b0圖像并確定mask；使用FMRIB'S彌散工具FDT 2.0進(jìn)行渦流頭動(dòng)校正；使用FSL中腦組織提取工具BET 2.1進(jìn)行腦提取；使用FDT生成彌散數(shù)據(jù)FA、平均彌散率（Mean Diffusivity,MD）、第一特征值圖L1、第二特征值圖L2、第三特征值圖L3等，使用fslmaths命令行張量計(jì)算，其中第一特征值圖L1就是軸向彌散率（Axial Diffusivity,AD），徑向彌散率（Radial Diffusivity,RD）是第二特征值圖L2與第三特征值圖L3通過(L2+L3)/2計(jì)算得來的，此時(shí)計(jì)算出來的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均是個(gè)體空間下的，并沒有配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間里面。見圖1。

圖1 DTI數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.1 Pretreatment process of diffusion tensor imaging data

然后是進(jìn)行TBSS的處理分析：首先需要數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，并在研究目錄下，創(chuàng)建一個(gè)TBSS文件并將所有被試個(gè)體空間下的FA圖像拷入到這個(gè)文件中；TBSS預(yù)處理將FA圖像轉(zhuǎn)換為后面配準(zhǔn)需要的分析格式；因?yàn)楸辉嚨念^部大小不一致，所以我們需要運(yùn)用非線性配準(zhǔn)將所有被試的FA圖像對齊，將它們非線性配準(zhǔn)到FMRIB58-FA標(biāo)準(zhǔn)空間模板上然后對準(zhǔn)到MNI標(biāo)準(zhǔn)空間；創(chuàng)建閾值為0.2的平均FA圖像和FA骨架；每個(gè)被試的FA圖像都要配準(zhǔn)到這個(gè)平均FA骨架上，之后使用randomise工具做基于骨架FA數(shù)據(jù)的體素水平的統(tǒng)計(jì)分析。接下來使用non_FA圖像協(xié)議運(yùn)算，AD、RD、MD的圖像也被對準(zhǔn)到MNI空間并投影到平均FA骨架上。然后再進(jìn)行跟FA同樣流程的體素水平的統(tǒng)計(jì)分析，找出腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的左右差異。該統(tǒng)計(jì)使用了帶有的FEW校正的無閾值聚類增強(qiáng)（Treshold Free Cluster Enhancement,TFCE）多重比較（P＜0.05,5 000次迭代）。進(jìn)行完以上處理之后，最后我們進(jìn)行左右腦白質(zhì)的不對稱研究：首先使用tbss_sym腳本，將FA（AD、RD、MD）數(shù)據(jù)進(jìn)行對稱分析，生成均值FA圖，將其鏤空生成初始的對稱骨架，對其進(jìn)行翻轉(zhuǎn)生成平均FA對稱骨架數(shù)據(jù)、骨架掩膜圖和距離圖。然后將所有被試的FA數(shù)據(jù)投射到對稱的骨架上，這就生成了最終的對稱骨架；因?yàn)檫@個(gè)骨架是完全對稱的，所以，將這個(gè)對稱骨架數(shù)據(jù)進(jìn)行左右翻轉(zhuǎn)并相減。因在圖像的左側(cè)和右側(cè)存在相同的信息（倒置），所以只留下右側(cè)的數(shù)據(jù)，接下來運(yùn)行隨機(jī)分析來測試這些數(shù)據(jù)是否顯著大于零，以上就是大腦結(jié)構(gòu)左側(cè)腦白質(zhì)大于右側(cè)腦白質(zhì)即L＞R的測試。反轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)并重新運(yùn)行randomise，便可測試R＞L，最后在fslview中便可查看差異。見圖2。

圖2 不對稱的分析流程Fig.2 Asymmetric analysis process

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在fslview中觀察在TFCE校正后P＜0.05顯著水平下的結(jié)果圖，觀察差異值在0.95～1.00之間的結(jié)果，對白質(zhì)纖維中顯示出顯著差異的腦區(qū)進(jìn)行觀察并將檢驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)異常的腦區(qū)作為感興趣區(qū)，提取FA、AD和RD在結(jié)果圖中差異值并在SPSS軟件中進(jìn)行一系列的Pearson's雙變量相關(guān)分析，檢查這些重疊腦區(qū)域的差異值與FTND和吸煙指數(shù)包年（Pack-year）的累積效應(yīng)之間的相關(guān)性。

2 結(jié)果

通過分析，我們發(fā)現(xiàn)青少年吸煙成癮者的腦白質(zhì)在放射冠前部、內(nèi)囊、大腳腦、胼胝體壓部、胼胝體部等腦區(qū)的腦白質(zhì)FA值呈現(xiàn)L＞R的顯著不對稱差異；在放射冠前部和上部、內(nèi)囊前肢、外囊、胼胝體膝部和壓部等腦區(qū)的FA值呈現(xiàn)R＞L的顯著不對稱差異（FWE校正后P＜0.05)。見圖3和圖4。在胼胝體部和放射冠上部AD值表現(xiàn)出了L＞R的顯著不對稱差異；在胼胝體部和膝部、放射冠前部和上部表現(xiàn)出了AD值R＞L顯著不對稱差異。見圖5。

Pearson相關(guān)分析顯示胼胝體膝部的FA與FTND呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（r=0.678,P=0.000）；放射冠前部的AD與Pack-year呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（r=0.493,P=0.017）。在放射冠前部（r=0.477,P=0.021）、胼胝體部（r=0.431,P=0.040）、胼胝體膝部（r=0.429,P=0.041）這些腦區(qū)的AD值與FTND呈顯著正相關(guān)；胼胝體壓部的AD值與FTND呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.450,P=0.031）。見圖6和圖7。

圖3 FA值在放射冠前部、內(nèi)囊后肢、內(nèi)囊前肢、大腳腦、胼胝體壓部、胼胝體部表現(xiàn)出的L＞R的不對稱Fig.3 L＞R asymmetry of fractional anisotropy(FA)values in anterior corona radiata,the anterior and posterior limbs of internl capsule,cerebral peduncle,and the splenium and body of corpus callosum

圖4 FA值在放射冠前部、內(nèi)囊前肢、外囊、胼胝體膝部、胼胝體壓部和放射冠上部表現(xiàn)出的R＞L的不對稱Fig.4 R＞L asymmetry of FA values in anterior corona radiata,the anterior limb of internl capsule,external capsule,the genu and splenium of corpus callosum,and superior corona radiata

圖5 上部為AD值在胼胝體部、胼胝體膝部、胼胝體壓部和放射冠上部表現(xiàn)出的L＞R的不對稱；下部為AD值胼胝體部、胼胝體膝部、放射冠前部和放射冠上部表現(xiàn)出的R＞L的不對稱Fig.5 The upper row of images showed left brain white matter structure larger than the right(L＞R)asymmetry of axial diffusivity(AD)values in the body,genu and splenium of corpus callosum,and superior corona radiata;and the below images showed R＞L asymmetry of AD value in the body,genu and splenium of corpus callosum,anterior corona radiata,and superior corona radiatia.

3 討論

圖6 吸煙成癮組胼胝體膝部FA值與FTND呈正相關(guān)(a)；放射冠前部AD值與pack-year呈正相關(guān)(b)Fig.6 Positive correlations between FA value of the genu of corpus callosum and FTND results(a)and between AD value of anterior corona radiata and Pack-year(b)

圖7 放射冠前部（a）、胼胝體部（b）和胼胝體膝部（c）AD值與FTND呈正相關(guān)；胼胝體壓部（d）AD值與FTND呈負(fù)相關(guān)Fig.7 Correlations between AD values and FTND results in anterior corona radiate(a),the body of corpus callosum(b),the genu of corpus callosum(c),and the splenium corpus callosum(d)

之前的研究揭示了健康不吸煙群體的大腦白質(zhì)纖維本身就存在著左與右的不對稱［16］，并且有人提出該神經(jīng)解剖學(xué)的不對稱與功能性側(cè)位相關(guān)，如Geschwind和Levitsky在1968年提出了顳平面左大于右的不對稱性［17］，Toga和Thompson 在2003年驗(yàn)證了他們的研究［18］。研究發(fā)現(xiàn)吸煙這一行為對左側(cè)腦白質(zhì)的破壞程度要大于右側(cè)腦白質(zhì)。本研究通過采用TBSS分析方法并結(jié)合DTI技術(shù)，觀察青少年吸煙成癮者的腦白質(zhì)的左右結(jié)構(gòu)的異常不對稱變化，所得參數(shù)中，F(xiàn)A值反映了白質(zhì)纖維束的完整性，AD值反映了沿主要擴(kuò)散方向的擴(kuò)散幅度。通過分析我們發(fā)現(xiàn)，吸煙不僅導(dǎo)致胼胝體、放射冠、內(nèi)囊等腦白質(zhì)纖維束的完整性受到破壞，而且大腳腦、內(nèi)測丘系白質(zhì)結(jié)構(gòu)也發(fā)現(xiàn)了顯著性不對稱，這是之前的研究沒有發(fā)現(xiàn)的。研究發(fā)現(xiàn)吸煙這一行為對左側(cè)腦白質(zhì)的破壞程度要大于右側(cè)腦白質(zhì)，這也進(jìn)一步證明了吸煙會(huì)導(dǎo)致左右腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變［19］。雙變量相關(guān)分析結(jié)果顯示，在胼胝體部，胼胝體膝部，放射冠前部左大于右（L＞R）的AD值與FTND呈顯著性正相關(guān)，表明胼胝體部與膝部和放射冠前部的白質(zhì)完整性隨著FTND值的增加，白質(zhì)纖維的完整性受損程度隨之增加，這與之前的研究結(jié)果相似［20］。胼胝體壓部右大于左（R＞L）的AD值與FTND呈顯著性負(fù)相關(guān)。大量的研究證明了白質(zhì)纖維的損壞程度與吸煙的嚴(yán)重程度有關(guān)，本研究結(jié)果顯示放射冠前右大于左（R＞L）的AD值與吸煙者的Pack-year指數(shù)呈顯著性正相關(guān)，表明該腦區(qū)的白質(zhì)AD的改變與吸煙的數(shù)量相關(guān)。通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，吸煙對胼胝體的腦白質(zhì)的不對稱結(jié)構(gòu)影響較大，這與之前的研究有相似之處［21］。胼胝體是大腦中連接左右半球的主要纖維束，是雙邊大腦之間傳遞信息的橋梁，并且對于完成雙側(cè)的運(yùn)動(dòng)、感覺與視覺的協(xié)調(diào)功能有著重要的作用［22］。本研究中的FA值隨著香煙的攝入增加，這與之前的研究相矛盾［20-21］，造成這種差異的原因可能是青少年吸煙成癮的年限較短。之前的研究發(fā)現(xiàn)從青少年到成年這段時(shí)期，白質(zhì)的變化是非線性的，白質(zhì)的發(fā)育對香煙的刺激比較敏感。

綜上所述，吸煙成癮青少年的白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)在部分腦區(qū)顯示出了異常的左右不對稱性，且放射冠前部、胼胝體的白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的不對稱異常變化與FTND呈顯著性相關(guān)，且放射冠前部的不對稱變化與Pack-year呈顯著性相關(guān)。該變化為重度吸煙導(dǎo)致的腦白質(zhì)病理性變化提供了非常有價(jià)值的信息，能夠?yàn)槲鼰煶砂a的戒斷提供有效的預(yù)防和治療。另外本研究還存在一些局限性，首先參與該研究的被試數(shù)量較少，因此該研究結(jié)果需要在更大的群體中進(jìn)行驗(yàn)證。其次，由于女性吸煙者被試招募困難，本研究只有男性吸煙者，性別對該研究的影響還不清楚，這有待進(jìn)一步的研究。