乙醇使用障礙者大尺度腦網(wǎng)絡(luò)靜息態(tài)fMRI研究

張 潔 陳 軍 戴云蕊 喻婷婷 宋之琰 李臣鴻

《精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊》第5版認(rèn)為乙醇使用障礙(alcohol use disorder，AUD)包括乙醇濫用和乙醇依賴[1]。盡管許多人飲酒時尚無明顯健康問題，但乙醇濫用與全球5.3%的死亡和7.2%的過早死亡有關(guān)。通過神經(jīng)心理學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，AUD者在工作記憶、陳述性記憶、執(zhí)行能力、視覺空間感、上肢運(yùn)動能力、步態(tài)和平衡等行為認(rèn)知中表現(xiàn)有輕度到中度的功能障礙，這些功能異常可歸因于特定腦網(wǎng)絡(luò)的改變[2]。磁共振技術(shù)為研究AUD腦結(jié)構(gòu)及功能改變提供了有效手段，對于AUD腦宏觀及微觀結(jié)構(gòu)研究方法包括，基于體素或表面的形態(tài)學(xué)、彌散張量或峰度成像等。AUD腦功能研究以PET、腦灌注成像、血氧水平依賴成像方法為主。其中基于血氧水平依賴成像的靜息態(tài)功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)磁共振成像方法可在無任務(wù)的情況下觀察大腦不同區(qū)域之間的功能性交流，相比之下其敏感度高且無電離輻射，有助于揭示AUD疾病中涉及的神經(jīng)回路的改變。獨(dú)立成分分析(independent component analysis，ICA)可以自動分離生理信號和噪聲，提取的成分表征其中所有腦區(qū)之間的功能連接，為更全面了解網(wǎng)絡(luò)功能連接損傷提供了一種有效途徑[3]。

在不同類別的物質(zhì)使用障礙中，以默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)研究最多，已經(jīng)觀察到物質(zhì)使用障礙者DMN大腦功能連接模式異常，并與渴求和復(fù)發(fā)有關(guān)[4]。基于ICA的研究表明在戒斷24h的乙醇依賴者中，后扣帶回與DMN的其他成分有更高的同步性[5]。乙醇組前側(cè)DMN與后側(cè)DMN的靜息態(tài)FC減低(早期緩解與持續(xù)緩解比較)[6]。盡管已廣泛研究了AUD默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)基礎(chǔ)，但AUD默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、注意功能及感覺運(yùn)動的靜息態(tài)神經(jīng)基礎(chǔ)報(bào)道仍相對較少，目前對于AUD患者注意網(wǎng)絡(luò)(dorsal attention network，DAN)的研究主要運(yùn)用注意功能測試相關(guān)臨床量表及任務(wù)態(tài)的功能磁共振，對于AUD患者感覺運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)(sensorimotor network，SMN)的探索更是少有報(bào)道[7,8]。

本研究聯(lián)合神經(jīng)心理學(xué)測評量表和靜息態(tài)ICA分析方法對AUD患者DMN、SMN、DAN進(jìn)行研究，以期進(jìn)一步闡釋長期飲酒對認(rèn)知、注意、感覺功能與相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)之間的影響，為其神經(jīng)生理機(jī)制的提供一定的依據(jù)。

資料與方法

1.一般資料：收集來筆者醫(yī)院就診的35例AUD男性患者，患者年齡30～60歲，右利手。納入標(biāo)準(zhǔn)：①飲酒時間10年以上，日均飲酒≥150ml(以42°白酒為標(biāo)準(zhǔn))；②密西根乙醇依賴調(diào)查表(Michigan alcoholism screening test, MAST)評分(總和法)≥6分;③符合DSM-5 中AUD的診斷標(biāo)準(zhǔn)[1]。同期招募的25例對照組，利手、性別、年齡、受教育程度均與乙醇組匹配。排除標(biāo)準(zhǔn)：①高血壓、冠心病等嚴(yán)重基礎(chǔ)疾病；②腦外傷史、手術(shù)史或腦腫瘤等神經(jīng)系統(tǒng)疾病；③精神疾病史；④除乙醇外其他物質(zhì)成癮史；⑤MR禁忌證。本研究經(jīng)過武漢大學(xué)人民醫(yī)院臨床研究倫理學(xué)委員會批準(zhǔn)(2018K-C061)。

2.臨床量表：乙醇組完成MAST量表。所有受試者完成簡易智力狀態(tài)檢查(mini-mental state examination，MMSE)、Stroop測驗(yàn)進(jìn)行認(rèn)知及注意功能評估。Stroop測驗(yàn)具體操作如下[9]：3張卡片(a、b、c)，每張卡片有24個圓點(diǎn)或漢字；a為紅、黃、藍(lán)、綠4種顏色的圓點(diǎn)，b為紅、黃、藍(lán)、綠4種顏色的無色彩意義的漢字，c為紅、黃、藍(lán)、綠4種顏色印刷的“紅”、“黃”、“藍(lán)”、“綠”4個漢字(顏色和漢字意義不匹配)；記錄完成卡片a、b、c的時間及錯誤數(shù)并計(jì)算Stroop測驗(yàn)干擾效應(yīng)(完成卡片b、c的時間差)。

3.圖像采集：使用GE Discovery MR750w Silent 3.0T(GE Healthcare, Milwaukee, WI,USA)磁共振掃描儀，8通道頭部線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所有受試者排除顱腦器質(zhì)性疾病后再行T1WI-3D結(jié)構(gòu)像及fMRI功能像數(shù)據(jù)圖像采集。靜息態(tài)fMRI圖像采用梯度回波平面成像序列，掃描參數(shù)如下：回波時間25ms，重復(fù)時間2000ms，視野240mm×240mm，層厚3.5mm，層間距0.6mm，層數(shù)40，反轉(zhuǎn)角90°，矩陣64×64，掃描時間約8min。T1WI-3D結(jié)構(gòu)像采用矢狀位掃描，掃描參數(shù)如下：重復(fù)時間8.5ms，回波時間3.3ms，視野240mm×240mm，層厚1.0mm，無間距掃描，反轉(zhuǎn)角12°，矩陣256×256，掃描時間約5min。

4.數(shù)據(jù)處理：(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理：將fMRI原始DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為4D NIFTI格式，在Matlab 2013b(http:∥www.mathworks.cn)中，運(yùn)行DPABI(http:∥rfmri.org/dpabi)軟件對fMRI圖像進(jìn)行預(yù)處理：去除前10個時間點(diǎn)，時間層校正及頭動校正，空間標(biāo)準(zhǔn)化，空間平滑。(2)ICA分析：使用GIFT 4.0b(http:∥mialab.mrn.org/software/gift/)軟件對所有受試者進(jìn)行組水平空間獨(dú)立成分分析，先采用主成分分析對fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行二次降維，將所有受試者的數(shù)據(jù)初步分為50個成分，然后利用Infomax算法進(jìn)行空間ICA估計(jì)，最終分解為33個獨(dú)立成分。(3)挑選網(wǎng)絡(luò)成分并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)間功能連接：根據(jù)成分覆蓋腦區(qū)最終定義DMN由3個成分構(gòu)成(IC8、IC17、IC32)，DAN由2個成分構(gòu)成(IC2、IC20)，SMN由3個成分構(gòu)成(IC10、IC26、IC28)。將年齡及受教育年限作為協(xié)變量，計(jì)算DMN、DAN、SMN網(wǎng)絡(luò)間FC矩陣。

結(jié) 果

1.一般資料：乙醇組及健康對照組一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05，表1)。

表1 組間一般資料比較

2.臨床量表：AUD患者在執(zhí)Stroop測驗(yàn)時，完成任務(wù)所需時間延長，錯誤率增加(表2)，乙醇組MAST評分為8.91±3.54分。

表2 組間臨床量表比較

3.網(wǎng)絡(luò)內(nèi)及網(wǎng)絡(luò)間功能連接：組間在各功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的FC比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。網(wǎng)絡(luò)間的FC表明，乙醇組DMN、DAN、SMN網(wǎng)絡(luò)間FC減弱，其中DMN與DAN及SMN間的FC強(qiáng)度與對照組比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，DAN與SMN間的FC減弱，但差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表3，圖1)。乙醇組DMN(IC32)與DAN(IC2)及SMN(IC28)功能連接減弱，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，圖1、圖2)。

表3 網(wǎng)絡(luò)間功能連接統(tǒng)計(jì)參數(shù)(乙醇組-對照組)

圖1 乙醇組與對照組網(wǎng)絡(luò)間功能連接示意圖黃色線條提示對照組(HC)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)IC32與背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)IC2及感覺運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)IC28之間的功能連接明顯強(qiáng)于AUD患者，下方彩色線條為T值刻度條

圖2 DAN、SMN、DMN網(wǎng)絡(luò)成分示意圖IC2構(gòu)成DAN，對應(yīng)腦區(qū)主要為左側(cè)頂下小葉、右側(cè)顳中回、BA 40、左側(cè)頂上小葉、左側(cè)枕中回、左側(cè)及右側(cè)緣上回(連續(xù)體素分別為661、558、447、413、381、368、267)，IC28構(gòu)成SMN，腦區(qū)為雙側(cè)輔助運(yùn)動區(qū)、中央前回、中央后回、扣帶回中部、左側(cè)中央旁小葉(連續(xù)體素分別為970、718、332、256、235)，IC32構(gòu)成DMN，腦區(qū)為雙側(cè)楔前葉、左側(cè)枕中回、右側(cè)額上/中回、右側(cè)顳中回(連續(xù)體素分別為1264、544、501、257)。DMN. 默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)；DAN. 背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)；SMN. 感覺運(yùn)動網(wǎng)絡(luò)；IC.獨(dú)立成分；BA.布羅德曼分區(qū)

4.相關(guān)性分析：偏相關(guān)分析將年齡與教育年限作為控制變量，乙醇組DMN-SMN間FC強(qiáng)度與MMSE評分呈正相關(guān)(r=0.362，P=0.019)。

討 論

本研究對AUD 患者大腦DMN、DAN、SMN 的靜息態(tài)FC進(jìn)行了初步分析，結(jié)果顯示長期飲酒導(dǎo)致DMN-DAN及DMN-SMN網(wǎng)絡(luò)間的FC減弱，DAN-SMN間的FC亦存在減弱趨勢，同時，長期飲酒可導(dǎo)致認(rèn)知及注意功能缺陷，提示長期攝入乙醇對靜息態(tài)下大腦的抑制作用，并在執(zhí)行任務(wù)時，表現(xiàn)出一定程度上的功能減弱。休息狀態(tài)的大腦活動包含不同的組成部分，其中DMN和DAN分別被稱為任務(wù)負(fù)性網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)正性網(wǎng)絡(luò)。前者通常在執(zhí)行注意力相關(guān)任務(wù)時被去激活，DAN則在需要注意力和精神控制的任務(wù)中被激活[10，11]。

本研究結(jié)果顯示，DMN及DAN網(wǎng)絡(luò)間的FC減弱，其中AUD患者DMN的楔前葉與DAN的左側(cè)頂上/下小葉、BA 40、右側(cè)顳中回、左側(cè)枕中回、左側(cè)及右側(cè)緣上回之間的功能連接活動減弱。研究結(jié)果與以往研究相似[12]。Vergara等[13]揭示了楔前葉、中央后回、腦島和視覺皮質(zhì)是飲酒者靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)連接減少的主要腦區(qū)，表明飲酒者的內(nèi)在感受性認(rèn)知減低。最近一項(xiàng)基于體素的鏡像同倫研究發(fā)現(xiàn)，男性乙醇中毒患者的局部同倫連接缺陷區(qū)域和大腦其他區(qū)域之間的功能連接受到破壞，特別是參與DMN、突顯網(wǎng)絡(luò)、主要軀體運(yùn)動和語言系統(tǒng)的區(qū)域[14]。另外，大量研究證實(shí)下頂葉包括緣上回/ BA 40在跨期選擇任務(wù)中的作用，表明BA 40參與了乙醇成癮很重要的兩個過程，并且大量飲酒者，左側(cè)頂上小葉皮質(zhì)厚度變薄[15,16]。

已有文獻(xiàn)報(bào)道DMN與執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)連接中斷可能會干擾患者將注意力從內(nèi)部反芻和欲望中分離出來的能力，使患者難以調(diào)動注意力和認(rèn)知資源來處理外部刺激[4]。DMN-突顯網(wǎng)絡(luò)連接的中斷可能有助于增強(qiáng)對藥物線索的顯著性，并將注意力轉(zhuǎn)移到內(nèi)部思想和情緒。值得一提的是，DMN-DAN在任務(wù)和靜止?fàn)顟B(tài)研究中都表現(xiàn)出反相關(guān)活動模式，在休息狀態(tài)下，DAN-DMN之間強(qiáng)烈的反相關(guān)和競爭關(guān)系對行為和認(rèn)知功能產(chǎn)生影響[17]。本研究中乙醇組DMN、DAN兩者之間功能連接減弱提示兩者的競爭關(guān)系減弱，減少的反關(guān)聯(lián)可能是認(rèn)知、執(zhí)行功能下降的神經(jīng)元基礎(chǔ)。

對于AUD患者DAN的研究揭示了AUD者在任務(wù)狀態(tài)下的背側(cè)和腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)區(qū)域和島葉的激活減少，證實(shí)了在飲酒者中注意網(wǎng)絡(luò)異常[8]。本研究Stroop試驗(yàn)結(jié)果顯示AUD患者完成任務(wù)時間更長，犯錯率更高，這與可卡因使用障礙者執(zhí)行視覺引導(dǎo)的手指敲擊任務(wù)時的表現(xiàn)相似[18]。一項(xiàng)針對33例AUD患者(戒酒期間接受哌唑嗪治療)，進(jìn)行為期3周的Stroop任務(wù)及血氧水平依賴信號監(jiān)測，結(jié)果指出Stroop相關(guān)的小腦和顳葉激活與負(fù)性情緒和乙醇使用障礙的嚴(yán)重程度相關(guān)[19]。由于此次研究中AUD患者多為中度依賴，因此并未對嚴(yán)重程度進(jìn)行分級，將來需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量及飲酒嚴(yán)重情況，進(jìn)一步分析Stroop試驗(yàn)及靜息態(tài)功能連接與AUD嚴(yán)重程度的相關(guān)性。

經(jīng)典SMN主要包括初級運(yùn)動皮質(zhì)，輔助運(yùn)動區(qū)及前運(yùn)動皮質(zhì)等腦區(qū)。而自主的運(yùn)動主要依靠上述腦區(qū)興奮或抑制性影響的相互作用及與皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)的神經(jīng)調(diào)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，乙醇組DMN與SMN功能連接減弱，MMSE評分降低，并且DNM-SMN功能連接強(qiáng)度與MMSE評分呈正相關(guān)，表明雖然在正常生活中AUD表現(xiàn)與對照組比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但長期飲酒可能導(dǎo)致認(rèn)知功能及感覺運(yùn)動功能缺陷，并且有乙醇濫用史的70多歲成年人中有78%表現(xiàn)出認(rèn)知障礙，多種形式癡呆的發(fā)生率增加[20]。

迄今為止，乙醇對SMN影響的文獻(xiàn)報(bào)道鮮少，但已有相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)前乙醇暴露兒童和青少年雖然在初級感覺運(yùn)動皮質(zhì)的手和臉區(qū)域和對照組構(gòu)成相似，但乙醇暴露導(dǎo)致感覺運(yùn)動種子區(qū)和部分DMN(特別是顳上回和楔前葉)的FC減低[21]。此外，靜息態(tài)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接的研究發(fā)現(xiàn)飲酒組避開狀態(tài)2的證據(jù)，該狀態(tài)下感覺運(yùn)動、突顯網(wǎng)絡(luò)和楔前葉大腦區(qū)域之間有很強(qiáng)的連接。飲酒組表現(xiàn)出在感覺和運(yùn)動控制為主的區(qū)域連接減弱，視覺和運(yùn)動區(qū)域的動態(tài)功能連接降低[22]。DMN-SMN功能連接減弱，提示長期飲酒后導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)之間的功能紊亂與損傷。

本研究發(fā)現(xiàn)，AUD患者中DAN與SMN之間的FC有減弱趨勢，目前對二者之間的研究暫無影像學(xué)證據(jù)，因此這一發(fā)現(xiàn)可能為進(jìn)一步研究長期飲酒對大腦功能網(wǎng)絡(luò)間交流提供新思路。本研究并未發(fā)現(xiàn)乙醇組與對照組間DMN、DAN、SMN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能連接存在明顯異常，與以往的文獻(xiàn)報(bào)道存在差異，可能由于大腦功能網(wǎng)絡(luò)分割暫無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)成分的提取有一定的主觀因素，并且不同研究對乙醇成癮者進(jìn)行掃描時成癮的階段不同。本研究存在以下不足：①被試樣本有待擴(kuò)充；②本研究為靜息態(tài)下的功能研究，任務(wù)態(tài)下的功能活動仍值得探討；③本研究被試為30～60歲的AUD患者，對于其他年齡段的AUD患者，其功能網(wǎng)絡(luò)間的活動是否相同，仍未可知。

綜上所述，乙醇使用障礙的DMN與SMN及DAN之間的FC減弱，提示DMN是對乙醇最為敏感的區(qū)域，可能為AUD患者的治療提供靶點(diǎn)。飲酒對大腦SMN的影響在此之前少有研究，此次研究表明長期飲酒會產(chǎn)生一種靜息狀態(tài)下的功能分離，對任務(wù)正向網(wǎng)絡(luò)(包括感覺運(yùn)動和執(zhí)行控制/注意相關(guān)腦區(qū))造成損傷。這些大規(guī)模的大腦網(wǎng)絡(luò)功能異常也成為乙醇相關(guān)的精神和神經(jīng)疾病的認(rèn)知和情感、運(yùn)動功能障礙的基礎(chǔ)，引導(dǎo)臨床關(guān)注飲酒相關(guān)的認(rèn)知及感覺運(yùn)動障礙。