生長激素缺乏癥和特發性矮小癥兒童的腦磁共振鏡像同倫功能連接研究

蔣樂真　　白光輝　　劉錕　　陳濤　　臧依柔　　嚴志漢

[關鍵詞] 生長激素缺乏癥;特發性矮小;靜息態功能磁共振;體素-鏡像同倫連接

[中圖分類號] R725.8? ? ? ? ? [文獻標識碼] B? ? ? ? ? [文章編號] 1673-9701（2021）16-0124-06

The study of brain magnetic resonance mirror homotopy functional connection in children with growth hormone deficiency and idiopathic short stature

JIANG Lezhen? ?BAI Guanghui? ?LIU Kun? ?CHEN Tao? ?ZANG Yirou? ?YAN Zhihan

Department of Radiology and Imaging， the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University， Yuying Children′s Hospital， Wenzhou? ?325000， China

[Abstract] Objective To study the functional connectivity changes between the two cerebral hemispheres in patients with growth hormone deficiency and short stature using resting-state functional magnetic resonance imaging （rs-fMRI） technology， and to analyze the correlation between changes in brain function and hormone and neuropsychological indicators. Methods A total of 26 children with growth hormone deficiency （GHD） and 44 children with idiopathic short stature （ISS） in the Department of Pediatric Endocrinology were enrolled in this study. A 3.0T MR resting-state brain functional magnetic resonance imaging sequence scan was performed on all children. At the same time， a 90-item symptom list， a children′s behavior scale， and an Eysenck personality questionnaire were evaluated to assess children′s cognition and emotions. The growth-related hormone levels were collected. The voxel-mirror homotopy connection （VMHC） method was used to obtain the functional connections between the cerebral hemispheres of all subjects， and the differences in VMHC brain areas between the two groups were compared. Pearson correlation was used to analyze the VMHC values and growth-related hormone levels in the brain areas of the differences between the two groups and the correlation between the results of the three major clinical scales. Results Compared with children in the ISS group， the VMHC values of the bilateral insula， putamen， and superior orbital frontal gyrus of the children in the GHD group were significantly lower. In the GHD group， the VMHC values of the insula were positively correlated with anxiety （r=0.567， P=0.003）， horror （r=0.416， P=0.035） scores， and were negatively correlated with inward and outward scores （r=-0.397， P=0.045）. The VMHC value of the superior orbitofrontal gyrus was negatively correlated with the basic value of growth hormone（r=-0.700， P=0.000）. Conclusion The abnormal connection function of the local brain regions between the bilateral cerebral hemispheres of children with GHD indicates that the lack of growth hormone has an important impact on the children's brain network， mainly involving the default network， the prominent network， and the control network. This may be the underlying cause of cognitive and emotional changes in short children.

[Key words] Growth hormone deficiency; Idiopathic short stature; Resting-state functional magnetic resonance; Voxel-mirror image homotopy connection

矮小癥是指在相似的生活條件下，營養供給充足的情況下，兒童身高低于正常人群平均身高水平的2個以上標準差，骨齡比實際年齡落后超過2歲[1]。導致身材矮小的原因各不相同，生長激素缺乏癥（Growth hormone deficiency，GHD）是在病理性矮小癥中所占比例最高的一種類型，存在不同程度的生長激素缺乏。而特發性矮小（Idiopathic short stature，ISS）不伴有潛在病理狀態的身材矮小，生長激素水平正常，是所有矮小癥兒童中最常見的類型。矮小是兒童社會負面心理壓力的主要來源，生長激素（GH）替代治療可有效提高患兒的最終成人身高。有研究表明，GH缺乏還會影響大腦發育，以及認知、情緒等。因此，早發現、早診斷和早治療不僅對生長激素缺乏矮小患者的身高產生影響，還對心理問題的調節及生活質量的提高具有重要意義。

基于體素-鏡像同倫連接（Voxel-mirror image homotopy connection，VMHC）定義為一側大腦半球任一體素與對側大腦半球幾何對應的體素之間血氧水平依賴性時間序列之間的相關性，以其值作為大腦半球間功能連接的強度，反映大腦半球之間信息交流整合能力及工作的協同性[2]。簡單來說，VMHC值越高，腦半球間功能活動平衡性越佳;反之越差。目前尚未發現采用VMHC方法研究矮小癥兒童大腦半球間的功能連接，同時將結合行為和激素水平等數據實現對GHD兒童腦功能、激素及認知行為之間較為全面的認識，現報道如下。

1 資料與方法

1.1一般資料

收集2016年6月至 2018 年1 月在本院兒童內分泌科門診就診，主診斷為身材矮小的就診兒童。按照中華醫學會《矮身材兒童診治指南》為標準，將生長激素激發試驗GH峰值以10 μg/L為分割值：≤10 μg/L為生長激素缺乏，>10 μg/L則為正常。共招募了臨床診斷矮小癥患者93例，最終納入生長激素缺乏癥組 26例，特發性矮小癥組44例。

納入標準：①符合矮小癥診斷標準者;②實際年齡6～13歲，青春發育啟動前者;③右利手者。排除標準：①早產史（孕齡<37周）或圍產期腦損傷史者;②染色體異常、先天畸形者;③患有其他系統良惡性腫瘤史者;④甲狀腺激素軸異常者;⑤既往有高熱驚厥、癲癇等神經精神系統疾病及智力發育遲滯者，語言、視聽覺障礙等疾病史者;⑥在T2WI序列上腦內（包括垂體內）有異常信號者;⑦曾已因矮小癥予以治療者;⑧不能行頭顱磁共振者（幽閉恐懼癥、體內金屬物植入者等）;⑨臨床資料不完全者。

本研究為了排除同樣因為矮小原因對這些患兒帶來的社會心理因素，所以對照組選擇了同樣是身材矮小但無激素缺乏的ISS兒童。在選取對象時匹配患兒們的性別、年齡、身高及教育等，減少外界因素對本研究結果的影響。本研究經本醫院醫學倫理委員會審核通過，所有招募的被試均自愿參加本研究，所有患兒家屬均簽署了知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 數據采集? 使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀采集影像數據，并采用8通道標準相控頭線圈。告知所有研究對象檢查過程中需保持靜止，不思考任何事情。靜息態fMRI圖像采用全腦平面回波成像（EPI）序列采集：重復時間：TR=2000 ms，回波時間 TE=30 ms，反轉角 FA=90°，矩陣=64×64，視野 FOV=220 mm2×220 mm2，體素大小=3.44 mm3×344 mm3×4 mm3，層數=36層，層厚/層間距=3 mm/1 mm，采集次數=180次;3D T1-BRAVO結構圖像采集所用序列為快速擾相梯度回波序列（SPGR），具體參數如下：重復時間 TR=7.2 ms，回波時間 TE=3.4 ms，反轉角 FA=12°，矩陣=256×256，視野 FOV=240 mm2×240 mm2，體素大小=1.0 mm3×1.1 mm3×1.0 mm3，層數=188層，層厚=1 mm，激發次數=1次。

1.2.2 數據預處理? 將采集的磁共振數據在Matlab上對靜息態功能磁共振成像數據進行預處理，包括：剔除每個被試的前10個時間點采集的功能相圖像;將數據調整為同一時間點;去除任意一個頭動平移參數>±2 mm、旋轉參數>2°的被試數據;空間標準化（3 mm3×3 mm3×3 mm3體素）;采用半高寬為6 mm的高斯核函數進行空間平滑;去線性漂移;帶通濾波：減少低頻漂移及高頻噪聲的影響;去除協變量：將6個頭動參數信號、灰質及白質信號和腦脊液信號作為噪聲干擾協變量進行線性回歸排除干擾。

1.2.3 VMHC數據處理? 將預處理后所有的T1圖像標準化到蒙特利爾神經研究所（MNI）腦空間模板產生一個平均的T1圖像;然后使用左右鏡像版本將圖像沿中線翻轉成大腦左右半球圖像，與原始圖像取平均后生成一個對稱模板;再將所有受試者靜息狀態功能圖像非線性變換配準到這個對稱腦模板上。采用rs-fMRI數據分析工具包REST_V1.8進行分析，計算每個體素與左右大腦半球相應體素時間序列之間的 Pearson相關系數（即VMHC值），得到每個被試全腦的VMHC值，將數據進行均值標準化，使用Fisher z-轉換將VMHC值轉換為z值使其服從正態分布，最終獲得兩側大腦半球的功能連接圖。

1.3統計學方法

利用SPSS 20.0統計學軟件對呈正態分布的參數采用兩個獨立樣本t檢驗，非正態分布者采用Mann-Whitney U檢驗，呈偏態分布的數據經過對數變換以改善其正態性，在隨后的分析中使用對數轉換值。性別比較采用χ2檢驗。為研究GHD患者兩半球的連接差異特性，以年齡、性別、頭動參數作為協變量進行校正，對GHD組與ISS組進行了雙樣本t檢驗的統計比較。使用AFNI中的3dClustSim進行多重比較校正，將組間差異統計顯著水平設為 P<0.005，最小團塊大小為30個體素，對應于校正P<0.05，作為具有統計差異腦區。通過Pearson 相關計算腦區降低的VMHC值與臨床量表各項的相關系數。

2 結果

2.1 人口統計學和臨床特征

兩組生長激素激發峰值比較，差異有統計學意義（P<0.05），性別、年齡、其余臨床實驗室指標及兒童神經心理學數據等各項資料比較，差異均無統計學意義（P>0.05），具有可比性。見表1～2。

2.2 GHD組與ISS組之間VMHC值分析結果比較

ISS組、GHD組無雙側半球VMHC顯著增高的腦區，而殼核、腦島（封三圖8）、眶額上回（封三圖9）顯示VMHC值降低。見表3。

2.3 差異腦區的VMHC值與神經心理學量表及生長激素的相關性

與ISS組相比，GHD組差異腦區中雙側腦島的VMHC 值與焦慮（圖1）、恐怖（圖2）呈正相關，與內外向（圖3）呈負相關。此外，本研究并未發現殼核及眶額上回異常的功能連接強度值與三大量表中各項存在顯著相關性。

另外，雙側眶額上回VMHC降低值與生長激素基礎值呈明顯負相關（圖4）。腦島和殼核均未發現與生長激素基礎值有相關性。

3 討論

本研究為首次對生長激素缺乏兒童雙側大腦半球間連接功能影響的研究，結果發現缺乏生長激素的患兒雙側大腦局部區域的協調性下降，進而可能引起一些情緒及認知的處理障礙。在兒童期大腦一系列神經系統的發育、成熟具有顯著可塑性，生長激素除了影響骨骼的生長，也影響到大腦的發育及各方面的調節功能。同倫功能連接的局部特異性與大腦的功能等級相一致，其發育軌跡具有局部和等級的特異性[3]。

2011 年，Menon提出了默認網絡（DMN）、執行控制網絡（ECN）和突顯網絡（SN）在內的“三網絡模型”概念，三大網絡密切交互，在精神病理學和高級認知過程中起著重要的基礎作用[4]。SN是一類任務正激活網絡[5]，主要負責任務的啟動、維持以及錯誤的檢測等，通過情感主觀意識協調將得到的刺激分配給DMN還是ECN再進行處理[6]。腦島、殼核作為SN的關鍵組成部分[7]，在處理高級認知功能（包括社會和情感信息）中起著重要作用[8]。腦島的功能障礙可能導致患者異常的突顯性加工過程，導致許多神經精神障礙（自閉癥、精神病、癡呆癥）[9]。另有研究表明，腦島損傷后將會引起厭惡情緒、情緒和意志行為、成癮行為和語言有關的障礙[7]。Stein等[10]研究表明，焦慮障礙與SN中的異常活動相關。這些臨床發現盡管是初步的，但表明腦島功能改變是許多焦慮癥的一個特征。另外，Murphy等[11]研究表明，腦島優先參與個體情緒的表達如快樂、悲傷、恐懼和厭惡。腦島間的網絡通信出現障礙后會減低其對恐懼記憶的鞏固。本研究結果顯示，雙側大腦半球腦島間的VMHC值減低，且與焦慮及恐怖評分呈正相關，提示雙側腦島間調節的功能失調可能導致焦慮、恐怖的情緒協調不良。

本研究結果顯示，GHD組腦島的功能減低與內外向值呈負相關。基于艾森克人格量表對內外向的分析，分值越高表示性格越外向。外向-內向是指個體在社會行為上的差異，是人格的核心維度[12]。外向性包括社交能力、健談、尋求刺激、精力充沛、情感易于激動、自信和樂觀等特征。在過去，關于外向性的神經生物學研究幾乎完全是建立在問卷調查的基礎上。而部分靜息狀態神經影像學研究中，發現眶額皮質、腦島和海馬等腦區與外向性存在顯著相關性[13]。在另一項研究中，顯性外向性與焦慮呈強烈的負相關，表明個體越外向，他/她報告的外向性和大腦對面部情緒反應的關系就易于產生焦慮[14]，這似乎可以解釋本研究中人格特性和情緒與同一個腦區出現相反的相關性。

殼核是構成基底神經節背側紋狀體的一部分，基底節屬于人類大腦鏡像神經元系統，主要與大腦心智理論等功能緊密相連[15]，被認為與目標導向行為的準確執行有關[16]。PUT主要功能是調節機體運動，在學習任務和工作記憶任務中表現也很活躍。已經發現PUT在兒童多動癥及一些神經退行性疾病的病理生理機制中存在異常靜息狀態功能連接模式[17]。Vigneau等[18]發現，殼核在語言中的作用不僅僅是左殼核，而且是與右殼核共同激活。證明了雙側殼核在信息的溝通中存在高度的共同激活網絡。既往研究表明，長期生長激素缺乏的患者存在記憶力和注意力下降，且下降程度與生長激素缺乏嚴重程度相關，兒童期起病的青壯年生長激素缺乏癥（GHD）患者應用GH治療可改善其記憶力和注意力[19]，雖然本研究中未發現殼核與三個臨床量表間存在相關性，但不能排除長期激素缺乏的累積效應會導致這些功能的下降或失調，有待于大樣本的長期隨訪進行驗證。

眶額上回位于額葉前下方的額葉皮層區域，屬于ECN的一部分，與腦內較多重要功能區域存在廣泛的結構連接，是處理視覺、空間，尤其情感信息的重要中心部分，參與多項高級認知功能，包括抑制控制、決策和工作記憶，牽涉到人們對風險、獎賞與懲罰的敏感性[20]。臨床研究表明，眶額上回功能損害會導致強迫性獲取獎賞的行為，會導致嚴重的情緒失控，會使患者在沖動抑制及對事件的理解上出現問題。本研究結果顯示，與ISS組相比，GHD組出現眶額上回VMHC值下降，且其與生長激素基礎水平呈負相關，提示GHD兒童受到生長激素的影響存在眶額上回功能連接的改變、功能活動異常，可能導致個體認知與情緒加工過程異常，但在本研究中尚未發現與三個臨床量表相關項目有相關性，尚無法證明眶額上回的功能連接異常會產生相應的癥狀，需要更多的、更科學的方法進行探索。

本研究未發現任何腦區的VMHC值升高，可能是兩半球之間尚未發生代償性增高的功能連接，或部分半球間異常的功能連接還未達到 VMHC 可檢測的程度，同時需要考慮可能由于樣本量過小造成的假陰性。在統計學角度，本研究樣本量小可能存在數據偏倚，是本研究的不足，在今后的研究中可以擴大樣本量，并在縱向研究中利用神經心理任務測試患者的認知功能，以進一步明確生長激素與認知功能損害間的關系。另一方面，采用對稱的標準模板，對圖像數據進行平滑處理，以改善鏡像區域之間的函數相關性。然而，人腦并不是完全對稱的。盡管形態不對稱不能解釋VMHC的降低[21]，但對稱的影響不能完全消除。對這些結果的解釋還需要結合其他功能與結構，以加深對GHD患者局部腦區VMHC值降低機制的理解。

綜上所述，與ISS對照組相比，GHD患者雙側腦島、殼核、眶額上回之間的VMHC存在缺陷，且眶額上回VMHC的降低與基礎生長激素值呈負相關。值得注意的是，VMHC并不直接反映腦區的功能狀態（激活或減弱），只是反映兩側大腦半球的功能程度，也就是大腦半球間工作的一致性和協調性。既往研究顯示，腦島、殼核、眶額上回在情緒、認知中具有重要作用，為今后研究長期生長激素缺乏對人腦的結構、功能產生的改變，以及所產生的兒童情緒、認知、學習、行為的變化，提供了進一步的支持性證據。

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（收稿日期：2020-12-12）