基于動態低頻振幅方法的飛行員靜息態fMRI研究

徐開俊，肖成坤，陳 曦，楊 泳，陳錫硼，王泉川

（中國民用航空飛行學院，廣漢 618300）

0 引言

2020年9月，為深化改革運輸航空飛行訓練，結合我國實際，中國民用航空局飛行標準司發布了《中國民航運輸航空飛行員技能全生命周期管理體系建設實施路線圖》征求意見稿，提出構建的飛行員技能全生命周期管理體系（professionalism lifecycle management system，

PLM）是以崗位勝任力為核心，通過實證訓練、作風建設等手段，提質民航飛行訓練和管理，對于提升飛行員防范“灰犀?！焙汀昂谔禊Z”的能力具有重要作用。在選拔崗位勝任力強的飛行員時，需要客觀的評價標準，本文利用數據驅動，進行崗位勝任力評估。

靜息態功能磁共振成像作為一種無創觀察大腦內部自發性神經活動的方法，以血氧水平對比增強為原理，成像方式是通過利用腦內神經細胞活動引起的大腦局部腦血流的血氧動力學改變，通過此技術，研究者可觀察特定人群的大腦內部結構，具有無創、高空間分辨率等多種優勢，是探索腦科學的重要工具。個體大腦局部神經活動的強度大小可以從低頻振幅（ALFF）這一指標中反映出來，其原理是通過血氧水平依賴信號的自發波動強度，定位腦區的自發性神經活動和生理狀態，這項技術目前已經被廣泛用于神經疾病及局部神經功能的評估。但是目前絕大部分研究都是基于“靜態”條件下的腦功能活動變化，即研究者假設掃描過程中的BOLD信號是平穩的，而忽略了大腦隨時間自發性神經活動的動態特征。人腦是一個復雜的動態系統，能夠進行非靜止的神經活動和快速變化的神經交互作用，人的大腦與各種生理功能緊密相關，如意識和認知。動態低頻振幅（dALFF）在基于靜態ALFF的基礎上，將大腦內部神經活動時間劃分成若干個時間窗口，以便在研究大腦內部神經活動的同時，量化其時間變異性。在自發性神經活動中，Biswal等發現，在人體全身運動系統中，腦內血氧水平依賴性信號的低頻波動是時間同步的，因此，腦活動的動態變化反映了腦認知適應性的時間變異性以及大腦發育及病變變化的特點，研究基于飛行員大腦的動態低頻振幅（dALFF）顯得至關重要。

臧玉峰等以低頻振幅為指標來表征大腦的自發性神經活動，結果發現低頻振幅在反映腦區功能方面具有優勢；前期實驗室團隊通過比較飛行員與健康職業者的低頻振幅，結果發現，經過長期的飛行訓練和飛行經驗的累計，飛行員在視覺處理和言語方面的腦區發生了明顯的變化；Aviat Space Environ Med等發現飛行員隨著飛行經驗的增加，他們的海馬體有增大的趨勢，海馬體的大小可以隨著訓練程度的強弱而變化；在低頻振幅的基礎上，張牧等人加入了滑動時間窗口，以動態低頻振幅為指標，探究了乒乓球運動員在不同訓練程度下，腦功能相關機制的變化，結果發現，運動員在不同訓練程度下，部分腦區發生了變化。因此，本文將在實驗室團隊前期研究成果的基礎上，以動態低頻振幅為指標，探究飛行員與普通職業者的腦區差異。

當前已有的研究主要集中在大腦內部動態特異性的功能連接上，就是將大腦內部的BOLD信號進行平均值操作，但是很少有關于自發性神經活動的動態變化研究。為了更加深入的研究飛行員腦內神經機制的動態變化過程，本文利用滑動時間窗的分析方法，利用低頻振幅（ALFF）值隨時間的變化來量化腦內活動的動態變化特征，即利用動態低頻振幅（dynamic amplitude of low-frequency fluctuation，dALFF）指標來探究飛行員與普通職業對照者之間的腦區差異，為以后的飛行人員選拔和飛行課程的開發提供較為客觀的評價指標。

1 方法

采用動態低頻振幅對飛行員與普通職業者進行研究，滑動時間窗是一個很重要的動態分析方法，在滑動時間窗中，窗寬和步長是靜息態動力學中兩個很重要的計算參數，已有的研究表明，窗寬最小不能低于（即采樣周期），其中表示的是采集時間序列的最小頻率。在本研究中，選取50 TR的最佳窗寬，2 TR的步長進行動態截取，對窗口截取的數據進行常規ALFF分析，最后用方差量化其變異性，該方差即dALFF值。為了驗證實驗結果，本研究實驗還使用了2 TR的步長和50 TR、75 TR的窗寬進行輔助驗證，其結果與本研究中的2 TR步長和50 TR窗寬的主要結果相似。

1.1 被試者

飛行組：從中國民用航空飛行學院、各航空運輸公司、部分通用航空公司招募了26名在職飛行教員和飛行員，他們均為男性，年齡在23～35歲之間，飛行小時數為200～9800 h。其中受試者中14名是來自中國民用航空飛行學院的飛行教員，執教機型有C172R、PA44、MA600和CE525；12名是來自不同航空公司的副駕駛，執飛機型是Boeing737或Airbus320。

對照組：參加工作23名健康被試者，他們與飛行員在性別和受教育年限上沒有顯著差異。

49名被試者中沒有色盲和色弱，大腦均未受過創傷，右利手，左右雙眼視力未矯正或矯正視力正常，學歷全部為本科，被試者本人及近親屬無神經系統或者影響腦功能與結構的疾病，滿足電子科技大學磁共振成像中心磁共振檢查清單的要求。所有參加實驗的被試者在對本研究實驗流程有了充分了解后，簽署了書面的知情同意書，研究得到了電子科技大學醫學研究倫理委員會的批準（批準編號:NO2018-042002）后實施，在實驗過程中嚴格遵循《赫爾辛基宣言》。

表1 研究對象人口統計學數據

1.2 數據獲取

實驗的49名被試者大腦磁共振數據是在電子科技大學磁共振成像中心（中國成都）進行采集。掃描之前，使用泡沫填充以控制被試頭動，被試者佩戴實驗耳塞來減少掃描產生的噪聲，同時告訴被試者平臥、閉眼、保持放松和清醒，頭部保持不動，不要進行特定的認知活動，實驗采用被試者頭先進的掃描方式。使用的設備是3.0T GE DISCOVERY MR750（美國通用電氣公司），配備8通道原型線圈和高速梯度儀。功能像采用梯度平面回波成像序列（EPI）采集，相關參數為：TR=2000 ms，TE=30 ms，FOV=240×240 mm，FA=90°，Matrix64×64，層厚4 mm（無層間距）。在掃描過程中，關閉磁共振室內的所有燈光，避免掃描室燈光對被試者產生影響，掃描結束后，詢問每一位被試者是否在實驗中入睡，大腦是否進行思想活動，以此來判斷是否滿足上述條件。通過以上參數，共采集了255個全腦體積，每個全腦體積35層，排除了2個頭動超過2 mm的飛行組被試。

1.3 數據處理及分析方法

基 于MATLAB2014a軟 件 包、SPM12、RESTplus v1.25實現數據處理。分別對每位被試者的大腦磁共振數據進行以下幾步操作：①考慮磁場飽和時間，去除了每個功能像時間序列的前5個時間點，同時一定程度上降低了掃描機器啟動時磁場不穩定及被試者適應環境對采集的圖像質量的影響；②對余下的250個時間點進行時間層校正和頭動校正，篩掉了頭動參數控制在平移大于2 mm，轉動幅度大于2°的2個飛行組被試；③使用EPI模板將體素重采樣至3×3×3的MNI標準空間；④使用半高全寬8 mm的高斯核函數進行空間平滑；⑤去線性化趨勢。最后回歸了無關變量（頭動參數、白質信號、灰質信號和腦脊液信號），目的是為了去除部分生理噪聲在接下來的研究中帶來的潛在影響。

通過以上預處理后，采用快速傅里葉變換將動態功能矩陣轉換到頻域范圍（濾波器參數為0.01～0.1 Hz），同時獲得功率譜。將功率譜開方求出均值，得到ALFF，最后通過滑動時間窗分析和方差量化計算出dALFF。

1.4 統計分析

本研究利用全腦灰質模板（mask）對飛行員組與對照組進行了雙尾、雙樣本t檢驗，把年齡作為協變量回歸，使用高斯隨機場（GRF）校正方法（p＜0.01），得到飛行員組與健康對照組的差異腦區，并且將結果疊加在ch2模板進行展示。

1.5 結果

表2 飛行組和對照組d ALFF有統計學意義腦區

AAL：解剖學自動標記模板；MNI：蒙特利爾神經研究所

圖1 飛行組和對照組d ALFF差異腦區示意圖

2 討論

本文研究的動態低頻振幅（dALFF）通過滑動時間窗將被試的一整段時間序列分成101個時間窗口，實驗假設是大腦神經活動的時間序列不是一直不變的，以此來探究民航飛行員大腦局部神經活動的時間動態性。實驗采用dALFF方法對飛行員的靜息態磁共振數據進行分析，探究了飛行員與健康職業對照組隨時間變化，他們的局部腦神經活動的波動情況，為在較短的時間尺度內飛行員的局部大腦活動提供更為精細的信息。結果顯示，飛行組的左三角部額下回、右額中回、右中央后回三個腦區得dALFF值顯著低于對照組。

額葉包含額中回、額下回等腦區，額中回位于背外側前額葉皮質，背外側前額葉是大腦的高級神經中樞，與多種高級認知功能和情緒處理有關。也有研究提出右側額中回可能是連接背側和腹側網絡的一個節點腦區，除此之外，右側額中回的積極功能由有關注意任務組成，是持續注意的一個關鍵特征。額下回是與工作記憶、語言相關的腦區，是人類認知的一個重要功能，已有的研究表明，在涉及言語處理、詞匯提取和語義識別等方面，該腦區可能被激活。在加工熟悉的事物的過程中，左三角部額下回和左顳極的連通性顯著變化。同時，額下回三角區也是高級認知與執行功能的關鍵腦區，在情緒調節中也發揮著至關重要的作用。此外，左三角部額下回一直被認為是與視聽多感覺整合有關的重要區域，已有的研究已經將額下回在感覺加工的作用延伸到言語以外的范圍，發現左三角部額下回在知覺決策任務中發揮著視聽信息積累的作用，也是多感覺統計學習的基礎。

位于大腦半球頂葉前端的中央后回腦區，屬于右側額頂網絡的核心區域，主要與軀體感覺運動有關，中央后回是大腦的體感皮層所在的腦區，中央后回受損可能導致位置覺和辨別覺降低。相關資料表明，約九成的飛行員發生過在飛行中不能正確感知飛機的位置、運動和飛行姿態的現象。研究發現，在低氧暴露環境下，飛行員的額上回腦區的fALFF和ReHo降低，活動減弱；前期，實驗室團隊成員的成果也發現相比健康普通職業者，飛行員的楔葉與中央后回之間的功能連接程度降低。綜上，我們推測，民航飛行員經過長期的飛行訓練和飛行經驗的累積，他們的大腦與軀體感覺相關的功能、注意力等方面可能會受到影響。

3 不足與展望

本研究使用dALFF方法對飛行員與普通對照組腦自發活動的時間變異性進行研究，不足之處在與本研究的數據只進行了橫向比較，對于縱向的數據并未進行收集，同時實驗數據的樣本量還不夠多，結果外推性不強，不足以說明一些問題。在接下來的實驗研究和設計中，將通過增加實驗樣本量，采集縱向數據進行分析不同飛行時間的飛行員，希望能找到飛行員這一特殊職業活動程度更高的腦區，為飛行員的選拔培養和飛行課程的開發提供更多影像學證據和支持。

4 結語

本研究采用靜息態fMRI探究了飛行員與普通職業者的動態區域神經活動，結果顯示，飛行員在與軀體運動相關方面的腦區的活動性程度降低，驗證了這些腦區在飛行員培養訓練中的重要性，同時該指標也是對靜態低頻振幅的有力補充，能更全面的幫助我們了解飛行員的神經活動，為我國民航飛行員的選拔和飛行學員課程開發提供相關的影像學支持。