飛行員靜息態(tài)腦功能局部一致性研究

徐開(kāi)俊，劉 銳，陳錫硼，陳 曦

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，廣漢 618307）

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)民用航空局出臺(tái)了《關(guān)于全面深化運(yùn)輸航空公司飛行訓(xùn)練改革的指導(dǎo)意見(jiàn)》，該文件明確指出了今后飛行員訓(xùn)練體系的發(fā)展方向，從飛行員的培訓(xùn)理念、訓(xùn)練方式、管理模式等方面進(jìn)行全方位改革，建立飛行員技能全生命周期管理體系。飛行員核心勝任力需要通過(guò)理論分析和訓(xùn)練落地綜合考量，理論分析主要從經(jīng)典心理學(xué)角度對(duì)飛行員的崗位勝任力、心理勝任力和作風(fēng)勝任力進(jìn)行分析，訓(xùn)練落地則通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析去推進(jìn)，對(duì)飛行員的作風(fēng)數(shù)據(jù)、心理測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)、醫(yī)學(xué)腦影像數(shù)據(jù)和飛機(jī)的QAR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將飛行員核心勝任力的訓(xùn)練落地進(jìn)行科學(xué)量化，養(yǎng)成飛行員不同階段的核心勝任力，形成全生命周期管理，進(jìn)而滿足民航局對(duì)民航發(fā)展提出的新要求。其中醫(yī)學(xué)腦影像數(shù)據(jù)可以從高級(jí)神經(jīng)機(jī)制層面發(fā)現(xiàn)飛行員內(nèi)在腦功能的改變，是當(dāng)今無(wú)創(chuàng)研究腦結(jié)構(gòu)和腦功能的重要方式，本文通過(guò)對(duì)飛行員腦功能機(jī)制的研究，定位與飛行訓(xùn)練相關(guān)聯(lián)的腦區(qū)，為飛行員的選拔和培訓(xùn)提供新思路。

國(guó)內(nèi)外的大量研究表明，飛行員的腦功能和腦結(jié)構(gòu)與普通職業(yè)者相比有明顯差異。劉潔等人使用分?jǐn)?shù)低頻振幅和局域一致性方法研究飛行員在低氧暴露環(huán)境下對(duì)腦功能的影響，為低氧暴露后飛行員認(rèn)知功能的變化提供了神經(jīng)影像學(xué)方面的證據(jù)；Adamson MM、Taylor JL等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)飛行訓(xùn)練會(huì)致使飛行員的大腦功能和結(jié)構(gòu)發(fā)生一些改變；本實(shí)驗(yàn)的前期研究還發(fā)現(xiàn)飛行員的腦內(nèi)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（default mode network，DMN）發(fā)生改變，DMN的連通性通過(guò)飛行員的飛行訓(xùn)練得到增強(qiáng)。由此可見(jiàn)，與普通職業(yè)者相比飛行員的腦功能和腦結(jié)構(gòu)確實(shí)因長(zhǎng)期飛行訓(xùn)練發(fā)生改變。通過(guò)精確定位差異腦區(qū)，討論分析差異腦區(qū)的結(jié)構(gòu)和功能，找到促使腦區(qū)發(fā)生改變的原因，為選拔和培養(yǎng)高素質(zhì)飛行員提供影像學(xué)依據(jù)。

本研究使用了局部一致性（regional homoge?neity，ReHo）研究方法來(lái)探究在靜息狀態(tài)下飛行員與正常人腦活動(dòng)的不同。局部一致性是假設(shè)一個(gè)活動(dòng)的功能區(qū)內(nèi)相鄰體素的時(shí)間序列具有相似性，用肯德?tīng)柡椭C系數(shù)（Kendall’s Coeffi?cient of Concordance，KCC）來(lái)度量這種相似性，KCC值越大代表這些時(shí)間序列越相似。KCC值又稱ReHo值，通過(guò)利用各個(gè)腦區(qū)神經(jīng)元進(jìn)行活動(dòng)的同步性比較強(qiáng)的特點(diǎn)來(lái)反映腦區(qū)的活動(dòng)性，腦區(qū)神經(jīng)元活動(dòng)的同步性又是通過(guò)ReHo值的大小來(lái)間接反映的，而ReHo值直接反映的不是信號(hào)強(qiáng)度，而是腦區(qū)腦區(qū)局部血氧水平依賴（BOLD）信號(hào)時(shí)間序列的同步性。計(jì)算ReHo值首先通過(guò)計(jì)算出受試者大腦的每個(gè)體素的ReHo值，進(jìn)而得到受試者的ReHo腦圖。

1 對(duì)象和方法

1.1 研究對(duì)象

本次實(shí)驗(yàn)的受試者分為由飛行人員組成的實(shí)驗(yàn)組和由普通地面工作者組成的對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組所有的受試者為年齡在23～25歲之間的男性，總計(jì)26名，其中包括中國(guó)民用航空學(xué)院飛行教員、民用航空飛行員和通用航空飛行員，對(duì)照組為與實(shí)驗(yàn)組年齡、性別、受教育程度相匹配的普通職業(yè)者，總計(jì)24名。

入組標(biāo)準(zhǔn)：①所有的被試都是右利手。②受試者均身體健康，頭部均未曾受到過(guò)創(chuàng)傷。③被試自己和被試的一級(jí)家屬?zèng)]有過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)方面的病史。④本科學(xué)歷。⑤受試者均為自愿參與本次實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均知情并得到本人同意。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)電子科技大學(xué)磁共振成像研究中心倫理與人體保護(hù)委員會(huì)批準(zhǔn)，所有參加實(shí)驗(yàn)的人員都在實(shí)驗(yàn)前了解了實(shí)驗(yàn)過(guò)程并簽署了被試同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 影像學(xué)數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)所有核磁共振數(shù)據(jù)采用中國(guó)電子科技大學(xué)磁共振成像中心的3.0T MRI掃描儀（DISCOVERY MR 750，GE Healthcare,Wauke?sha WI,United States）獲取。功能性磁共振圖像采集使用標(biāo)準(zhǔn)梯度回波脈沖序列，具體參數(shù)設(shè)置如下：重復(fù)時(shí)間/回波時(shí)間=2000/30 ms，翻轉(zhuǎn)角=90°，掃描矩陣=64×64，視野=24×24 cm，層厚=4 mm（無(wú)間隔）。每名受試者共采集255次全腦，每次全腦35層。進(jìn)入掃描室前要求受試者摘除身上所有金屬材質(zhì)的物品并佩戴防噪聲耳塞，為避免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受試者頭動(dòng)過(guò)大，在實(shí)驗(yàn)前將受試者頭部用泡沫墊等物體固定，隨后關(guān)閉磁共振室內(nèi)的所有燈光，避免光亮對(duì)受試者產(chǎn)生影響；在掃描的過(guò)程中，為避免進(jìn)行特定的思考對(duì)受試者產(chǎn)生影響，所有受試者都是平臥閉目休息。

1.2.2 影像學(xué)數(shù)據(jù)處理

磁共振儀掃描得到的圖像數(shù)據(jù)均為DICOM格式，通過(guò)dcm2nii軟件對(duì)掃描的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，便于后續(xù)的處理計(jì)算。進(jìn)行預(yù)處理之前去除每個(gè)受試者數(shù)據(jù)的前5個(gè)時(shí)間點(diǎn)，用以消除機(jī)器啟動(dòng)時(shí)其磁場(chǎng)不穩(wěn)定而對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生的影響。基于MATLAB2013b平臺(tái)，采用靜息態(tài)腦功能數(shù)據(jù)輔助處理工具SPM12對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)每個(gè)受試者的功能磁共振成像數(shù)據(jù)分別進(jìn)行以下操作：①時(shí)間層校正。②頭動(dòng)校正。③空間標(biāo)準(zhǔn)化。將個(gè)體腦影像配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)研究所（montreal neurological institute，MNI），標(biāo)準(zhǔn)化空間3×3×3 mm。④去除線性飄移。⑤濾波（去除頻率在0.01～0.08 Hz以外的信號(hào)）。

根據(jù)頭動(dòng)校正曲線，飛行員組去除兩個(gè)受試者，對(duì)照組去除一個(gè)受試者，去除的標(biāo)準(zhǔn)是頭動(dòng)平移＞1.5 mm或轉(zhuǎn)動(dòng)角度＞1.5°。

1.2.3 ReHo計(jì)算

將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)使用REST軟件計(jì)算出每個(gè)被試的ReHo值，最后對(duì)計(jì)算完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。在計(jì)算ReHo值時(shí)首先比較全腦每個(gè)體素與其周圍相鄰的26個(gè)體素在時(shí)間序列上的相似程度，計(jì)算得到該體素的肯德?tīng)柡椭C系數(shù)即KCC值，計(jì)算特定一個(gè)體素的KCC值的計(jì)算如下所示，接下來(lái)用每個(gè)體素的KCC值除以全腦的所有體素的KCC均值，得到的就是標(biāo)準(zhǔn)化的ReHo值。最后，以一個(gè)半高全寬（fullwidth at half maximum，F(xiàn)WHM）為6 mm的各向同性的高斯核對(duì)ReHo圖進(jìn)行平滑處理。

在公式（1）中，指的是特定體素的肯德?tīng)栂禂?shù)KCC，指的是時(shí)間點(diǎn)的個(gè)數(shù)，本研究中=255；指的是某一特定的體素以及與他相鄰體素的個(gè)數(shù)，本文中=27，27個(gè)體素最終構(gòu)成了一個(gè)團(tuán)塊；R是指第個(gè)時(shí)間點(diǎn)各個(gè)體素的體素值等級(jí)總數(shù)，指的是該體素的所有時(shí)間點(diǎn)的等級(jí)平均數(shù)。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

基于MATLAB2013b平臺(tái)使用SPM12工具包進(jìn)行兩組受試者ReHo值的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，在統(tǒng)計(jì)的過(guò)程中將受試者的年齡作為協(xié)變量，使用雙樣本檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)飛行組與對(duì)照組的ReHo值存在差異的腦區(qū)。計(jì)算之后使用高斯隨機(jī)場(chǎng)（Gauss?ian Random-Field，GRF）多重比較校正對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行校正處理。校正以后，兩組之間的ReHo值在P＜0.005的差異腦區(qū)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，最后將結(jié)果疊加到Ch2模板上進(jìn)行展示。

2 結(jié)果

ReHo分析結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，飛行組左側(cè)額上回（Peak點(diǎn)坐標(biāo)：=24，=54，=27，連續(xù)體素值為63，＜0.005，GRF校正，voxel＞62）的ReHo值顯著降低，未發(fā)現(xiàn)ReHo值增高的腦區(qū)。如表1、圖1所示。

表1 兩組ReHo值有差異的腦區(qū)

圖1 兩組腦區(qū)ReHo值雙樣本t檢驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用的ReHo分析法可以用來(lái)評(píng)估大腦一些區(qū)域的神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng)的協(xié)調(diào)水平。ReHo對(duì)鄰近體素活動(dòng)的相似程度進(jìn)行了描述，將不同體素的時(shí)間序列用肯德?tīng)柡椭C系數(shù)計(jì)算相似性，整個(gè)大腦所有體素都會(huì)獲得一個(gè)KCC值，組成全腦的ReHo圖。本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，飛行員與普通職業(yè)者相比，其左側(cè)額上回的的ReHo值出現(xiàn)明顯下降。額上回屬于前額葉皮質(zhì)，可以接受來(lái)自感覺(jué)皮層的神經(jīng)信號(hào)，在人類的情緒、認(rèn)知活動(dòng)以及執(zhí)行功能中扮演著重要的角色，其中還包括保存工作記憶并進(jìn)行處理，目的性活動(dòng)，注意的控制以及抽象化思維等。背外側(cè)額葉上回屬于皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)區(qū)的一部分，參與運(yùn)動(dòng)的調(diào)節(jié)，包括控制速度、力度、運(yùn)動(dòng)方向等。通過(guò)調(diào)查，在長(zhǎng)期飛行訓(xùn)練的影響下，飛行員對(duì)于運(yùn)動(dòng)物體的捕獲能力會(huì)有所提高，但是在對(duì)于速度、力度、運(yùn)動(dòng)方向的認(rèn)知方面是有所衰退的。飛機(jī)的起飛是從二維轉(zhuǎn)為三維的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因個(gè)人身體素質(zhì)不同，在此過(guò)程中經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺(jué)的發(fā)生。尤其是在惡劣天氣下，由于能見(jiàn)度降低，無(wú)法建立目視參考系，飛行員常會(huì)迷失方向，甚至出現(xiàn)“倒飛的錯(cuò)覺(jué)”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至少90%以上的飛行員都發(fā)生過(guò)飛行錯(cuò)覺(jué)，即飛行員在飛行時(shí)很可能不能正確地判斷出飛機(jī)的位置、運(yùn)動(dòng)或者飛機(jī)的姿態(tài)發(fā)生的改變。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期飛行訓(xùn)練以及飛行過(guò)程中飛行錯(cuò)覺(jué)的影響，使得飛行員左側(cè)額上回腦區(qū)的活動(dòng)強(qiáng)度有所下降。

綜上所述，采用ReHo分析法，分析了飛行員與普通職業(yè)者靜息態(tài)下大腦神經(jīng)元自發(fā)活動(dòng)的協(xié)調(diào)水平，結(jié)果顯示飛行員在速度、運(yùn)動(dòng)方向等方面的感知程度有所下降，有望為飛行員職業(yè)病預(yù)防方面提供參考，同時(shí)也為飛行員腦機(jī)制的研究提供了神經(jīng)影像學(xué)方面的依據(jù)。未來(lái)的研究將增加樣本的容量，選出飛行時(shí)間較長(zhǎng)的有代表性的飛行員繼續(xù)研究，探究其腦區(qū)變化特性，以圖像形式解釋飛行員在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期飛行訓(xùn)練之后與普通職業(yè)者之間存在的腦功能機(jī)制差異，找到飛行員這一特殊職業(yè)激活程度發(fā)生改變的腦區(qū)，為優(yōu)質(zhì)飛行員的選拔提供影像學(xué)依據(jù)。