基于低頻振幅的吸煙成癮者戒煙2周后腦功能活動變化的研究*

袁航，王東翠，莫少鋒，陳真誠，朱健銘

（桂林電子科技大學生命與環境科學學院，桂林541004）

1 引 言

吸煙已成為當今世界最受關注的公共衛生問題之一。根據世界衛生組織統計，全球每年有600萬以上的人死于因吸煙導致的相關疾病，吸煙已成為全球可預防死亡的首要原因［1］。中國是世界上最大的香煙生產國和消費國，擁有全世界最多的吸煙人口數量［2］，約占世界吸煙人口的30%。但是在目前的戒煙手段中，通過藥物和行為干預輔助戒煙的效果不容樂觀，6月以上戒煙治療的成功率也不到50%［3］，因此，探究吸煙成癮的神經生物學機制對戒煙有極大的意義。功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是磁共振技術上一項新的突破［3］。近二十年來，基于血氧水平依賴（blood oxygen level dependent，BOLD）效應的 fMRI技術已被廣泛應用于尼古丁成癮的研究中，國外的Brody［4］、Morales［5］、Gallinat［6］、Almeida［7］等以及國內的 zhang［8］、Liao［9］、Yu［10］等都通過實驗研究證實了吸煙者的腦功能發生了不同程度的變化，但是關于吸煙成癮的機制都未能闡明。fMRI技術幫助我們更好地了解慢性吸煙者大腦結構及其功能，為我們研究吸煙成癮的神經生物學機制和吸煙對大腦造成的影響提供了全新的思路和方法。

近年來，fMRI常被應用于任務范式的研究領域中，即在實驗過程中添加一定的外部誘導或認知事件。已證實吸煙暗示能夠激活吸煙者的邊緣中腦獎賞系統，大部分的物質成癮都存在獎賞效應，推測有相同的多巴胺環路被激活［11］。由于任務態fMRI實驗結果受所設計任務的難度影響，包括被試在實驗中的配合情況，導致該項技術不利于廣泛開展。而靜息態fMRI是近年來發展起來的新方法，被試在實驗過程中只需要保持靜止放松的狀態即可，不添加任何外部刺激和認知任務，操作簡便，多用于分析全腦或局部腦區自發神經元活動。

較多的靜息態fMRI研究都報道了吸煙者的某個腦區單個體素與周圍近鄰體素間的神經活動存在功能一致性，即局部一致性（regional homogeneity，ReHo）。但是關于吸煙者在戒煙期間的大腦局部自發神經活動的BOLD信號強度卻非常少。低頻振幅法（ALFF）是臧玉峰等人于2007年研究兒童注意缺陷多動癥（ADHD）時提出來的算法［12］，它通過計算0.01～0.08 Hz低頻段內全部頻率點上幅度的平均值，得到振幅的統計參數腦圖來反映靜息狀態下大腦組織的BOLD信號強弱以及代謝改變。在腦認知研究領域中，ALFF被證明是一種簡單、可靠性高的評估大腦局部自發神經活動BOLD信號強度的方法［13］。目前已在精神分裂癥、兒童注意缺陷多動障礙癥、癲癇和阿爾茲海默等［14－23］疾病研究中得到了廣泛應用。本研究為了了解吸煙成癮者在戒煙期間的大腦活動情況，對吸煙成癮者在戒煙前和戒煙后進行功能磁共振研究，并采用ALFF分析法對研究結果進行分析。

2 研究對象和方法

2.1 研究對象

本研究于2014年11月到2015年5月招募了24名男性被試者，按照尼古丁成癮程度測量表（fagerstrom test for nicotine dependence，FTND［24］，該表總分10分，規定＞3分為尼古丁依賴），其中有21名被試者判定為吸煙成癮者（FTND分數7±2分），年齡在24～56歲，漢族，均為右利手，初中以上文化（受教育年限為12±3年）。

其中排除的標準包括以下：有除了煙草以外其他物質的成癮史，有嚴重的軀體疾病，精神或神經系統疾病，有顱腦損傷史，昏迷史，有癲癇發作或癲癇家族史者，正在接受藥物治療者，磁共振檢查禁忌者。

每名被試者在實驗中需要采集四次數據，分別為：戒煙前、戒煙兩天后、戒煙一周后、戒煙兩周后；第一次采集不需要做任何檢查前的準備，可在檢查前照常吸煙，當第一次數據采集后，被試者將要開始為期兩周的戒煙，期間要完全脫離香煙，并且不可吸二手煙，最終有14名被試者順利完成整個實驗。本研究中選用了戒煙前和戒煙兩周后的數據進行對照研究，實驗研究之前告知所有參加被試者實驗目的、需要做的檢查、配合的事宜以及在實驗中過程中可能產生的不適。所有被試者都是自愿參加本實驗，并需要簽署知情同意書。

2.2 方法

2.2.1 磁共振數據采集 MRI數據采集在桂林醫學院放射科內完成，使用Siemens3.0T超導磁共振成像系統，在標準相控線圈內掃描受試者頭部，為了減少被試者頭動情況，使用配套的泡沫墊來固定被試者的頭部，掃描過程中被試者平躺在掃描床上，佩戴降噪耳塞，掃描過程不添加任何認知任務，要求被試者保持靜止和放松的狀態，閉目，并盡量不要有過多的思想活動。掃描具體參數為：重復時間（TR）＝2 s，回波時間（TE）＝30 ms，視野（FOV）＝220 mm×220 mm，翻轉角（flip）＝90°，矩陣（matrix）＝64×64，層厚（slice thickness）＝3.2 mm，層數 ＝43，時間點 ＝240，層間隔（gap）＝5 mm，掃描時間為8 min。

2.2.2 數據的預處理 采用DPARSF軟件包在Matlab10.0平臺上對fMRI數據進行預處理，數據的預處理包含以下步驟：首先將DICOM格式的數據轉換成NIFTI格式的數據，去除前十個時間點的圖像（考慮到被試者需要對環境的適應），時間校正（考慮到每個層面獲取的時間不同）；頭動校正（排除被試者掃描時頭動造成的干擾，剔除在各方向平動大于2 mm，轉動大于2°的對象）；空間標準化（排除不同被試者腦結構之間的差異性）；平滑（減少空間標準化對圖像的影響，提高性噪比）；再對圖像進行去線性漂移和濾波處理，減少因低頻漂移和高頻濾波的生理性噪聲。全寬半高值FWHM決定了平滑的程度，通常設為采樣體素的1.5～3倍，這里全寬半高值為8 mm。

2.2.3 低頻振幅（ALFF）計算 采用REST軟件進行低頻振幅的計算，每個體素的ALFF計算過程流程圖見圖1。

圖1 低頻振幅（ALFF）算法流程圖Fig 1 Low frequency am p litude（ALFF）algorithm flow chart

2.2.4 統計分析 兩組之間配對檢驗在rest里完成，采用以體素為基礎的單樣本配對t檢驗，多重比較校正采用閾值校正的方法，在未校正體素的閾值為P＜0.005，選取30個以上的體素集合顯著區視為戒煙前和戒煙后的差異有統計學意義的區域（P＜0.005，cluster＞30），為了了解異常腦區和臨床特征之間的相關性，采用person相關分析，通過rest中REST Image Calculate來提取感興趣區域（region of interest，ROI）區域 ALFF均值，然后將 ROI區的ALFF均值和初次吸煙年齡、吸煙年限、每天吸煙數量、受教育年限進行雙關變量分析（P＜0.05）。

3 結果

3.1 樣本的特征

入組被試者的平均初次吸煙年齡為18歲（18±4歲），平均吸煙年限為20年（20±15年），平均每天吸煙量達22支（22±8支）。相關性分析未發現吸煙成癮者戒煙前后腦功能顯著變化區域的ALFF均值和吸煙者每天吸煙數量、吸煙年限、教育年限之間的顯著相關性。

3.2 吸煙成癮者戒煙前與戒煙兩周后的ALFF差異

實驗采用單樣本配對t檢驗對吸煙成癮者的戒煙前和戒煙兩周后的ALFF結果進行統計分析，結果發現，和戒煙前的情況相比，吸煙成癮者戒煙兩周后的右側楔前葉、左側緣上回、右側后扣帶回、左側背外側額上回、左側額中回的ALFF降低（見圖2和表1）；左側距狀裂周圍皮層，左側楔葉、右側距狀裂周圍皮層、左側中央后回的ALFF增加（見圖2和表2）。

表1 相比于戒煙前，吸煙成癮者戒煙兩周后ALFF降低的腦區Table 1 After a two－week long smoking cessation，the brain area was found ALFF decreased

表2 相比于戒煙前，吸煙成癮者戒煙兩周后ALFF增加的腦區Table 2 After a two－week long smoking cessation，the brain area was found ALFF increased

4 討論

采用低頻振幅分析方法，通過和戒煙前的靜息態大腦活動情況比較，發現戒煙兩周后吸煙成癮者在右側楔前葉、右側后扣帶回、左側緣上回、左側背外側額上回、左側額中回和雙側小腦后葉的ALFF活動減弱，雙側距狀裂周圍皮層、雙側楔葉、左側中央后回和左側中央旁小葉ALFF活動則增強。

圖2 靜息狀態下，吸煙成癮者戒煙前與戒煙兩周后的ALFF配對統計檢驗結果Fig 2 The ALFF paired T－test results of som king addictsmeasured in resting state before and after a two－week long cessation of smoking

前額葉背外側皮層是負責執行和控制的關鍵腦區之一，McClernon等人［24］采用與吸煙有關的圖片刺激吸煙者的功能共磁振研究中發現了戒煙引起的渴望與前額葉部位活動變化有關。本研究發現戒煙兩周后被試者前額葉背外側皮層的ALFF活動降低，推測與被試者在戒煙期間出現的強迫性覓藥行為有關。被試者在開始戒煙后隨著時間推移會不斷的產生吸煙渴求，在未得到滿足的情況下，前額葉背外側皮層的ALFF強度明顯減弱，以此作為執行控制受損的病理基礎。

本研究還發現被試者戒煙兩周后的雙側小腦后葉的ALFF活動降低，倪明飛等人在香煙誘導的研究中發現了吸煙成癮者在采用香煙誘導后小腦半球出現激活［25］，大部分相關研究也報道了類似發現，但沒有做進一步的分析，只有Lee等［26］認為這與運動前的準備和協調有關聯，考慮到在戒斷情況下吸煙成癮者應有較強的吸煙欲望以及尋找香煙或香煙類似物的運動準備，作者猜想這是戒煙后小腦后葉ALFF活動降低的可能解釋，但仍需進一步研究論證。

距狀裂周圍皮層和楔葉屬于視覺處理聯絡區域，在戒煙兩周后被試者這些腦區的ALFF增強，原因可能是被試者在戒煙狀態下產生強烈吸煙欲望迫使其注意力轉為對香煙信號的渴求，類似于望梅止渴的道理，因此，需要調用視覺相關的腦區來執行任務。劉朝等人［27］在采用針刺緩解吸煙者吸煙渴求的研究中，發現吸煙者在針刺前大腦的視覺區域也到了激活，提示可以通過調整視覺皮層的神經活動來輔助戒煙。

中央后回和中央旁小葉是軀體感覺中樞之一。臨床研究發現，中重度吸煙者在戒煙過程中會產生咳嗽、饑餓、振顫、肌肉疼痛等戒煙癥狀，而參與本實驗的被試者在戒煙過程中都產生了不同程度的戒煙癥狀，推測被試者在戒煙期間的中央后回和中央旁小葉的ALFF增加是導致軀體感覺增強的原因之一。

以上研究結果說明，戒煙兩周后吸煙成癮者在額葉、頂葉、邊緣葉、枕葉和小腦后葉的靜息態功能活動均發生了變化。額葉占整個大腦皮質面積的40%，具有認知、執行和控制行為的功能，同時參與軀體運動、語言、智能及情感等活動，對自主神經的調節和小腦共濟運動的控制也有一定作用［28］。有研究報道，前額葉皮質也是物質成癮的關鍵腦區，參與成癮物質的短時效應、渴求和戒斷等各個階段［29］。頂葉與軀體感覺、身體協調性、數理邏輯能力、語言認知處理有關［28］。邊緣葉參與神經、嗅覺、內臟活動、情緒和記憶活動［28］。枕葉的主要功能是處理視覺信息［28］。因此，本研究借助ALFF指標證實了戒煙可引起吸煙成癮者軀體運動、軀體協調性、情緒和記憶、視覺信息處理等有關的大腦功能活動變化，而且以上腦功能活動的變化均能與吸煙成癮者在戒煙過程中的戒煙癥狀相吻合。這為將ALFF用作監測或評價戒煙效果的潛在生理指標提供了有力的論據支持。

在得到以上研究結果的過程中，本研究創新性地采用ALFF分析方法探討了吸煙成癮者在腦功能活動上的戒煙效應，并通過分析被試者戒煙前后的差異來研究這一戒煙效應，有效降低了個體差異可能帶來的影響。但是，由于實驗設計要求被試者戒煙時間達到兩周，而且要在戒煙過程中完全脫離香煙，也不能吸二手煙，這對吸煙成癮的人來說是相當困難的一件事，不少被試者因為沒有達到實驗要求而被剔除，導致最終滿足實驗條件被試者偏少。今后有必要征集更多的被試者參與研究，使得本研究的結果更具有普遍性和說服力。