特發性中樞性性早熟患兒靜息態腦功能連接網絡的研究

蔣弘陽 丁忠祥 張寒

近年來，全世界兒童青春期年齡有逐漸提前的趨勢。中樞性性早熟是臨床常見的一類性早熟，女童的發病率為男童的5～10倍，其中90%為特發性中樞性性早熟（idiopathic central precocious puberty，ICPP）[1-2]。下丘腦作為人類大腦神經內分泌的中樞，具有調控青春期性激素分泌的重要功能。靜息態腦功能可被用于探索青春期大腦功能的改變，筆者以局部一致性（regional homogeneity，ReHo）、基于下丘腦為種子點的靜息態功能連接分析（seed-based connectivity analysis，SCA）研究ICPP患兒靜息態腦功能的差異，現報道如下。

1 對象和方法

1.1 對象 收集2016年2月至2017年12月浙江省人民醫院就診的女童39例，年齡6～9歲，均行頭顱磁共振檢查排除中樞神經系統腫瘤或其他遺傳性疾病。其中確診ICPP女童26例（ICPP組），正常發育女童13例（正常對照組）。ICPP組納入標準：年生長速率高于正常兒童（＞2個標準差單位）；體格檢查Tanner分級Ⅱ級或以上，促性腺激素釋放激素（gonadotropin-releasing hormone，GnRH）激發試驗達青春期水平 [黃體生成素（luteinizing hormone，LH）峰值＞5 U/L，身高、LH 峰值/卵泡刺激素（follicle-stimulating hormone，FSH）峰值＞0.6][3]。排除標準：繼發性性早熟；不完全性早熟（單純性乳房早發育、腎上腺功能早現、單純性陰毛早現、單純性早初潮）患兒，需隨訪6個月，并結合GnRH激發試驗、骨齡、生長速率等排除是否為性早熟的最初癥狀。正常對照組納入標準：體格檢查無乳房結節或陰毛早現，近期無明顯生長加速，身高符合該年齡身高±2個標準差單位。剔除圖像預處理時以3 mm、3°頭動標準的9例，最終納入ICPP組18例，正常對照組12例。兩組女童年齡、體重及BMI比較差異均無統計學意義（均P＞0.05），身高、LH水平與LH/FSH比值差異均有統計學意義（均P＜0.01），見表1。本研究經本院醫學倫理委員會審查批準，所有監護人均簽署書面知情同意書。

1.2 磁共振數據采集 使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振掃描儀，通用磁共振成像系統和8通道頭部專用線圈。均由同一位熟練操作者采集數據，掃描序列包含高分辨率T1WI序列和靜息態腦功能核磁共振成像。整個數據采集過程中，囑咐女童保持靜止、身體放松、不進行思考、雙眼睜開平視前方。在階段掃描完成后及時評估磁共振數據質量，對于頭動過大的數據，予以重新掃描。掃描參數如下：（1）靜息態腦功能掃描采用平面回波成像技術（EPI）序列：TR=2 s，TE=30 ms，翻轉角 90°，層厚 3.2 mm，矩陣 64×64，掃描視野 220×220。每次檢查序列包含210個時間點，每個時間點包含44層。（2）高分辨率 T1WI序列：TR=6.8 ms，TE=3 ms，翻轉角 12°，層厚1 mm，矩陣 256×256，掃描視野 216×216。數據搜集完成后，檢查圖像，避免顱底骨質、雙側乳突及磁場信號不均引起的信號缺失和信號噪聲。

1.3 圖像預處理 在Matlab 2016b環境下，應用基于SPM8的DPARSF工具包進行預處理。ReHo與SCA皆需在預處理前刪除前10個時間點所掃描的數據，以確保血氧水平依賴（blood oxygen level dependence，BOLD）信號的穩定；而后行時序校正、頭動校正、空間標準化。ReHo需使用0.01～0.1 Hz頻段濾波去除低頻生理信號和高頻隨機噪聲，分析完成后需以半高全寬行6 mm平滑核的高斯平滑處理。SCA需在空間標準化后行去線性漂移和回歸協變量、濾波和高斯平滑[4]。

在預處理階段，使用DPARSF對大腦結構像（高分辨T1WI）不同成分進行分割，分為白質、灰質和腦脊液。采用SPM8的Calculate功能，將所有女童結構像的大腦灰質部分作平均值運算（閾值＞0.3）生成灰質蒙版。在灰質蒙版范圍內運算ReHo分析可以來消除大腦白質、腦脊液等對結果的影響。

下丘腦感興趣區（region of interest，ROI）確定：根據Baroncini等[5]和Kullmann等[6]的成人下丘腦功能網絡研究，選定雙側下丘腦內側部為坐標，見圖1。使用WFU_PickAtlas軟件（http://fmri.wfubmc.edu/software/pickatlas），在雙側坐標點以3 mm為直徑繪制兩個（3×3×3）mm3的球體作為 ROI，每一側的 ROI包含 1 個體素。

表1 兩組女童一般資料的比較

圖1 基于下丘腦為種子點的靜息態功能連接分析所選取的感興趣區[位于雙側側下丘腦內側部，蒙特利爾坐標系（x：±4；y：-2；z：-12）；使用 WFU_PickAtlas軟件繪制兩個（3×3×3）mm3的球體為ROI]

2 結果

2.1 ReHo分析 ICPP組ReHo值減低的腦區有雙側的內側前額葉皮層和前扣帶回皮層（包含Brodmann11、24、25、32腦區），見表 2。

表2 ICPP組ReHo值顯著減低的腦區

2.2 兩組女童下丘腦功能連接網絡差異的腦區 正常對照組和ICPP組均出現與下丘腦相關聯的活躍腦區，經雙樣本t檢驗分析發現，5個腦區的具有顯著意義的腦區（ICPP組＞正常對照組），分別為雙側前額葉皮層、楔前葉皮層及右側頂葉皮層，見表3及圖2（插頁）。

表3 ICPP組下丘腦功能連接網絡顯著差異的腦區

圖2 兩組女童下丘腦功能連接網絡差異的腦區[紫色實線內為蒙版的范圍；暖色區域為ICPP組較正常對照組有顯著差異的腦區，右側前額葉（t=4.46）、左側前額葉（t=5.17）、右側楔前葉（t=4.75）、左側楔前葉（t=4.81）及右側頂葉（t=3.85）皮層與下丘腦的功能連接增強]

3 討論

人類大腦的發育包含功能性變化和結構性的變化，既往對于功能連接網絡的研究表明人類嬰兒時期的大腦和成人時期的大腦在功能磁共振序列下有著顯著不同[7]。大腦的發育是從局限性功能連接到離散性功能連接的漸進性變化[8]。目前的研究表明，ICPP是一種沒有器質性病變的內分泌功能失調，單純表現為進入青春期的年齡提前。筆者通過比較ICPP患兒和同年齡階段正常女童的大腦功能連接差異，特別是下丘腦功能連接網絡，研究兒童大腦功能連接網絡的變化方式。

腦功能連接在原理上是通過統計學分析，評價不同神經生理活動之間的相關性或一致性。ReHo分析是一種數據驅動的分析手段，能夠較好地減弱BOLD數據中的信號噪聲所帶來的影響，可以通過肯德爾一致性系數來評估大腦BOLD圖像中一個像素與其鄰近像素的一致性，已被廣泛用于精神分裂、抑郁癥、自閉癥、阿爾茨海默癥等疾病的臨床研究中。大腦每個區域的發育順序存在差異，前額葉的結構與功能的發育與青春期有著密切關系。Sisk等[9]發現前額葉是大腦中與執行功能有關的區域，在青春期前額葉的發育要晚于與其他與行為獎勵功能相關的大腦區域；這一發現解釋了青春期行為問題的產生機制，同時也說明大腦前額葉的發育與青春期有著密切的關系。Piekarski等[10]研究表明大腦內側前額葉的發育是受青春期荷爾蒙調控，抑制性神經突觸傳遞增加導致了內側前額葉的提前發育；γ-氨基丁酸是一種抑制性的神經遞質，與大腦的執行功能有關，其分泌增加可以改善自我控制的能力。本研究發現ICPP患兒在內側前額葉皮層ReHo降低，說明在內側前額葉局部像素間的功能連接減弱。該變化符合正常青春期的大腦功能網絡發育模式，是一種“短程連接減弱”的模式。

下丘腦功能連接網絡最初被用于研究與攝食行為相關聯的高級皮層與下丘腦的關系，以及下丘腦神經元如何整合入離散式的神經網絡系統[6，11]。雖然先前的研究者們使用了不同的ROI選擇下丘腦功能連接網絡，他們得到的結果卻是一致的，都觀察到下丘腦和額葉皮層之間增強的功能連接，前額葉皮層、顳葉皮層、扣帶旁溝皮層、上枕葉皮層與下丘腦也存在功能連接。但是，目前尚沒有研究者將這種方法應用于兒童腦功能網絡研究，本研究首次觀察到了ICPP兒童靜息態功能磁共振顯示的下丘腦功能連接網絡的存在。ICPP組的下丘腦功能連接網絡與同齡的正常對照組之間存在顯著差異，其更接近先前Kullmann等[6]與Lips等[11]所得到的成人下丘腦功能連接網絡。

本實驗研究表明大多數的像素簇位于額葉和頂葉這些與生長發育有著密切關系的皮層區域，證明它們是下丘腦功能網絡的主要構成成分。在前額葉中與認知功能和執行功能相關的內側和背側前額葉顯示出與下丘腦更為顯著的功能連接[12-13]；內側下丘腦蘊含功能異質性的神經元，能夠調控性腺激素的分泌[14]；筆者推測實驗組前額葉與下丘腦之間增強的功能連接與ICPP女童的下丘腦-垂體-性腺軸提前激活有關（實驗組就是ICPP）。兩者之間密切的聯系，同時也能證明前額葉皮層的發育是受性腺激素所調控的。楔前葉和后扣帶回是大腦結構連接和功能連接中最重要的樞紐，它們在Dosenbach等[15]通過功能成像預測個體生長發育的模型中具很高的權重；后扣帶回也是傳統靜息態腦功能連接網絡研究中用以確定默認網絡的重要感興趣區[16-17]，它在記憶回溯和情感表達起重要的作用[18]。功能連接網絡會隨著大腦的發育動態變化。Supekar等[19]和Gu等[20]發現在后扣帶回和內側前額葉網絡內和網絡間的連接隨年齡的增加而增強。在兒童時期的腦功能拓撲研究中，大腦的結構網絡樞紐位于這些初級功能皮層區域；隨著青春期的生長發育，這些網絡樞紐逐漸由更高級的功能網絡替代。這些變化都表明青春發育時期，大腦的功能網絡針對不同基本功能進行針對性局部調整。

本研究也存在一定的局限性，實驗樣本量偏少，僅能滿足組水平的統計分析，不能使用Bonferroni校正、FWE（Family Wise Error）校正等更嚴格的多重比較校正。本研究采用的FDR校正和AlphaSim校正也是較好的控制陽性錯誤的方法，對于前瞻性的探索實驗，能夠保存更多有效的陽性實驗結果。本研究樣本量偏少是由于本研究對象為女童，且對年齡和激素水平有較為嚴格的要求；對于健康的青春前期的女童，較難說服家長同意進行耗時較長的磁共振檢查；同時，靜息態腦功能分析對圖像穩定性有較高要求，部分小齡兒童在掃描時容易煩躁不安，導致圖像剔除。

綜上所述，ICPP女童的內側前額葉的ReHo值與下丘腦功能連接網絡存在異常，提前出現了近似于成年人（或正常兒童青春后期）的靜息態功能連接的模式。活躍的下丘腦功能連接網絡對于特發性性早熟具有影像標志意義，下丘腦網絡的從無到有是青春期大腦發育模塊化重組的結果，在某種程度上反映了下丘腦-垂體-性腺軸的激活，說明下丘腦網絡的發展受到青春期性腺激素的影響。