基于靜息態功能磁共振尼古丁依賴者小腦-皮層間功能連接的研究

張孟哲，高昕宇，楊鎮圭，黃薈玉，文萌萌，汪衛建，程敬亮，張勇，許珂

煙草危害仍然是當今世界面臨的一個巨大的公共衛生問題。尼古丁依賴(nicotine dependence,ND)是一種慢性、反復發作的精神障礙，其特征是強迫性吸煙。且越來越多的證據表明吸煙會損害中樞神經系統導致認知能力下降[1]。先前的研究表明，ND的神經基礎主要與由前額葉皮層、島葉和紋狀體組成的多巴胺能神經回路有關[1]。但這些研究只對大腦區域進行分析，對小腦的研究較少。雖然傳統上認為小腦在協調運動、保持姿勢和平衡方面很重要，但越來越多的證據表明，小腦在許多其他功能中也發揮著作用，包括調節認知和情緒、注意力處理和決策[2]，這些都在成癮機制中至關重要。小腦在解剖結構上被分為28個亞區(包括18個葉和小腦蚓部I～X)[3]，這些區域在解剖和功能上與大腦的7個主要腦網絡相連[4]。此外，小腦有多種煙堿乙酰膽堿受體(nAChR)亞型，包括α7和α4β2亞型[5]。尼古丁的毒性作用可導致小腦細胞損傷，特別是浦肯野細胞和顆粒細胞[2,6]。Shen等[7]和Peng等[8]都發現，與健康對照者相比，吸煙者在小腦CrusⅠ灰質體積顯著減小。因此，該研究選擇雙側小腦CrusⅠ為感興趣區(region of interest，ROI)，利用靜息態功能磁共振成像技術，探究尼古丁依賴者小腦-皮層間功能連接(functional connectivity，FC)的異常，擴展了先前主要關注大腦結構和功能改變的發現。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究通過微信等網絡平臺共招募169例受試者，其中尼古丁依賴者117例，健康對照52例。尼古丁依賴組的入組標準符合美國精神障礙診斷統計手冊第5版(the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders V,DSM-V)關于物質依賴的診斷標準[9]，每日吸煙量不低于10根，煙齡不少于2年。尼古丁依賴組排除標準：(1)有其他物質(酒精、藥物、毒品)成癮或行為(賭博、網游、手機)的成癮史；(2)腦器質性病變(如腫瘤、腦梗死等)或嚴重軀體疾?。?3)其他精神障礙者(如抑郁，精神分裂癥等)；(4)2周內有服用苯二氮卓類藥物者或接受過抗精神疾病藥物治療的患者；(5)由于肥胖與吸煙存在交互作用[10]，排除了體質量指數(body mass index,BMI)＞30的肥胖者。對照組納入標準：(1)年齡、受教育年限等與尼古丁依賴組相匹配；(2)一生中吸煙少于20支且過去一年里未吸煙[11]。所有受試者均為成年男性，年齡為20～55歲，右利手，無磁共振檢查禁忌。之后采用問卷形式對相關臨床信息和吸煙相關信息進行采集，獲得信息僅供科研使用。本研究經過鄭州大學第一附屬醫院醫學倫理委員會批準(批準文號：科研-2014-LW-75)，受試者均已簽署知情同意書。

1.2 磁共振檢查方法

1.2.1 檢查設備

采用3.0 T西門子掃描儀Skyra和配套的16通道頭部專用線圈進行數據采集。

1.2.2 數據采集

掃描前，向受試者說明本次MRI掃描注意事項。掃描時被試者平臥閉眼、保持平靜放松清醒狀態，用檢查專用耳塞保護被試者聽力及海綿墊固定頭部以最大程度減少掃描期間頭部運動。采用頭先進，雙眉中心連線定位法。圖像采集過程中不添加任何外界刺激。本次研究磁共振數據采集包括常規磁共振圖像和靜息態功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)圖像采集。常規磁共振圖像即臨床診斷疾病常用序列，包含軸位和矢狀位T1WI圖像、軸位T2WI、T2 FLAIR及擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)(b=0、1000 s/mm2)圖像。T1WI用于定位，參數：重復時間(repetition time，TR)380 ms，回波時間(echo time，TE)2.5 ms；軸位T2WI序列掃描篩查病變，參數：TR 3800 ms，TE 93 ms，層間距1 mm，層厚5 mm，視野(field of view，FOV)240 mm×240 mm，層數20?？焖僮孕夭?flash 2D，FL2D)序列掃描獲得矢狀位T1WI圖像，TR 380 ms，TE 2.5 ms。先行常規MRI掃描目的：首先為使被試適應掃描環境，以盡可能達到靜息態掃描狀態的要求，其次是排除被試者尚未察覺的顱內器質性病變，以嚴格遵守入組標準。靜息態圖像數據為BOLD序列，參數為TR 2000 ms，TE 30 ms；翻轉角80°；層厚3.0 mm；層數32層；矩陣64×64；體素大小為3 mm×3 mm×3 mm；共獲取180個時間點的功能數據即5760幅數據圖像。

1.2.3 磁共振圖像數據預處理

采用基于矩陣實驗室MATLAB運行的DPARSF軟件進行數據預處理，剔除前5個時間點的圖像以保證BOLD信號的穩定性。DPARSF軟件預處理包括：格式轉換(DICOM轉為NIFTI)、時間校正、頭動校正(剔除頭動平移＞2.5 mm和旋轉＞2.5°的被檢者數據)、空間標準化。進行去線性漂移和帶通濾波(0.01～0.08 Hz)去除低高頻噪聲。為了去除任何運動和其他非神經元因素的殘留影響，將頭動、白質和腦脊液信號作為協變量回歸?？紤]到頭部微動作可能產生偽信號變化，應用Scrubbing method進一步消除頭動影響。

1.2.4 基于種子點的功能連接分析

本研究基于前人研究，選取雙側CrusⅠ為ROI，其蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空間坐標為：左側-45、-56、-33；右側18、-76、-34[7]。以選取的CrusⅠ MNI坐標為球心，構建半徑為3 mm的小球，分別計算雙側CrusⅠ與大腦區域之間功能連接。通過Z轉換得到雙側CrusⅠ和大腦區域的功能連接圖。最后用6 mm平滑核進行全寬半高高斯平滑。

1.3 統計學方法

數據統計應用SPM 8和SPSS 21.0軟件，計量資料用±s表示。使用兩獨立樣本t檢驗，根據吸煙與否將被試者分為尼古丁依賴組和對照組，然后以年齡、受教育程度、預處理時生成的頭動幀位移參數(fame-wise displacement，FD)作為協變量，并以腦灰質模板作為感興趣區進行兩組間獨立樣本t檢驗，最后用DPABI中的viewer組件選GRF校正，體素水平P＜0.005和團塊水平P＜0.05表示差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 受試者基本臨床信息

本研究被試者均為成年男性、漢族、右利手，其中尼古丁依賴組117例，健康對照組52名。尼古丁依賴組和對照組間年齡、受教育程度均差異無統計學意義(P值均大于0.05；表1)。尼古丁依賴組基本信息：年齡(36.32±8.37)歲，教育年限(14.35±2.48)年，初始吸煙年齡(19.50±3.18)歲，煙齡為(17.18±7.88)歲；每日吸煙(19.61±9.16)支；吸煙指數[12](17.57±12.57)包年[吸煙指數即pack-year，是尼古丁依賴程度相關指標，計算公式為(每天吸煙數量×吸煙年數)/20，1包=20支香煙]；尼古丁依賴檢驗量表(Fagerstrom test of Nicotine Dependence，FTND)。健康對照組基本信息：年齡(33.86±7.46)歲，教育年限(15.02±2.53)年。

表1 尼古丁依賴組和對照組間基本臨床信息表(±s)Tab.1 Characteristics of smokers and non-smokers(±s)

表1 尼古丁依賴組和對照組間基本臨床信息表(±s)Tab.1 Characteristics of smokers and non-smokers(±s)

注：pack-year：吸煙指數；FTND：尼古丁依賴檢驗量表。

?

2.2 基于種子點功能連接的組間差異

以左側CrusⅠ(-45、-56、-33)為感興趣區，與健康對照組相比，尼古丁依賴組左側CrusⅠ與雙側楔前葉、雙側中央后回、雙側中央旁小葉、右側頂上小葉及右側輔助運動區(supplementary motor area；SMA)的FC升高(圖1；表2)，未發現FC減弱的腦區。以右側CrusⅠ(18、-76、-34)為感興趣區，尼古丁依賴組與健康對照組相比無顯著差異。

表2 尼古丁依賴組和對照組基于種子點功能連接差異Tab.2 Seed-based FC abnormalities between ND and HC

圖1 尼古丁依賴組和對照組基于種子點功能連接差異。種子點，左側CrusⅠ(-45、-56、-33)。A：右側頂上小葉；B：雙側中央旁小葉；C：雙側楔前葉，右側輔助運動區；D：左側中央后回Fig.1 Seed-based FC Abnormalities between ND and HC.Seed,LeftCrusⅠ(-45,-56,-33).A:Right superior parietal lobule.B:Bilateral paracentral lobule.C:Bilateral precuneus,Right SMA.D:Left postcentral gyrus.

3 討論

本研究利用靜息態功能磁共振成像技術，采用功能連接分析方法探究了尼古丁依賴者雙側小腦CrusⅠ和其他腦區間的功能連接較健康對照者之間的差異。研究發現，與健康對照者相比，吸煙者的左側CrusⅠ和涉及默認模式網絡(default mode network；DMN)的大腦區域(如雙側楔前葉)之間的FC顯著增高；吸煙者還顯示左側CrusⅠ和與運動協調和感覺相關的大腦區域(如中央旁小葉、SMA、中央后回)之間的FC顯著升高。這些發現有助于了解吸煙者的小腦異常及其與大腦皮層的聯系，強調了小腦在尼古丁依賴機制的作用，對先前主要關注大腦結構和功能改變的研究進行了擴展和補充。

越來越多證據表明，小腦在調節認知和情緒、注意力處理和決策方面發揮著作用，這些都在成癮機制中至關重要[2]。因此，小腦被認為是成癮回路中的一部分。CrusⅠ位于小腦后葉，對認知功能有重要作用。CrusⅠ在解剖和功能上與大腦皮層的前額葉、顳葉和頂葉區域相連[4]。本組的靜息態FC數據表明，CrusⅠ在功能上與涉及DMN的大腦區域(雙側楔前葉)相連。楔前葉是構成DMN的重要腦區之一，負責注意力與記憶和知覺的信息整合。Huang等[13]研究發現吸煙者在戒斷狀態下，前扣帶回皮質(anterior cingular cortex，ACC)與楔前葉之間功能連接較不吸煙者增加。與滿足狀態相比，戒斷時吸煙者ACC與楔前葉之間功能連接增加。Wang等[14]研究發現相對于戒斷者，復吸者左側丘腦-楔前葉FC降低，且可以用來預測吸煙復發，準確率為75.7%。DMN涉及自我參照的心理活動、情緒加工和先前經驗的回憶等[15]。一項基于任務的磁共振研究表明，當吸煙提示存在時，吸煙者必須使用更多的注意力來專注于標準的認知任務，這種注意偏差與DMN有關[16]。因此，DMN被認為在吸煙中起重要的作用，特別是在戒斷癥狀中：渴望和難以集中注意力。本組結果顯示吸煙者左側CrusⅠ和DMN之間的FC較對照者有顯著差異，表明CrusⅠ可能參與了DMN的自發性大腦活動，而兩者FC的增加可能與尼古丁依賴者DMN異常激活和與其他大腦區域的整合紊亂有關[17]。

相比之下，在成癮的神經生物學和認知相關研究中，感覺和運動過程的作用似乎被忽視了，盡管它們可能與成癮的發展和維持高度相關[18]。筆者觀察到，與健康對照組相比，尼古丁依賴組左側CrusⅠ與旁中央小葉、SMA、中央后回、頂上小葉之間的FC增加。旁中央小葉和SMA參與運動協調。SMA可能是反應抑制任務中自愿行為調節不良的結構基礎，并且SMA與行為沖動有關[19]。一些研究表明，成癮的運動過程一方面與運動敏感有關，即反復給藥后運動激活增加；另一方面是自動化的運動技能，這可能在成癮中發揮重要作用[18]。這些與藥物相關的運動技能可能與人類在成癮過程中通過強化和有規律的練習有關。此外，許多基于線索反應的研究發現，與中性線索相比，成癮者的SMA、小腦、運動皮層對藥物相關線索反應表現為優先激活[20]。此外，中央后回是軀體感覺中樞，頂上小葉參與了感覺和運動信號的整合[18]，將感覺與運動聯系在一起。根據這些發現，CrusⅠ與主運動和感覺功能的腦區之間FC的增加暗示了CrusⅠ可能參與了自動的吸煙行為。

本研究有以下幾點局限性：(1)研究表明吸煙者腦功能、結構的變化具有性別、種族差異[21-23]，本研究中招募對象均為漢族男性，而女性及其他種族吸煙者未納入研究，因此研究結果不具有人群普適性；(2)本研究為病例對照的橫斷面研究，無法準確判斷吸煙和小腦-皮層間功能連接改變的因果關系。

本研究結果表明，與健康對照者相比，吸煙者左側小腦CrusⅠ與DMN、運動協調和感覺相關的腦區之間的FC顯著增高，這說明小腦參與了尼古丁依賴的神經生物學機制并發揮了作用，在一定程度上解釋了尼古丁依賴者自動吸煙行為和認知、注意的缺陷。總之，我們的研究擴展了先前主要關注大腦結構和功能改變的發現，強調了小腦的非運動功能。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。