綠色環境暴露與青年人腦灰質體積及自發性腦活動的相關性

李魏薇，郭力寧，劉嘉瑋，滿瑋琦,2，馬 林，劉 風，于春水*

(1.天津醫科大學總醫院醫學影像科 天津市功能影像重點實驗室，天津 300052；2.天津大學醫學工程與轉化醫學研究院，天津 300072)

綠色環境暴露有益于心理健康[1]，利于提高注意力及認知水平[2]。目前關于綠色環境暴露對健康成年人腦灰質體積(grey matter volume， GMV)影響的研究較少，對于綠色環境暴露與自發性腦活動的關聯尚不明確。遙感衛星技術具有實時、監測時間長、覆蓋范圍廣的特點，已廣泛用于評估綠色環境，多以歸一化植被指數(normalized difference vegetation index， NDVI)反映綠色植被覆蓋情況[3]。本研究基于陸地衛星(Landsat)圖像提取NDVI，評價綠色環境暴露與青年GMV及靜息態自發腦活動的相關性。

1 資料與方法

1.1 研究對象 于2015年10月—2016年11月納入653名青年志愿者，男300名，女353名，年齡18～30歲，平均(24.0±2.2)歲，受教育程度(16.6±1.8)年。納入標準：①年齡18～30歲，漢族，右利手；②無吸煙史，無過度飲酒史，無睡眠障礙，無暴飲暴食，無焦慮、抑郁或躁郁癥等精神疾??；③無MR檢查禁忌證。本研究通過醫院倫理委員會批準(倫理編號：IRB2015-092-01)。所有受試者均自愿參加，檢查前均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery MR750 3.0T MR掃描儀，配備頭部8通道相控陣線圈。固定受試者頭部，囑其檢查時平靜呼吸、閉眼，保持清醒。采用腦容積成像(brain volume imaging， BRAVO)序列采集3D T1W結構圖像，掃描參數：TR 8.16 ms，TE 3.18 ms，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，FA 12°，層厚1 mm，層間距0，掃描層數188。以梯度回波單次激發平面回波成像(single shot echo planar imaging， SS-EPI)序列采集靜息態功能MRI(functional MRI， fMRI)，參數：TR 2 000 ms，TR 30 ms，FOV 220 mm×220 mm，矩陣64×64，FA 90°，層厚3 mm，層間距1 mm，掃描層數36，共180個時間點。

1.3 圖像處理 采用SPM 12軟件，由1名具有5年以上工作經驗的影像科醫師對結構像數據進行預處理，采用“聯合分割”算法全腦結構分割為灰質、白質和腦脊液，生成灰質概率圖，并將之配準到標準空間，對每個體素重采樣至1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；以標準化過程中產生的非線性變形場參數調制灰質濃度圖，得到絕對灰質體積圖，并進行空間平滑處理。采用DPARSFA軟件預處理fMRI數據，刪除前10個時間點的數據；行時間層校正及頭動校正；將圖像配準到標準空間，并將每個體素重采樣到3 mm×3 mm×3 mm；去除線性漂移、頭動參數、腦脊液信號及腦白質信號等協變量的影響；計算低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation， ALFF)，濾波頻段為0.01～0.08 Hz；行空間平滑處理。

1.4 采集居住地信息 以問卷形式收集受試者從出生到參與試驗期間每年居住地的地理坐標，以高德地圖定位坐標。地理坐標以日間主要活動地作為研究地址：小學前階段使用家庭地址，就學期間使用學校地址，工作期間使用單位地址。若某年內受試者家庭、學校或工作地址變更，則以停留時間超過6個月的地點為研究地址。

1.5 評估綠色暴露水平 將高德坐標系轉化為谷歌坐標系，以谷歌地球引擎云數據處理平臺根據受試者每年所在坐標點提取的Landsat 5(1981—2011年)和Landsat 7(2012—2018年)的近紅外(near infrared， NIR)波段和紅光(red， R)波段數值，并計算NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。健康植被含葉綠素較多，反射近紅外光較多，NIR值較大；反之則反射紅光更多，R值較大，即NDVI的數值越接近1，代表綠色植被覆蓋率越高[4]。計算受試者從出生到參加試驗所有年份坐標點1 km范圍的平均NDVI，同時計算所有年份NDVI的累積平均值，作為綠色環境暴露量。

1.6 統計學分析 采用SPM 12軟件中多重回歸分析方法，以性別、年齡、全腦體積及受教育年限為協變量，評價NDVI累積平均值與GMV的相關性，對結果行FDR校正(α=0.05)，團塊體素數>800(2 700 mm3)；以性別、年齡及受教育年限為協變量，評價NDVI累積平均值與ALFF的相關性，對結果行FDR校正(α=0.05)，團塊體素數>100(2 700 mm3)。對于GMV與ALFF結果重疊的腦區，采用殘差計算偏相關系數，校正水準α=0.01，r<0.3為弱相關，0.3≤r≤0.5為中等相關，r>0.5為強相關。P<0.01為差異有統計學意義。

2 結果

基于體素的回歸分析顯示，NDVI累積平均值與內側額葉皮層GMV呈正相關，與小腦蚓GMV呈負相關，見圖1及表1。NDVI累積平均值與內側額上回、眶額皮層、外側顳下回及右側小腦后葉ALFF呈正相關，與內側前額葉、中央后回及左側枕外側葉ALFF呈負相關，見圖2及表2。

圖1 NDVI累積平均值與GMV顯著相關的腦區(黃色為正相關腦區，藍色為負相關腦區)

圖2 NDVI累積平均值與ALFF顯著相關的腦區(黃色為正相關腦區，藍色為負相關腦區)

表1 青年人NDVI累積平均值與GMV顯著相關腦區

表2 青年人NDVI累積平均值與ALFF顯著相關的腦區

將NDVI與GMV顯著相關的團塊投影到與ALFF顯著相關的團塊，結果顯示NDVI與GMV呈正相關的內側額葉腦區和與ALFF顯著相關的腦區中存在兩個重疊區域：內側額上回，重疊100個體素，該區GMV與ALFF呈正相關(r=0.31，P<0.01)；內側前額葉皮層，重疊218個體素，該區GMV與ALFF無顯著相關(r=-0.09，P>0.01)。

3 討論

內側額葉皮層與社會認知(決定未來的行為、自我反思和反思他人)相關[5]。綠色環境暴露可增強認知功能，減少精神疾病發生[1-2]。本研究發現NDVI累積平均值與內側額葉GMV呈正相關，提示綠色環境暴露越多，內側額葉GMV越大，可能對人腦認知功能起正向作用。小腦蚓部與執行功能、情緒調節及情感處理有關[6]。本研究中NDVI累積平均值與小腦蚓GMV呈負相關，或意味著綠色環境暴露越多，小腦蚓GMV越小，可能原因在于綠色環境占比越多則城市化程度越低，使得教育及醫療等資源及社會經濟發展水平較差，個體小腦蚓發育較差而致GMV較小。

內側額上回在功能上與默認網絡的大腦區域相關[7]，眶額皮層及外側顳葉和顳極均為默認網絡系統的組成部分[8]。本研究中NDVI累積平均值與內側額上回、眶額皮層及外側顳下回ALFF呈正相關，提示暴露于綠色環境可能影響默認網絡的功能；NDVI累積平均值與右側小腦后葉的ALFF呈正相關，而小腦后葉ALFF的降低與初發初治重度抑郁癥[9]有關，小腦后葉ALFF隨NDVI升高而增高，提示綠色環境對精神健康存在保護作用。既往研究[10-12]結果顯示，初發精神分裂癥患者內側前額葉、中央后回和枕葉皮層ALFF降低。本研究中NDVI累積平均值與內側前額葉、中央后回及左側枕外側葉的ALFF值呈負相關，ALFF隨NDVI增高而減低，似與SHANG等[13]我國農村地區人群更易患精神疾病的研究結果相符；但一項包括其他多個國家及地區的薈萃分析[14]認為城市地區的精神障礙患病率明顯高于農村地區，可能與農村地區社會經濟地位較低和醫療資源較差有關。

本研究發現內側額上回NDVI累積平均值與GMV及ALFF均呈正相關；而在內側前額葉重疊腦區，NDVI與GMV呈正相關、與ALFF呈負相關，但GMV和ALFF無顯著相關。腦結構和功能的關系較為復雜，二者的變化可以是同向的，如結構受到損害時，功能亦相應受到損害；也可存在反向變化趨勢，如結構受到損害時，功能可能發生代償。本研究結果提示，綠色環境暴露引起的腦結構和功能變化可能具有相關性，但并非絕對，且NDVI可能對相同腦結構及其功能特性產生不同影響，針對其具體機制尚需進一步探討。

本研究發現綠色環境暴露對腦結構和腦功能的影響均有不一致之處，提示NDVI對人腦的影響具有兩面性：NDVI可反映所處環境的綠色環境水平，綠色空間可通過改善空氣質量、緩解壓力及提升微生物輸入的多樣性等途徑改善身心健康、促進人腦發育[15]，但NDVI越高，城市化水平越低，社會經濟及醫療條件較差，可能對腦功能及結構產生負面影響；另一方面，NDVI可反映城市污染程度，城市化程度越高，建筑物和基礎設施占比越大，NDVI越小，空氣、噪聲污染及社會壓力等負面因素會對腦健康產生負面影響，反之，良好的經濟、醫療及教育條件對人的正面影響[16]也會在NDVI中有所體現。因此，NDVI所反映的復雜環境因素通過經驗依賴性可塑性機制、炎癥反應機制及壓力反應機制而多方面影響人腦結構與功能。

綜上所述，暴露于綠色環境會影響青年人GMV和自發性腦活動。但本研究未考慮遺傳及其他環境因素對腦結構與功能的影響，有待進一步探討。