基于體素及基于表面積形態測量學方法觀察早盲青少年腦皮層形態學改變

侯 芬，李恒國，周智鳳，李 平，李 波，胡運濤，劉 霞*

(1.湖南中醫藥大學第一附屬醫院放射科，湖南 長沙 410007；2.暨南大學附屬第一醫院 醫學影像中心，廣東 廣州 510632；3.深圳市康寧醫院 深圳市精神衛生中心精神影像中心， 廣東 深圳 518000；4.廣州市盲人學校，廣東 廣州 510000)

早盲指1～2歲失明，亦有報道為2～4歲[1]。視覺剝奪可引起早盲患兒腦結構和功能重塑改變[1-2]，局部腦結構變化，如枕葉初級視覺皮層(primary visual cortex, PVC)體積(cortical volume, CV)和表面積(surface area, SA)縮小、皮層厚度(cortical thickness, CT)增加[3-5]及視覺傳導通路白質體積萎縮[6]等，伴隨腦結構網絡變化，如枕葉腦結構網絡連接度降低[7]，提示早期視覺經驗在視覺皮層結構重塑中具有關鍵性作用。

既往研究[3-5]主要應用基于體素的形態測量學(voxel-based morphometry, VBM)、基于表面積的形態測量學(surface-based morphometry, SBM)等技術分析盲人大腦皮層結構的異常改變，以枕葉視覺皮層區結構為主要關注點，且研究對象多為成年盲人，少見關于枕葉視覺皮層以外的視覺信息處理相關腦區的研究，對早盲青少年(early blind adolescents, EBA)大腦皮層形態學研究相對更少。本研究基于顱腦MRI，聯合應用VBM及SBM方法觀察EBA大腦皮層的形態學改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料 于廣州市盲人學校選取23例EBA(EBA組)，男15例，女8例，年齡11～18歲，平均(14.8±2.1)歲。納入標準：①雙眼無光感，右利手；②失明年齡<1歲，主要失明原因包括早產兒視網膜病變、先天性視網膜病變、先天性青光眼和先天性白內障等，且未經治療；③無藥物依賴或藥物濫用史，未曾服用影響認知功能的相關藥物；④無聽覺、觸覺及溫度覺等感覺障礙或運動、語言功能異常。排除存在中樞神經系統疾病、精神疾病病史、家族遺傳史及器質性腦疾病者。另招募21名視力正常的青少年志愿者作為對照組，男11名，女10名，年齡11～19歲，平均(14.7±2.6)歲，視力>5.0，聽力正常，右利手。本研究經醫院倫理委員會批準，所有受檢者及其監護人簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery 750 3.0T MR掃描儀，8通道頭部相控陣線圈。囑受檢者仰臥，閉眼，保持放松狀態，固定頭部。以3D腦容積成像(3D brain volume imaging， 3D-BRAVO)序列采集全腦結構高分辨率T1WI，參數：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，FA 12°，FOV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層間距0，層數172，掃描時間197 s。

1.3 圖像處理

1.3.1 VBM 基于Metlab 2012a平臺，以SPM 8/VBM 8工具包對T1WI進行處理，包括頭動校正(剔除頭部移動>2 mm、轉動>2°數據)和圖像分割(劃分灰質、白質及腦脊液)及采用DARTEL配準對齊方法進行空間標準化和非線性變換。將處理后的數據配準到蒙特利爾神經學研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)標準空間，空間平滑(6 mm半高全寬高斯平滑)，計算各區域CV。

1.3.2 SBM 采用FreeSurfer 6.0軟件(http://surfer.nmr.harvard.edu)分析圖像，具體步驟包括校正磁場不均勻性及頭動，去除顱骨和頭皮軟組織，分割灰質、白質結構，局部區域校正并配準于標準模板中，高斯平滑，重建皮層，以Desikan-Killiany圖譜分割等得到各腦區三維重建圖，計算各區域CT、SA及CV。

1.4 統計學分析

1.4.1 一般資料 采用SPSS 23.0統計分析軟件，以獨立樣本t檢驗比較組間年齡，采用χ2檢驗比較組間性別。P<0.05為差異有統計學意義。

1.4.2 VBM 采用SPM 12軟件，以兩獨立樣本t檢驗分析組間CV差異；以年齡、性別作為協變量，P<0.05(FDR校正)、體素閾值≥50為腦區之間CV差異具有統計學意義。

1.4.3 SBM 采用FreeSurfer 6.0子軟件包Qdec軟件，對所測量腦區進行準確定位統計；以廣義線性模型(general linear model, GLM) 基于頂點對組間CV、SA及CT進行兩獨立樣本t檢驗，并以年齡、性別作為協變量參與統計分析，對統計結果進行蒙特卡洛模擬多重比較校正(雙尾比較，P<0.01)，校正后P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

EBA組與對照組年齡(t=0.33，P=0.74)、性別(χ2=0.75，P=0.39)差異均無統計學意義。

VBM分析結果顯示，EBA組右側距狀溝及左側額中回CV較對照組顯著減小(P均<0.05)，見表1及圖1。

SBM分析結果顯示，與對照組比較，EBA組左側距狀溝旁、左側楔葉、左側顳上回及右側枕外側回CT增加(P均<0.05)，而左側頂上小葉及右側舌回CT減低(P均<0.05)；雙側距狀溝旁、左側額中回前部CV減小(P均<0.05)；雙側距狀溝旁、雙側舌回及左側楔葉SA減小(P均<0.05)。見表2和圖2。

表1 EBA組相比對照組CV減小腦區

表2 EBA組與對照組CT、CV及SA差異 具有統計學意義的腦區

圖1 軟件經VBM分析后生成圖示EBA組相比對照組CV減小的腦區(藍色區域)

圖2 軟件經SBM分析后生成圖示EBA組與對照組之間CT、CV、SA差異具有統計學意義的腦區 藍綠色區域為EBA組皮層形態學參數減低、紅黃色為增高的腦區(多重校正，蒙特卡洛模擬，P<0.05)

3 討論

3.1 枕葉PVC和視覺相關皮層(左側額中回)的形態學改變 本研究VBM分析結果顯示，與對照組相比，EBA組右側距狀溝及左側額中回CV顯著降低；SBM分析結果表明，EBA組雙側距狀溝旁及左側額中回前部CV較對照組顯著減小；上述2種不同形態學分析方法發現EBA組CV異常腦區位置高度一致，均位于距狀溝、額中回。另外，SBM分析發現，EBA患者左側距狀溝旁、左側楔葉CT增高，雙側距狀溝旁、雙側舌回及左側楔葉SA減低；上述腦區(距狀溝旁、舌回、楔葉)均位于PVC，且EBA患者PVC區CV、SA減低而CT增高，與既往研究[4]結果一致。CV近似等于CT乘以SA，故推測PVC區CV降低主要由于SA減低而非CT改變所致。

通常認為PVC是中樞視覺網絡的核心位置，其視覺輸入來自前視覺通路(視束、外側膝狀體、視輻射)的傳導，如傳導通路中斷，則PVC發生失用性萎縮、退變[8]；此點可解釋本研究EBA組CV、SA減低。既往研究[9-10]表明，早盲患者視覺剝奪在早期視覺發育關鍵期內，跨模態重塑能力最強，可通過皮層-皮層連接、皮層-丘腦連接和視覺皮層內纖維連接處理其他感覺模態的任務，如聽覺、觸覺、復雜認知等，以抵消萎縮、退變所致負面效果，導致CT增加，即經驗依賴性可塑性改變是PVC區CT增厚的重要影響因素。此外，先天發育性因素亦為引起PVC區CT增加的重要原因。突觸修剪受視覺經驗的影響，在早盲患者，因早期視覺剝奪導致突觸修剪過程中斷，其PVC區相對較高的突觸數量和密度可能是導致CT增加的關鍵因素。本研究VBM[4]及SBM分析還發現EBA組左側額中回(前部)CV降低。既往研究[4]證實，額中回前部皮層腦區與前額眶區非常接近。前額眶區屬于額葉視覺區，可接收紋外皮層的投射纖維并控制眼球運動。早盲患者左側額中回前部CV改變主要受神經退變影響，表現為CV減少。

以上結果提示，影響PVC區CV、SA、CT的主要因素不完全相同，并由多種因素，主要包括先天發育性因素、經驗依賴性可塑性及神經退變等共同決定；視覺輸入關鍵期對PVC的發育發揮調控作用。

3.2 枕葉視覺皮層(右側舌回、右側枕外側回)和枕葉以外視覺相關皮層(左側頂上小葉和左側顳上回)的CT改變 本研究中EBA組右側舌回CT減低。解剖學上，舌回屬于腹側紋狀區，是非視覺信號整合的重要通路。既往相關性分析[5]結果顯示，早盲患者聽覺定位和音調辨別能力增強與舌回CT變薄直接相關。本研究發現，舌回CT變薄可能提示早期視覺缺失人群聽覺行為能力更強；右側枕外側回CT增加則與既往研究[5]結果相符。枕外側回是高級視覺皮層[11]，早盲患者高級視覺皮層結構保留較完整，早期參與跨模態處理非視覺任務，導致皮層增厚。本研究中CT異常腦區不僅包括枕葉視覺皮層，還包括2個枕葉以外腦區，即左側頂上小葉和左側顳上回。頂上小葉屬于背側視覺通路。早期視覺剝奪后，盲人背側視覺通路短程連接密度增強，導致皮層增厚，有助于左側頂上小葉參與視覺空間注意及聲音定位任務[12]。顳上回屬于傳統聽覺區，盲人長時間缺少視覺輸入，視覺皮層被征用于跨模態處理聽覺任務，使傳統聽覺區激活減弱，導致顳葉皮層代償性增厚[13]。上述解剖結構改變可能與腦的可塑性有關，反映了盲人腦結構與功能改變之間的平衡關系。

綜上所述，早期視覺經驗對盲人枕葉視覺皮層及枕葉以外視覺相關區域的皮層結構重塑具有關鍵性作用；采用SBM及VBM分析可觀察EBA大腦皮層形態改變。但本研究樣本量小，且未分年齡段進行比較，尚待進一步完善。