尼古丁和酒精依賴者自發(fā)性大腦活動(dòng)靜息態(tài)fMRI研究

王凌飛，張勇，牛曉玉，高昕宇，張孟哲，汪衛(wèi)建，程敬亮

0 前言

吸煙和飲酒這兩種成癮行為對于健康的危害已經(jīng)被廣泛地認(rèn)知和研究，它們之間有著許多相似之處。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過85%的飲酒者也依賴尼古丁[1]。吸煙者中酗酒的患病率是不吸煙者的10倍[2]，這兩種行為往往會(huì)相互激發(fā)，這可能是由于吸煙及飲酒均能產(chǎn)生類似的刺激和放松效應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，個(gè)人吸煙和飲酒的結(jié)合會(huì)協(xié)同增加心血管疾病和肺癌等疾病的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致更高的死亡率[3-4]。研究表明，吸煙和飲酒損害了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（default mode network, DMN）的功能[5]，同時(shí)，獎(jiǎng)賞回路的功能連接增強(qiáng)[6-7]。但有爭議的是，研究人員ADAMS[8]指出，酒精和尼古丁經(jīng)常一起濫用，是由于尼古丁可以減輕酒精引起的認(rèn)知障礙以及記憶損傷。目前，針對單一的吸煙及酒精成癮均有大量的研究，但是至今尚未有關(guān)于尼古丁與酒精共同成癮在靜息狀態(tài)下腦功能改變的研究數(shù)據(jù)。

低頻振幅（amplitude of low-frequency fluctuation, ALFF）作為衡量腦神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)度和代謝水平的關(guān)鍵指標(biāo)，通過測量一定頻率范圍內(nèi)血氧水平依賴（blood oxygen level dependent, BOLD）信號的振幅，反映了腦區(qū)的自發(fā)神經(jīng)活動(dòng)程度。該指標(biāo)的優(yōu)勢在于能夠全面、客觀地測量整個(gè)腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)，避免了以往假設(shè)的分析方法所帶來的局限性，因此能更準(zhǔn)確地評估吸煙和飲酒成癮行為對腦部的影響。通過ALFF 值的分析，我們能夠更全面地了解吸煙和飲酒狀態(tài)對大腦功能和代謝的影響程度，從而為探究成癮行為的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制提供重要線索。本研究采用2×2 因子設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮了吸煙和飲酒狀態(tài)，以探究這兩個(gè)因素之間共病關(guān)聯(lián)的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制，深入了解吸煙和飲酒對大腦的影響，有助于針對性地制訂干預(yù)措施，提高成癮行為的預(yù)防和治療效果，從而對公眾的健康水平產(chǎn)生積極影響。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究為前瞻性研究，于2018 年9 月至2020 年1月期間在互聯(lián)網(wǎng)上招募飲酒吸煙者35人，單純吸煙者27人，單純飲酒者21人，非吸煙非飲酒者24人，均為成年男性、漢族、右利手。受試者被分為四組，包括：（1）飲酒吸煙者（n=35）；（2）非飲酒的吸煙者（n=27）；（3）飲酒非吸煙者（n=21）和（4）非飲酒非吸煙者（n=24）。本研究遵守《赫爾辛基宣言》，通過了鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（批準(zhǔn)文號：2019-KY-297），所有受試者均簽署了知情同意書。

吸煙者納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）每天吸煙不少于10 支，煙齡2 年以上；（2）符合美國精神障礙診斷統(tǒng)計(jì)手冊第5 版關(guān)于物質(zhì)依賴的診斷標(biāo)準(zhǔn)；（3）戒煙時(shí)間不超過3個(gè)月；（4）年齡20～55歲。飲酒者納入標(biāo)準(zhǔn)：通過酒精依賴量表（Alcohol Dependence Scale, ADS）來確定，ADS評分不少于4分。非飲酒非吸煙者納入標(biāo)準(zhǔn)：（1）一生中吸煙少于5支；（2）ADS評分少于4分；（3）性別、年齡、受教育年限等與吸煙及飲酒者相匹配。吸煙飲酒者同時(shí)滿足吸煙者及飲酒者的納入標(biāo)準(zhǔn)。非飲酒的吸煙者僅滿足吸煙者的納入標(biāo)準(zhǔn)。飲酒非吸煙者僅滿足飲酒者的納入標(biāo)準(zhǔn)。所有受試者的排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）患神經(jīng)精神疾病；（2）患全身性疾病（如糖尿病、腫瘤、腦血管疾病等）；（3）正在使用精神藥品或者同時(shí)濫用海洛因等物質(zhì)；（4）MRI檢查禁忌證。

由2 名具有10 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師收集受試者人口學(xué)資料、吸煙相關(guān)臨床資料，包括尼古丁依賴量表（Fagerstrom Test of Nicotine Dependence,FTND）評分、煙齡、吸煙指數(shù)[即（每天吸煙數(shù)量×吸煙年數(shù)）/20，1 包=20 支香煙]，用來評估煙草依賴程度；ADS用來評估酒精依賴程度。

1.2 MRI檢查方法

采用3.0 T MRI 掃描儀（型號：MAGNETOMSkyra，德國西門子）和配套的16 通道頭部線圈。受試者仰臥位，頭先進(jìn)，閉眼，頭部固定以減少頭部運(yùn)動(dòng)。囑咐受試者掃描時(shí)保持清醒、盡量不要過多思考。靜息態(tài)BOLD fMRI利用回波平面成像序列，掃描參數(shù)如下：TR 2000 ms, TE 30 ms，翻轉(zhuǎn)角80°，以顱內(nèi)前后聯(lián)合（anterior commissure-posterior commissure,AC-PC）為軸位掃描定位線，掃描層數(shù)36 層，F(xiàn)OV 240 mm×240 mm，層厚4 mm,時(shí)間點(diǎn)180，整個(gè)掃描時(shí)長為360 s。

1.3 影像數(shù)據(jù)處理

預(yù)處理在Matlab 平臺上使用DPASFA 軟件（版本號v4.3，advanced edition）進(jìn)行，具體操作如下：（1）去除前5 個(gè)時(shí)間點(diǎn)，對余下的175 個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)一步預(yù)處理分析。（2）時(shí)間校正。（3）頭動(dòng)校正。（4）空間標(biāo)準(zhǔn)化，所有受試者圖像配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)研究所（Montreal Neurological Institute, MNI）3 mm×3 mm×3 mm標(biāo)準(zhǔn)空間。（5）回歸，對24個(gè)頭動(dòng)參數(shù)、全腦信號、腦脊液信號、腦白質(zhì)信號進(jìn)行線性回歸。此過程計(jì)算出平均框移（frame displacement, FD），平均FD＞0.5 mm 的受試者被排除。（6）去線性趨勢。（7）低頻濾波。（8）清洗。（9）平滑：使用高斯核為6 mm3的全寬半高（full width at half maximum,FWHM）對所有圖像進(jìn)行空間平滑。

1.4 ALFF的計(jì)算

在REST（rs fMRI數(shù)據(jù)分析工具包）中計(jì)算ALFF。使用快速傅里葉變換（FFT）對Scrubbing后的時(shí)間序列進(jìn)行變換（參數(shù)：錐形百分比=0，F(xiàn)FT 長度=最短），然后獲得功率譜。由于給定頻率的功率與原始時(shí)間序列時(shí)域中該頻率分量振幅的平方成比例，因此在給定頻率范圍內(nèi)計(jì)算功率譜的平方根，并在每個(gè)體素處獲得0.01～0.08 Hz的均方根，稱為ALFF。為了標(biāo)準(zhǔn)化的目的，每個(gè)體素的ALFF 除以全局平均ALFF值得到標(biāo)準(zhǔn)化ALFF值。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

對四組患者的人口學(xué)和臨床特征進(jìn)行評估。人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征（年齡和受教育年限）和臨床評分（吸煙年限、吸煙指數(shù)和FTND 評分）采用兩樣本t檢驗(yàn)或Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。P＜0.05 時(shí)認(rèn)為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。使用SPM12中的全因子模型，進(jìn)行了雙向方差分析（ANOVA），以分析吸煙（吸煙者和非吸煙者）和飲酒狀況（飲酒和非飲酒者）這兩個(gè)因素對全腦ALFF 的影響。受教育年限、年齡和平均FD 作為協(xié)變量輸入。將吸煙飲酒者ALFF 值明顯升高的團(tuán)塊設(shè)置為ROI。從ROI 中提取ALFF 值，然后使用兩樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行事后比較，用于相互作用效應(yīng)分析（P＜0.0125, Bonferroni校正）。

為了檢驗(yàn)ALFF變化與吸煙嚴(yán)重程度和飲酒情況的相關(guān)性，我們對相關(guān)腦區(qū)（交互作用分析中的變化）和臨床數(shù)據(jù)（煙齡、吸煙指數(shù)、FTND 評分和飲酒依賴量表分值）進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

2.1 人口統(tǒng)計(jì)學(xué)資料比較

人口學(xué)和臨床特點(diǎn)如表1 所示。吸煙者與非吸煙者在年齡、受教育年限、平均FD 及酒精依賴量表分值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-0.031,P=0.963;t=-1.723,P=0.089;t=0.451,P=0.635;t=0.287,P=0.759;Z=-1.723,P=0.089）。飲酒者和非飲酒者在年齡、受教育年限和平均FD方面差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。飲酒吸煙者與非飲酒吸煙者在FTND 評分（t=0.289,P=0.757）、煙齡（t=1.857,P=0.069）和吸煙指數(shù)（t=1.916,P=0.057）差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 人口統(tǒng)計(jì)學(xué)和臨床特征信息表Tab.1 Demographic and clinical characteristics

2.2 ALFF差異

吸煙的主要影響區(qū)域在雙側(cè)楔前葉、右側(cè)楔葉。與非吸煙者相比，吸煙組在上述區(qū)域的ALFF 值都有所增加（圖1A 和表2）。飲酒組在左側(cè)小腦后葉的ALFF值有所增加（圖1B）（t=3.422,P=0.001）。

表2 低頻振幅的顯著組別差異Tab.2 Significant group differences in amplitude of low-frequency fluctuation

圖1 吸煙及飲酒組ALFF差異腦區(qū)。1A顯示吸煙組在右側(cè)楔葉、雙側(cè)楔前葉ALFF 值升高，使用雙向方差分析（GRF 校正，體素水平P＜0.005，團(tuán)塊水平P＜0.05）；1B 顯示飲酒組在左側(cè)小腦后葉ALFF 值升高。L表示左側(cè)；ALFF：低頻振幅。Fig.1 Brain regions differential ALFF between smoking and drinking groups.1A shows increased ALFF values in the right cuneus and bilateral precuneus in the smoking group, using a two-way analysis of variance(GRF-corrected, voxel-level P＜0.005, cluster-level P＜0.05); 1B shows increased ALFF values in the left posterior cerebellum in the alcohol drinking group.L indicates the left side; ALFF: amplitude of low-frequency fluctuation.

吸煙與飲酒之間的交互作用出現(xiàn)在左側(cè)小腦后葉（圖2）。事后分析顯示，與非飲酒的非吸煙者相比，吸煙者在左側(cè)小腦后葉的ALFF 值增加（t=3.212,P=0.001）。然而，飲酒吸煙者和非飲酒的非吸煙者之間的左側(cè)小腦后葉的平均ALFF 值更為相似（圖3）。

圖2 吸煙、飲酒交互作用影響腦區(qū)。統(tǒng)計(jì)顯著性水平設(shè)置為體素水平P＜0.005，團(tuán)塊水平P＜0.05，GRF校正。Fig.2 Interaction of smoking and alcohol consumption affects brain regions.The statistical significance level set at voxel-level P＜0.005 and cluster-level P＜0.05, GRF-corrected.

Spearman 相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，吸煙者左側(cè)小腦后葉中ALFF值與煙齡、吸煙指數(shù)、酒精依賴量表分值呈負(fù)相關(guān)（r=-0.367,P=0.025;r=-0.267,P=0.033;r=-0.293,P=0.026），具體結(jié)果見圖4。

3 討論

本研究使用ALFF方法確定了四組受試者的自發(fā)大腦活動(dòng)，并采用了2×2的因子設(shè)計(jì)用于分析吸煙、飲酒兩者的交互作用。與非吸煙者相比，吸煙者的雙側(cè)楔前葉、右側(cè)楔葉的大腦活動(dòng)都有所增加。此外，飲酒者在左側(cè)小腦后葉ALFF值較高。然而，更重要的是，本研究發(fā)現(xiàn)吸煙和飲酒由于相互作用共同影響了左側(cè)小腦后葉的自發(fā)大腦活動(dòng)，這為它們的共同成癮提供了可能的解釋。

3.1 尼古丁成癮者ALFF改變

吸煙的主要影響表現(xiàn)為右側(cè)楔葉、雙側(cè)楔前葉的ALFF值升高，這與先前的研究[9-11]結(jié)果一致。

楔葉與視覺注意力、工作記憶、空間感知和語言理解等有關(guān)[12-13]。右側(cè)楔葉與視覺注意力有關(guān)，能夠幫助人們集中注意力在重要的視覺信息上，并且能夠忽略無關(guān)的信息。研究表明，當(dāng)人們需要集中注意力完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，右側(cè)楔葉的活動(dòng)水平會(huì)增加[14]。對于尼古丁依賴者，看到與吸煙有關(guān)的物體或場景（例如香煙、煙灰缸、煙斗等）可能會(huì)引發(fā)強(qiáng)烈的渴望吸煙的感覺，這被稱為“誘因反應(yīng)”。這種“誘因反應(yīng)”與吸煙習(xí)慣的形成和維持有關(guān)[15-16]。當(dāng)人們在某些情境下吸煙時(shí)，例如社交場合或工作休息時(shí)，他們會(huì)形成與這些情境相關(guān)的條件反射。這些情境和視覺刺激成為了吸煙的觸發(fā)器，使得當(dāng)人們遇到這些情境和視覺刺激時(shí)，他們會(huì)感到強(qiáng)烈的吸煙渴望。一些研究[17]表明，盡管吸煙者可能已經(jīng)決定戒煙，但看到與吸煙有關(guān)的視覺刺激仍然可能導(dǎo)致他們重新開始吸煙。因此，本研究表明，煙草暴露和與吸煙有關(guān)的視覺刺激對于尼古丁成癮有重要意義。

楔前葉是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的核心區(qū)域之一，主要在人體的認(rèn)知和行為方面發(fā)揮作用。先前的研究[18]發(fā)現(xiàn)，相比健康對照組，尼古丁依賴者的楔前葉對獎(jiǎng)賞刺激的反應(yīng)減弱。這種反應(yīng)減弱是由于尼古丁的攝入引起的多巴胺和尼古丁受體上調(diào)，耐受性提高，導(dǎo)致大腦對尼古丁的需求不斷增加，最終使尼古丁成癮者從物質(zhì)成癮轉(zhuǎn)變?yōu)樾袨槌砂a。楔前葉的這種功能失調(diào)反映出尼古丁對于神經(jīng)元的重塑作用[19-20]。

3.2 酒精成癮對于ALFF的改變

飲酒的主要影響表現(xiàn)在左側(cè)小腦半球后葉。既往研究[21-22]中，把這種表現(xiàn)和酒精依賴者記憶力下降聯(lián)系在一起。但本研究中，飲酒者小腦后葉的自發(fā)活動(dòng)增強(qiáng)，這種現(xiàn)象說明酒精對于小腦的作用不僅僅局限于記憶方面，這種影響具有復(fù)合性。長期飲酒會(huì)上調(diào)谷氨酸受體功能，改變代謝型谷氨酸受體、大麻素CB1 受體和阿片類藥物受體。這些變化可能在成癮行為形成中發(fā)揮作用[23]。

3.3 尼古丁與酒精成癮的交互作用

在先前的研究[24-26]中，吸煙和飲酒主要影響的是左側(cè)額葉，隨著成癮程度提高，額葉的體積縮小，神經(jīng)活動(dòng)減弱，這主要反映了尼古丁和酒精對于大腦的損害。但本研究發(fā)現(xiàn)吸煙和飲酒的交互作用主要出現(xiàn)在左側(cè)小腦后葉的下半月小葉。

目前，小腦已經(jīng)不再被認(rèn)為是只具有單一的運(yùn)動(dòng)平衡協(xié)調(diào)功能，同時(shí)，還具備許多非運(yùn)動(dòng)功能，這些區(qū)域大部分集中在小腦后葉及蚓部[27]，作用包括認(rèn)知能力、空間推理、情緒調(diào)控以及對工作相關(guān)記憶的判斷、處理[28-29]。此外，小腦與大腦之間存在廣泛的功能連接，尤其是在與獎(jiǎng)賞相關(guān)的認(rèn)知輸入方面具有重要作用。小腦通過攀爬纖維接受來自大腦皮層的獎(jiǎng)勵(lì)信號，這些信號由小腦后葉的顆粒細(xì)胞接受，經(jīng)過加工處理后，投射回包括通過丘腦的皮質(zhì)、腹側(cè)被蓋區(qū)和包括下橄欖在內(nèi)的腦干核團(tuán)[30]。當(dāng)小腦后葉的活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，這一反饋過程被加強(qiáng)，獎(jiǎng)賞回路被過度激活，而加劇了成癮行為[31]。這反映出小腦后葉對于大腦皮層傳遞的信號有記憶和學(xué)習(xí)能力，并作為獎(jiǎng)賞回路的重要中繼發(fā)揮作用[32-34]。既往研究[35-36]中，強(qiáng)調(diào)了藥物誘導(dǎo)的小腦功能和結(jié)構(gòu)變化是由最開始的刺激性物質(zhì)服用模式向強(qiáng)迫性行為使用模式轉(zhuǎn)變的核心。由于小腦具有復(fù)雜的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，其中包括多巴胺和γ-氨基丁酸神經(jīng)元，它們是尼古丁和酒精作用的主要細(xì)胞靶點(diǎn)，尼古丁通過與多巴胺神經(jīng)元上的煙堿受體結(jié)合，增強(qiáng)了神經(jīng)元對尼古丁的耐受性，提高了多巴胺神經(jīng)元的活性。而酒精也能夠引起多巴胺的過度釋放，但是酒精是通過引起γ-氨基丁酸受體的下調(diào)，間接解除了對多巴胺神經(jīng)元的抑制作用，由于這種交互作用，先前的研究[37-39]指出，對于酒精成癮者，尼古丁是一種極其有效的增強(qiáng)劑。在本研究中，與非飲酒非吸煙組相比，吸煙飲酒組小腦后葉ALFF值的升高，一方面，說明了小腦的非運(yùn)動(dòng)性功能；另一方面，結(jié)合既往研究[40]，說明小腦可能影響了DMN 的大腦自發(fā)活動(dòng)，小腦ALFF值的升高可能與成癮者DMN 的過度激活以及相關(guān)腦區(qū)的功能紊亂相關(guān)。

3.4 事后分析

此外，本研究對左側(cè)小腦后葉的事后分析表明，與非飲酒的非吸煙者相比，非飲酒的吸煙者的ALFF值增加，這與之前的研究[41]一致。然而，與非飲酒的吸煙者相比，飲酒吸煙者左側(cè)小腦后葉的ALFF 值更接近非飲酒的非吸煙者。這可能說明了酒精對于尼古丁對于神經(jīng)元的影響有一定的拮抗作用，但是在所有吸煙者中，左側(cè)小腦后葉中的ALFF 值與吸煙年限、吸煙指數(shù)和酒精依賴量表分值均呈負(fù)相關(guān)，說明這種影響具有局限性，隨著吸煙、飲酒程度的加劇，這種影響效果不足以代償吸煙、飲酒對于神經(jīng)元的損傷[42]。這可能需要今后更多的實(shí)驗(yàn)包括藥代動(dòng)力學(xué)的研究來證明。

3.5 研究的局限性

本研究也有一些局限性：（1）本研究只包括男性受試者，這是因?yàn)槟行缘奈鼰熉时扰愿摺４送猓詣e對吸煙者的大腦功能有影響，為了控制影響因素，本研究只包括男性。（2）本研究納入的飲酒志愿者和吸煙者缺乏一些臨床數(shù)據(jù)（例如飲酒者的行為、認(rèn)知改變情況），這些數(shù)據(jù)對不同的大腦區(qū)域進(jìn)行相關(guān)性分析非常重要。未來的研究需要更全面地考慮這些因素。（3）本研究是橫斷面研究，樣本量較小。在未來的研究中需要收集更多的數(shù)據(jù)以提高統(tǒng)計(jì)效力和結(jié)論的可靠性。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)吸煙和飲酒都會(huì)影響自發(fā)性大腦活動(dòng)，它們的交互作用出現(xiàn)在左側(cè)小腦后葉。吸煙和飲酒會(huì)產(chǎn)生一種新的拮抗相互作用。這表明在研究吸煙者的自發(fā)大腦活動(dòng)時(shí)，需要將飲酒作為一個(gè)變量進(jìn)行控制。此外，吸煙和飲酒在小腦后葉的相互作用說明了小腦在尼古丁和酒精成癮中發(fā)揮了作用，在一定程度上說明了尼古丁和酒精成癮者在認(rèn)知、行為以及記憶方面產(chǎn)生的缺陷，為共同成癮提供神經(jīng)學(xué)解釋，并為多種藥物共同成癮的治療提供新的方向。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明：張勇設(shè)計(jì)本研究的方案，對稿件的重要內(nèi)容進(jìn)行了修改；王凌飛起草和撰寫稿件，獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)；牛曉玉、張孟哲、高昕宇、汪衛(wèi)建、程敬亮獲取、分析或解釋本研究的數(shù)據(jù)，對稿件的重要內(nèi)容進(jìn)行了修改；張勇獲得了河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（科技攻關(guān)）項(xiàng)目資助。全體作者均同意發(fā)表最后的修改稿，同意對本研究的所有方面負(fù)責(zé)，確保本研究的準(zhǔn)確性和誠信。