青少年吸煙者大腦靜息態(tài)低頻振蕩振幅異常研究*

薛 婷，陶占龍，唐 俊

（內(nèi)蒙古科技大學(xué) 理學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

前言

吸煙已成為當(dāng)今社會最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題之一，全世界每年有超過600 萬人死于煙草導(dǎo)致的相關(guān)疾病[1]?！?018 中國成人煙草調(diào)查內(nèi)容摘要》顯示，中國吸煙總?cè)藬?shù)高達(dá)3.08 億，其中22.2%的吸煙者于18 歲之前開始吸煙（http：//www.chinacdc.cn）。已有研究表明，吸煙行為習(xí)慣主要形成于青少年時期，青少年階段是否吸煙與成年后尼古丁成癮有著緊密聯(lián)系；吸煙者初次吸煙的年齡越小，成年后尼古丁成癮的可能性越大[2-3]。由此，針對青少年階段吸煙展開研究，對于理解尼古丁成癮的神經(jīng)機(jī)制及制定控?zé)熣呔哂兄甘疽饬x。大腦神經(jīng)元在靜息狀態(tài)下存在自發(fā)活動[4]，靜息態(tài)功能磁共振（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）信號中的低頻振蕩振幅（amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF）能夠反映神經(jīng)元的活動強(qiáng)度?；诖?，本研究擬采用ALFF 方法考察青少年吸煙者靜息狀態(tài)下大腦的局部神經(jīng)活動異常，以期為煙癮成癮的神經(jīng)機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究得到內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會的批準(zhǔn)與監(jiān)督，實驗流程符合赫爾辛基宣言倫理學(xué)準(zhǔn)則。參加本研究的所有被試均為在校大學(xué)學(xué)生。在詳細(xì)了解實驗過程后，所有被試及其監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書。

青少年吸煙被試的選取依據(jù)《美國精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊》（第五版）尼古丁依賴診斷標(biāo)準(zhǔn)，主要納入標(biāo)準(zhǔn)為：（1）吸煙者吸煙行為持續(xù)兩年以上，且每天吸煙根數(shù)大于等于 10 根；（2）過去 6 個月內(nèi)無戒煙行為；（3）無其他藥物濫用史。非吸煙對照組的納入標(biāo)準(zhǔn)為：（1）吸煙總數(shù)不超過5 根；（2）所在宿舍及家人無人吸煙。所有被試均符合以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）無腦腫瘤等腦器質(zhì)性疾病；（2）無其他藥物濫用史；（3）無精神疾病史；（4）無磁共振掃描禁忌癥（如帶有心臟起搏器等）。共有19 名青少年吸煙者及25 名健康非吸煙者符合篩選條件，詳細(xì)的人口統(tǒng)計學(xué)信息見表1。所有被試均為男性，且均為右利手。所有被試在靜息態(tài)掃描前進(jìn)行了常規(guī)MR 檢查，均未發(fā)現(xiàn)腦組織病變。

表1 青年被試人口統(tǒng)計學(xué)數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)采集

實驗采用飛利浦公司3.0T 磁共振掃描儀，用泡沫墊固定頭部，以減少被試頭動，同時使用耳塞以盡可能降低噪音。靜息態(tài)功能磁共振成像采用梯度回波-平面回波成像（gradient echo-echo planar imaging，GRE-EPI）序列掃描，掃描參數(shù)為：TR 2 秒，TE 30 毫秒，矩陣 64×64，F(xiàn)OV 220 毫米，翻轉(zhuǎn)角90 度，掃描時間6 分鐘。掃描過程中要求所有被試保持全身不動且統(tǒng)一保持閉眼狀態(tài)[5]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用rs-fMRI 數(shù)據(jù)處理助手（DPARSF）軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，具體包括：（1）剔除掃描序列的前10 個時間點數(shù)據(jù)，以消除縱向磁化弛豫不穩(wěn)定帶來的影響；（2）時間層校正，使不同時間點采集的數(shù)據(jù)校正到同一時間點；（3）頭動校正，以減少由被試頭動所致的運動殘差。在此過程中，剔除所有水平頭動＞2mm 及旋轉(zhuǎn)頭動＞2°的被試數(shù)據(jù)。本實驗所有被試數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)；（4）空間標(biāo)準(zhǔn)化，將所有圖像配準(zhǔn)到EPI 標(biāo)準(zhǔn)模板，以從空間上對齊所有圖像，并將圖像體素重切為 3mm×3mm×3mm；（5）空間平滑，采用4mm 半高全寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM）的高斯核濾波器對圖像進(jìn)行空間平滑以提高圖像信噪比；（6）去線性漂移及0.01-0.08Hz 帶通濾波，以消除呼吸心跳等生理性低頻噪音及磁共振機(jī)器自身的高頻噪音。

靜息態(tài)的ALFF 分析采用DPARSF 軟件進(jìn)行計算。具體步驟如下：（1）對每個體素的時間序列進(jìn)行快速傅里葉變換，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號以得到功率譜；（2）對功率譜進(jìn)行開方運算，得到信號的振蕩幅度；（3）計算0.01-0.08Hz 內(nèi)每個體素的功率譜平均值：（4）對全腦所有體素的功率譜平均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即得到ALFF 值。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPM 軟件對青少年吸煙組及非吸煙組的ALFF數(shù)據(jù)進(jìn)行雙樣本t 檢驗，將經(jīng)過FWE（family wise error）校正得到連續(xù)體素＞40 個體素、P＜0.05 的腦區(qū)定義為有統(tǒng)計學(xué)差異的區(qū)域。

2 結(jié)果

較健康非吸煙組，青少年吸煙組的枕葉（Occipital Lobe）、顳上回（Superior Temporal Gyrus，STG）及額中回（Middle Frontal Gyrus，MFG）區(qū)域的ALFF 值顯著增加;而在顳下回（Inferior Temporal Gyrus，ITG）及額葉腸回（Rectal Gyrus）的 ALFF 值顯著降低（FWE 校正，P＜0.05）（圖1）。

圖1 青少年吸煙組和非吸煙組ALFF 差異腦區(qū)

3 討論

青少年階段是成年煙癮成癮的重要發(fā)展階段，已有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)青少年吸煙者的大腦神經(jīng)元活動出現(xiàn)異常[6]。本研究采用低頻振蕩振幅方法檢測青少年吸煙者大腦局部神經(jīng)元活動異常。結(jié)果表明，青少年吸煙組較非吸煙組靜息狀態(tài)下大腦局部神經(jīng)元活動強(qiáng)度出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為枕葉（Occipital Lobe）、顳上回（Superior Temporal Gyrus，STG）、額中回（Middle Frontal Gyrus，MFG）活動強(qiáng)度的增加及顳下回（Inferior Temporal Gyrus，ITG）及額葉腸回（Rectal Gyrus）的活動強(qiáng)度降低。

對尼古丁成癮者大腦結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)，長期吸煙可導(dǎo)致額葉、顳葉及枕葉的灰質(zhì)體積及密度發(fā)生改變[7-9]。進(jìn)一步的戒斷研究表明，尼古丁成癮者能否持續(xù)戒斷與這三個腦區(qū)的灰質(zhì)體積密切相關(guān)[10-11]?；趶浬埩砍上窦夹g(shù)的研究則發(fā)現(xiàn)長期吸煙可影響腦白質(zhì)的完整性，如導(dǎo)致雙側(cè)額葉區(qū)的FA 值升高等[10]?；诰植恳恢滦裕╮egional homogeneity，ReHo）方法的rs-fMRI 研究亦發(fā)現(xiàn)吸煙者的前額葉區(qū)域的ReHo 值顯著降低[12-14]、左側(cè)顳上回的ReHO 顯著增加[15]。一項針對成年尼古丁成癮者的研究發(fā)現(xiàn)，尼古丁成癮者的ALFF 值在顳下回、枕葉腦區(qū)降低，并且降低的ALFF 值與吸煙的年限顯著相關(guān)[16]。顳葉主要參與記憶和情感相關(guān)的神經(jīng)活動[17]，額葉則是中腦-邊緣系統(tǒng)-多巴胺神經(jīng)環(huán)路的重要節(jié)點，參與多種高級認(rèn)知活動，如執(zhí)行功能、情緒加工、決策等[18]，對煙癮的有效抑制控制依賴于上述功能的協(xié)同工作來實現(xiàn)。大量研究表明，吸煙可導(dǎo)致額葉區(qū)域的大腦結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化，進(jìn)而影響決策行為[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)的額葉區(qū)域ALFF 值異常變化進(jìn)一步驗證了該區(qū)域在尼古丁成癮神經(jīng)機(jī)制的重要作用。

綜上，青少年吸煙行為與成年后尼古丁成癮密切相關(guān)，研究吸煙行為對青少年大腦功能的影響有助于有效制定尼古丁成癮預(yù)防手段。借助于低頻振蕩振幅方法，本研究揭示了青少年煙癮者的靜息態(tài)腦功能神經(jīng)元局部活動強(qiáng)度在額葉、顳葉及枕葉區(qū)域發(fā)生變化。本實驗為探討尼古丁成癮的神經(jīng)機(jī)制提供了影像學(xué)資料。