急性飲酒對青年人記憶功能相關腦區(qū)CBF 及OEF影響的多模態(tài)磁共振研究

桑菲，陳軍，敖亞雯，張亮，聶鴻雁

作者單位：1.北京大學深圳醫(yī)院醫(yī)學影像科，深圳518035；2.武漢大學人民醫(yī)院放射科，武漢430060；3.華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院放射科，武漢430030

飲酒可通過影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)而影響人的情感和認知[1-2]。大量飲酒對記憶可造成顯著的影響，尤其對信息長期儲存的傳遞過程影響較大，可部分或完全阻止記憶的形成[2]，且這種影響更易出現(xiàn)在大量飲酒的年輕人[3]。Nguyen-Louie 等[4]對青年志愿者研究發(fā)現(xiàn)，飲酒后志愿者對圖片的回憶數(shù)量減少，提示酒精會影響顯性和隱性的記憶過程。參與記憶功能的相關腦區(qū)主要有前額葉皮層、內(nèi)側顳葉記憶系統(tǒng)、間腦、邊緣系統(tǒng)、小腦等[2,5-6]。研究發(fā)現(xiàn)[7]，在飲酒后30 min 內(nèi)，血液酒精濃度(blood alcohol concentration，BAC)迅速上升，約l～1.5 h 達高峰，之后開始下降，且酒精導致的認知功能損害程度會隨BAC的下降而減低，對急性飲酒后的認知功能影響多于飲酒后1～1.5 h內(nèi)進行。因此本研究中飲酒后的數(shù)據(jù)采集在飲酒后30 min進行。

本研究利用功能性磁共振成像方法探討急性飲酒對記憶功能影響的神經(jīng)機制，研究腦區(qū)主要包括左側額中回皮層、頂葉皮層、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬、杏仁核及小腦半球等記憶功能相關腦區(qū)，通過檢測相關腦區(qū)飲酒前及飲酒后30 min 腦血流灌注(cerebral blood flow，CBF)和氧攝取分數(shù)(oxygen extraction fraction，OEF)，評價腦功能活動變化情況，從而探討急性飲酒對記憶功能相關腦區(qū)影響的可能機制。

1 材料與方法

1.1 研究對象及分組

本研究為前瞻性分析。本研究志愿者納入標準：18～44 歲健康男、女性，右利手。排除標準：妊娠、近期計劃妊娠或哺乳期女性，既往嚴重酒精過敏史者，既往有手術史者，既往有心血管、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神病史者，受試本人及直系親屬有抽煙、酗酒史者，受試前有睡眠剝奪、睡眠障礙等癥狀者，受試前72 h內(nèi)食用或飲用含酒精或咖啡因的食物或飲料者，有磁共振檢查相關禁忌證者，顱腦MRI 平掃發(fā)現(xiàn)異常者。本研究已經(jīng)武漢大學人民醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準同意，所有志愿者受試前均被詳細告知實驗流程，自愿參加實驗。實驗前，所有受試者均簽署知情同意書、完整填寫磁共振安全審查表。

本研究共收集29 名青年健康志愿者，其中男性15 名，女性14 名，年齡23～36 歲(平均年齡26 歲)，受教育年限為17～20年(平均受教育年限19年)。29名受試者均于5～10 min飲完不同劑量的白酒，期間輔以少量食物以緩解飲酒對食道和胃部造成的刺激和不適。統(tǒng)一用酒為關公坊(42% vol. 500 ml)(湖北關公坊酒業(yè)股份有限公司)。

所有志愿者飲酒前及飲酒后30 min分別做一次蒙特利爾認知評估量表(Montreal cognitive assessment scale，MoCA)、數(shù)字廣度實驗(順背和倒背)和數(shù)字符號實驗，以分析飲酒前、后志愿者的認知功能及記憶功能改變。對所有志愿者飲酒前及飲酒后30 min 分別做一次多模態(tài)MRI 掃描；飲酒后30 min 對志愿者進行采血，以檢測血液酒精含量。根據(jù)BAC，將實驗組數(shù)據(jù)分為低濃度(血液酒精含量≥40 mg/100 ml，BAC≥0.04%)、中濃度(血液酒精含量≥60 mg/100 ml，BAC≥0.06%)和高濃度(血液酒精含量≥80 mg/100 ml，BAC濃度≥0.08%)三組。

1.2 實驗數(shù)據(jù)采集

所有影像圖像采集均在武漢大學人民醫(yī)院放射科完成，所有顱腦磁共振檢查均采用美國GE 公司的3.0 T (Discovery MR 750 Plus，GE Healthcare，Milwaukee，Wisconsin，USA)超導型MRI 掃描儀，掃描使用8通道相控陣頭部線圈，配套使用泡沫墊以固定頭部。掃描時所有受試者均采取仰臥位、頭先進，囑受試者盡量放松、輕閉雙眼、盡量避免思考，囑受試者盡量保持身體不動。所有檢查均在掃描參數(shù)相同的情況下進行，所有掃描操作由1名熟練的放射科技師進行。

對受試者飲酒前后均采用多模態(tài)MRI掃描，其序列包括：常規(guī)橫斷位T2WI PROPELLER，三維偽連續(xù)式動脈自旋標記(three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling，3D pCASL)和非對稱基于自旋回波的回波平面成像(asymmetric spine echo-based echo plane imaging，ASE EPI)。橫斷位T2WI PROPELLER 序列采用快速自旋回波(fast spin echo，F(xiàn)SE)脈沖序列，TR 5752 ms，TE 93 ms，激勵次數(shù)1.5，F(xiàn)OV 24.0 cm×24.0 cm，矩陣512×512，層厚5 mm，層 間 距1.5 mm，掃 描 時 間1 min 26 s。3D pCASL 技術采用三維快速自旋回波(3D fast spin echo，3D FSE)序 列 采 集 信 號，TR 4500 ms，TE 10.5 ms，激勵次數(shù)3，F(xiàn)OV 24.0 cm×24.0 cm，矩陣1024×8，層厚4 mm，層間距0 mm，層數(shù)36，標記后延遲時間(post label delay，PLD) 1525 ms，掃描時間4 min 29 s。ASE EPI 成像采用回波平面(echo planar imaging，EPI)序列、非對稱基于自旋回波(asymmetric spin-based echo，ASE)脈沖采集信號，TR 4000 ms，TE 77.6 ms，F(xiàn)OV 24.0 cm×24.0 cm，層厚5 mm，層間距0 mm，激勵次數(shù)2，掃描層數(shù)32 層，掃描時間3 min 16 s。

1.3 血液檢測

飲酒后30 min，抽取志愿者靜脈血約3 ml 于促凝管，血液樣本經(jīng)離心后取血清，使用自動生化分析儀(VITROS51FS，美國強生)檢測所抽取血液中酒精濃度。

1.4 圖像后處理

由2 名具有豐富磁共振診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師進行3D pCASL 和ASE EPI 圖像后處理，將3D pCASL和ASE EPI 的原始圖像傳輸至GE AW 4.6 工作站，在Functool 分析軟件上進行圖像后處理，于工作站上自動生成相應的CBF和OEF圖。手動勾畫記憶功能相關腦區(qū)的感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，各ROI 面積約為50～100 mm2，ROI 的選取盡量避開鄰近的腦室及腦溝、裂，于每個相關腦區(qū)上各選擇3個ROI進行測值并記錄，求得各腦區(qū)所測平均值，并最終求得1名放射科技師所測值的平均值以供統(tǒng)計學分析。

1.5 統(tǒng)計學分析

以飲酒前組作為對照組，飲酒后30 min 組作為實驗組，對飲酒前、后記憶功能量表的分值和3D pCASL，ASE EPI 成像數(shù)據(jù)所測得的CBF 值，OEF 值采用計量資料以± s 表示，利用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進行分析，比較飲酒前、后記憶功能量表的得分采用配對樣本t檢驗，實驗組與對照組比較采用配對樣本t檢驗，對飲酒后不同劑量組的比較采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)，進一步對不同劑量組之間均數(shù)的多重比較采用LSD-t 檢驗，以P＜0.05 認為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

根據(jù)BAC，將飲酒后30 min 實驗組分為低、中和高濃度三組。其中低濃度組10 例，中濃度組10 例，高濃度組9例(表1)。

2.1 飲酒前、后記憶功能量表評價

飲酒前后，志愿者MoCA量表、數(shù)字廣度順背、數(shù)字廣度倒背和數(shù)字符號實驗的總體方差齊，行配對樣本t 檢驗發(fā)現(xiàn)，與飲酒前相比，飲酒后30 min 志愿者MoCA 量 表(t=1.410，P=0.169)、數(shù) 字 廣 度 順 背(t=-0.828，P=0.415)、數(shù)字廣度倒背(t=1.558，P=0.130)和數(shù)字符號實驗(t=1.105，P=0.279)所得分值差異無顯著統(tǒng)計學意義(表2)。

2.2 飲酒前、后記憶功能相關腦區(qū)CBF差異

飲酒前后，各記憶功能相關腦區(qū)的總體CBF方差齊，行配對樣本t 檢驗發(fā)現(xiàn)，飲酒后30 min 與飲酒前相比，左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬、杏仁核平均CBF 增加，而雙側小腦半球平均CBF減低(P＜0.05)(圖1，表3)。

對各相關腦區(qū)的不同劑量組間CBF 行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)不同劑量急性飲酒后，左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬、杏仁核及小腦半球等腦區(qū)平均CBF 差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)(表4)，后經(jīng)多重比較LSD-t 檢驗，發(fā)現(xiàn)不同劑量組間平均CBF差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)(表5)。飲酒后30 min，輕、中、重度濃度組間平均CBF呈正線性關系(圖2)。

表1 飲酒后不同濃度組血液酒精含量(mg/100 ml)Tab.1 BAC values of different concentration groups after drinking(mg/100 ml)

表2 飲酒前后記憶功能量表分值t檢驗Tab.2 T test of scores of memory function scale before and after drinking

表3 飲酒前與飲酒后30 min腦CBF(ml/100mg/min)，OEF(%)t檢驗Tab.3 T test of brain CBF(ml/100 mg/min),OEF(%)before and 30 minutes after drinking

2.3 飲酒前、后記憶功能相關腦區(qū)OEF差異

飲酒前、后，各記憶功能相關腦區(qū)的總體OEF 方差齊，行配對樣本t檢驗發(fā)現(xiàn)，與飲酒前相比，飲酒后30 min 左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬平均OEF 減低，而雙側小腦半球平均OEF 增加(P＜0.05)(表3)。對各記憶功能相關腦區(qū)的不同劑量組間OEF行單因素方差分析，發(fā)現(xiàn)不同劑量急性飲酒后，左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬及小腦半球等腦區(qū)平均OEF 差異具有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)(表6)，后經(jīng)多重比較LSD-t 檢驗，發(fā)現(xiàn)不同劑量組間平均OEF 差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)(表7)。飲酒后30 min，輕、中、重度濃度組間平均OEF呈負線性關系(圖3)。

飲酒前與飲酒后30 min、不同劑量飲酒后，雙側杏仁核平均OEF 差異無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)(表3，6)。

3 討論

3.1 急性飲酒對記憶功能相關腦區(qū)CBF影響的分析

ASL 以磁化標記的水質(zhì)子作為內(nèi)源性標記物，通過飽和脈沖抑制流入組織內(nèi)的血液信號，對標記與無標記下采集的圖像進行減影處理，獲得具有血流依賴對比的灌注加權圖像。ASL 成像對組織血流量進行定量評價，反映組織微循環(huán)的血流灌注情況，可用于判斷神經(jīng)系統(tǒng)的活力與功能。

研究表明[8]，急性飲酒會影響直接視覺和工作記憶執(zhí)行能力，且中間背外側前額葉區(qū)域的結構異常與酗酒有關。順行性遺忘是急性酒精中毒較為常見的后遺癥，多出現(xiàn)于飲酒伴有宿醉時，可能是由海馬的短時記憶功能被酒精抑制所致。此外，海馬與年輕人濫用酒精有關[2]。青年人飲酒后首先會出現(xiàn)記憶和執(zhí)行功能的損傷，與之對應的是海馬和前額葉腦區(qū)的結構變化[5,9]。另有文獻報道，酒精導致腦損害的靶區(qū)主要包括中腦邊緣多巴胺(dopamine，DA)系統(tǒng)、丘腦及下丘腦等[6]。其中，中腦邊緣DA 系統(tǒng)的投射區(qū)域[6]主要有伏隔核、前額皮質(zhì)、杏仁核和海馬。小腦與前額葉功能密切相關，大腦皮層-腦干-小腦間存在環(huán)路，此環(huán)路與學習、記憶有關[10]。

本研究發(fā)現(xiàn)，急性飲酒后30 min，左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬、杏仁核的CBF 明顯增加，而雙側小腦半球的CBF 明顯減低。左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側海馬、扣帶回腦血流灌注增加，這與以往研究[3,11]的結論一致，提示這些腦區(qū)屬于酒精易感區(qū)，而這些區(qū)域主要參與記憶、決策控制和情感。Vinader-Caerols 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，飲酒可導致前扣帶回皮層和島葉等腦區(qū)的結構性變化，從而導致記憶功能中斷。Hoffman 等[13]對不同劑量飲酒后文字記憶的研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，飲酒后受試者的文字記憶力減低，且隨著酒精用量的增加，記憶力減低更為明顯。不同劑量急性飲酒后，左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬、杏仁核的平均CBF隨血液酒精濃度的增加而增加，與Marxen 等[11]的研究結果一致，Marxen 等[11]對50 名健康年輕人的研究發(fā)現(xiàn)，飲酒后15 min 內(nèi)腦灌注隨呼氣酒精濃度的線性增加而增加，并且腦灌注的增加與呼氣酒精濃度密切相關。酒精可以通過直接擴張動脈血管或通過改變腦代謝而間接擴張血管，引起腦血流量增加，通過ASL檢測局部腦組織的灌注量，可顯示酒精中毒的嚴重程度，間接反映腦活動的情況，推測其與臨床表現(xiàn)的相關關系。

急性飲酒后，雙側小腦半球腦血流量減低，這種結果可能是由于酒精會降低腦血管的擴張儲備，而影響腦組織的灌注[14]。飲酒后大、小腦半球出現(xiàn)完全相反的兩種灌注信息，是否與其供血血管，即頸內(nèi)動脈系和椎動脈系的自動調(diào)節(jié)功能有關，尚有待進一步研究與論證。

3.2 急性飲酒對記憶功能相關腦區(qū)OEF影響的分析

MRI 梯度回波采樣自旋回波(gradient echo sampling spin echo，GESSE)是近年來在BOLD 效應的基礎上研究出的測量OEF值的序列，但是具有只能進行單層掃描、易產(chǎn)生偽影、且易受到磁場不均勻性的影響等不足，為了彌補GESSE 序列的系列缺陷，采用EPI 采集ASE 序列，使用靜脈血與周圍腦組織的相位差來計算靜脈血氧飽和度，間接反映腦組織的OEF變化，只是容易受到氣-骨交界區(qū)的磁敏感偽影的影響。目前OEF 在腦缺血性疾病、MELAS 等疾病的研究較多[15-16]，但急性飲酒對腦組織氧代謝的影響的相關研究尚未見報道。

圖1 飲酒前、飲酒后30 min記憶功能相關腦區(qū)CBF差異Fig.1 Difference of CBF in brain regions related to memory function before and 30 minutes after drinking.

圖2 飲酒后30 min 不同濃度組的腦CBF (ml/100 mg/min)關系 圖3 飲酒后30 min 不同濃度組的腦OEF(%)關系Fig.2 Relationship of brain CBF(ml/100 mg/min)in different concentration groups 30 minutes after drinking.Fig.3 The relationship of brain OEF(%)in different concentration groups 30 minutes after drinking.

OEF 表示腦組織耗氧量占相應腦區(qū)動脈血中氧供給的百分比，正常生理條件下，OEF 維持在一個相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)。靜息狀態(tài)下，腦組織的OEF值可以反映神經(jīng)元活動的基礎水平。本研究中，飲酒后30 min 左側額中回、頂葉、枕葉皮層、雙側扣帶回、海馬平均OEF 值減低，且不同劑量急性飲酒后，上述腦區(qū)平均OEF值隨血液酒精濃度增加而減低，提示急性飲酒后腦組織氧攝取減少，局部腦組織氧代謝減低，產(chǎn)生的脫氧血紅蛋白減少。這與Wang等[17]研究結果較為一致，Wang等[17]使用PET掃描分析志愿者高劑量飲酒后腦葡萄糖代謝，發(fā)現(xiàn)與安慰劑組相比，酒精組全腦葡萄糖代謝減低，且以枕葉皮層減低的程度最為明顯。腦組織氧代謝反映了神經(jīng)元的活性，氧代謝的減少與神經(jīng)元活性水平的減低以及隨之而來的認知功能損傷相關。

腦血流動力學三大參數(shù)包括CBF、腦組織氧代謝率(cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)及OEF，三者之間的關系可以表示為：CMRO2＝OEF×CBF×動脈氧含量。正常生理狀態(tài)下，腦組織內(nèi)神經(jīng)元的氧供給和氧利用維持一定的動態(tài)平衡[17]，以維持腦組織的正常功能。當出現(xiàn)某些異常情況則會破壞這種平衡關系，腦血流動力學狀態(tài)及代謝水平會出現(xiàn)變化[18]，引起腦組織CBF，OEF 的改變，從而使CMRO2保持穩(wěn)定以保證正常的神經(jīng)元功能。本研究中，記憶功能相關腦區(qū)的平均CBF，OEF值變化呈相反趨勢，我們推測可能是由于OEF 隨著CBF 的變化而發(fā)生變化，以維護腦組織氧供給與代謝的平衡關系。

本團隊之前的研究中，以雙側杏仁核為種子點，對慢性嗜酒者靜息態(tài)下全腦功能連接的研究發(fā)現(xiàn)，杏仁核可能參與前額葉-小腦環(huán)路的功能調(diào)節(jié)，且左側杏仁核功能更易受損[19]。而本研究中，通過對飲酒前、飲酒后30 min 相比及不同劑量組間比較發(fā)現(xiàn)，雙側杏仁核平均OEF 差異無統(tǒng)計學意義，可能與杏仁核的復雜功能有關。杏仁核可直接調(diào)節(jié)情感學習，同時參與情緒的控制、表達和調(diào)節(jié)，并可促進其他腦區(qū)的記憶，由于其功能的多樣性，導致其代謝信息較為復雜，難以判斷其代謝信息與某單一功能改變的關系；此外，杏仁核鄰近顱底骨質(zhì)，ASE EPI 成像容易受氣-骨交界處的磁敏感偽影的影響，導致鄰近腦區(qū)出現(xiàn)偽影，容易導致后處理圖像中所測得數(shù)據(jù)與實際不符。

表4 飲酒后30 min不同濃度組的腦CBF(ml/100 mg/min)方差分析Tab.4 ANOVA of brain CBF(ml/100mg/min)in different concentration groups 30 minutes after drinking

表5 飲酒后30 min不同濃度組的腦CBF(ml/100 mg/min)LSD-t檢驗Tab.5 LSD-t test of brain CBF(ml/100 mg/min)in different concentration groups 30 minutes after drinking

表6 飲酒后30 min不同濃度組的腦OEF(%)方差分析Tab.6 ANOVA of brain OEF(%)in different concentration groups 30 minutes after drinking

表7 飲酒后30 min不同濃度組的腦OEF(%)LSD-t檢驗(P＜0.05)Tab.7 LSD-t test of brain OEF(%)in different concentration groups 30 minutes after drinking(P＜0.05)

3.3 急性飲酒對記憶功能影響的分析

根據(jù)記憶保持時間的不同，記憶被分為感覺記憶(又稱瞬時記憶)、短時記憶和長時記憶。Perry等[20]的研究發(fā)現(xiàn)，急性飲酒可阻止長期記憶的形成，且BAC 越高，對長期記憶形成的影響越大，但是飲酒者仍然能夠保持短期記憶，并執(zhí)行正?；顒?。本研究中飲酒前后記憶功能量表的測定屬于感覺記憶，飲酒前后量表分值差異無統(tǒng)計學意義，提示急性飲酒對感覺記憶的影響不明顯。急性飲酒后記憶功能相關腦區(qū)CBF 及OEF 的改變，可能提示急性飲酒對短時記憶和(或)長時記憶具有影響。

3.4 結論

3D pCASL 和ASE EPI 能用于綜合分析急性飲酒對記憶功能相關腦區(qū)CBF 及OEF 的影響，有助于揭示急性飲酒對記憶功能相關腦區(qū)影響的作用機制。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。