慢性吸烟者的脑静息态fMRI局部一致性研究

刘佳丽，王冬翠，莫少锋，李宏周，陈真诚

(1.桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林541004；2.中南大学湘雅医院，湖南长沙410008；3. 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083)

慢性吸烟者的脑静息态fMRI局部一致性研究

刘佳丽1，王冬翠2，莫少锋3，李宏周1，陈真诚1

(1.桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林541004；2.中南大学湘雅医院，湖南长沙410008；3. 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083)

为了纵向研究慢性吸烟者在未戒烟和戒烟一段时间后静息态局部脑功能活动发生的变化，本文结合功能磁共振成像(fMRI)和局部一致性(ReHo)方法，对12名慢性吸烟的健康志愿者，在未戒烟和戒烟一周后的脑静息态扫描数据进行组内比较分析，结果：与未戒烟状态相比，吸烟者戒烟一周后额叶(左侧眶内额叶、右侧额中回、右侧背外侧额叶)、左侧楔前叶、左侧后扣带皮层、左侧楔叶和右侧初级运动皮层的ReHo显著降低；双侧颞上回、左侧距状裂沟回、左侧舌回、左侧梭状回、左侧海马旁回、右侧中央后回和左侧豆状壳核的ReHo显著增强。研究表明，慢性吸烟者在戒烟一周后上述脑区的神经元活动一致性发生了变化，这为ReHo应用于戒烟疗法提供了一定依据。

慢性吸烟；静息态功能磁共振成像；局部一致性；戒烟

烟碱作为一种烈性兴奋剂，已经成为当今社会影响最广泛的成瘾物质。由于慢性吸烟导致死亡的人数每年至少达到一百万人[1]，烟草问题对中国乃至世界造成了巨大的负担。尽管多数吸烟者有着强烈的戒烟愿望，但仅仅14%～49%的人能成功戒烟6个月以上。因此，增强人们对吸烟危害的认识，并提高人们戒烟、控烟意识，是一个重要而紧迫的社会问题。功能磁共振成像(fMRI)作为一种无侵害、无辐射、同时具有高时空分辨率的成像技术，在吸烟者脑功能活动的研究中发挥了不可替代的作用。

已有的多数研究基于任务范式(如对吸烟者静脉注射尼古丁，让吸烟者观看吸烟图片等)，并结合不同的脑成像技术和实验方法，发现吸烟者的额叶皮层、扣带皮层以及它们的边缘系统等脑区结构或功能发生了变化[2-7]。另外，Tang等[8]结合fMRI和局部一致性(ReHo)方法，发现慢性吸烟者静息态下右下额叶皮层的ReHo降低，左上顶叶的ReHo增加。Yu等[9]用同样方法，发现重度吸烟依赖者静息态下前额叶区域的ReHo降低，同时岛叶和后扣带皮层的ReHo增强。虽然研究结果有差异，但大部分文章发现的脑区都与认知功能密切相关[10-19]。

尽管大量文章对吸烟者的脑结构和脑功能变化进行了研究，但关于慢性吸烟者静息态下脑功能局部性连接的纵向报道还很少。局部一致性方法研究的是静息态下给定体素与其相邻体素之间的功能一致性活动，已被成功用于多种精神疾病的研究[20]。本文结合功能磁共振成像和局部一致性方法，探讨慢性吸烟者在未戒烟和戒烟一周后自发脑活动的局部一致性变化。

1 方法和材料

1.1 研究对象

12名来自当地社区和学校的健康正常男性同意参与此次实验。我们事先了解到这些被试既无药物成瘾史、戒烟史，也无家族及其他精神疾病史。排除标准包括：主要的神经系统疾病，如癫痫或癫痫发作史、中风、伴有意识丧失的头部创伤等。另外，每人每天需抽烟至少10支，烟龄5年以上，并且满足美国精神障碍诊断统计手册第4版(DSM—IV)关于物质依赖的诊断标准。

扫描前一个月至全部试验完成，被试没有发生受伤、巨大心理创伤事件，也没有接受任何药物治疗。所有被试在性别(男)、年龄(24～51岁)、汉族、利手(右)、受教育程度(高中及以上)等方面均匹配。要求被试体内无金属植入物，无磁共振检查禁忌，经过磁共振颅脑检查未发现明显的结构异常。实验前，所有被试及家属被告知实验目的、方法和可能存在的不适与风险， 并签署实验参与知情同意书；另外，每次扫描后，我们都要对被试进行FTND量表得分调查，然后对其进行尿液样本采集，检测其可铁宁含量，只有通过尿检的被试才能纳入数据分析。

MRI扫描一共进行了2次，分别是第0天和第7天：第0天指的是被试当天正常吸烟，并在吸最后一支烟5min后的扫描；第7天是指戒烟一周后的扫描，并把第0天的扫描数据作为对照组数据。

1.2 MRI数据采集

功能磁共振图像数据采集在桂林医学院附属医院完成，使用Siemens 3.0T(Allegra；Siemens Medical System)磁共振成像系统，在标准头线圈内完成扫描。受试者头部用配套泡沫垫固定以减小头动，并戴上隔音耳塞减小扫描噪声。扫描时不添加任何认知任务，受试者仰卧闭眼，全身保持不动，并被告知尽可能保持清醒，但不能有意识的思考任何事情。具体参数为：TR=2 s，TE=30 ms，FOV=220 mm×220 mm，翻转角=90°，矩阵=64×64，层数=43，层厚=3.2 mm，层间隔=0，时间点=240，扫描时间8 min 8 s。

最终成功纳入数据分析的吸烟者共9人，3名被试尿液中可铁宁含量在戒烟过程中升高。

1.3 数据分析

使用DPARSF软件对功能磁共振信号进行预处理[21-22]。首先，去除前10个时间点，以使被试适应扫描环境；接下来，依次进行时间层校正(考虑到每个层面的扫描时间不同)；头动校正(被试在扫描过程中可能会头动)；T1像标准化到SPM8的标准EPI模板以及将体素重采样为3 mm×3 mm×3 mm。经过头动校正后，剔除在任一方向(x，y，z)的平动大于2.5 mm或转动角度大于2.5°的被试，共剔除1例。然后，进行去线性漂移和带通滤波处理(0.01-0.08 Hz)，减少数据采集过程中机器温度上升带来的线性趋势及高频生理噪声。个体局部一致性图像，通过计算给定体素和它相邻近的26个体素时间序列的肯德尔和谐系数(KCC)得到[23]。为了对ReHo值进行标准化处理，在默认mask内将每个体素的ReHo值除以全脑ReHo均值。最后，对数据进行了全宽半高为4 mm×4 mm×4 mm的高斯平滑，以降低空间噪声并减少空间标准化过程所带来的误差。

为比较2次扫描数据组内ReHo值的差异，用rest软件[22]在BrainMask_05_61*73*61内进行了以体素为基础的配对T检验。然后，对配对T检验结果进行AlphaSim校正，统计阈值取为P<0.01，且当cluster size>18时才被视为差异有统计学意义。最后，我们选取属于默认网络中的楔前叶和楔叶为ROI，并提取出戒烟前每个被试在ROI区的ReHo均值，对戒烟前的FTND量表得分(尼古丁依赖程度)和提取的ReHo均值进行相关分析，P<0.05考虑为相关。

2 结果

两组配对T检验结果见表1和图1(T=3.25，P<0.01，已校正)。与未戒烟状态相比，吸烟者戒烟一周后额叶(左侧眶内额叶、右侧额中回、右侧背外侧额叶)、左侧楔前叶、左侧后扣带皮层、左侧楔叶和右侧初级运动皮层的ReHo显著降低；双侧颞上回、左侧距状裂沟回、左侧舌回、左侧梭状回、左侧海马旁回、右侧中央后回和左侧豆状壳核的ReHo显著增强。此外，相关分析没有发现ROI区的ReHo均值和戒烟前的FTND得分存在相关性。

表1 吸烟者戒烟一周较未戒烟时ReHo变化的脑区

注：P<0.01， 18 voxels， Alphasim corrected。

a图为吸烟者戒烟一周后静息态脑功能活动ReHo增强的脑区，b图为戒烟一周后静息态脑功能活动ReHo降低的脑区。(P<0.01，18个体素，Alphasim校正)。图1 吸烟者戒烟一周后较未戒烟状态ReHo有显著差异的脑区Fig.1 Brain areas of ReHo difference between smoking state and smoking abstinence for 1 week

3 讨论

局部脑区ReHo的下降或升高表明其神经元活动一致性的降低或增强，暗示这些脑区功能可能发生了变化。

研究发现，吸烟者戒烟一周后前额叶(左侧眶内额叶、右侧额中回、右侧背外侧额叶)、左侧楔前叶、左侧后扣带皮层、左侧楔叶和右侧初级运动皮层的ReHo显著降低。大量研究表明，前额叶在人的执行控制、奖赏期望等认知功能中起重要作用[12-14， 16， 24]。吸烟者戒烟一周后前额叶ReHo的降低可能与以上认知功能的变化有关；楔前叶、后扣带皮层和楔叶均属于默认网络(default mode network， DMN)，Hong等研究认为尼古丁可能会改变静息态默认网络[25]。我们的研究则暗示吸烟者在戒烟一周后静息态默认网络发生了变化；另外，有人发现初级运动皮层在维持自愿活动的前期准备阶段起着一定的作用[23]。

本研究还发现双侧颞上回、左侧距状裂沟回、左侧舌回、左侧梭状回、左侧海马旁回、右侧中央后回和左侧豆状壳核的ReHo增强。Bigler等[26]认为颞上回参与人的社会认知过程；舌回、距状裂沟回和梭状回均是枕叶的一部分，主要负责视觉信息(文字识别、文字加工、面孔识别等)的处理，海马旁回则负责面孔识别，Ernst等[15-16]研究发现尼古丁摄入对视觉注意网络有影响。本研究中双侧舌回、双侧距状裂沟回、右侧梭状回、右侧海马旁回和左侧楔叶ReHo的增强可能与尼古丁摄入戒断有关；此外，调查发现吸烟者在戒烟后往往出现手足痒、头皮酸痛等症状。中央后回是初级躯体感觉皮层，所以吸烟者戒烟后右侧中央后回ReHo的增强可能是受到上述戒烟症状的影响。有研究发现豆状壳核在多类运动技能中起着重要作用[27]。

然而，本文还存在一定的局限性，如样本量太少，相关分析没有发现ROI区的ReHo均值和戒烟前的FTND得分存在相关性。本研究为局部一致性方法应用于戒烟疗法提供了一定依据。另外，我们还可以将ReHo显著变化的脑区作为感兴趣区域(ROI)进行进一步的研究。

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(责任编辑 马殷华)

Alterations in Regional Homogeneity of Resting-stateBrain Activity in Chronic Cigarette Smokers

LIU Jiali1， WANG Dongcui2， MO Shaofeng3， LI Hongzhou1， CHEN Zhencheng1

(1.School of Life and Environmental Sciences， Guilin University of Electronic Technology， Guilin， Guangxi 541004， China;2. Xiangya Hospital， Central South University， Changsha Hunan 410008， China;3. School of Geosci and Info-physics， Central South University， Changsha Hunan 410083， China)

Most previously studies on chronic smokers are transversal studies based on task paradigm. In this study, longitudinal studies of regional brain activity alterations between smoking and quitting smoking for some time in resting state are carried. Twelve healthy chronic smokers participated in this study and were imaged with resting state functional magnetic resonance imaging (fMRI) in two stages, i.e., under smoking and after quitting smoking for one week. Then regional homogeneity (ReHo) method was used to conduct a comparative analysis of the statistics of the two stages. Compared with those in smoking state, smokers who had quitted smoking for one week showed decreased level of ReHo in frontal lobe (orbital, medial, middle), left precuneus, left posterior cingulate cortex (PCC), left cuneus, and right supplementary motor area, as well as increased level of ReHo in bilateral superior temporal gyrus, left calcarine, left lingual gyrus, left fusiform gyrus, left parahippocampa gyrus, right postcentral gyrus, and left putamen. The results indicate that coherence of neural activities have been altered in the above brain regions after quitting smoking for one week among the chronic smokers, which offers references for the application of ReHo in smoking cessation therapy.

chronic smokers; resting-state fMRI; regional homogeneity; smoking cessation

10.16088/j.issn.1001-6600.2016.04.023

2015-09-16

国家自然科学基金资助项目(61271119)；国家科技支撑计划基金资助项目(2013BAI03B01)

陈真诚(1965—)，男，湖南永州人，桂林电子科技大学教授，博士。E-mail:chenzhcheng@163.com

R395.1

A

1001-6600(2016)03-0151-05