应用IBASPM分析孤独症儿童脑灰质结构改变

陈　静，李　欣，王春祥，刘俊刚，赵　滨

（天津市儿童医院，天津　300074）

应用IBASPM分析孤独症儿童脑灰质结构改变

陈静，李欣，王春祥，刘俊刚，赵滨

（天津市儿童医院，天津300074）

目的：运用基于统计学参数图（Statistical parametric mapping，SPM）的个体脑图谱形态分析（Individual brain atlases using Statistical Parametric Mapping，IBASPM）软件，分析孤独症儿童不同脑区灰质结构体积变化。资料与方法：采用GE HDx 1.5T磁共振扫描仪对23例经临床诊断为孤独症的患儿和28例年龄、性别匹配的健康儿童进行全脑扫描，采用3D快速扰相梯度回波（Fast spoiled gradient echo，FSPGR）序列获得高分辨力T1WI像。在SPM5平台上，运用IBASPM软件对原始数据进行处理，获得各脑区体积值。采用两独立样本t-检验进行组间比较。结果：符合实验要求的被试包括孤独症组16例，正常对照组18例。孤独症组，男性11例，女性5例，平均年龄（2.81±0.91）岁；正常对照组，男性11例，女性7例，平均年龄（2.61±0.50）岁。与正常对照组相比，孤独症组体积增大的脑区包括左侧中扣带回、左侧缘上回、双侧杏仁体、双侧尾状核；孤独症组体积减小的脑区为小脑蚓部Ⅷ区。结论：孤独症儿童脑灰质结构存在异常，这些脑区均与情绪、语言、行为控制相关，可为孤独症的临床症状的解释和诊断提供客观依据。运用IBASPM软件可自动化对不同脑区进行体积测量，从形态学角度对孤独症儿童脑灰质结构进行分析。

孤独症障碍；磁共振成像

孤独症于1943年由Kanner首先报告并命名，是一种起病于婴幼儿时期的广泛性发育障碍的代表性疾病，主要临床表现为三组严重而持续的核心症状，即语言交流障碍、社会交往障碍、行为与兴趣爱好重复刻板。近年来，我国孤独症儿童呈增多趋势，但对其神经影像特征研究相对较少，且多数研究样本较小。国外学者已经从形态学、神经纤维连接、代谢变化及脑功能等方面对其开展了一系列研究[1-3]。由于孤独症的病因多样性、表现异质性以及不同学者对研究对象的选择、研究方法的制定、感兴趣区（ROI）的选取等存在差异，导致了研究结果不尽相同。本文通过高分辨力磁共振成像（MRI），运用基于统计学参数图（Statistical parametric mapping，SPM）的个体脑图谱形态分析 （Individual brain atlasesusing statistical parametric mapping，IBASPM）软件分析孤独症儿童和正常儿童多个脑区之间体积的差异，从形态学角度阐述孤独症可能的神经影像学机制。

1　资料与方法

1.1研究对象

分为孤独症组和正常对照组。所有被试均为中国人，均无磁共振检查禁忌症。

1.1.1孤独症组

选择孤独症儿童23例，入组标准：①经本院心理科对孤独症儿童通过评估，同时符合美国《精神障碍诊断和统计手册》第四版（DSM-Ⅳ）及中国《精神疾病分类方案与诊断标准》第三版（CCMD-3）儿童孤独症诊断标准；②婴幼儿，年龄为2～4岁之间；③获知情同意，监护人同意其参加本研究；④既往未接受康复训练及药物治疗；⑤无其他器官伴发疾病、神经系统功能性疾病以及其他可能影响脑结构与功能的疾病。

1.1.2正常对照组

选择正常儿童28例，入组标准：通过广告招募，选取与病例组相匹配的健康儿童，并与家长进行访谈，询问出生史、语言发育史、运动发育史、社交情况、有否异常行为的历史；与被试面谈、对其进行行为观察、详细的体格检查，排除躯体疾病、神经系统疾病、精神发育迟滞、情绪障碍、注意力缺陷多动障碍、学习障碍等疾患及有头部外伤史的儿童，无孤独症及精神病家族史。正常对照组年龄、性别与孤独症组匹配。所有被试家长均知情同意。

1.2研究方法

1.2.1成像设备及成像参数

采用GE公司1.5T HDxt超导型磁共振成像仪及头部标准正交线圈。成像范围覆盖全脑。对所有被试进行常规序列、高分辨力T1WI解剖像扫描。T1WI解剖像采用3D-FSPGR序列，扫描参数：TR＝9.2，TE＝2.7，FA=20°，matrix＝256×256，FOV＝24 cm×24 cm，层厚＝1.2mm，层间隔＝0mm。扫描时间为3分52秒。

1.2.2实验过程

检查前30min采用口服6.5%水合氯醛0.8mL/kg对被试进行镇静，待入睡后扫描。被试取仰卧位，用海绵填塞头部和线圈之间的空隙。实验时，每位被试首先进行常规头颅轴位T1WI、T2WI、T2FLAIR、DWI及矢状位T1WI序列扫描，由两位有经验的影像科副主任医师同时对图像进行观察，排除脑部存在肉眼可见病变的被试。然后进行轴位3D-FSPGR序列扫描，获得高分辨力T1WI解剖像。

1.2.3数据分析

采用SPM5进行数据处理，基于脑地形图国际协会 （International consortium for brain mapping，ICBM）提供的脑模板，对孤独症儿童进行脑区划分，运用IBASPM软件进行全脑各个脑区的自动识别、标记及测量（采用Atlas116模板），将所有被试全脑按照模板分成116个脑区。

1.2.3.1数据处理

①空间标准化：由于不同被试脑在形状、大小等方面存在明显差异，为便于对不同被试进行比较，使得不同被试脑图像中的同一像素代表相同的解剖位置，需要将每个被试的个体脑放入统一公共的标准空间进行统计分析，将解剖图像标准化到蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）的ICBM脑模板上，并获得变形矩阵。②分割（segmentation）：将个体结构像分割为三类脑结构：灰质、白质和脑脊液。③解剖学标记（Automatic Labeling）：使用IBASPM对解剖像进行处理，根据Tzourio-Mazoyer等开发的自动化脑解剖图谱（Automated anatomical labeling，AAL）对标准化后的解剖像各脑区进行定位标记（本文采用Atlas116模板）。④脑区体积计算（Volume statistic）：基于个体脑图谱所分割的脑区进行体积测量，分别得到每一个被试116个脑区的体积值。

1.2.3.2统计学分析

运用SPSS 17.0统计学软件，采用两独立样本t-检验的方法对孤独症组与正常对照组116个脑区分别进行组间比较，得到差异具有统计学意义的脑区，统计学阈值为P＜0.05。

1.2.3.3结果显示

将两组间比较有统计学差异的脑区叠加到正常儿童脑解剖像上进行显示，以多方位断面图的方式呈现，并记录脑区的解剖位置。

2　结果

在严格控制被试头动、行为学表现及机械噪声等因素影响后，最终符合实验要求的被试为孤独症组16例，正常对照组18例。孤独症组包括男11例，女5例，平均年龄（2.81±0.91）岁；正常对照组包括男11例，女7例，平均年龄（2.61±0.50）岁。孤独症组与正常对照组的年龄经两独立样本t-检验分析，组间差异无统计学意义（P＝0.44）。孤独症组与正常对照组的性别组成经卡方检验，组间差异无统计学意义（P＝0.642）。孤独症组与正常对照组比较，116个脑区中的7个脑区体积差异具有统计学意义。与正常对照组相比，孤独症组体积增大的脑区包括左侧缘上、左侧中扣带回、左侧杏仁体、右侧杏仁体、左侧尾状核、右侧尾状核（P＜0.05）；孤独症组体积减小的脑区为小脑蚓部Ⅷ区（P＜0.05）（图1，表1）。

表1　孤独症组与正常对照组体积差异具有统计学意义的脑区

3　讨论

3.1研究对象的选择

已经有多位学者的研究表明孤独症患者存在脑容量异常，而且这种改变与年龄明显相关。孤独症患者脑容量在生后早期尤其是2～4岁时过度增长，而后增长速度减慢，直至青春期和成人期时出现脑容量减小[4]。由于选取的研究对象年龄组成不同，导致了多位学者结论不一致。由于不同的年龄及性别组成与脑的形态学改变均有一定程度的关联性，均会影响研究结果的客观性。因此本研究选择的研究对象为起病于婴幼儿时期的孤独症患儿，年龄界定在2～4岁之间，克服了年龄对研究结果的影响，且本组病例均为初诊，未经过康复训练及药物治疗，排除了临床干预。另外，研究对象中正常对照组的年龄、性别组成均与孤独症组相匹配，经统计学分析，两组间年龄及性别组成差异无统计学意义，排除了上述因素对研究结果的影响。

3.2IBASPM的优势及局限性

Tzourio-Mazoyer等[5]使用SPM将MNI的标准脑图谱划分为116个部分，对每个解剖学定位都有其相应描述。Tzourio-Mazoyer等开发的基于SPM的软件包AAL和Melie-Garcia等人开发的IBASPM也采用此定位图。改进后的SPM5运用新的分割算法，从而减少了模板对结果的影响。因此，本研究选用了能在SPM5平台下运行的IBASPM，此软件的主要功能是计算个体各脑区的体积。

以往对脑结构的研究大多采用手工勾画感兴趣区 （ROI）的方法，通常根据既往的先验知识确定ROI，通过多次测量ROI的体积并取平均值来判断其改变。这种手工操作不仅费时、费力，同时还存在较大的主观误差，可重复性差。另外一种常用于对全脑灰质进行定量研究的方法是基于体素的形态学测量（Voxel-based morphometry，VBM）方法，但是此方法存在一些局限性，如皮层的脑沟化和脑回化会改变自动标准化等步骤进而影响结果的准确性。另外，VBM是通过每一个体素比较两组间被试的白质或灰质密度，但是每个体素的解剖学定位还需要通过手动方法或者借助其他软件完成。

IBASPM是一种完全自动化、客观地进行全脑形态分析的软件。SPM是以像素为基础的自动分析软件，以软件为平台，把全脑作为一个整体，运用IBASPM软件对不同脑区进行自动分割，定量计算各脑区的体积值，克服了视觉判断的主观性，能够实现可重复性操作，不存在操作者的主观误差，并且节省了大量人力，可客观、全面的评价解剖结构的变化。但是，IBASPM也存在一定局限性，目前我们采用的定位模板数据均来自西方人，在东方人种的应用情况还缺乏进一步研究，我们期待着根据国人的脑结构制定出适合国人的脑模板，这样结果会更加可靠。另外，对于某些结构，IBASPM还不能进行进一步细分。

3.3孤独症儿童脑灰质结构改变

目前，国内外有关孤独症的神经影像学研究均表明孤独症患者多个脑区体积存在异常，这些脑区主要为颞叶、额叶、顶叶、小脑、基底节、杏仁体、丘脑及胼胝体等。不同的研究对象属性，包括年龄、性别、IQ、利手、疾病的严重程度等以及研究方法的选择均可导致研究结果不同。

孤独症的主要临床表现为三组核心症状，即语言交流障碍、社会交往障碍、行为与兴趣爱好重复刻板。本研究发现孤独症儿童左侧中扣带回、左侧缘上回、双侧杏仁体、双侧尾状核体积明显大于正常对照组，小脑蚓部Ⅷ区体积较正常对照组减小，这些脑区的体积异常能够解释孤独症的三个核心症状。

语言交流障碍是孤独症儿童最明显的核心症状，也是最容易且最早发现的症状。孤独症儿童组左侧缘上回体积较正常对照组增大，这一结构的异常可以解释其对语言理解、语言加工整理以及表达语句意义的障碍。左侧缘上回是语言中枢Wernicke区的重要组成部分，主要功能是负责对整句中单字的理解。孤独症儿童组左侧缘上回体积增大，说明其对完整句子中单个字的理解增加，着重突出对单个字的理解，而不能将一句话作为一个整体，从而造成对整句话理解的减弱，出现语言理解障碍。语言理解与语言交流是相辅相成的，因此孤独症患者在处理复杂语句时不能够完全理解，进而可以造成语言交流和社会交往障碍。孤独症儿童左侧缘上回结构异常这一发现也与Libero等[6]发现孤独症患者左侧缘上回的脑回化异常的分析结果一致，且与Levitt[7]和White[8]的研究有明显的共同点。

本研究还发现孤独症儿童左侧中扣带回、双侧杏仁体和小脑蚓Ⅷ区体积存在异常，这些结构都参与一系列的认知功能，在情绪处理、社会交往、情感识别等方面具有重要作用，孤独症儿童出现以上结构的异常可以对其核心症状进行解释。

扣带回是边缘系统的组成部分，参与产生和影响情绪，在执行能力、注意力、控制行为、情感识别、社会交往、自我识别中起重要作用。中扣带回位于大脑内侧面，对情绪及认知具有重要作用。在孤独症人群中，扣带回灰质体积增加，而白质体积减小，这些异常被认为与孤独症患者社会交往障碍有关。无独有偶，Jiao等[9]通过测量孤独症患者皮层厚度发现中扣带回结构异常，Ameis等[10]通过运用弥散张量成像的研究表明孤独症患者中扣带回的细微结构组织不成熟，特别是在出生后的早期，这些异常都会影响边缘网络同步化和复杂社会-情感行为，这些结果都与本文的结果相互印证。左侧中扣带回在情绪的产生和管理中起到重要作用，孤独症儿童左侧中扣带回的体积异常说明其情绪的产生以及对自我情绪的管理存在问题，无法进行情绪的表达，进而出现明显的社会交往障碍。而对于本组结果中，仅得到孤独症儿童组左侧中扣带回的体积异常，右侧中扣带回未出现阳性结果的原因还不能确定，推测是否与样本量或利手情况有关，这一问题将在今后的扩大研究中进行细化完善。

杏仁体作为“社会脑”的重要组成部分，负责处理社会情感加工，在情绪管理、社会性判断、社会性注意以及社会性认知中具有重要意义。总结前人对孤独症患者杏仁体体积的研究结果，发现孤独症患者的杏仁体体积在年幼儿童期增大，在年长儿中变化不明显，而在成人中其体积缩小。本研究发现2～4岁儿童双侧杏仁体体积增大，在这一特定的年龄阶段，与前人所得结果一致，Nordahl等[11]和Kim等[12]的研究也得出相同结果。杏仁体位于大脑颞叶内侧面，是边缘系统的皮层下中枢，与眶额皮层、颞上回共同组成社会认知的神经基础，对于情绪状态的表达非常重要，杏仁体体积增大与孤独症儿童出现社会交往障碍的表现具有重要联系。

作为本研究中得出的唯一的孤独症儿童组体积减小的脑区——小脑蚓部Ⅷ区，同样具有重要的社会认知功能。小脑蚓部作为小脑的重要组成部分，其功能复杂多样，除具有姿势维持和运动调节控制的功能外，还参与重要的认知功能。小脑蚓部按照解剖可分为10个小叶，三个部分，依次为前叶：小脑舌、中央小叶 （蚓部Ⅰ-Ⅲ小叶）、蚓顶 （蚓部Ⅳ-Ⅴ小叶）；中叶：蚓坡、蚓小叶、蚓结节（蚓部Ⅵ-Ⅶ小叶）；后叶：蚓锥、蚓垂、蚓小结（蚓部Ⅷ-Ⅹ小叶）。本研究发现孤独症儿童小脑蚓部Ⅷ区体积减小，这与Levitt 等[13]传统的基于ROI的测量方法和Stoodley[14]运用VBM方法所得出的结论有相似之处，Levitt等[13]运用Talaimch坐标系统通过手动勾画的方法对小脑蚓的各结构进行分离，经方差分析得出孤独症患者小脑蚓部第Ⅷ-Ⅹ区体积明显小于正常对照组，而两组间Ⅰ-Ⅴ区和Ⅵ-Ⅶ区体积无明显差异。Stoodley[14]运用VBM方法的研究也得出孤独症患者小脑蚓部Ⅷ区灰质减少的结论。同时这也提示了IBASPM方法的准确性，孤独症儿童小脑蚓部Ⅷ区体积减小，造成其社会认知功能障碍，小脑蚓部Ⅷ体积异常为其症状的解释提供了解剖学基础。

对于孤独症的第三组核心症状——行为与兴趣爱好重复刻板，则与孤独症儿童尾状核体积异常密切相关。孤独症儿童尾状核体积增大，并且其体积增大程度与这种重复刻板行为的严重重度存在相关性，二者之间的关联可能在于不同的纹状体通路（腹侧和背侧等）。Sears等[15]对孤独症的研究也与本文有一致性发现。孤独症儿童这种热衷于仪式性或强迫性的行为，尤其对无生命力的重复性活动非常感兴趣，这种枯燥的行为同时影响着其接触新事物、获得新技能的能力。因此，孤独症的三组核心症状并不是独立存在的，他们相互影响、互为因果。

孤独症发病机制复杂，病因尚不明确，目前仍没有找到可以确诊的检查手段。磁共振技术和相应后处理方法的发展对在体研究孤独症的神经影像学机制具有重要意义。本文通过对2～4岁孤独症儿童的全脑解剖像进行研究，利用以SPM平台为基础的IBASPM方法，发现了体积存在异常的脑区，这些脑区均与孤独症的核心症状密切相关，可为孤独症临床症状的解释和诊断提供客观依据，有助于从形态学角度阐述孤独症可能的神经机制。

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Analysis of cerebral gray matter structural changes in autistic children by IBASPM

CHEN Jing,LI Xin,WANG Chun-xiang,LIU Jun-gang,ZHAO Bin (Tianjin Children’s Hospital,Tianjin 300074,China)

Objective:To analyse the volume changes of gray matter structures in different brain regions of autistic children by using IBASPM software based on SPM.Methods:Twenty-three autistic children diagnosed by clinical features and 28 healthy children were selected in this study,whose age and sex were matched.High resolution T1 weighted images of each child’s whole brain were acquired by using 3D FSPGR sequence on GE HDx 1.5T MRI.The raw data was dealed with IBASPM software based on SPM5,to obtain the volume value of every brain region.Two independent sample t-test was used to compare the groups.Results:The data of 16 autistic children and 18 normal controls matched the experimental requirements.The autism group included 11 males and 5 females,whose mean age was 2.81±0.91 years old.The normal control group included 11 males and 7 females,whose mean age was 2.61±0.50 years old.Compared with the normal control group, the volume values of the left mid cingulum,left supramarginal gyrus,bilateral amygdaloid body and bilateral caudate nucleus were enlarged in the autism group;the volume value of vermisⅧ area was decreased.Conclusion:Some gray matter structures of autistic children were abnormally changed,which were related to emotion,language and behavior control,and then provided an objective basis for the interpretation and diagnosis of clinical symptoms of autism.The IBASPM software can be used to automatically measure the volumes of different brain regions,and to morphologically analyse the gray matter structures of autistic children.

Autistic disorder;Magnetic resonance imaging

R749.91；R445.2

A

1008－1062（2016）05－0309－05

2015-10-21；

2015-12-07

陈静（1982-），女，天津人，主治医师。E-mail：bbchenjing@126.com

陈静，天津市儿童医院影像科，300074。E-mail：bbchenjing@126.com