重度尼古丁依赖对人体大脑灰质结构影响的MRI评价

董安珂，张勇，程敬亮，李颜良，朱晨迪，许珂

郑州大学第一附属医院磁共振科，河南郑州 450052；

吸烟是人群慢性非传染性疾病最重要的危险因素之一，引起严重的健康、经济及社会问题，目前已成为世界范围内最主要的可预防性死因之一[1]。我国吸烟人群数量已高达3.16亿[2]。每年超过100万人死于烟草相关疾病；预计2025年将增加1倍，2050年将增加 2倍[3]。尽管多数吸烟者有戒烟欲望，但是大多数戒烟者在 1周内复吸[4]。尼古丁是吸烟成瘾的重要原因。长期摄入尼古丁会导致多巴胺能等受体敏感性下降及数量上调，迫使吸烟者摄入更多的尼古丁来维持和提高脑内的多巴胺水平，以维持或获得欣快感；否则即出现抑郁、烦躁不安等戒断症状。近年研究发现，所有被滥用的药物（可卡因、尼古丁等）均可对神经细胞的形态和结构造成损害，进而影响其功能[5]。因此，研究吸烟对脑结构的影响以指导戒烟具有重要意义。基于体素的形态学分析（voxel-based morphometry，VBM）可定量计算脑灰质、白质的体积[6]。本研究拟对全脑灰质和白质的局部密度或体积进行体素对比，能量化脑结构变化情况，进一步为指导戒烟提供依据。

1 资料与方法

1.1 研究对象 试验于2014年8月至2016年8月通过网络广告、宣传单等途径共招募重度尼古丁依赖者42例（研究组）。吸烟者均符合第4版精神疾病诊断与统计手册（The diagnostic and statistical manual of mental disorders-IV，DSM-IV）关于物质依赖的诊断标准，即每日吸烟≥10根，烟龄≥2年。排除标准：①伴有精神病性症状或有精神障碍家族史者；②既往有癫痫病史或癫痫病家族史者；③有酒精、药物等尼古丁以外的依赖或行为（赌博、网络游戏）成瘾史；④正在接受药物治疗、2周内有服用苯二氮卓类药物或接受过抗精神病药物治疗者；⑤有颅脑损伤史、昏迷史、脑器质性或严重躯体疾病者、颅内有金属物植入或人工种植牙者；⑥不能耐受 MRI检查者。所有吸烟者均完成尼古丁依赖水平测量（fagerstrom nicotine dependence test，FTND）且评分≥6分，并提供吸烟指数（吸烟年限×每天吸烟支数/20）及饮酒程度相关量表[7-8]。另外招募年龄、性别、饮酒等匹配的不吸烟（一生中吸烟不超过10根）对照者37例（对照组），排除标准与吸烟组一致。所有受试者均为男性，年龄20～55岁，结构像扫描前确认无脑内病灶或结构异常，且所有受试者均为右利手[9]。所有受试者自愿参加试验，依从性好。本试验通过郑州大学第一附属医院医学伦理委员会批准，所有受试者在试验前均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 使用Siemens 3.0T MagnetomSkyra MR扫描仪及16通道头颅相控阵线圈。所有受试者均行头部常规 MRI扫描，序列包括 T1WI、T2WI、T2 FLAIR、扩散加权成像（DWI）（b=0、1000 s/mm2）。横轴位T2WI（turbo spin echo，TSE）序列扫描参数：TR 3800 ms，TE 93 ms，层间距1 mm，层厚5 mm，视野240 mm×240 mm，层数20。FL2D序列扫描获得矢状位T1WI图像，扫描参数：TR 380 ms，TE 2.5 ms。高分辨三维T1加权矢状位图像通过3D磁化梯度回波序列获得，扫描参数：TR 2000 ms，TE 2.06 ms，视野256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚1.0 mm，层间隔0 mm，层数192，反转时间900 ms，反转角9°，体素大小 1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。

1.3 MRI数据预处理 本研究采用基于Matlab平台的SPM8软件对3D T1结构像进行处理，从而用于VBM。3D T1结构像经过VBM处理后得到全脑每个体素的灰质体积（grey matter volume，GMV），主要步骤为：①转换数据的格式：将原始图像的医学数字成像和通信格式转变为神经影像信息技术处理方案格式。②分割结构：采用SPM8软件自带的标准脑结构图像模版分割出结构像的脑白质、灰质及脑脊液[10]。③配准和空间的标准化：为减少受试者因大脑不同所致个体差异，利用DARTEL软件工具对数据进行配准和标准化处理。首先将灰质密度图仿射到标准空间的灰质模版，对灰质密度图行非线性高阶配准从而得到其空间标准化版本，采用雅克比横列式将其转换成 GMV图，然后重新采样，最后得出相对的 GMV图。④空间平滑：运用半高全宽三维高斯核（8 mm×8mm×8 mm）对所得图像进行空间平滑处理，从而减少配准偏差、提高数据信噪比，使图像更加符合高斯分布。

1.4 统计学方法 采用SPM8软件的一般线性模型，将年龄、受教育年限作为协变量。计量资料以±s表示。研究组与对照组GMV差异比较采用独立样本t检验。结果经cluster-level FWE校正，对每个体素阈值设在P<0.001（双侧）。P<0.05表示差异有统计学意义。

使用xjview软件（http://www.alivelearn.net/xjview8/）显示并制作该成分的模板。选择叠加背景模板显示不同组间的差异脑区。获得重度尼古丁研究组和对照组的GMV差异区。采用SPSS 17.0软件，将组间GMV差异区分别与吸烟年限、日吸烟量及吸烟指数进行Spearman相关分析。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 两组受试者基本资料比较 研究组与对照组受试者基线资料见表1，两组性别、年龄差异无统计学意义（P>0.05），受教育年限差异有统计学意义（P<0.05）。

表1 两组受试者基本资料比较

2.2 影像学分析结果

2.2.1 研究组与对照组 GMV的差异 与对照组相比，研究组受试者位于边缘叶的后扣带回皮层（voxels：382）GMV降低（FWE校正，cluster size>359 voxels，t=-4.43，P<0.05），未发现GMV升高区域。见图1。

图1 两组受试者GMV的差异。与对照组相比，研究组后扣带回皮层GMV减小（蓝色区域），未发现GMV升高区域

2.2.2 灰质差异脑区与吸烟相关资料的相关性GMV 与吸烟指数（r=0.124，P>0.05）、吸烟年限（r=0.056，P>0.05）及日吸烟量（r=0.081，P>0.05）均无显著相关性。

3 讨论

脑结构形态学研究的常用方法包括感兴趣区（ROI）研究和VBM研究。ROI方法主观性较强、费时，且缺乏全面性及重复性，故其应用受到一定的限制；VBM方法由Ashburner等[6]提出，是一种基于全脑的分析技术，并利用计算机进行自动处理，在全脑内对灰、白质的局部密度或体积进行体素对比，定量计算局部灰、白质密度和体积的改变，从而精确显示脑组织形态变化，进而了解脑神经元损伤情况[11]。VBM 在体素水平对全脑高分辨率解剖像进行整体分析，不需要手动设置ROI，客观性、准确性均较高，目前在中枢神经疾病所致的脑结构改变中已广泛使用[12-13]。

吸烟对大脑结构变化的影响，尤其是烟草消费量与脑组织体积或组织局部密度之间的关系受到越来越多的关注[14]。尼古丁依赖是吸烟成瘾严重性一个相对稳定的性状。FTND评分相对客观地从物理角度评估吸烟者对尼古丁的依赖性及成瘾性，也从心理方面测量对吸烟依赖的程度，是评价吸烟相关稳定和可遗传特性的可靠指标，也是吸烟者和不吸烟者间解剖差异的潜在量化指标[15]。此外，由于较少暴露/轻度依赖性吸烟者可能具有中间的大脑表型，将所有吸烟者组合成一个组不易显示差异较小的脑区。既往研究显示，FTND评分≥6分的吸烟者对尼古丁为中重度依赖[16]。故本研究将吸烟组FTND评分≥6分的吸烟者纳入重度尼古丁研究组，以分析重度尼古丁依赖者和不吸烟对照者行为学差异的脑区。

本研究在研究组中发现后扣带回GMV较不吸烟者减小。后扣带回是“边缘叶”的上部，为奖赏环路的一部分，也是大脑内默认模式网络的中心节点，是人类意识的神经基质，在疼痛和情景记忆恢复中发挥重要作用[17]。后扣带回与情绪冲动、情感与记忆相互作用密切相关[18]。因此，重度尼古丁依赖者后扣带回GMV减小影响其对吸烟记忆、吸烟诱惑控制和戒断症状的情绪变化，并导致失去对吸烟的控制，这可能提示在慢性吸烟者中，尼古丁依赖程度较高的吸烟者扣带回损伤与其对吸烟诱惑控制减低和戒断症状的情绪变化更明显及对吸烟的控制能力更弱一致，这也是本研究后扣带回GMV改变的重要原因。本研究发现，后扣带回GMV与吸烟相关资料无明显相关性，提示在重度尼古丁依赖者中，吸烟的累积量对后扣带回 GMV减小的程度影响作用有限，尚不足以引起GMV的明显改变，但结论尚需更大样本研究进一步验证。

本研究的局限性为：①两组受试者的受教育年限匹配性不强；②本研究未包括女性受试者，研究结果可能不适用于女性吸烟群体；③本研究表明重度尼古丁依赖者脑结构较不吸烟对照者存在差异，但不能确定其他因素（如遗传因素）是否也是引起上述脑区差异的内在混杂因素，需要进一步研究。