BOLD-fMRI基于体素镜像同伦连接方法分析高原缺氧对高原正常人群脑功能的影响

吴海松，刘海鹏，银 武，沈 亚

（1.西藏阜康医院放射科，西藏 拉萨 850000；2.西藏自治区人民医院放射科，西藏 拉萨 850000）

近年来，由于高原经济迅速发展，越来越多的人来高原定居、工作或旅游，因此高原特殊环境对人体的影响也越来越受到关注。随着神经影像学研究技术的进步，越来越多的神经及影像学学者开始研究高原环境对大脑功能和结构的影响，以及大脑对高原环境的适应性改变。本研究利用静息态fMRI分析高原藏族和初入高原汉族基于体素的镜像同伦连接（voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC）之间的差异，探讨高原缺氧对大脑功能连接的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集世居高原健康藏族大一理科生（实验组）及年龄、性别、受教育年限、海拔高度及利手情况相匹配的初入高原2个月内健康大一汉族理科志愿者（对照组）各30例，均行全脑常规MRI平扫+DWI扫描，除实验组1例有多发慢性缺血灶及对照组1例头动较大无法配合检查排外，余受试者颅脑均未发现器质性病变及先天发育异常。实验组：男17例，女12例，平均年龄（18.88±0.99）岁，平均居住海拔（3 695.00±69.91）m，平均受教育年限13年，均为右利手，简易智力状态检查量表（minimental state examination，MMSE）评分（27.63±1.30）分；对照组：男18例，女11例，平均年龄（18.92±1.06）岁，平均居住海拔（3 670.00±51.86）m，平均受教育年限13年，均为右利手，MMSE评分（28.37±1.16）分。2组年龄、海拔高度、MMSE评分之间差异均无统计学意义（P=0.90，0.134，0.15）。

1.2 仪器与方法

1.2.1 设备 采用Siemens Magnetom Skyra 3.0 T MRI扫描机和标准20通道头颈联合线圈。

1.2.2 常规颅脑扫描 首先排除MRI检查禁忌证者。2组均行常规头颅MRI平扫，获取轴位T1WI、T2WI、FLAIR及矢状位T2WI序列图像，由2名影像诊断医师对图像进行诊断，未发现明显脑白质病变者纳入研究。

1.2.3 脑功能扫描 ①采用超快速场回波（TFE）序列获得3D-T1WI结构像，扫描参数：TR/TE 1 900 ms/2.27 ms，激发角度7°，层厚、层距均为1 mm，FOV 250 mm×250 mm，连续获取196层矢状位图像覆盖全脑，扫描时间为5 min 26 s。②静息态BOLD-fMRI像：采用单次激发平面回波成像（echo planna imaging，EPI）序列，扫描参数：TR/TE 3 000 ms/30 ms，翻转角90°，层厚3.0 mm，层距0.4 mm，层数39层，FOV 220 mm×220 mm，连续扫描180个动态，扫描时间9 min 11 s。数据采集过程中，受试者尽量放松、保持不动、睁眼、平静呼吸、大脑不做特定的思维活动等。

1.2.4 数据处理BOLD-fMRI及3D-T1WI结构像的数据处理使用基于MATLAB软件平台（https：//www.mathworks.com/products），工具包是由中国科学院心理研究所严超赣研究员开发的脑影像数据处理与分析平台（toolbox for Data Processing &Analysis of Brain Imaging，DPABI）。首先利用DPABI软件中Utilities-dicom sorter对BOLD-fMRI原始数据进行整理。磁场达到稳定需要一定的时间，因此首先去除每个受试者前10个时间点，后应用DPABI软件进行数据的预处理、统计分析及结果显示。预处理包括：时间层校正、头动矫正、空间标准化、高斯平滑处理、去除线性漂移及低频滤波。

1.3 统计学分析 采用DPABI软件中Statistical Analysis行基于体素的双样本t检验，将灰质体积、头动、性别、年龄作为协变量，采用TFCE（Threshol-Free Cluster Enhancement）行多重比较校正，随机5 000次。提取VMHC值与MMSE评分，使用SPSS 17.0统计软件行相关性分析。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2组VMHC有明显差异的脑区 静息态下对照组相对于实验组脑半球间VMHC呈局部对称性增强，主要分布在双侧岛盖部额下回、三角部额下回，表明额部脑区两侧功能连接增强，差异有统计学意义（P＜0.001，Cluster＞5，TFCE校正）（表1，图1）。

2.2 2组VMHC值与认知功能MMSE评分的相关性分析2组VMCH值与认知功能MMSE评分无相关性（r=0.04，0.29；均P＞0.05）。

3 讨论

大脑是目前所知的最完善、动态变化最复杂的系统，是中枢神经系统中最复杂的结构，也是意识、语言、学习、精神及记忆等各种高级神经活动的物质基础，具有运动、感觉、语言、情绪、执行等功能。fMRI是一种新型高效的无辐射、非介入性损伤的成像技术，现已广泛应用于脑功能的研究［1］。近年来，静息态fMRI日益受到脑科学、认知心理学、生命科学及神经影像学等学者的广泛关注，现已成为神经心理学和神经影像学相关疾病的基础与临床研究的重要手段。

大脑是身体的控制中心，且大脑皮层解剖具有可塑性，可在结构和功能上进行适应性改变，在高原低氧环境下，心血管和呼吸系统的适应及非适应性改变通过传入神经反馈作用于大脑的控制中心，可引起相应脑区结构和功能的改变［2-3］。近年来，随着高原经济的迅速发展，很多学者把焦点放在缺氧对大脑功能和结构影响的研究上。最初研究［4］发现，将机体暴露在4 700 m以上的环境中能引起大脑行为学的一些变化。高原低压、低氧的独特环境可对中枢神经系统造成不同程度的影响，可引起甚至加重认知功能的障碍，而情感、学习、记忆又是认知功能的一部分，所以认知功能可直接决定并影响着高原居民的生活质量。对适应高海拔生活2年的人脑研究［5］发现，右侧海马旁回灰质体积较低海拔人群增加，另有研究［2］发现，海马旁回的局部一致性升高，可能与海马旁回神经细胞代偿增生有关。

本研究发现，静息状态下高原正常对照组和实验组相比两大脑半球间VMHC呈局部对称增强。VMHC改变的脑区主要包括双侧岛盖部额下回及三角部额下回，汉族相对于藏族该脑区的功能连接增强可能是初入高原汉族学习、记忆力下降后的一种延缓损伤的代偿机制，可能与对高原缺氧环境的适应性调节有关。前额叶皮层还参与交感神经、心率和血压的调节［6］，平原居民初入高原时由于低氧暴露会引起交感神经兴奋，心率加快，血压升高，而长期居住于高原的居民收缩压和舒张压均低于平原居民、且血流动力学也较平原居民反应延迟，可能为高原居民长期低氧暴露下进行的适应性调节［7-9］，而额叶的VMHC增强可能与该机制有关。

MMSE是根据张明园修订的简易智力状态检查改编，它可全面、准确、迅速地反映被试者智力状态及认知功能缺损状态。本研究表明，VMCH值与MMSE评分无相关性。

本研究不足之处：样本量较小，未设计严谨的神经心理学测试，对研究结果的解释主要依赖于其他学者的研究。今后将继续扩大样本量，加入心理学的测试及更多的静息态脑功能指标的分析。