脑老化对大脑皮质语言区偏侧性影响的MRI研究

夏新建 ，王 辉，汤煜春，林祥涛，张忠和，孙 博，于乔文，刘树伟，王锡明，侯中煜

（1.山东大学附属省立医院 山东第一医科大学附属省立医院医学影像科，山东 济南 250021；2.山东省寿光市人民医院CT磁共振室，山东 寿光 262700；3.山东大学断层影像解剖学研究中心，山东 济南 250021；4.山东省医学影像学研究所，山东 济南 250021）

额中回、额下回岛盖部、额下回三角部、中央前回、角回、颞上回是公认的语言相关脑区［1］。大脑半球的结构性不对称在皮质上的表现尤为明显，可在多个空间尺度上发现（如细胞结构、皮质形态、2个半球内的结构网络）。研究［2-4］表明，大脑前额叶皮质及中央前回皮质厚度与年龄呈明显负相关。在人脑的结构和功能发育、成熟、老化过程中，半球不对称性会发生变化。虽然其机制尚未完全明确，但越来越多的证据表明，区域半球不对称性在生命周期中存在动态变化［5］。

本研究应用MRI图像和计算机三维可视化及图像分析技术，通过对不同年龄段活体健康成年人大脑语言区皮质体积、厚度及表面积的精确计算与统计分析，揭示脑老化过程中大脑语言区皮质偏侧性的动态变化，现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2017年12月至2018年12月招募右利手、汉族、18岁及以上的健康志愿者286例，分为青年组（18～40岁）、中年组（41～60岁）、老年组（＞60岁）3个组，其中青年组72例，男38例，女34例，平均年龄（31.57±1.43）岁；中年组128例，男58例，女70例，平均年龄（50.76±0.71）岁；老年组86例，男49例，女37例，平均年龄（67.88±1.22）岁。本研究经山东省立医院伦理委员会批准。

1.2 入组及排除标准

1.2.1 入组标准 ①智力正常，认知功能评分采用简易智力状态检查量表（MMSE）评价，评分均＞27分；②常规头颅MRI扫描未见明显阳性病灶，FLAIR呈少量高信号但变性灶微小且数量≤5个，分布不集中；③均为右利手，且提供书面知情同意。

1.2.2 排除标准 ①有脑外伤、药物滥用或癫痫发作等病史；②有神经障碍、精神疾病、学习障碍或发育迟缓等病史；③有高血压、糖尿病等病史。

1.3 仪器与方法 采用Siemens 3.0 T MRI（MAGNETOM Verio）对所有志愿者进行扫描，获取3D-T1数据。扫描参数：TR 2 300.0 ms，TE 2.27 ms；层厚1 mm；体素1 mm×1 mm×1 mm；扫描层数共192层；扫描时间约6 min。

1.4 数据获取 应用Free Surfer软件（http：//www.freesurfer.net/），在计算机脑XP系统环境下运行，采用Destrieux模板［6］对大脑皮质进行分区分析（图1），分别获取大脑皮质和语言区的体积、厚度及表面积的具体数值。

图1 大脑皮质语言相关脑区位置的定位示意图（L，左面观；R，右面观）

侧化指数（asymmetry index，AI）可用于描述大脑结构的侧化程度：正值说明左侧化（即左侧大于右侧）；负值说明右侧化（即右侧大于左侧）；侧化程度用AI绝对值大小表示。其计算公式为：AI=（左侧测量参数-右侧测量参数）/［0.5×（左侧测量参数+右侧测量参数）］。

1.5 统计学分析 采用SPSS 17.0软件进行统计学分析。采用二分类Logistic回归分析，探讨大脑语言区皮质体积、厚度、表面积与年龄的相关性。应用配对样本双尾t检验对大脑语言区皮质体积、厚度、表面积的侧化性差异进行分析。以P＜0.05为差异有统计学意义，并利用Matlab 2014软件制作脑图。由审计科的专业统计人员负责数据的输入、查对和统计分析。

2 结果

2.1 大脑语言区皮质体积、厚度及表面积与年龄的相关性（表1） 大脑左右半球各个ROI的皮质体积、厚度及表面积与年龄均呈负相关；随着年龄增长，不同脑区皮质体积、厚度及表面积不同程度减少（均P＜0.05）。

表1 大脑语言区皮质体积、厚度及表面积与年龄的相关性

2.2 大脑语言区皮质体积、厚度及表面积的偏侧性（表2） 脑语言区皮质同一形态学指标在不同年龄组的偏侧区域数量不同，出现保留、增加、消失的现象；同一年龄组不同皮质形态学指标偏侧脑区数量不同，皮质体积及表面积偏侧区域数量较皮质厚度多；3个皮质形态学指标中均存在部分脑区的偏侧性持续出现在3个年龄组，但其偏侧程度（AI）并不相同；3个年龄组的语言区皮质厚度右侧化区域明显较左侧化区域多（图2）。

表2 青年组、中年组及老年组ROI脑区皮质体积、厚度及表面积的偏侧性

图2 大脑语言区皮质体积、厚度及表面积的偏侧性差异图，颜色代表相应脑区体积、厚度及表面积的大小，双侧对应脑区颜色不同表示存在偏侧性差异图2a 青年组图2b 中年组图2c 老年组

3 讨论

研究［7-8］发现，语言区皮质体积、厚度及表面积随年龄增长而不同程度减小。本研究结果与其一致，且支持“后进先出”的假设，即最后一个成熟和发展的脑区成为第一个受老化影响的脑区，也被称为“系统/个体发育进化模型”［8］。皮质形态学3个指标中，大脑语言区皮质表面积与年龄的相关程度小于皮质体积及厚度，说明在研究大脑皮质年龄相关性的变化方面，皮质表面积的敏感性可能比皮质体积及厚度差。随着年龄增长，大脑语言相关区域皮质出现形态变化，表面积的测量可能不如体积及厚度的测量敏感。

已有研究［9-10］发现，特定区域皮质的偏侧性随年龄变化而变化。本研究在语言相关的脑区上得到了相似结论：不同年龄段语言相关脑区偏侧区域数量不同；同一年龄组皮质体积及表面积偏侧区域数量较皮质厚度多；不同年龄段语言相关脑区的偏侧程度（AI）不同；同一年龄组脑区皮质体积及表面积偏侧区域数量较皮质厚度多。语言区皮质体积、厚度及表面积偏侧性保留、增加、减少，提示大脑在正常衰老过程中可能存在代偿机制以应对认知功能的损伤。本研究表明，随年龄增长，大脑偏侧性不同形态学指标呈现不同模式的动态变化，而不是一致地下降。这可能与样本量、性别组成、行为、环境、分组等有关。而隆晓菁等［11］研究显示，随年龄增长，大脑偏侧性出现了以顶叶、枕叶为主的下降。

本研究中，大脑语言相关脑区皮质体积及表面积偏侧区域范围比皮质厚度多，与KOELKEBECK等［12］研究相似。虽然上述研究未提供体积及表面积广泛不对称的解释，但假设了一个重要的因素：区域结构偏侧性与主体变异程度呈正相关，体积及表面积变异系数显著大于厚度。因此，体积和表面积的变异性增加，可片面地解释这种大脑皮质形态学指标的广泛不对称性。在3个年龄段中左右半球语言区域皮质体积、厚度及表面积的变异性（平均值±标准差）和偏侧程度（AI的绝对值）呈正相关，与OLEKSIAK等［13］的观点相同，即受限制大的大脑区域，大脑不可能独立发展，从而减少了不对称性。

本研究从各ROI来看，3个年龄段的语言区皮质厚度右侧化的区域明显比左侧化的区域多，皮质厚度明显的右侧化，表明左半球语言网络的核心区域皮质更薄。这种结构模式可能是由于左半球皮质下白质的膨胀延伸，从而使大脑皮质延伸、扩展、变薄［14］。本研究结果与左智炜等［15］的结果相似。此外，左智炜等［15］的研究还表明，皮质厚度和表面面积相互独立，皮质体积的不对称主要由皮质表面面积的不对称决定。既往研究［16-17］对灰质厚度相关因素的分析不同，有研究［16］显示皮质厚度与灰质体积存在明显相关性，而另有研究［17］则显示灰质厚度与灰质密度相关。皮质厚度侧化性的影响因素有利手性［18-19］、某些疾病（如精神分裂症）［20］等。

较多学者［21-22］普遍认为皮质表面积、厚度和折叠度可相互独立，且其遗传基础和发展轨迹也不相同。理解大脑偏侧性的结构基础，需探索每个度量的偏侧性，以及各种侧化指数如何相互关联。

综上所述，大脑语言区皮质体积、厚度及表面积与年龄呈线性负相关性，且皮质体积、厚度及表面积这3个形态学指标是相互关联的。语言区皮质结构是不对称的，其偏侧性随年龄变化而呈动态改变。本研究局限性在于：①样本量相对较小，年龄分组跨度大，易存在抽样误差；②受样本量限制，未根据性别分组，严谨性有待进一步提高；③Free Surfer软件测量体积、厚度及表面积的方法虽然得到了很好应用，但可能无法检测出空间上更多样化的脑区。