青少年吸烟者大脑静息态低频振荡振幅异常研究*

薛 婷，陶占龙，唐 俊

（内蒙古科技大学 理学院，内蒙古 包头 014010）

前言

吸烟已成为当今社会最严重的公共卫生问题之一，全世界每年有超过600 万人死于烟草导致的相关疾病[1]。《2018 中国成人烟草调查内容摘要》显示，中国吸烟总人数高达3.08 亿，其中22.2%的吸烟者于18 岁之前开始吸烟（http：//www.chinacdc.cn）。已有研究表明，吸烟行为习惯主要形成于青少年时期，青少年阶段是否吸烟与成年后尼古丁成瘾有着紧密联系；吸烟者初次吸烟的年龄越小，成年后尼古丁成瘾的可能性越大[2-3]。由此，针对青少年阶段吸烟展开研究，对于理解尼古丁成瘾的神经机制及制定控烟政策具有指示意义。大脑神经元在静息状态下存在自发活动[4]，静息态功能磁共振（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）信号中的低频振荡振幅（amplitude of low-frequency fluctuation，ALFF）能够反映神经元的活动强度。基于此，本研究拟采用ALFF 方法考察青少年吸烟者静息状态下大脑的局部神经活动异常，以期为烟瘾成瘾的神经机制提供科学依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

本研究得到内蒙古科技大学包头医学院第一附属医院医学伦理委员会的批准与监督，实验流程符合赫尔辛基宣言伦理学准则。参加本研究的所有被试均为在校大学学生。在详细了解实验过程后，所有被试及其监护人签署知情同意书。

青少年吸烟被试的选取依据《美国精神疾病诊断与统计手册》（第五版）尼古丁依赖诊断标准，主要纳入标准为：（1）吸烟者吸烟行为持续两年以上，且每天吸烟根数大于等于 10 根；（2）过去 6 个月内无戒烟行为；（3）无其他药物滥用史。非吸烟对照组的纳入标准为：（1）吸烟总数不超过5 根；（2）所在宿舍及家人无人吸烟。所有被试均符合以下标准：（1）无脑肿瘤等脑器质性疾病；（2）无其他药物滥用史；（3）无精神疾病史；（4）无磁共振扫描禁忌症（如带有心脏起搏器等）。共有19 名青少年吸烟者及25 名健康非吸烟者符合筛选条件，详细的人口统计学信息见表1。所有被试均为男性，且均为右利手。所有被试在静息态扫描前进行了常规MR 检查，均未发现脑组织病变。

表1 青年被试人口统计学数据

1.2 数据采集

实验采用飞利浦公司3.0T 磁共振扫描仪，用泡沫垫固定头部，以减少被试头动，同时使用耳塞以尽可能降低噪音。静息态功能磁共振成像采用梯度回波-平面回波成像（gradient echo-echo planar imaging，GRE-EPI）序列扫描，扫描参数为：TR 2 秒，TE 30 毫秒，矩阵 64×64，FOV 220 毫米，翻转角90 度，扫描时间6 分钟。扫描过程中要求所有被试保持全身不动且统一保持闭眼状态[5]。

1.3 数据处理

采用rs-fMRI 数据处理助手（DPARSF）软件进行数据预处理，具体包括：（1）剔除扫描序列的前10 个时间点数据，以消除纵向磁化弛豫不稳定带来的影响；（2）时间层校正，使不同时间点采集的数据校正到同一时间点；（3）头动校正，以减少由被试头动所致的运动残差。在此过程中，剔除所有水平头动＞2mm 及旋转头动＞2°的被试数据。本实验所有被试数据均符合标准；（4）空间标准化，将所有图像配准到EPI 标准模板，以从空间上对齐所有图像，并将图像体素重切为 3mm×3mm×3mm；（5）空间平滑，采用4mm 半高全宽（full width at half maximum，FWHM）的高斯核滤波器对图像进行空间平滑以提高图像信噪比；（6）去线性漂移及0.01-0.08Hz 带通滤波，以消除呼吸心跳等生理性低频噪音及磁共振机器自身的高频噪音。

静息态的ALFF 分析采用DPARSF 软件进行计算。具体步骤如下：（1）对每个体素的时间序列进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号以得到功率谱；（2）对功率谱进行开方运算，得到信号的振荡幅度；（3）计算0.01-0.08Hz 内每个体素的功率谱平均值：（4）对全脑所有体素的功率谱平均值进行标准化，即得到ALFF 值。

1.4 统计分析

采用SPM 软件对青少年吸烟组及非吸烟组的ALFF数据进行双样本t 检验，将经过FWE（family wise error）校正得到连续体素＞40 个体素、P＜0.05 的脑区定义为有统计学差异的区域。

2 结果

较健康非吸烟组，青少年吸烟组的枕叶（Occipital Lobe）、颞上回（Superior Temporal Gyrus，STG）及额中回（Middle Frontal Gyrus，MFG）区域的ALFF 值显著增加;而在颞下回（Inferior Temporal Gyrus，ITG）及额叶肠回（Rectal Gyrus）的 ALFF 值显著降低（FWE 校正，P＜0.05）（图1）。

图1 青少年吸烟组和非吸烟组ALFF 差异脑区

3 讨论

青少年阶段是成年烟瘾成瘾的重要发展阶段，已有研究结果发现青少年吸烟者的大脑神经元活动出现异常[6]。本研究采用低频振荡振幅方法检测青少年吸烟者大脑局部神经元活动异常。结果表明，青少年吸烟组较非吸烟组静息状态下大脑局部神经元活动强度出现异常，主要表现为枕叶（Occipital Lobe）、颞上回（Superior Temporal Gyrus，STG）、额中回（Middle Frontal Gyrus，MFG）活动强度的增加及颞下回（Inferior Temporal Gyrus，ITG）及额叶肠回（Rectal Gyrus）的活动强度降低。

对尼古丁成瘾者大脑结构的研究发现，长期吸烟可导致额叶、颞叶及枕叶的灰质体积及密度发生改变[7-9]。进一步的戒断研究表明，尼古丁成瘾者能否持续戒断与这三个脑区的灰质体积密切相关[10-11]。基于弥散张量成像技术的研究则发现长期吸烟可影响脑白质的完整性，如导致双侧额叶区的FA 值升高等[10]。基于局部一致性（regional homogeneity，ReHo）方法的rs-fMRI 研究亦发现吸烟者的前额叶区域的ReHo 值显著降低[12-14]、左侧颞上回的ReHO 显著增加[15]。一项针对成年尼古丁成瘾者的研究发现，尼古丁成瘾者的ALFF 值在颞下回、枕叶脑区降低，并且降低的ALFF 值与吸烟的年限显著相关[16]。颞叶主要参与记忆和情感相关的神经活动[17]，额叶则是中脑-边缘系统-多巴胺神经环路的重要节点，参与多种高级认知活动，如执行功能、情绪加工、决策等[18]，对烟瘾的有效抑制控制依赖于上述功能的协同工作来实现。大量研究表明，吸烟可导致额叶区域的大脑结构和功能发生变化，进而影响决策行为[19-20]。本研究发现的额叶区域ALFF 值异常变化进一步验证了该区域在尼古丁成瘾神经机制的重要作用。

综上，青少年吸烟行为与成年后尼古丁成瘾密切相关，研究吸烟行为对青少年大脑功能的影响有助于有效制定尼古丁成瘾预防手段。借助于低频振荡振幅方法，本研究揭示了青少年烟瘾者的静息态脑功能神经元局部活动强度在额叶、颞叶及枕叶区域发生变化。本实验为探讨尼古丁成瘾的神经机制提供了影像学资料。