基于静息态功能磁共振尼古丁依赖者小脑-皮层间功能连接的研究

张孟哲，高昕宇，杨镇圭，黄荟玉，文萌萌，汪卫建，程敬亮，张勇，许珂

烟草危害仍然是当今世界面临的一个巨大的公共卫生问题。尼古丁依赖(nicotine dependence,ND)是一种慢性、反复发作的精神障碍，其特征是强迫性吸烟。且越来越多的证据表明吸烟会损害中枢神经系统导致认知能力下降[1]。先前的研究表明，ND的神经基础主要与由前额叶皮层、岛叶和纹状体组成的多巴胺能神经回路有关[1]。但这些研究只对大脑区域进行分析，对小脑的研究较少。虽然传统上认为小脑在协调运动、保持姿势和平衡方面很重要，但越来越多的证据表明，小脑在许多其他功能中也发挥着作用，包括调节认知和情绪、注意力处理和决策[2]，这些都在成瘾机制中至关重要。小脑在解剖结构上被分为28个亚区(包括18个叶和小脑蚓部I～X)[3]，这些区域在解剖和功能上与大脑的7个主要脑网络相连[4]。此外，小脑有多种烟碱乙酰胆碱受体(nAChR)亚型，包括α7和α4β2亚型[5]。尼古丁的毒性作用可导致小脑细胞损伤，特别是浦肯野细胞和颗粒细胞[2,6]。Shen等[7]和Peng等[8]都发现，与健康对照者相比，吸烟者在小脑CrusⅠ灰质体积显著减小。因此，该研究选择双侧小脑CrusⅠ为感兴趣区(region of interest，ROI)，利用静息态功能磁共振成像技术，探究尼古丁依赖者小脑-皮层间功能连接(functional connectivity，FC)的异常，扩展了先前主要关注大脑结构和功能改变的发现。

1 材料与方法

1.1 研究对象

本研究通过微信等网络平台共招募169例受试者，其中尼古丁依赖者117例，健康对照52例。尼古丁依赖组的入组标准符合美国精神障碍诊断统计手册第5版(the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders V,DSM-V)关于物质依赖的诊断标准[9]，每日吸烟量不低于10根，烟龄不少于2年。尼古丁依赖组排除标准：(1)有其他物质(酒精、药物、毒品)成瘾或行为(赌博、网游、手机)的成瘾史；(2)脑器质性病变(如肿瘤、脑梗死等)或严重躯体疾病；(3)其他精神障碍者(如抑郁，精神分裂症等)；(4)2周内有服用苯二氮卓类药物者或接受过抗精神疾病药物治疗的患者；(5)由于肥胖与吸烟存在交互作用[10]，排除了体质量指数(body mass index,BMI)＞30的肥胖者。对照组纳入标准：(1)年龄、受教育年限等与尼古丁依赖组相匹配；(2)一生中吸烟少于20支且过去一年里未吸烟[11]。所有受试者均为成年男性，年龄为20～55岁，右利手，无磁共振检查禁忌。之后采用问卷形式对相关临床信息和吸烟相关信息进行采集，获得信息仅供科研使用。本研究经过郑州大学第一附属医院医学伦理委员会批准(批准文号：科研-2014-LW-75)，受试者均已签署知情同意书。

1.2 磁共振检查方法

1.2.1 检查设备

采用3.0 T西门子扫描仪Skyra和配套的16通道头部专用线圈进行数据采集。

1.2.2 数据采集

扫描前，向受试者说明本次MRI扫描注意事项。扫描时被试者平卧闭眼、保持平静放松清醒状态，用检查专用耳塞保护被试者听力及海绵垫固定头部以最大程度减少扫描期间头部运动。采用头先进，双眉中心连线定位法。图像采集过程中不添加任何外界刺激。本次研究磁共振数据采集包括常规磁共振图像和静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)图像采集。常规磁共振图像即临床诊断疾病常用序列，包含轴位和矢状位T1WI图像、轴位T2WI、T2 FLAIR及扩散加权成像(diffusion weighted imaging，DWI)(b=0、1000 s/mm2)图像。T1WI用于定位，参数：重复时间(repetition time，TR)380 ms，回波时间(echo time，TE)2.5 ms；轴位T2WI序列扫描筛查病变，参数：TR 3800 ms，TE 93 ms，层间距1 mm，层厚5 mm，视野(field of view，FOV)240 mm×240 mm，层数20。快速自旋回波(flash 2D，FL2D)序列扫描获得矢状位T1WI图像，TR 380 ms，TE 2.5 ms。先行常规MRI扫描目的：首先为使被试适应扫描环境，以尽可能达到静息态扫描状态的要求，其次是排除被试者尚未察觉的颅内器质性病变，以严格遵守入组标准。静息态图像数据为BOLD序列，参数为TR 2000 ms，TE 30 ms；翻转角80°；层厚3.0 mm；层数32层；矩阵64×64；体素大小为3 mm×3 mm×3 mm；共获取180个时间点的功能数据即5760幅数据图像。

1.2.3 磁共振图像数据预处理

采用基于矩阵实验室MATLAB运行的DPARSF软件进行数据预处理，剔除前5个时间点的图像以保证BOLD信号的稳定性。DPARSF软件预处理包括：格式转换(DICOM转为NIFTI)、时间校正、头动校正(剔除头动平移＞2.5 mm和旋转＞2.5°的被检者数据)、空间标准化。进行去线性漂移和带通滤波(0.01～0.08 Hz)去除低高频噪声。为了去除任何运动和其他非神经元因素的残留影响，将头动、白质和脑脊液信号作为协变量回归。考虑到头部微动作可能产生伪信号变化，应用Scrubbing method进一步消除头动影响。

1.2.4 基于种子点的功能连接分析

本研究基于前人研究，选取双侧CrusⅠ为ROI，其蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空间坐标为：左侧-45、-56、-33；右侧18、-76、-34[7]。以选取的CrusⅠ MNI坐标为球心，构建半径为3 mm的小球，分别计算双侧CrusⅠ与大脑区域之间功能连接。通过Z转换得到双侧CrusⅠ和大脑区域的功能连接图。最后用6 mm平滑核进行全宽半高高斯平滑。

1.3 统计学方法

数据统计应用SPM 8和SPSS 21.0软件，计量资料用±s表示。使用两独立样本t检验，根据吸烟与否将被试者分为尼古丁依赖组和对照组，然后以年龄、受教育程度、预处理时生成的头动帧位移参数(fame-wise displacement，FD)作为协变量，并以脑灰质模板作为感兴趣区进行两组间独立样本t检验，最后用DPABI中的viewer组件选GRF校正，体素水平P＜0.005和团块水平P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 受试者基本临床信息

本研究被试者均为成年男性、汉族、右利手，其中尼古丁依赖组117例，健康对照组52名。尼古丁依赖组和对照组间年龄、受教育程度均差异无统计学意义(P值均大于0.05；表1)。尼古丁依赖组基本信息：年龄(36.32±8.37)岁，教育年限(14.35±2.48)年，初始吸烟年龄(19.50±3.18)岁，烟龄为(17.18±7.88)岁；每日吸烟(19.61±9.16)支；吸烟指数[12](17.57±12.57)包年[吸烟指数即pack-year，是尼古丁依赖程度相关指标，计算公式为(每天吸烟数量×吸烟年数)/20，1包=20支香烟]；尼古丁依赖检验量表(Fagerstrom test of Nicotine Dependence，FTND)。健康对照组基本信息：年龄(33.86±7.46)岁，教育年限(15.02±2.53)年。

表1 尼古丁依赖组和对照组间基本临床信息表(±s)Tab.1 Characteristics of smokers and non-smokers(±s)

表1 尼古丁依赖组和对照组间基本临床信息表(±s)Tab.1 Characteristics of smokers and non-smokers(±s)

注：pack-year：吸烟指数；FTND：尼古丁依赖检验量表。

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2.2 基于种子点功能连接的组间差异

以左侧CrusⅠ(-45、-56、-33)为感兴趣区，与健康对照组相比，尼古丁依赖组左侧CrusⅠ与双侧楔前叶、双侧中央后回、双侧中央旁小叶、右侧顶上小叶及右侧辅助运动区(supplementary motor area；SMA)的FC升高(图1；表2)，未发现FC减弱的脑区。以右侧CrusⅠ(18、-76、-34)为感兴趣区，尼古丁依赖组与健康对照组相比无显著差异。

表2 尼古丁依赖组和对照组基于种子点功能连接差异Tab.2 Seed-based FC abnormalities between ND and HC

图1 尼古丁依赖组和对照组基于种子点功能连接差异。种子点，左侧CrusⅠ(-45、-56、-33)。A：右侧顶上小叶；B：双侧中央旁小叶；C：双侧楔前叶，右侧辅助运动区；D：左侧中央后回Fig.1 Seed-based FC Abnormalities between ND and HC.Seed,LeftCrusⅠ(-45,-56,-33).A:Right superior parietal lobule.B:Bilateral paracentral lobule.C:Bilateral precuneus,Right SMA.D:Left postcentral gyrus.

3 讨论

本研究利用静息态功能磁共振成像技术，采用功能连接分析方法探究了尼古丁依赖者双侧小脑CrusⅠ和其他脑区间的功能连接较健康对照者之间的差异。研究发现，与健康对照者相比，吸烟者的左侧CrusⅠ和涉及默认模式网络(default mode network；DMN)的大脑区域(如双侧楔前叶)之间的FC显著增高；吸烟者还显示左侧CrusⅠ和与运动协调和感觉相关的大脑区域(如中央旁小叶、SMA、中央后回)之间的FC显著升高。这些发现有助于了解吸烟者的小脑异常及其与大脑皮层的联系，强调了小脑在尼古丁依赖机制的作用，对先前主要关注大脑结构和功能改变的研究进行了扩展和补充。

越来越多证据表明，小脑在调节认知和情绪、注意力处理和决策方面发挥着作用，这些都在成瘾机制中至关重要[2]。因此，小脑被认为是成瘾回路中的一部分。CrusⅠ位于小脑后叶，对认知功能有重要作用。CrusⅠ在解剖和功能上与大脑皮层的前额叶、颞叶和顶叶区域相连[4]。本组的静息态FC数据表明，CrusⅠ在功能上与涉及DMN的大脑区域(双侧楔前叶)相连。楔前叶是构成DMN的重要脑区之一，负责注意力与记忆和知觉的信息整合。Huang等[13]研究发现吸烟者在戒断状态下，前扣带回皮质(anterior cingular cortex，ACC)与楔前叶之间功能连接较不吸烟者增加。与满足状态相比，戒断时吸烟者ACC与楔前叶之间功能连接增加。Wang等[14]研究发现相对于戒断者，复吸者左侧丘脑-楔前叶FC降低，且可以用来预测吸烟复发，准确率为75.7%。DMN涉及自我参照的心理活动、情绪加工和先前经验的回忆等[15]。一项基于任务的磁共振研究表明，当吸烟提示存在时，吸烟者必须使用更多的注意力来专注于标准的认知任务，这种注意偏差与DMN有关[16]。因此，DMN被认为在吸烟中起重要的作用，特别是在戒断症状中：渴望和难以集中注意力。本组结果显示吸烟者左侧CrusⅠ和DMN之间的FC较对照者有显著差异，表明CrusⅠ可能参与了DMN的自发性大脑活动，而两者FC的增加可能与尼古丁依赖者DMN异常激活和与其他大脑区域的整合紊乱有关[17]。

相比之下，在成瘾的神经生物学和认知相关研究中，感觉和运动过程的作用似乎被忽视了，尽管它们可能与成瘾的发展和维持高度相关[18]。笔者观察到，与健康对照组相比，尼古丁依赖组左侧CrusⅠ与旁中央小叶、SMA、中央后回、顶上小叶之间的FC增加。旁中央小叶和SMA参与运动协调。SMA可能是反应抑制任务中自愿行为调节不良的结构基础，并且SMA与行为冲动有关[19]。一些研究表明，成瘾的运动过程一方面与运动敏感有关，即反复给药后运动激活增加；另一方面是自动化的运动技能，这可能在成瘾中发挥重要作用[18]。这些与药物相关的运动技能可能与人类在成瘾过程中通过强化和有规律的练习有关。此外，许多基于线索反应的研究发现，与中性线索相比，成瘾者的SMA、小脑、运动皮层对药物相关线索反应表现为优先激活[20]。此外，中央后回是躯体感觉中枢，顶上小叶参与了感觉和运动信号的整合[18]，将感觉与运动联系在一起。根据这些发现，CrusⅠ与主运动和感觉功能的脑区之间FC的增加暗示了CrusⅠ可能参与了自动的吸烟行为。

本研究有以下几点局限性：(1)研究表明吸烟者脑功能、结构的变化具有性别、种族差异[21-23]，本研究中招募对象均为汉族男性，而女性及其他种族吸烟者未纳入研究，因此研究结果不具有人群普适性；(2)本研究为病例对照的横断面研究，无法准确判断吸烟和小脑-皮层间功能连接改变的因果关系。

本研究结果表明，与健康对照者相比，吸烟者左侧小脑CrusⅠ与DMN、运动协调和感觉相关的脑区之间的FC显著增高，这说明小脑参与了尼古丁依赖的神经生物学机制并发挥了作用，在一定程度上解释了尼古丁依赖者自动吸烟行为和认知、注意的缺陷。总之，我们的研究扩展了先前主要关注大脑结构和功能改变的发现，强调了小脑的非运动功能。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。