基于脑磁图的自闭症谱系障碍早期筛查和诊断指标

谢点，孔令志

作者单位：北京语言大学语言康复学院 北京 100083

1 相关术语简介

1.1 自闭症谱系障碍

自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder，ASD）是一组以语言交流障碍和行为异常为特征的神经发育障碍性疾病。包括儿童自闭症（autism）、阿斯伯格综合征（asperger syndrome，AS）、儿童瓦解性精神障碍（disintegrative disorder）以及未分类的广泛性发育障碍（not otherwise specified pervasive developmental disability，PDD-NOS）[1]。其中儿童自闭症和阿斯伯格综合征最为常见。根据美国精神障碍诊断和统计手册第五版（diagnostic and statistical manual of mental disorders，DSM-5），其诊断标准为社会交往障碍，重复刻板的行为和狭隘的兴趣两大部分[1]。

1943年，美国儿童精神病医生Leo Kanner首次提出“自闭症（autism）”这一概念[2]。近年来，ASD的患病率呈逐年上升趋势。美国疾病控制与预防中心2014年公布的数据显示，美国8岁以下儿童的发病率已达到1/68[3]，国内暂无全国性普及调查数据。ASD给个人、家庭及社会都带来了沉重的负担。

目前ASD的诊断仍然是基于行为特征，暂无可用于临床的脑成像标志物。但由于以下原因，仅凭行为特征对ASD进行诊断是较为困难的。①ASD往往起病隐匿。回顾性行为学研究和生物学证据均表明，对于大多数确诊的ASD儿童来说，1岁以前就会表现出问题，而平均诊断年龄通常大于3岁[4]。典型发育的儿童也会在语言和社交行为上表现出轻微的延迟，而有ASD风险的儿童在早期也可能表现出一定的语言和社交能力。②其临床症状具有高度的异质性。首先，症状出现的时间具有多样性，可能是1岁前也可能是1岁后；其次，在症状具有渐进性的同时，还有一部分儿童会出现能力倒退现象，即失去先前已经掌握的技能。另外，症状的异质性还体现在虽然他们都有社交相关缺陷、刻板的行为和狭隘的兴趣，但是程度和性质却大不相同。例如，部分ASD儿童是有口语表达的，只是不会以具有社会意义的方式使用语言，而另外一部分ASD儿童完全没有口语；部分儿童表现出频繁的重复刻板行为，而另一些儿童行为异常的症状很轻。③ASD儿童还有可能伴随一系列其他的并发障碍。例如，30%ASD儿童伴有智低下[5]、1%～2%患有脆性X染色体综合征[6]等。故仅凭行为表现对ASD进行早期识别诊断，容易出现漏诊、误诊等情况，从而错失最佳治疗时机。

对于ASD儿童的早期识别和诊断是至关重要的。及时的行为或教育干预，可以改善预后，尤其是儿童的认知、同伴互动和语言发展[7]；特定的诊断和治疗可以更好地帮助家庭应对，无法确诊会增加父母的焦虑感，延迟相关干预措施的实施。此外，ASD儿童会增加其兄弟姐妹患ASD或更广泛表型的风险，因此，早期识别可以促使父母接受相关遗传咨询，从而降低再次生育患病儿童风险。

新兴的生物标志物有望提高ASD诊断效率，提供一种易量化、可靠的、客观的方式。脑成像标志物在儿童发育性疾病的鉴别中具有更高的敏感性。McArthur等对患有特殊语言障碍（specific language impairment，SLI）的儿童及典型发育（typical development，TD）的对照组儿童分别进行了行为和听觉事件相关电位（eventrelated potentials，ERP）研究[8]，结果表明行为任务中TD儿童在9岁左右达到成人水平，SLI儿童在13岁时开始和TD表现一样；而听觉ERP任务中直到青少年末期仍然显示出SLI和TD之间的成熟差异，表明SLI儿童潜在的不成熟持续到成年期。脑成像标志物已开始在ASD儿童的诊断中使用，本文主要对电生理中MEG生物标志物在ASD中的相关应用进行综述。

表1 脑磁图、脑电图及功能核磁共振对比

1.2 脑磁图

用于ASD研究的神经影像学方法很多，脑磁图（magnetoencephalography，MEG）是无创性地探测大脑电磁生理信号的一种脑功能检测技术，是记录神经细胞相关的带电离子迁移产生的局部微弱电流所形成的颅外磁场总和。与脑电图（electroencephalo graphy，EEG）相比，MEG测量不受头皮软组织、颅骨等结构的影响，故具有较高的空间分辨率（约0.5～1 mm）。MEG的测量准备、数据采集时间相对较短，操作简单，更适用于儿童实验（表1）。

但MEG也有其局限性。首先，MEG主要对平行于头皮表面的切向电流所产生的磁场敏感，而EEG对径向电流活动更敏感，实际应用中二者可以结合使用。其次，MEG很难检测大脑深处（如脑干等）的生物电磁活动，但同时也排除了深处电流的干扰。相比EEG，MEG设备及维护价格昂贵，较难普及；且MEG设备体型较大，不便移动或携带。

另一种常用的神经影像学方法功能核磁共振（functional magnetic resonanle imaging，fMRI）通过磁振造影来测量神经元活动所引发的血液动力的改变，从而间接反应大脑的能量消耗，它无法直接检测神经元活动，故时间分辨率较低。MEG对身体是完全无接触、无损伤性的。相对安静，外形类似宇宙飞船，深受儿童喜爱，相对来说更适用于ASD儿童研究。MEG不需要儿童像fMRI那样积极的参与实验任务，可排除注意力不集中的影响。

总之，MEG作为非侵入性的神经电生理记录工具之一，可以在颅外即时的探测大脑神经元电活动所产生的磁场，且不受组织导电率的影响，同时具备较高的空间和时间分辨率，综合了EEG和fMRI的优点[9]。且相较于其他设备，MEG属于儿童友好型的检测方式，在儿童心理和神经发展研究领域的应用日趋受到重视，但是国内关于ASD儿童MEG相关研究相对还比较少见，本文对国外基于MEG的ASD早期筛查和诊断的主要标志物进行了梳理和总结。

2 基于MEG的ASD早期筛查和诊断指标

2.1 听觉诱发磁场：M50 M100

M50是听觉诱发磁场（auditory evoked field，AEF）中最早的皮质成分，也称P1m、P50m、P100m，等效于EEG研究中的P1或P50。M50出现在刺激后100 ms左右，是儿童AEF中最显著的成分[10]。MEG研究表明，M50主要在双侧颞上回（superior temporal gyrus，STG）产生[11]。M50的潜伏期和振幅都随着年龄的增长而下降[12]。M50对语音的发音部位和协同发音过程敏感[13]。此外，对患有特殊语言障碍（SLI）的6～7岁儿童进行语音干预计划后，M50的振幅有所增加[14]。

第二早的AEF是M100，也称N1m、N100m，等效于EEG研究中的N1或N100。M100主要在双侧颞平面（planum temporale）和黑索氏回（Heschl's gyri，即初级听觉皮层）产生[15]。随着年龄的增长，M100的潜伏期降低，振幅增加[16，17]。儿童中不易观察到M100[16]，在超过80%的10～12岁儿童可以观察到类似成人的M100[16，18]。M100在右半球的成熟速度更快[16]，即与左半球相比，在右半球的潜伏期较早，振幅较大。M100受刺激持续时间、强度或频率的调制[19，20]。例如，中频声音刺激（1～3 kHz）诱发的M100响应比低频刺激（100～200 Hz）更早。M100的这种潜伏期差异被称为“动态范围”，在TD中约为10～15 ms[20]。

与典型发育（TD）的对照组儿童相比，ASD儿童的M50、M100潜伏期较晚，表明其声音感知的延迟。Christopher等通过对6～15岁的35名TD儿童、63名ASD无语言障碍(ASD-language impairment，ASD-LI)儿童和38名ASD伴语言障碍(ASD+LI)儿童进行研究发现，在ASD（伴或不伴LI）均出现M50潜伏期的延迟[16]。但对于ASD中M50振幅研究的结果存在差异。通过对3～7岁ASD儿童的研究表明，和TD相比，M50振幅左偏侧化降低[21]；而先前在学龄期进行的另一项研究中表明，和TD相比，ASD右偏侧化降低[22]。出现不同结果的原因可能是因为听觉刺激类型的不同（即，语音或者白噪声等）；也有可能是因为学龄前和学龄期ASD儿童M50的发展轨迹与TD不同。

Roberts等通过对25名ASD儿童及17名TD儿童的对比研究发现，ASD儿童在对正弦音的反应中，M100潜伏期延长[17]。在Edgar等更大样本（52名ASD，63名TD）的研究中出现了相同的结果[23]。ASD儿童中M100潜伏期与年龄之间不存在负相关关系（随着年龄增长潜伏期降低）[17]，或仅在左半球观察到[24]。此外，与TD相比，ASD儿童右半球动态范围降低[25]。相较于TD和高功能ASD，言语/非言语表达最少的ASD儿童M50/M100显著延迟[26]。

总之，ASD中M50/M100和TD相比有所异常，但还需要对不同刺激类型、不同年龄段儿童以及在不同相关疾病中进行进一步的研究，以确定M50/M100指标在临床中筛查ASD的特异性和敏感性。

2.2 失匹配磁场（mismatched field，MMF）

与对正弦音等简单听觉刺激的响应M50/M100一样，ASD儿童也可能表现出失匹配磁场（MMF）的异常。MMF是脑电中失匹配负波（mismatched negativity，MMN）的等价物，通过从偏差或新颖刺激的事件相关电位中减去标准或频繁的刺激得到，被认为是“变化检测”的指标[27]。在一系列标准声音刺激中，MMN/MMF的出现是对违反感官预期的偏差刺激的响应（例如/a/，/a/，/a/，/u/，/a/）。在成年人中MMN出现在刺激后170～250 ms，即使参与者没有刻意地将注意力放在刺激上[27]。诱发MMN产生的刺激可以是听觉、体感、触觉和视觉的，其中听觉刺激应用最广。听觉MMN起源于颞顶皮质和背外侧前额叶皮质[28]，可以通过音调高低、持续时间、强度等的变化诱发[27]。与大龄儿童和成人相比，新生儿的听觉MMN潜伏期稍晚，振幅较小[29]。儿童在学龄期达到和成人一样水平的MMN潜伏期[30]。与年龄匹配的对照组相比，患有ASD的学龄期儿童或成人表现出对纯音和元音变化的MMF差异。

Cardy等利用MEG检测了8～17岁的7名ASD儿童和9名TD儿童的MMF[31]。实验刺激为300 ms300 Hz和700 Hz的纯音以及合成元音/a/和/u/。实验范式为经典Oddball范式，由标准刺激（85%）和偏差刺激（15%）组成。研究发现两组之间MMF振幅无显著差异；但是在ASD组对所有刺激的MMF潜伏期延迟。作者认为较慢的听觉变化检测能力可能与ASD儿童语言障碍有关。

Roberts等究了6～15岁的18名ASD+LI儿童、33名ASD-LI儿童和27名年龄匹配的TD儿童对纯音和元音（和Cardy等的研究一样）的MMF反应[32]。研究发现，与TD儿童相比，所有ASD儿童对纯音和元音的MMF潜伏期均明显延长；并且ASD+LI的儿童相比于ASD-LI的儿童潜伏期延长。这些发现与Cardy等的研究一致，进一步表明ASD和语言障碍听觉感知差异并非特定于言语声音，对于简单的纯音也一样。作者还测试了平均MMF潜伏期作为ASD语言障碍诊断指标的敏感性（82.4%）和特异性（71.2%）。在另外一组8～12岁无口语和有口语ASD儿童的对比研究以及一项通过Oddball范式以元音为听觉刺激的ASD成人的研究中，发现了相同的结果[33，34]。

但Roberts等在另一项研究中发现，在SLI中也有类似的MMF延迟[35]。表明MMF潜伏期与语言障碍相关，独立于ASD诊断。所以尽管在各项研究中MMF潜伏期延迟都与语言障碍有关，但仍需要进一步研究以确定MMF是否主要与ASD伴随的语言障碍还是与一般语言障碍/迟缓有关。

2.3 听觉gamma频段反应

位于颞上回（superior temporal gyrus，STG）的听觉gamma频段反应异常也被认为是ASD的标志。在TD个体中，可以在一系列听觉刺激（音调、咔哒声等）后观察到gamma频段的稳态反应，并可反应局部连通性。在听觉刺激以40 Hz调制时，源于双侧初级/次级听觉皮层的gamma稳态反应最为强烈[36]。

ASD儿童及其一级亲属的刺激后gamma频段反应与TD儿童相比有所不同。与TD儿童相比，7～17岁ASD儿童在40 Hz点击训练任务（click train task）中，左半球40 Hz gamma频段反应减少[37]。当听觉刺激为1000 Hz音调时，成人自闭症患者及自闭症儿童父母的双侧40 Hz早期STG gamma频段试验间一致性（inter-trial coherence，ITC）降低[38]。

3 讨论

由于ASD起病隐匿、症状具有高异质性、伴随的并发症多样等特点，仅凭行为特征将其和TD儿童区分开来并对其进行诊断十分困难。新兴的生物标志物有望提高ASD诊断效率，提供一种容易量化、可靠、客观的方式。MEG作为一种无辐射、高时间和空间分辨率、准备时间短且无需儿童完成过实验任务的设备，适用于ASD研究。除了可以用于ASD的早期筛查和诊断，MEG标志物还可以提供预后信息，例如儿童是否能够发展语言能力等，因此可以根据个人的神经生理学特征进行针对性的治疗（行为或药物）；也可以用于评估不同ASD治疗方法的疗效，通过确定大脑神经活动是否随着治疗有所改变而更好的决定是否继续或终止治疗。同时，MEG通过提供儿童大脑的功能成像，提高了父母对疾病的客观认识，减少了父母的愧疚感和焦虑感，使其更积极的采取应对措施。

但现存研究也有其局限性。大多数MEG研究都集中于对比ASD组和正常组对照之间差异。尽管这些对指明研究方向是十分重要的，但是MEG标志物需要具有良好的特异性和敏感性才能用于临床，故这方面需要进一步的研究来确定是否可以在个体水平上识别出ASD。另外，由于儿童的配合度低且ASD组被试的纳入需要基于现有的行为诊断标准，故大部分关于ASD的研究都集中于成人和年龄较大的儿童，而对年龄较小儿童的研究对于进一步了解ASD的机制及其早期诊断和治疗十分重要。尤其是对于有ASD风险的婴儿（例如，有家族史，早产儿，高龄父母等）进行纵向研究十分必要，以此确定在正式诊断为ASD的学龄期儿童中是否有明显的神经生理学差异。同时，对于正常婴儿进行纵向研究以提供典型神经活动发展轨迹，可为早期检测和诊断提供对照指标。如果对婴儿MEG检测可以预测3岁儿童ASD患病情况，则可以在婴儿期对儿童进行筛查。

尽管相对于其他神经影像学检测手段，MEG有其独特的优势，但在实际应用于ASD儿童早期筛查和诊断时可能仍然面临一些问题。因为婴幼儿头围较成人小，故将成人MEG设备应用于婴幼儿检测时，大脑信号源和MEG传感器距离增加了，从而导致磁场强度迅速衰减，使得信噪比降低，空间分辨率严重受损；同时增加了运动伪迹产生的可能。专为儿童设计的MEG设备有效解决了这一问题。2008年日本ITOCHU Corporation在国际上独家研制成功用于儿童的脑磁图仪，但目前儿童MEG设备数量较少（全球仅4台），较难普及。另外，由于年幼儿童配合度差，检测期间保持清醒还是睡眠状态也是一个具有争议的问题。虽然睡眠时进行检测更加容易，但是，有一些研究问题只有在儿童清醒时才能诱发出明显的反应。所以，我们有必要打造儿童友好型脑磁检测室，并且在检测过程中允许家长陪同。最后，由于ASD儿童在婴幼儿期可能并不会表现出任何症状，且脑磁检测费用昂贵，较难作为常规筛查项目。但我们应普及相关知识，并提高在高风险儿童中利用率。

总之，MEG研究中已经有一些可用于ASD早期筛查和诊断的潜在标志物，但在将其应用于临床之前还需要进一步研究。