早期城市化对健康青年人脑灰质体积和执行功能的影响

刘嘉玮 郭力宁 李魏薇 马林 满玮琦，2 徐佳圆 刘风 于春水

环境无处不在且影响着人类的精神健康，精神类疾病中50%的风险因素可归因于环境[1-2]。国家统计局数据表明，中国的城镇人口比例从1978 年的17.92%提高到2019 年的60.6%[3-4]，不断增长的比例强调了研究城市化程度对精神健康影响的重要性。近期研究[5]发现，城市化与大脑处理社会压力相关区域的活动存在关联，这种大脑结构或功能的变化可能参与调节城市化对精神健康或认知功能的影响，而目前较少有研究关注三者之间的关联。在生命的早期阶段，即出生到青春期（15 岁之前），人脑处于快速发育时期，认知功能也在不断增强，人脑及认知功能更容易受到城市化程度的影响[5]。本研究旨在探索早期阶段的城市环境暴露对健康青年人脑灰质体积及执行功能的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 前瞻性在天津市招募健康青年人。所有受试者在进行实验前均详细了解实验内容并签署知情同意书。纳入标准：①18～30 周岁，身体健康；②汉族人；③右利手。排除标准：①吸烟史，过度饮酒史，药物、毒品滥用或依赖史；②妊娠期或月经期女性；③MRI 禁忌证；④有神经精神疾病家族史；⑤实验前一晚睡眠不足7 h。最终纳入1 021 名受试者，男 467 名，女 554 名；年龄 18~30 岁，平均（23.76±2.34）岁；受教育程度 9~22 年，平均（16.64±1.91）年。本项研究得到了天津医科大学总医院伦理委员会批准。

1.2 早期城市化分数 采用城市化分数[5-6]评价受试者早期阶段（0~15 岁）的城市暴露水平。首先，基于问卷调查获得受试者15 岁以前的居住地址，根据国家统计局2008 年8 月1 日起施行的《关于统计上划分城乡的规定》（国函〔2008〕60 号）把居住地址分为 3 个等级：1 代表农村，2 代表城镇，3 代表城市。然后，将受试者居住地的等级乘以受试者在该地区居住的时间（年），如有住址迁移则将结果累加计算获得前15 年的累积值，即为该受试者的早期城市化分数。早期城市化分数为15～45 分；15 分代表一直生活在农村，45 分代表一直生活在城市；分数越高表示城市环境暴露时间越长。

1.3 MRI 数据采集及处理

1.3.1 数据采集 采用GE Discovery MR750 3.0 T MR 扫描设备，头部8 通道相控阵线圈。对全部受试者先行常规T2WI 检查以确定无颅内器质性病变，随后行高分辨矢状面三维T1WI 全脑数据采集。扫描参数：TR 8.14 ms，TE 3.17 ms，TI 450 ms；翻转角12°；视野 256 mm×256 mm；矩阵 256×256；层厚1 mm，层间距 0；层数 188。

1.3.2 数据预处理 采用SPM12 软件中的插件VBM8 进行数据预处理。具体步骤：①根据先验模板采用“联合分割”算法将全脑结构像分割为灰质、白质和脑脊液，即可生成灰质概率图，它代表每个体素隶属于灰质的概率；②采用VBM8 内置的DARTEL 高阶配准法将每名受试者的灰质概率图配准到MNI 标准空间以保证每个体素在受试者之间相对应，并将每个体素重采样到1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；③使用标准化过程中产生的非线性变形场参数对灰质概率图进行调制得到GMV 图，每个体素内的值代表绝对GMV；④将GMV 图进行平滑处理（高斯核为8 mm×8 mm×8 mm）以提高图像的信噪比和数据正态性，并且减少配准不齐的影响。

1.4 执行功能数据采集 采用Go/No-go 任务评估被试执行抑制能力，使用E-Prime 2.0 软件呈现并收集结果。在实验中，屏幕上会呈现字母X 或者Y，如果当前呈现的字母和前一次出现的字母不同，被试需要快速按键做出反应，这种条件为Go 条件；如果当前呈现字母和前一次呈现字母相同，被试此时不能按键，如果按键则记为错误，这种条件为No-go条件，占整个测试的10%[7]。任务包括练习和正式测试，练习通过后开始正式测试。正式测试分为2 组，每组210 个试次，要求在字母显示后尽可能快速和准确地做出反应。记录Go 条件的正确率（Go trial accuracy, GA）、No-go 条件的正确率 （No-go trial accuracy, NGA）、Go 条 件 的 反 应 时 间 （Go trial reaction time,GRT）。

1.5 统计学方法 采用SPM12 软件进行影像数据分析。采用基于体素的多元线性回归方法分析早期城市化分数与体素水平GMV 之间的关联性，采用整体错误率（family wise error，FWE）方法对结果进行多重比较校正（P<0.05），并提取通过校正的脑区团块的平均GMV 值。采用Spearman 等级相关分析早期城市化分数值、显著团块GMV、执行功能之间的相关性。采用SPSS24.0 软件PROCESS 程序中的Model4 构建早期城市化分数值、显著团块GMV、执行功能之间的中介模型，并分析总效应、直接效应、中介效应。其中，总效应由直接效应和中介效应共同构成，直接效应是指在控制中介变量GMV 时，早期城市化分数对执行功能的效应；中介效应是早期城市化分数对GMV 效应和GMV 对执行功能效应的乘积。用Bootstrap 重采样法抽样5 000 次来检验中介效应的显著性，效应值以标准误差、95%置信区间的下限和上限表示，如果置信区间不包含零，则认为中介效应显著。上述分析均将年龄、性别、教育年限以及全脑灰质体积作为控制变量予以控制。

2 结果

2.1 关联性分析

2.1.1 早期城市化分数与体素水平GMV 之间的回归分析 早期城市化分数与背侧前扣带皮质（dorsal anterior cingulate cortex,dACC）和内侧额上回（medial superior frontal cortex,mSFG）组成团块的GMV 呈负相关（MNI 峰值坐标：0，35，39；体素 2 124，峰值 T=-6.22）（图1），即早期城市化分数值越高，该团块的GMV 越小。

2.1.2 各变量之间的相关性 早期城市化分数与dACC 及mSFG 组成团块的平均 GMV 呈负相关（r=-0.17，P<0.001）。早期城市化分数与GA 呈正相关（r=0.18，P<0.001），与 GRT 呈负相关（r=-0.18，P<0.001）。dACC 和 mSFG 组成团块的平均 GMV 与NGA、GA 呈负相关（GMV 与 NGA：r=-0.06，P=0.05；GMV 与 GA：r=-0.10，P=0.001），与 GRT 呈正相关（r=0.08，P=0.01）。

2.2 GMV 在早期城市化分数与执行功能关联中的中介效应 早期城市化分数能负向预测显著团块的 GMV 值（βa=-0.14，P<0.001）和 GRT（βc’=-0.17，P<0.001）。显著团块的GMV 能正向预测GRT（βb=0.10，P<0.05），详见图2。早期城市化分数可经中介路径和直接路径预测GRT，中介路径（早期城市化分数→显著团块GMV→GRT）和直接路径（早期城市化分数→GRT）的Bootstrap 效应值的95%置信区间（CI）均不包含0，表明中介效应和直接效应均达到显著水平，详见表1。因此，dACC 和mSFG 团块的平均GMV 值在早期城市化分数与GRT 的关联中起到部分中介作用，且部分中介效应占总效应的比例为6.74%。

图1 GMV 与早期城市化分数值显著相关的脑区（P<0.05，FWE 校正）。色带中T 值的绝对值越大，回归系数越显著，相关性越强。

图2 显著团块平均GMV 在早期城市化分数对GRT 影响的中介效应模型。*P<0.05,**P<0.001。

3 讨论

近年来，中国经历了快速的城市化过程。由于不断增长的城市化水平带来的环境变化与精神健康息息相关，故明确早期城市环境暴露与大脑结构及认知的关联有助于更好地理解城市化水平对精神健康的影响。本研究使用城市化分数来评估受试者早期所在城市环境暴露水平，通过关联分析建立了早期城市环境暴露与受试者背侧前扣带皮质和内侧额上回GMV 以及执行功能之间的关联，并通过中介效应模型发现，该脑区的GMV 在早期城市化与执行功能关联中具有显著的中介效应。

既往研究[8-9]显示，城市化水平较高地区居民比较低地区的有更好的认知功能表现，尤其是在信息处理速度、执行功能和口语学习等方面。本研究结果提示早期城市环境暴露越高，健康青年人的执行功能越强，与既往研究结果相符。这可能是多因素共同作用的结果。首先，城市化水平的提升会带来更好的生活条件，如完善的医疗、教育、营养条件等[10-11]，从而促进认知的发展。其次，城市生活会增加周围环境的复杂度，研究[12]表明丰富的外界环境对认知功能的发展有促进作用。综上，城市化发展在一定程度上促进个体的认知发展，尤其是执行功能。

本研究还发现，早期城市环境暴露水平较高的个体 dACC 及 mSFG 的 GMV 较小。dACC 和 mSFG具有很强的解剖与功能连接[13-14]，提示这2 个脑区参与了相似的功能。dACC 是执行控制功能的经典脑区，参与冲突监控、错误检测和奖励评估等多种执行功能[14-17]。mSFG 通过与dACC 形成丰富的解剖联系，也参与执行控制功能[18-19]。本研究同时发现，dACC 和mSFG 的GMV 越小，执行功能越强。一个脑区GMV 大小与认知功能的关系与年龄因素有关。例如，老年人前额叶脑区的GMV 越小提示认知功能越差[20]。但是，青年人并非如此，前额叶皮质是成熟时间最晚的脑区，完全成熟可能要持续到25岁左右[21]。前额叶成熟之前主要经历了经验依赖性突触修剪过程，该过程将通过去除冗余的突触，使得前额叶皮质变薄、体积变小，而认知处理能力增强[22-24]。本研究纳入的受试者年龄为18~30 岁，正处于前额叶成熟的后期阶段，因此dACC 和mSFG 的GMV 与执行功能呈负相关。

中介效应分析发现，个体dACC 和mSFG 的GMV 减小介导了早期城市环境暴露水平与执行功能之间的正性效应。这一发现提示，早期城市环境暴露水平越高，受试者的经济条件、营养水平、教育及医疗条件等社会环境因素越好，这有助于青春期前额叶的突触修剪过程，进而导致前额叶GMV 减小，而更加高效的突触连接使得执行功能增强。这一解释也与以往的研究[25-26]发现相一致，如青春期大量饮酒作为个体特殊环境暴露可以干扰突触修剪过程导致前额叶GMV 增大，进而造成执行功能减低。以上均提示环境暴露可能通过影响青春期突触修剪过程进而影响GMV 及执行功能。

本研究还存在一些局限性。首先，早期城市化分数指标只是对受试者15 岁前生活成长地区居住时间的反映，而未进一步细化家庭居住地址和学校所在地的不同，可能对结果造成影响。其次，本研究只探讨了城市环境暴露对人脑及行为的影响，而未能考虑遗传因素及遗传环境交互作用的影响。这些因素的效应需要在今后研究中进行探讨。再次，脑成像指标中只选择了GMV，而且GMV 只能解释一部分执行功能的变异。今后研究中需要纳入更多的脑成像指标，以全面认识早期城市化对人脑结构、功能与连接的影响，以及这些指标与执行功能之间的关系。最后，本研究只考虑了青年人15 岁前城市化程度的累积效应，并没有进行敏感期分析，无法明确哪个年龄阶段的城市环境暴露对人脑及认知功能的影响最大。尽管存在这些局限性，本研究基于较大样本发现了早期城市化程度对青年人脑灰质发育以及执行功能的正性效应，增进了对城市环境暴露与人脑健康及行为关系的理解。