乙醇使用障碍者大尺度脑网络静息态fMRI研究

张 洁 陈 军 戴云蕊 喻婷婷 宋之琰 李臣鸿

《精神疾病诊断与统计手册》第5版认为乙醇使用障碍(alcohol use disorder，AUD)包括乙醇滥用和乙醇依赖[1]。尽管许多人饮酒时尚无明显健康问题，但乙醇滥用与全球5.3%的死亡和7.2%的过早死亡有关。通过神经心理学测试发现，AUD者在工作记忆、陈述性记忆、执行能力、视觉空间感、上肢运动能力、步态和平衡等行为认知中表现有轻度到中度的功能障碍，这些功能异常可归因于特定脑网络的改变[2]。磁共振技术为研究AUD脑结构及功能改变提供了有效手段，对于AUD脑宏观及微观结构研究方法包括，基于体素或表面的形态学、弥散张量或峰度成像等。AUD脑功能研究以PET、脑灌注成像、血氧水平依赖成像方法为主。其中基于血氧水平依赖成像的静息态功能连接(functional connectivity，FC)磁共振成像方法可在无任务的情况下观察大脑不同区域之间的功能性交流，相比之下其敏感度高且无电离辐射，有助于揭示AUD疾病中涉及的神经回路的改变。独立成分分析(independent component analysis，ICA)可以自动分离生理信号和噪声，提取的成分表征其中所有脑区之间的功能连接，为更全面了解网络功能连接损伤提供了一种有效途径[3]。

在不同类别的物质使用障碍中，以默认网络(default mode network，DMN)研究最多，已经观察到物质使用障碍者DMN大脑功能连接模式异常，并与渴求和复发有关[4]。基于ICA的研究表明在戒断24h的乙醇依赖者中，后扣带回与DMN的其他成分有更高的同步性[5]。乙醇组前侧DMN与后侧DMN的静息态FC减低(早期缓解与持续缓解比较)[6]。尽管已广泛研究了AUD默认网络的神经基础，但AUD默认网络、注意功能及感觉运动的静息态神经基础报道仍相对较少，目前对于AUD患者注意网络(dorsal attention network，DAN)的研究主要运用注意功能测试相关临床量表及任务态的功能磁共振，对于AUD患者感觉运动网络(sensorimotor network，SMN)的探索更是少有报道[7,8]。

本研究联合神经心理学测评量表和静息态ICA分析方法对AUD患者DMN、SMN、DAN进行研究，以期进一步阐释长期饮酒对认知、注意、感觉功能与相关脑网络之间的影响，为其神经生理机制的提供一定的依据。

资料与方法

1.一般资料：收集来笔者医院就诊的35例AUD男性患者，患者年龄30～60岁，右利手。纳入标准：①饮酒时间10年以上，日均饮酒≥150ml(以42°白酒为标准)；②密西根乙醇依赖调查表(Michigan alcoholism screening test, MAST)评分(总和法)≥6分;③符合DSM-5 中AUD的诊断标准[1]。同期招募的25例对照组，利手、性别、年龄、受教育程度均与乙醇组匹配。排除标准：①高血压、冠心病等严重基础疾病；②脑外伤史、手术史或脑肿瘤等神经系统疾病；③精神疾病史；④除乙醇外其他物质成瘾史；⑤MR禁忌证。本研究经过武汉大学人民医院临床研究伦理学委员会批准(2018K-C061)。

2.临床量表：乙醇组完成MAST量表。所有受试者完成简易智力状态检查(mini-mental state examination，MMSE)、Stroop测验进行认知及注意功能评估。Stroop测验具体操作如下[9]：3张卡片(a、b、c)，每张卡片有24个圆点或汉字；a为红、黄、蓝、绿4种颜色的圆点，b为红、黄、蓝、绿4种颜色的无色彩意义的汉字，c为红、黄、蓝、绿4种颜色印刷的“红”、“黄”、“蓝”、“绿”4个汉字(颜色和汉字意义不匹配)；记录完成卡片a、b、c的时间及错误数并计算Stroop测验干扰效应(完成卡片b、c的时间差)。

3.图像采集：使用GE Discovery MR750w Silent 3.0T(GE Healthcare, Milwaukee, WI,USA)磁共振扫描仪，8通道头部线圈进行数据采集。所有受试者排除颅脑器质性疾病后再行T1WI-3D结构像及fMRI功能像数据图像采集。静息态fMRI图像采用梯度回波平面成像序列，扫描参数如下：回波时间25ms，重复时间2000ms，视野240mm×240mm，层厚3.5mm，层间距0.6mm，层数40，反转角90°，矩阵64×64，扫描时间约8min。T1WI-3D结构像采用矢状位扫描，扫描参数如下：重复时间8.5ms，回波时间3.3ms，视野240mm×240mm，层厚1.0mm，无间距扫描，反转角12°，矩阵256×256，扫描时间约5min。

4.数据处理：(1)数据预处理：将fMRI原始DICOM数据转换为4D NIFTI格式，在Matlab 2013b(http:∥www.mathworks.cn)中，运行DPABI(http:∥rfmri.org/dpabi)软件对fMRI图像进行预处理：去除前10个时间点，时间层校正及头动校正，空间标准化，空间平滑。(2)ICA分析：使用GIFT 4.0b(http:∥mialab.mrn.org/software/gift/)软件对所有受试者进行组水平空间独立成分分析，先采用主成分分析对fMRI数据进行二次降维，将所有受试者的数据初步分为50个成分，然后利用Infomax算法进行空间ICA估计，最终分解为33个独立成分。(3)挑选网络成分并计算网络间功能连接：根据成分覆盖脑区最终定义DMN由3个成分构成(IC8、IC17、IC32)，DAN由2个成分构成(IC2、IC20)，SMN由3个成分构成(IC10、IC26、IC28)。将年龄及受教育年限作为协变量，计算DMN、DAN、SMN网络间FC矩阵。

结 果

1.一般资料：乙醇组及健康对照组一般资料比较，差异无统计学意义(P>0.05，表1)。

表1 组间一般资料比较

2.临床量表：AUD患者在执Stroop测验时，完成任务所需时间延长，错误率增加(表2)，乙醇组MAST评分为8.91±3.54分。

表2 组间临床量表比较

3.网络内及网络间功能连接：组间在各功能网络内的FC比较，差异无统计学意义(P>0.05)。网络间的FC表明，乙醇组DMN、DAN、SMN网络间FC减弱，其中DMN与DAN及SMN间的FC强度与对照组比较，差异有统计学意义(P<0.05)，DAN与SMN间的FC减弱，但差异无统计学意义(表3，图1)。乙醇组DMN(IC32)与DAN(IC2)及SMN(IC28)功能连接减弱，差异有统计学意义(P<0.05，图1、图2)。

表3 网络间功能连接统计参数(乙醇组-对照组)

图1 乙醇组与对照组网络间功能连接示意图黄色线条提示对照组(HC)默认网络IC32与背侧注意网络IC2及感觉运动网络IC28之间的功能连接明显强于AUD患者，下方彩色线条为T值刻度条

图2 DAN、SMN、DMN网络成分示意图IC2构成DAN，对应脑区主要为左侧顶下小叶、右侧颞中回、BA 40、左侧顶上小叶、左侧枕中回、左侧及右侧缘上回(连续体素分别为661、558、447、413、381、368、267)，IC28构成SMN，脑区为双侧辅助运动区、中央前回、中央后回、扣带回中部、左侧中央旁小叶(连续体素分别为970、718、332、256、235)，IC32构成DMN，脑区为双侧楔前叶、左侧枕中回、右侧额上/中回、右侧颞中回(连续体素分别为1264、544、501、257)。DMN. 默认网络；DAN. 背侧注意网络；SMN. 感觉运动网络；IC.独立成分；BA.布罗德曼分区

4.相关性分析：偏相关分析将年龄与教育年限作为控制变量，乙醇组DMN-SMN间FC强度与MMSE评分呈正相关(r=0.362，P=0.019)。

讨 论

本研究对AUD 患者大脑DMN、DAN、SMN 的静息态FC进行了初步分析，结果显示长期饮酒导致DMN-DAN及DMN-SMN网络间的FC减弱，DAN-SMN间的FC亦存在减弱趋势，同时，长期饮酒可导致认知及注意功能缺陷，提示长期摄入乙醇对静息态下大脑的抑制作用，并在执行任务时，表现出一定程度上的功能减弱。休息状态的大脑活动包含不同的组成部分，其中DMN和DAN分别被称为任务负性网络和任务正性网络。前者通常在执行注意力相关任务时被去激活，DAN则在需要注意力和精神控制的任务中被激活[10，11]。

本研究结果显示，DMN及DAN网络间的FC减弱，其中AUD患者DMN的楔前叶与DAN的左侧顶上/下小叶、BA 40、右侧颞中回、左侧枕中回、左侧及右侧缘上回之间的功能连接活动减弱。研究结果与以往研究相似[12]。Vergara等[13]揭示了楔前叶、中央后回、脑岛和视觉皮质是饮酒者静息态功能网络连接减少的主要脑区，表明饮酒者的内在感受性认知减低。最近一项基于体素的镜像同伦研究发现，男性乙醇中毒患者的局部同伦连接缺陷区域和大脑其他区域之间的功能连接受到破坏，特别是参与DMN、突显网络、主要躯体运动和语言系统的区域[14]。另外，大量研究证实下顶叶包括缘上回/ BA 40在跨期选择任务中的作用，表明BA 40参与了乙醇成瘾很重要的两个过程，并且大量饮酒者，左侧顶上小叶皮质厚度变薄[15,16]。

已有文献报道DMN与执行控制网络连接中断可能会干扰患者将注意力从内部反刍和欲望中分离出来的能力，使患者难以调动注意力和认知资源来处理外部刺激[4]。DMN-突显网络连接的中断可能有助于增强对药物线索的显著性，并将注意力转移到内部思想和情绪。值得一提的是，DMN-DAN在任务和静止状态研究中都表现出反相关活动模式，在休息状态下，DAN-DMN之间强烈的反相关和竞争关系对行为和认知功能产生影响[17]。本研究中乙醇组DMN、DAN两者之间功能连接减弱提示两者的竞争关系减弱，减少的反关联可能是认知、执行功能下降的神经元基础。

对于AUD患者DAN的研究揭示了AUD者在任务状态下的背侧和腹侧注意网络区域和岛叶的激活减少，证实了在饮酒者中注意网络异常[8]。本研究Stroop试验结果显示AUD患者完成任务时间更长，犯错率更高，这与可卡因使用障碍者执行视觉引导的手指敲击任务时的表现相似[18]。一项针对33例AUD患者(戒酒期间接受哌唑嗪治疗)，进行为期3周的Stroop任务及血氧水平依赖信号监测，结果指出Stroop相关的小脑和颞叶激活与负性情绪和乙醇使用障碍的严重程度相关[19]。由于此次研究中AUD患者多为中度依赖，因此并未对严重程度进行分级，将来需进一步扩大样本量及饮酒严重情况，进一步分析Stroop试验及静息态功能连接与AUD严重程度的相关性。

经典SMN主要包括初级运动皮质，辅助运动区及前运动皮质等脑区。而自主的运动主要依靠上述脑区兴奋或抑制性影响的相互作用及与皮质下结构的神经调节。研究发现，乙醇组DMN与SMN功能连接减弱，MMSE评分降低，并且DNM-SMN功能连接强度与MMSE评分呈正相关，表明虽然在正常生活中AUD表现与对照组比较，差异无统计学意义，但长期饮酒可能导致认知功能及感觉运动功能缺陷，并且有乙醇滥用史的70多岁成年人中有78%表现出认知障碍，多种形式痴呆的发生率增加[20]。

迄今为止，乙醇对SMN影响的文献报道鲜少，但已有相关研究发现产前乙醇暴露儿童和青少年虽然在初级感觉运动皮质的手和脸区域和对照组构成相似，但乙醇暴露导致感觉运动种子区和部分DMN(特别是颞上回和楔前叶)的FC减低[21]。此外，静息态动态网络连接的研究发现饮酒组避开状态2的证据，该状态下感觉运动、突显网络和楔前叶大脑区域之间有很强的连接。饮酒组表现出在感觉和运动控制为主的区域连接减弱，视觉和运动区域的动态功能连接降低[22]。DMN-SMN功能连接减弱，提示长期饮酒后导致脑网络之间的功能紊乱与损伤。

本研究发现，AUD患者中DAN与SMN之间的FC有减弱趋势，目前对二者之间的研究暂无影像学证据，因此这一发现可能为进一步研究长期饮酒对大脑功能网络间交流提供新思路。本研究并未发现乙醇组与对照组间DMN、DAN、SMN网络内功能连接存在明显异常，与以往的文献报道存在差异，可能由于大脑功能网络分割暂无统一标准，网络成分的提取有一定的主观因素，并且不同研究对乙醇成瘾者进行扫描时成瘾的阶段不同。本研究存在以下不足：①被试样本有待扩充；②本研究为静息态下的功能研究，任务态下的功能活动仍值得探讨；③本研究被试为30～60岁的AUD患者，对于其他年龄段的AUD患者，其功能网络间的活动是否相同，仍未可知。

综上所述，乙醇使用障碍的DMN与SMN及DAN之间的FC减弱，提示DMN是对乙醇最为敏感的区域，可能为AUD患者的治疗提供靶点。饮酒对大脑SMN的影响在此之前少有研究，此次研究表明长期饮酒会产生一种静息状态下的功能分离，对任务正向网络(包括感觉运动和执行控制/注意相关脑区)造成损伤。这些大规模的大脑网络功能异常也成为乙醇相关的精神和神经疾病的认知和情感、运动功能障碍的基础，引导临床关注饮酒相关的认知及感觉运动障碍。