生长激素缺乏症和特发性矮小症儿童的脑磁共振镜像同伦功能连接研究

蒋乐真　　白光辉　　刘锟　　陈涛　　臧依柔　　严志汉

[關键词] 生长激素缺乏症;特发性矮小;静息态功能磁共振;体素-镜像同伦连接

[中图分类号] R725.8          [文献标识码] B          [文章编号] 1673-9701（2021）16-0124-06

The study of brain magnetic resonance mirror homotopy functional connection in children with growth hormone deficiency and idiopathic short stature

JIANG Lezhen   BAI Guanghui   LIU Kun   CHEN Tao   ZANG Yirou   YAN Zhihan

Department of Radiology and Imaging， the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University， Yuying Children′s Hospital， Wenzhou   325000， China

[Abstract] Objective To study the functional connectivity changes between the two cerebral hemispheres in patients with growth hormone deficiency and short stature using resting-state functional magnetic resonance imaging （rs-fMRI） technology， and to analyze the correlation between changes in brain function and hormone and neuropsychological indicators. Methods A total of 26 children with growth hormone deficiency （GHD） and 44 children with idiopathic short stature （ISS） in the Department of Pediatric Endocrinology were enrolled in this study. A 3.0T MR resting-state brain functional magnetic resonance imaging sequence scan was performed on all children. At the same time， a 90-item symptom list， a children′s behavior scale， and an Eysenck personality questionnaire were evaluated to assess children′s cognition and emotions. The growth-related hormone levels were collected. The voxel-mirror homotopy connection （VMHC） method was used to obtain the functional connections between the cerebral hemispheres of all subjects， and the differences in VMHC brain areas between the two groups were compared. Pearson correlation was used to analyze the VMHC values and growth-related hormone levels in the brain areas of the differences between the two groups and the correlation between the results of the three major clinical scales. Results Compared with children in the ISS group， the VMHC values of the bilateral insula， putamen， and superior orbital frontal gyrus of the children in the GHD group were significantly lower. In the GHD group， the VMHC values of the insula were positively correlated with anxiety （r=0.567， P=0.003）， horror （r=0.416， P=0.035） scores， and were negatively correlated with inward and outward scores （r=-0.397， P=0.045）. The VMHC value of the superior orbitofrontal gyrus was negatively correlated with the basic value of growth hormone（r=-0.700， P=0.000）. Conclusion The abnormal connection function of the local brain regions between the bilateral cerebral hemispheres of children with GHD indicates that the lack of growth hormone has an important impact on the children's brain network， mainly involving the default network， the prominent network， and the control network. This may be the underlying cause of cognitive and emotional changes in short children.

[Key words] Growth hormone deficiency; Idiopathic short stature; Resting-state functional magnetic resonance; Voxel-mirror image homotopy connection

矮小癥是指在相似的生活条件下，营养供给充足的情况下，儿童身高低于正常人群平均身高水平的2个以上标准差，骨龄比实际年龄落后超过2岁[1]。导致身材矮小的原因各不相同，生长激素缺乏症（Growth hormone deficiency，GHD）是在病理性矮小症中所占比例最高的一种类型，存在不同程度的生长激素缺乏。而特发性矮小（Idiopathic short stature，ISS）不伴有潜在病理状态的身材矮小，生长激素水平正常，是所有矮小症儿童中最常见的类型。矮小是儿童社会负面心理压力的主要来源，生长激素（GH）替代治疗可有效提高患儿的最终成人身高。有研究表明，GH缺乏还会影响大脑发育，以及认知、情绪等。因此，早发现、早诊断和早治疗不仅对生长激素缺乏矮小患者的身高产生影响，还对心理问题的调节及生活质量的提高具有重要意义。

基于体素-镜像同伦连接（Voxel-mirror image homotopy connection，VMHC）定义为一侧大脑半球任一体素与对侧大脑半球几何对应的体素之间血氧水平依赖性时间序列之间的相关性，以其值作为大脑半球间功能连接的强度，反映大脑半球之间信息交流整合能力及工作的协同性[2]。简单来说，VMHC值越高，脑半球间功能活动平衡性越佳;反之越差。目前尚未发现采用VMHC方法研究矮小症儿童大脑半球间的功能连接，同时将结合行为和激素水平等数据实现对GHD儿童脑功能、激素及认知行为之间较为全面的认识，现报道如下。

1 资料与方法

1.1一般资料

收集2016年6月至 2018 年1 月在本院儿童内分泌科门诊就诊，主诊断为身材矮小的就诊儿童。按照中华医学会《矮身材儿童诊治指南》为标准，将生长激素激发试验GH峰值以10 μg/L为分割值：≤10 μg/L为生长激素缺乏，>10 μg/L则为正常。共招募了临床诊断矮小症患者93例，最终纳入生长激素缺乏症组 26例，特发性矮小症组44例。

纳入标准：①符合矮小症诊断标准者;②实际年龄6～13岁，青春发育启动前者;③右利手者。排除标准：①早产史（孕龄<37周）或围产期脑损伤史者;②染色体异常、先天畸形者;③患有其他系统良恶性肿瘤史者;④甲状腺激素轴异常者;⑤既往有高热惊厥、癫痫等神经精神系统疾病及智力发育迟滞者，语言、视听觉障碍等疾病史者;⑥在T2WI序列上脑内（包括垂体内）有异常信号者;⑦曾已因矮小症予以治疗者;⑧不能行头颅磁共振者（幽闭恐惧症、体内金属物植入者等）;⑨临床资料不完全者。

本研究为了排除同样因为矮小原因对这些患儿带来的社会心理因素，所以对照组选择了同样是身材矮小但无激素缺乏的ISS儿童。在选取对象时匹配患儿们的性别、年龄、身高及教育等，减少外界因素对本研究结果的影响。本研究经本医院医学伦理委员会审核通过，所有招募的被试均自愿参加本研究，所有患儿家属均签署了知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 数据采集  使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪采集影像数据，并采用8通道标准相控头线圈。告知所有研究对象检查过程中需保持静止，不思考任何事情。静息态fMRI图像采用全脑平面回波成像（EPI）序列采集：重复时间：TR=2000 ms，回波时间 TE=30 ms，反转角 FA=90°，矩阵=64×64，视野 FOV=220 mm2×220 mm2，体素大小=3.44 mm3×344 mm3×4 mm3，层数=36层，层厚/层间距=3 mm/1 mm，采集次数=180次;3D T1-BRAVO结构图像采集所用序列为快速扰相梯度回波序列（SPGR），具体参数如下：重复时间 TR=7.2 ms，回波时间 TE=3.4 ms，反转角 FA=12°，矩阵=256×256，视野 FOV=240 mm2×240 mm2，体素大小=1.0 mm3×1.1 mm3×1.0 mm3，层数=188层，层厚=1 mm，激发次数=1次。

1.2.2 数据预处理  将采集的磁共振数据在Matlab上对静息态功能磁共振成像数据进行预处理，包括：剔除每个被试的前10个时间点采集的功能相图像;将数据调整为同一时间点;去除任意一个头动平移参数>±2 mm、旋转参数>2°的被试数据;空间标准化（3 mm3×3 mm3×3 mm3体素）;采用半高宽为6 mm的高斯核函数进行空间平滑;去线性漂移;带通滤波：减少低频漂移及高频噪声的影响;去除协变量：将6个头动参数信号、灰质及白质信号和脑脊液信号作为噪声干扰协变量进行线性回归排除干扰。

1.2.3 VMHC数据处理  将预处理后所有的T1图像标准化到蒙特利尔神经研究所（MNI）脑空间模板产生一个平均的T1图像;然后使用左右镜像版本将图像沿中线翻转成大脑左右半球图像，与原始图像取平均后生成一个对称模板;再将所有受试者静息状态功能图像非线性变换配准到这个对称脑模板上。采用rs-fMRI数据分析工具包REST_V1.8进行分析，计算每个体素与左右大脑半球相应体素时间序列之间的 Pearson相关系数（即VMHC值），得到每个被试全脑的VMHC值，将数据进行均值标准化，使用Fisher z-转换将VMHC值转换为z值使其服从正态分布，最终获得两侧大脑半球的功能连接图。

1.3统计学方法

利用SPSS 20.0统计学软件对呈正态分布的参数采用两个独立样本t检验，非正态分布者采用Mann-Whitney U检验，呈偏态分布的数据经过对数变换以改善其正态性，在随后的分析中使用对数转换值。性别比较采用χ2检验。为研究GHD患者两半球的连接差异特性，以年龄、性别、头动参数作为协变量进行校正，对GHD组与ISS组进行了双样本t检验的统计比较。使用AFNI中的3dClustSim进行多重比较校正，将组间差异统计显著水平设为 P<0.005，最小团块大小为30个体素，对应于校正P<0.05，作为具有统计差异脑区。通过Pearson 相关计算脑区降低的VMHC值与临床量表各项的相关系数。

2 结果

2.1 人口统计学和临床特征

两组生长激素激发峰值比较，差异有统计学意义（P<0.05），性别、年龄、其余临床实验室指标及儿童神经心理学数据等各项资料比较，差异均无统计学意义（P>0.05），具有可比性。见表1～2。

2.2 GHD组与ISS组之间VMHC值分析结果比较

ISS组、GHD组无双侧半球VMHC显著增高的脑区，而壳核、脑岛（封三图8）、眶额上回（封三图9）显示VMHC值降低。见表3。

2.3 差异脑区的VMHC值与神经心理学量表及生长激素的相关性

与ISS组相比，GHD组差异脑区中双侧脑岛的VMHC 值与焦虑（图1）、恐怖（图2）呈正相关，与内外向（图3）呈负相关。此外，本研究并未发现壳核及眶额上回异常的功能连接强度值与三大量表中各项存在显著相关性。

另外，双侧眶额上回VMHC降低值与生长激素基础值呈明显负相关（图4）。脑岛和壳核均未发現与生长激素基础值有相关性。

3 讨论

本研究为首次对生长激素缺乏儿童双侧大脑半球间连接功能影响的研究，结果发现缺乏生长激素的患儿双侧大脑局部区域的协调性下降，进而可能引起一些情绪及认知的处理障碍。在儿童期大脑一系列神经系统的发育、成熟具有显著可塑性，生长激素除了影响骨骼的生长，也影响到大脑的发育及各方面的调节功能。同伦功能连接的局部特异性与大脑的功能等级相一致，其发育轨迹具有局部和等级的特异性[3]。

2011 年，Menon提出了默认网络（DMN）、执行控制网络（ECN）和突显网络（SN）在内的“三网络模型”概念，三大网络密切交互，在精神病理学和高级认知过程中起着重要的基础作用[4]。SN是一类任务正激活网络[5]，主要负责任务的启动、维持以及错误的检测等，通过情感主观意识协调将得到的刺激分配给DMN还是ECN再进行处理[6]。脑岛、壳核作为SN的关键组成部分[7]，在处理高级认知功能（包括社会和情感信息）中起着重要作用[8]。脑岛的功能障碍可能导致患者异常的突显性加工过程，导致许多神经精神障碍（自闭症、精神病、痴呆症）[9]。另有研究表明，脑岛损伤后将会引起厌恶情绪、情绪和意志行为、成瘾行为和语言有关的障碍[7]。Stein等[10]研究表明，焦虑障碍与SN中的异常活动相关。这些临床发现尽管是初步的，但表明脑岛功能改变是许多焦虑症的一个特征。另外，Murphy等[11]研究表明，脑岛优先参与个体情绪的表达如快乐、悲伤、恐惧和厌恶。脑岛间的网络通信出现障碍后会减低其对恐惧记忆的巩固。本研究结果显示，双侧大脑半球脑岛间的VMHC值减低，且与焦虑及恐怖评分呈正相关，提示双侧脑岛间调节的功能失调可能导致焦虑、恐怖的情绪协调不良。

本研究结果显示，GHD组脑岛的功能减低与内外向值呈负相关。基于艾森克人格量表对内外向的分析，分值越高表示性格越外向。外向-内向是指个体在社会行为上的差异，是人格的核心维度[12]。外向性包括社交能力、健谈、寻求刺激、精力充沛、情感易于激动、自信和乐观等特征。在过去，关于外向性的神经生物学研究几乎完全是建立在问卷调查的基础上。而部分静息状态神经影像学研究中，发现眶额皮质、脑岛和海马等脑区与外向性存在显著相关性[13]。在另一项研究中，显性外向性与焦虑呈强烈的负相关，表明个体越外向，他/她报告的外向性和大脑对面部情绪反应的关系就易于产生焦虑[14]，这似乎可以解释本研究中人格特性和情绪与同一个脑区出现相反的相关性。

壳核是构成基底神经节背侧纹状体的一部分，基底节属于人类大脑镜像神经元系统，主要与大脑心智理论等功能紧密相连[15]，被认为与目标导向行为的准确执行有关[16]。PUT主要功能是调节机体运动，在学习任务和工作记忆任务中表现也很活跃。已经发现PUT在儿童多动症及一些神经退行性疾病的病理生理机制中存在异常静息状态功能连接模式[17]。Vigneau等[18]发现，壳核在语言中的作用不仅仅是左壳核，而且是与右壳核共同激活。证明了双侧壳核在信息的沟通中存在高度的共同激活网络。既往研究表明，长期生长激素缺乏的患者存在记忆力和注意力下降，且下降程度与生长激素缺乏严重程度相关，儿童期起病的青壮年生长激素缺乏症（GHD）患者应用GH治疗可改善其记忆力和注意力[19]，虽然本研究中未发现壳核与三个临床量表间存在相关性，但不能排除长期激素缺乏的累积效应会导致这些功能的下降或失调，有待于大样本的长期随访进行验证。

眶额上回位于额叶前下方的额叶皮层区域，属于ECN的一部分，与脑内较多重要功能区域存在广泛的结构连接，是处理视觉、空间，尤其情感信息的重要中心部分，参与多项高级认知功能，包括抑制控制、决策和工作记忆，牵涉到人们对风险、奖赏与惩罚的敏感性[20]。临床研究表明，眶额上回功能损害会导致强迫性获取奖赏的行为，会导致严重的情绪失控，会使患者在冲动抑制及对事件的理解上出现问题。本研究结果显示，与ISS组相比，GHD组出现眶额上回VMHC值下降，且其与生长激素基础水平呈负相关，提示GHD儿童受到生长激素的影响存在眶额上回功能连接的改变、功能活动异常，可能导致个体认知与情绪加工过程异常，但在本研究中尚未发现与三个临床量表相关项目有相关性，尚无法证明眶额上回的功能连接异常会产生相应的症状，需要更多的、更科学的方法进行探索。

本研究未发现任何脑区的VMHC值升高，可能是两半球之间尚未发生代偿性增高的功能连接，或部分半球间异常的功能连接还未达到 VMHC 可检测的程度，同时需要考虑可能由于样本量过小造成的假阴性。在统计学角度，本研究样本量小可能存在数据偏倚，是本研究的不足，在今后的研究中可以扩大样本量，并在纵向研究中利用神经心理任务测试患者的认知功能，以进一步明确生长激素与认知功能损害间的关系。另一方面，采用对称的标准模板，对图像数据进行平滑处理，以改善镜像区域之间的函数相关性。然而，人脑并不是完全对称的。尽管形态不对称不能解释VMHC的降低[21]，但对称的影响不能完全消除。对这些结果的解释还需要结合其他功能与结构，以加深对GHD患者局部脑区VMHC值降低机制的理解。

綜上所述，与ISS对照组相比，GHD患者双侧脑岛、壳核、眶额上回之间的VMHC存在缺陷，且眶额上回VMHC的降低与基础生长激素值呈负相关。值得注意的是，VMHC并不直接反映脑区的功能状态（激活或减弱），只是反映两侧大脑半球的功能程度，也就是大脑半球间工作的一致性和协调性。既往研究显示，脑岛、壳核、眶额上回在情绪、认知中具有重要作用，为今后研究长期生长激素缺乏对人脑的结构、功能产生的改变，以及所产生的儿童情绪、认知、学习、行为的变化，提供了进一步的支持性证据。

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（收稿日期：2020-12-12）