飞行员静息态脑功能局部一致性研究

徐开俊，刘 锐，陈锡硼，陈 曦

（中国民用航空飞行学院飞行技术学院，广汉 618307）

0 引言

近年来，中国民用航空局出台了《关于全面深化运输航空公司飞行训练改革的指导意见》，该文件明确指出了今后飞行员训练体系的发展方向，从飞行员的培训理念、训练方式、管理模式等方面进行全方位改革，建立飞行员技能全生命周期管理体系。飞行员核心胜任力需要通过理论分析和训练落地综合考量，理论分析主要从经典心理学角度对飞行员的岗位胜任力、心理胜任力和作风胜任力进行分析，训练落地则通过数据驱动分析去推进，对飞行员的作风数据、心理测评数据、医学脑影像数据和飞机的QAR数据进行分析，将飞行员核心胜任力的训练落地进行科学量化，养成飞行员不同阶段的核心胜任力，形成全生命周期管理，进而满足民航局对民航发展提出的新要求。其中医学脑影像数据可以从高级神经机制层面发现飞行员内在脑功能的改变，是当今无创研究脑结构和脑功能的重要方式，本文通过对飞行员脑功能机制的研究，定位与飞行训练相关联的脑区，为飞行员的选拔和培训提供新思路。

国内外的大量研究表明，飞行员的脑功能和脑结构与普通职业者相比有明显差异。刘洁等人使用分数低频振幅和局域一致性方法研究飞行员在低氧暴露环境下对脑功能的影响，为低氧暴露后飞行员认知功能的变化提供了神经影像学方面的证据；Adamson MM、Taylor JL等人发现通过飞行训练会致使飞行员的大脑功能和结构发生一些改变；本实验的前期研究还发现飞行员的脑内默认模式网络（default mode network，DMN）发生改变，DMN的连通性通过飞行员的飞行训练得到增强。由此可见，与普通职业者相比飞行员的脑功能和脑结构确实因长期飞行训练发生改变。通过精确定位差异脑区，讨论分析差异脑区的结构和功能，找到促使脑区发生改变的原因，为选拔和培养高素质飞行员提供影像学依据。

本研究使用了局部一致性（regional homoge⁃neity，ReHo）研究方法来探究在静息状态下飞行员与正常人脑活动的不同。局部一致性是假设一个活动的功能区内相邻体素的时间序列具有相似性，用肯德尔和谐系数（Kendall’s Coeffi⁃cient of Concordance，KCC）来度量这种相似性，KCC值越大代表这些时间序列越相似。KCC值又称ReHo值，通过利用各个脑区神经元进行活动的同步性比较强的特点来反映脑区的活动性，脑区神经元活动的同步性又是通过ReHo值的大小来间接反映的，而ReHo值直接反映的不是信号强度，而是脑区脑区局部血氧水平依赖（BOLD）信号时间序列的同步性。计算ReHo值首先通过计算出受试者大脑的每个体素的ReHo值，进而得到受试者的ReHo脑图。

1 对象和方法

1.1 研究对象

本次实验的受试者分为由飞行人员组成的实验组和由普通地面工作者组成的对照组，实验组所有的受试者为年龄在23～25岁之间的男性，总计26名，其中包括中国民用航空学院飞行教员、民用航空飞行员和通用航空飞行员，对照组为与实验组年龄、性别、受教育程度相匹配的普通职业者，总计24名。

入组标准：①所有的被试都是右利手。②受试者均身体健康，头部均未曾受到过创伤。③被试自己和被试的一级家属没有过神经系统方面的病史。④本科学历。⑤受试者均为自愿参与本次实验研究，对实验内容均知情并得到本人同意。本实验经电子科技大学磁共振成像研究中心伦理与人体保护委员会批准，所有参加实验的人员都在实验前了解了实验过程并签署了被试同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 影像学数据采集

本实验所有核磁共振数据采用中国电子科技大学磁共振成像中心的3.0T MRI扫描仪（DISCOVERY MR 750，GE Healthcare,Wauke⁃sha WI,United States）获取。功能性磁共振图像采集使用标准梯度回波脉冲序列，具体参数设置如下：重复时间/回波时间=2000/30 ms，翻转角=90°，扫描矩阵=64×64，视野=24×24 cm，层厚=4 mm（无间隔）。每名受试者共采集255次全脑，每次全脑35层。进入扫描室前要求受试者摘除身上所有金属材质的物品并佩戴防噪声耳塞，为避免实验过程中受试者头动过大，在实验前将受试者头部用泡沫垫等物体固定，随后关闭磁共振室内的所有灯光，避免光亮对受试者产生影响；在扫描的过程中，为避免进行特定的思考对受试者产生影响，所有受试者都是平卧闭目休息。

1.2.2 影像学数据处理

磁共振仪扫描得到的图像数据均为DICOM格式，通过dcm2nii软件对扫描的原始数据进行格式转换，便于后续的处理计算。进行预处理之前去除每个受试者数据的前5个时间点，用以消除机器启动时其磁场不稳定而对图像质量产生的影响。基于MATLAB2013b平台，采用静息态脑功能数据辅助处理工具SPM12对采集的原始数据进行预处理。对每个受试者的功能磁共振成像数据分别进行以下操作：①时间层校正。②头动校正。③空间标准化。将个体脑影像配准到蒙特利尔神经研究所（montreal neurological institute，MNI），标准化空间3×3×3 mm。④去除线性飘移。⑤滤波（去除频率在0.01～0.08 Hz以外的信号）。

根据头动校正曲线，飞行员组去除两个受试者，对照组去除一个受试者，去除的标准是头动平移＞1.5 mm或转动角度＞1.5°。

1.2.3 ReHo计算

将经过预处理的数据使用REST软件计算出每个被试的ReHo值，最后对计算完成的数据进行统计学分析。在计算ReHo值时首先比较全脑每个体素与其周围相邻的26个体素在时间序列上的相似程度，计算得到该体素的肯德尔和谐系数即KCC值，计算特定一个体素的KCC值的计算如下所示，接下来用每个体素的KCC值除以全脑的所有体素的KCC均值，得到的就是标准化的ReHo值。最后，以一个半高全宽（fullwidth at half maximum，FWHM）为6 mm的各向同性的高斯核对ReHo图进行平滑处理。

在公式（1）中，指的是特定体素的肯德尔系数KCC，指的是时间点的个数，本研究中=255；指的是某一特定的体素以及与他相邻体素的个数，本文中=27，27个体素最终构成了一个团块；R是指第个时间点各个体素的体素值等级总数，指的是该体素的所有时间点的等级平均数。

1.2.4 统计学分析

基于MATLAB2013b平台使用SPM12工具包进行两组受试者ReHo值的统计学分析，在统计的过程中将受试者的年龄作为协变量，使用双样本检验统计飞行组与对照组的ReHo值存在差异的脑区。计算之后使用高斯随机场（Gauss⁃ian Random-Field，GRF）多重比较校正对统计结果进行校正处理。校正以后，两组之间的ReHo值在P＜0.005的差异脑区具有统计学意义，最后将结果叠加到Ch2模板上进行展示。

2 结果

ReHo分析结果显示，与对照组相比，飞行组左侧额上回（Peak点坐标：=24，=54，=27，连续体素值为63，＜0.005，GRF校正，voxel＞62）的ReHo值显著降低，未发现ReHo值增高的脑区。如表1、图1所示。

表1 两组ReHo值有差异的脑区

图1 两组脑区ReHo值双样本t检验结果

3 结语

本文采用的ReHo分析法可以用来评估大脑一些区域的神经元自发活动的协调水平。ReHo对邻近体素活动的相似程度进行了描述，将不同体素的时间序列用肯德尔和谐系数计算相似性，整个大脑所有体素都会获得一个KCC值，组成全脑的ReHo图。本文的研究结果发现，飞行员与普通职业者相比，其左侧额上回的的ReHo值出现明显下降。额上回属于前额叶皮质，可以接受来自感觉皮层的神经信号，在人类的情绪、认知活动以及执行功能中扮演着重要的角色，其中还包括保存工作记忆并进行处理，目的性活动，注意的控制以及抽象化思维等。背外侧额叶上回属于皮质运动区的一部分，参与运动的调节，包括控制速度、力度、运动方向等。通过调查，在长期飞行训练的影响下，飞行员对于运动物体的捕获能力会有所提高，但是在对于速度、力度、运动方向的认知方面是有所衰退的。飞机的起飞是从二维转为三维的运动过程，因个人身体素质不同，在此过程中经常会导致运动错觉的发生。尤其是在恶劣天气下，由于能见度降低，无法建立目视参考系，飞行员常会迷失方向，甚至出现“倒飞的错觉”。据统计，至少90%以上的飞行员都发生过飞行错觉，即飞行员在飞行时很可能不能正确地判断出飞机的位置、运动或者飞机的姿态发生的改变。经过长期飞行训练以及飞行过程中飞行错觉的影响，使得飞行员左侧额上回脑区的活动强度有所下降。

综上所述，采用ReHo分析法，分析了飞行员与普通职业者静息态下大脑神经元自发活动的协调水平，结果显示飞行员在速度、运动方向等方面的感知程度有所下降，有望为飞行员职业病预防方面提供参考，同时也为飞行员脑机制的研究提供了神经影像学方面的依据。未来的研究将增加样本的容量，选出飞行时间较长的有代表性的飞行员继续研究，探究其脑区变化特性，以图像形式解释飞行员在经过长期飞行训练之后与普通职业者之间存在的脑功能机制差异，找到飞行员这一特殊职业激活程度发生改变的脑区，为优质飞行员的选拔提供影像学依据。