封闭隔离环境暴露对海员脑功能影响的静息态fMRI研究

摘要：目的 "探讨海上封闭隔离环境及暴露年限对海员脑功能活动的影响，为预防职业环境暴露对海员脑功能损伤提供依据。方法 "于2023年8月招募30名长期从事海上作业的男性职业海员作为海员组，年龄19～29岁，工作年限1～11年，在三亚市人民医院采用Magneton Skyra 3.0 T磁共振扫描仪进行静息态脑功能磁共振成像；匹配无海上作业经历的普通被试30名作为对照组，年龄18～28岁，Magneton Skyra 3.0 T静息态磁共振数据从OpenNeuro公共数据库下载。计算两组静息态ALFF、fALFF和ReHo指标，采用双样本t检验比较两组间脑区ALFF、fALFF和ReHo的差异，进一步采用偏相关分析法分析ALFF、fALFF和ReHo值与海员工作年限和出海年限的相关性。结果 "与对照组相比，海员组右侧中央后回和右侧小脑脚1区的ALFF值较高，左侧嗅皮质的ALFF值较低；左内侧和旁扣带脑回以及右颞级颞上回的fALFF值较高，右侧枕中回、左侧顶下缘角回、左侧中央前回和右侧中央前回的fALFF值较低；右侧海马旁回ReHo值增高，右侧颞下回、右侧眶部额中回、左侧顶下缘角回、左侧角回、右侧颞中回和左侧颞中回ReHo值降低，差异有统计学意义（Plt;0.05），采用GRF校正，体素水平Plt;0.001，团块水平Plt;0.05。海员组右侧中央后回ALFF值与海员工作年限呈弱正相关（r=0.369，P=0.049），右侧枕中回fALFF值与海员工作年限呈弱负相关（r=-0.370，P=0.048）。结论 "长期职业封闭隔离环境暴露对海员多个脑区的脑功能活动造成影响，海员右侧中央后回的ALFF值与工作年限存在弱正相关性，右侧枕中回的fALFF值与海员的工作年限呈弱负相关。

关键词：封闭隔离环境；静息态功能磁共振；脑功能；海员

Influence of exposure to a closed and isolated occupational environment on seafarers brain function by resting-state fMRI

CHU Zhezhe1， 2， ZHANG JianPing1， CAI Zhiyuan3， CHEN Shuanghong1

1Naval Medical Center， Naval Medical University， Shanghai 200433， China; 2School of Exercise and Health， Shanghai University of Sport， Shanghai 200438， China; 3Department of Chemistry， FuDan University， Shanghai 200433， China

Abstract： Objective To investigate the effects of marine closed isolation environment and exposure years on seafarers' brain function， and to provide evidence for preventing occupational environmental exposure to seafarers' brain function injury. Methods In August 2023， 30 male professional seafarers who have been engaged in marine operations for a long time were recruited as seafarer group， aged 19～29 years old and with 1～11 years of working experience. Resting-state functional brain MRI was performed on seafarers using the Magneton Skyra 3.0 T MRI scanner in Sanya People's Hospital. A total of 30 subjects with no experience of working at sea were matched as control group， aged 18～28 years old. The Magneton Skyra 3.0 T resting-state magnetic resonance data for the control group were downloaded from the OpenNeuro public database. The resting state ALFF， fALFF and ReHo indexes of the two groups were calculated. The two-sample t-test was used to compare the differences of ALFF， fALFF and ReHo between the two groups， and the correlation between ALFF， fALFF and ReHo values and the working years and years of at sea was further analyzed by partial correlation analysis. Results Compared with control group， the ALFF values of the right postcentral gyrus and right cerebellar foot area 1 were higher in the seafarer group， and the ALFF values of the left olfactory cortex were lower in the seafarer; The fALFF values of left median cingulate and paracingulate gyrus and right superior temporal gyrus were higher in the seafarer group compared with the control group， and the fALFF values of right middle occipital gyrus， left inferior parietal angular gyrus， left precentral gyrus and right precentral gyrus were lower in the seafarer group; The ReHo values of the right parahippocampal gyrus were higher in the seafarer group， and the ReHo values of the right inferior temporal gyrus， the right orbital middle frontal gyrus， the left inferior parietal angular gyrus， the left angular gyrus， the right middle temporal gyrus and the left middle temporal gyrus were lower in the seafarer group. All the above differences were statistically significant （Plt;0.05）， corrected by GRF， with voxel levels Plt;0.001 and cluster levels Plt;0.05. In the seafarer group， there was a weak positive correlation between the ALFF values of the right posterior central gyrus and the working years （r=0.369， P=0.049）， and the values of fALFF of the right middle occipital gyrus was weak negative correlated with the working years （r=-0.370， P=0.048）. Conclusion Long-term exposure to occupational closed isolation environment had an effect on the brain function activities of seafarers in multiple brain regions， and there was a weak positive correlation between the ALFF values of the right postcentral gyrus and the working years ， and the fALFF values of the right middle occipital gyrus was weak negative correlated with the working years .

Keywords： closed and isolated environment; resting-state functional magnetic resonance; brain function; seafarers

海员远洋作业，工作生活环境狭小封闭、与外界相对隔离孤立。研究显示，8 h急性隔离即可对人心理和生理产生影响［1］，全封闭环境对心理健康产生影响，焦虑情绪上升［2］；短期密闭驻训环境，对新兵注意、视空间等脑功能产生损害［3］。因此，封闭隔离环境影响情绪和脑功能。我国是海洋大国，海员作为特殊的职业群体为国家远洋运输业做出了重大贡献。而目前，海上长期封闭隔离作业环境对海员脑功能的影响迄今还未有系统性研究。既往针对海员的研究多采用调查问卷的形式，且集中在心理健康层面，未能进行全面客观的深入研究。而采用更先进的技术深入探索了解封闭隔离环境对海员脑功能的影响，可以帮助揭示职业封闭隔离环境暴露对海员脑功能和认知能力的可能损害，为海员的职业健康提供保障。

静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）是一种无创的脑功能研究有效手段，其原理是利用神经元活动引发血氧水平依赖信号对比，监测静息状态下大脑自发神经元活动，可提供全面、客观的脑神经功能信息，现已广泛应用于脑科学和相关神经疾病的研究中，如阿尔茨海默症、认知障碍等［4-5］。rs-fMRI具有的操作便捷、可重复性高、无关变量少等优点，可以帮助更清晰地了解海员大脑活动的本质。常规rs-fMRI分析指标包括低频振幅（ALFF）、比率低频振幅（fALFF）和局部一致性（ReHo），可以帮助了解海员大脑的功能分离能力，即不同脑区自身的功能［6-8］。以上指标基于体素的分析方法，无需先验假设，稳定性和可重复性好，可用于反映大脑的局部神经活动特征［9］。本研究旨在以ALFF、fALFF和ReHo为分析指标，用rs-fMRI技术开展海员脑成像检测，探究长期海上封闭隔离工作环境对海员脑功能活动的影响，以期揭示职业环境暴露对海员脑功能和认知能力的影响及可能损害，为海员职业健康防护手段研究提供依据。

1 "资料与方法

1.1 "一般资料

于2023年8月从国内某航运公司招募30名长期从事海上作业的男性职业海员作为海员组，均为专科及以上学历，均为右利手。纳入标准：年龄≥18岁；有出海经历。排除标准：有神经或精神疾病病史；MRI禁忌证。30名海员全部入选海员组，年龄19～29岁，工作年限1～11年，出海年限1～9年。从OpenNeuro公共数据库（https：//openneuro.org/datasets/ds004349/versions/1.0.0）匹配30名无海上作业经历的普通被试作为对照组，其中男性16例，女性14例，年龄18～28岁。纳入标准：右利手，无神经或精神疾病病史，无MRI禁忌证。排除标准：服用影响大脑功能的药物。两组受试者头动参数的（meanFD_jenkinosn）差异无统计学意义（Z=-0.857，Pgt;0.05），年龄和性别的差异有统计学意义（Z=-4.523，Plt;0.001；χ2=18.261，Plt;0.001），为排除头动、年龄以及性别对影像资料的影响，在后续的统计分析中将此作为协变量进行处理。所有受试者在实验前了解本研究的目的及意义并签署知情同意书，本研究已得到中国人民解放军海军特色医学中心伦理管理委员会的批准（伦理审批号：2022081901）。

1.2 "数据采集

海员组静息态磁共振数据在三亚市人民医院的Magneton Skyra 3.0 T 磁共振扫描仪上采集。扫描过程中，受试者安静，闭眼，保持清醒且尽量不思考，平卧检查床，用耳塞阻隔噪声，用海绵垫固定头部。BOLD序列扫描参数：重复时间2020 ms，回波时间30 ms，层厚3 mm，层数33，视野220 mm×220 mm，矩阵74×74，翻转角90°，扫描时间约6 min 10 s。T1加权结构像扫描参数：重复时间2500 ms，回波时间2.38 ms，层厚0.8 mm，层数192，视野256 mm×256 mm，矩阵 300×320，翻转角 8°，扫描时间约6 min 44 s。

对照组静息态磁共振数据从OpenNeuro公共数据库下载（Magneton Skyra 3.0 T 磁共振扫描仪上采集）。扫描过程中要求被试睁眼注视屏幕中的“十”字形标识。BOLD序列扫描参数：重复时间2000 ms，回波时间25 ms，层厚2 mm，层数72，视野208 mm×208 mm，矩阵104×104，翻转角90°，扫描时间8 min。T1加权结构像扫描参数：重复时间2500 ms，回波时间3.43 ms，层厚1 mm，层数176，视野256 mm×256 mm，矩阵256×256，翻转角7°，扫描时间6 min。

1.3 "影像数据处理

1.3.1 "对照组静息态磁共振数据时间点提取 " 使用dcm2niigui软件提取对照组静息态磁共振数据的前180个时间点，使之与海员组相匹配。

1.3.2 "预处理 " 采用基于Matlab 2021b平台的DPARSF 6.0工具包进行所有rs-fMRI数据的预处理与指标计算。即：数据格式转换；去除前10个时间点的数据；时间校正；头动校正（meanFD_jenkinsonlt;0.2的被试进入后续分析）；空间标准化，即首先将受试者的功能像与其 3D‑T1 结构像进行匹配，然后将所有图像配准到蒙特利尔神经病学研究所标准模板；去线性漂移；回归协变量（白质、脑脊液）

1.3.3 "ALFF和fALFF指标计算 " 基于预处理的结果计算ALFF和fALFF指标并进行标准z变换，然后以0.01～0.1Hz进行带通滤波。

1.3.4 ReHo指标计算 "基于预处理的结果在 0.01～0.1 Hz进行滤波处理后计算ReHo值，然后进行标准z变换。

1.3.5 "平滑 " 以上所有指标采用半宽高为6 mm的高斯平滑核对图像进行空间平滑。

1.4 "统计学分析

采用SPSS26.0软件进行统计学分析。采用Shapiro-Wilk检验法分析各计量资料是否符合正态分布，符合正态分布的计量资料以均数±标准差表示，采用两独立样本t检验进行比较；非正态分布的计量资料以中位数（上下四分位数）表示，采用秩和检验进行比较；计数资料以n（%）表示，采用卡方检验比较组间差异，以Plt;0.05为差异有统计学意义。采用DPARSF 6.0工具包统计分析两组被试的影像数据，采用双样本t检验（年龄、性别和头动参数）作为协变量，比较两组被试的ALFF、fALFF和ReHo值，多重比较校正采用高斯随机场理论，体素水平Plt;0.001，团块水平Plt;0.05。分别提取海员组存在组间差异脑区的ALFF、fALFF和ReHo值，与海员的工作年限和出海年限进行偏相关分析。

2 "结果

2.1 "两组影像学资料比较

与对照组相比，海员组右侧中央后回和右侧小脑脚1区ALFF值增高，左侧嗅皮质ALFF值降低（Plt;0.05，图1A）；左内侧和旁扣带脑回以及右颞级颞上回fALFF值增高，右侧枕中回、左侧顶下缘角回、右侧中央前回和左侧中央前回fALFF值降低（Plt;0.05，图1B）；右侧海马旁回ReHo值增高，右侧颞下回、右侧眶部额中回、左侧顶下缘角回、左侧角回、右侧颞中回和左侧颞中回ReHo值降低（Plt;0.05，图1C、表1）。

2.2 "海员组ALFF、fALFF、ReHo值与工作年限和出海年限的偏相关性分析

海员组差异脑区的ALFF、fALFF和ReHo值与海员的工作年限和出海年限的偏相关分析（控制年龄）结果显示，海员组右侧中央后回的ALFF值与海员的工作年限呈弱正相关（r=0.369，P=0.049），右侧枕中回的fALFF值与海员的工作年限呈弱负相关（r=-0.370，P=0.048）。其余所有差异脑区的ALFF、fALFF和ReHo值均与工作年限和出海年限无显著相关性（Pgt;0.05，表2）。

3 "讨论

海员远洋作业远离社群，处于孤立、隔离、狭小封闭空间，工作强度高、作业工序单调。该复杂工况对船员生物节律、个体认知、行为决策、社交情感等生理、心理功能产生重要影响。脑是调节个体“环境-生理-心理”弹性适应性的顶层功能器官。rs-fMRI技术是研究脑功能的有效手段，ALFF、fALFF、ReHo指标是脑局部自发神经元活动的可靠生物测量指标。本研究采用ALFF、fALFF和ReHo指标研究静息状态下海员的局部脑活动，通过对比发现海员与普通被试的局部脑活动差异主要集中在额叶、顶叶、颞叶等区域。

本研究发现海员右侧中央后回和左侧小脑脚1区的ALFF值增高、中央前回fALFF值降低。中央后回位于大脑顶叶，主要接收躯体感觉信息、并存储感觉体验，小脑协同平衡、协调和姿势等自主运动功能［10］。远洋作业船舶始终处于颠簸或振动摇摆状态，对人员体位自主平衡调节能力要求增加，海员中央后回和小脑部分脑区局部神经元自发活动增加有助于更好感知躯体信息、并维持海上颠簸状态身体的平衡。旁中央小叶部分位于顶叶，参与运动控制，在模拟宇航员微重力实验中旁中央小叶的功能活动降低，而小脑局部脑活动增加以代偿旁中央小叶的功能降低，用于协调精细运动，这与海员小脑的功能活动略有不同［11］。中央前回主要与动作技能学习和动作控制能力有关［12-13］。维持长期持续学习和大量记忆的舞蹈练习者，中央前回fALFF值增高、局部脑功能活动增强［10］。本研究中海员中央前回功能活动减弱，可能与现代船舶自动化程度高，对人员操作技能要求减少，岗位工序的单调枯燥程度增加相关。

既往对海员静息态脑功能磁共振的研究结果几乎都集中在额叶［14-15］。额叶是大脑默认网络中关键的信息交互脑区，功能涉及心理、记忆、运动、执行决策等［16-17］。额叶功能减弱易出现偏执、抑郁等心理亚健康表现［14， 18］。有研究报道，相较于普通健康受试者，心理亚健康海员默认网络差异主要集中在额叶、且激活程度相对减弱［19］。ALFF与ReHo升高结果大多与静息状态下默认模式网络被激活重叠，ReHo值降低与局部脑区神经活动受抑制、区域活动连贯性和中心性降低相关。本研究中海员右侧眶部额中回ReHo值降低，提示额叶功能活动减弱。这可能会增加海员工作的焦虑、不稳定情绪等心理问题，降低应对海上复杂环境能力。船舶密闭舱室的燃油、人员体味等，一直是海员反映的突出问题。长期特定气味刺激、可以钝化气味受体、出现嗅疲劳［20-22］。海员左侧嗅皮层的自发神经活动减弱（ALFF值降低），可能与复杂气味的长期刺激相关。研究表明，初级嗅觉皮层（包括梨状皮层、内嗅皮层、杏仁核等区域）激活体素数的变化可以反映嗅觉功能的改变［23］，嗅觉功能损害先于认知功能下降出现［24］。一项嗅觉fMRI研究发现认知下降组比认知未下降组初级嗅觉皮层激活体素数明显减少［25］，海员嗅皮层功能活动的减弱可能是认知功能下降的前期症状，长期发展会导致出现记忆力减退、思维能力下降等表现。

海员在执行海上任务时需要全方位的辨别周围信息，日常维护和复杂紧急情况的处理多听从上级指挥，对于听觉信息的调节效率要求较高。本研究显示，海员右侧颞上回自发活动增强（fALFF值增高）。颞上回对听觉信息进行初步加工［26］，颞中回、颞下回接受枕叶输入的信息，是视觉加工的高级区域［27］。右侧颞上回区域活动增强，有助于海员提高调动听觉回路信息的效率，更好完成紧急情况处理。除颞中回、颞下回外，枕中回也参与视觉信息的处理，狭小封闭的生活环境使得海员的视空间受限，接收的视觉刺激丰富度减少，海员不需要耗费过多的精力去处理视觉信息，颞中回、颞下回和枕中回的功能活动可能发生适应性变化。与此相反，算盘专家则表现出与视觉空间工作记忆有关的大脑皮层活动增加［28］。在各种神经心理疾病中，ReHo值降低是局部功能受损的潜在迹象［29］。高海拔暴露后双侧颞上回的ReHo值降低，反映了与慢性高原暴露相关的感觉知觉和处理功能减弱［30］。在本研究中，海员左侧颞中回和右侧颞下回的ReHo值降低可能是海员视觉功能降低受损的潜在迹象。职业性噪声聋患者静息态右侧颞上回、右侧角回ALFF值增高，右侧角回和右侧额中回ReHo值降低，推测可能反映长期噪声导致中枢视听皮层改变并存在功能丧失或代偿可塑性［31］，海员海上作业面临的噪声风险也比较大，但日常海上作业对听觉辨别能力要求较高，所以海员有关听觉能力脑区的功能活动较高，这与噪声聋患者的大脑活动变化存在差异。慢性低氧环境暴露导致受试者认知能力下降，双侧颞下回的ALFF值增加，可能与局部血液供应的丰富程度和对缺氧的耐受性不同有关［32］。在健康受试者中，扣带回激活的增加与一系列认知和情绪功能相关，比如注意、冲突、稳态失调等［17］。当处于挑战性身体条件时，扣带回是活跃的，面对不断变化的复杂环境，稳态可能失调，注意力和执行控制的需求会增加，以充分满足对复杂和新颖刺激做出反应的需求［33］，海员内侧和旁扣带脑回的功能活动增加可能有助于抵消紧急状况时增加的认知需求。此外，扣带回还参与边缘系统的组成，前扣带回 ReHo值降低与抑郁症有关［34］，因此海上封闭隔离环境暴露可能导致海员抑郁水平增加。在本研究中，右侧中央后回ALFF值与海员的工作年限呈弱正相关性，右侧枕中回fALFF值和海员的工作年限呈弱负相关性，提示中央后回和枕中回有可能成为反映海员脑功能活动的独特脑区。

关于封闭隔离环境对人脑功能产生影响背后的生物学机制目前尚不完全清楚，相关的动物隔离实验可作为一些提示。脑源性神经营养因子（BDNF）是大脑中神经元突触可塑性的关键介质，它与中枢神经系统的功能密切相关。斑胸草雀的社交和听觉隔离导致听觉前脑BDNF通路和轴突引导功能被抑制，且这些变化与DNA甲基化发生改变有关［35］。同时，在成年社交隔离小鼠实验中也发现大脑的BDNF水平下降，而且小鼠的短时记忆受损［36］。隔离环境对小鼠的情绪产生一定影响，焦虑水平上升，大脑皮质的功能连接降低［37］，胶质细胞在其中产生一定作用［38-39］。相关研究显示，运动可以提高年轻和老年人的BDNF水平和大脑功能，改善记忆力［40］，舒缓情绪［41］。并且富含多酚和抗氧化剂的食物比如蓝莓、黑巧克力，以及新鲜蔬菜和坚果类食物等均可以增加BDNF并支持大脑健康。长期海上封闭环境使得海员与外界的沟通减少，且海上运动和食物受限，这些因素均可对海员大脑功能产生一定影响。

综上，海员所处的特殊职业环境不仅影响心理健康，同时对其听觉、视觉、空间感觉、机体协调性等方面信息的处理也产生了一定的影响，相关功能大脑活动的变化可以使海员更好地适应海上生活，以满足职业的内在需求，使海员的脑功能活动具有可塑性。以上结果的发现可以帮助更客观地了解海上封闭隔离环境对海员脑功能变化的影响，为保障海员的身心健康、日常的培训管理以及海上作业的安全做出一定贡献。重视海员的心理健康，定期开展心理辅导，日常培训注重提高海员视听整合能力、机体感知协调和应急反应能力或可更好地保障航行的安全，以降低海损事故的发生，更好的发展国家远洋运输业。

本研究为横断面研究，存在一定的局限性，难以明确海上封闭隔离环境对海员的长期影响，且本研究未明确海员的具体岗位，船舶类型以及航线。同时ALFF、fALFF和ReHo指标的分析注重不同脑区的功能，难以关注大脑不同脑区的交互作用。未来的研究应对海员的岗位、船舶和航线进行分类研究，进行长期追踪随访，采用更多的分析方法，比如独立成分分析、功能连接分析等研究大脑的功能整合能力，并探讨这些变化背后的潜在机制，从而建立更加完善的海员培训及健康管理体系，制定更加规范的行业标准。

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（编辑：郎 "朗）