馬興順 王娜 李睿博 胡小梅 張曉薇 鄧偉 唐金香 彭亞東 康林娥賀越 李曉 侯梟 傅一笑 蒙華慶 李濤

精神疾病有明確的遺傳基礎(chǔ)[1-2]，又與腦功能和腦結(jié)構(gòu)存在密切相關(guān)性。由于青少年處于腦結(jié)構(gòu)與功能發(fā)育的關(guān)鍵時間段，研究這一時期正常腦結(jié)構(gòu)發(fā)育對于腦功能及精神疾病的機(jī)制探索尤為重要[3]。腦結(jié)構(gòu)研究指標(biāo)包括腦容積、皮層面積、皮層厚度以及腦回曲率等，許多研究表明腦容積和皮層面積是腦發(fā)育過程的重要形態(tài)生物學(xué)指標(biāo)[4-6]。不同于皮層厚度，皮層面積測量指標(biāo)在腦容積計(jì)算中占很大比重[7-9]，而且研究證明皮層面積和皮層厚度這兩種常用的腦測量指標(biāo)各自擁有獨(dú)立的基因表達(dá)系統(tǒng)[10]。我們之前研究提示青少年腦皮層面積擴(kuò)張系由遺傳因素控制，而受環(huán)境因素干擾相對較少[11]。本研究進(jìn)一步拓展，用雙生子研究方法探索遺傳因素對青少年灰質(zhì)容積、皮層厚度的影響特點(diǎn)。

1 對象與方法

1.1 研究對象 經(jīng)重慶市教育委員會及所轄各中小學(xué)校授權(quán)獲得雙生子資料，募集青少年在校雙生子68對。納入標(biāo)準(zhǔn)：①12～18歲；②無軀體疾病、精神疾病及認(rèn)知功能障礙；③經(jīng)韋氏兒童智力量表測評,智力（intelligence quotient，IQ）≥80。 排除標(biāo)準(zhǔn)：頭顱MRI T1影像圖像模糊。最終納入57對雙生子（114名個體）。本研究經(jīng)重慶醫(yī)科大學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。所有受試者本人及其法定監(jiān)護(hù)人簽署書面知情同意。

1.2 利手與智力評估 利手調(diào)查采用英文版愛丁堡利手問卷；智力評估采用由龔耀先等于1993年修訂的中國修訂版韋氏兒童智力量表。

1.3 腦影像數(shù)據(jù)收集與處理 對所有受試者進(jìn)行頭顱磁共振掃描。使用重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院GE 3.0 T磁共振成像系統(tǒng)獲得高分辨T1加權(quán)圖像，用8通道頭線圈提高信噪比。受試者的3D T1圖像通過3D梯度回波序列獲得，掃描參數(shù)如下：回波時間（echo time，TE）為 2.8 ms，重復(fù)時間（repetition time，TR）為 6.2 ms，層厚為 1.2 mm，翻轉(zhuǎn)角為 25°，視野（fieldofview，F(xiàn)OV）為 24 cm×24 cm，矩陣為256×256，體素大小為0.47 mm×0.47 mm×1 mm，每名受試者全腦共采集166層矢狀位圖像。

大腦皮層重建計(jì)算使用Freesurfer_5.3.0軟件包[12-15]，該軟件包用系列設(shè)置的工具調(diào)用FSL影像軟件將被試T1加權(quán)像圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理。具體過程：①非均勻性校正磁場強(qiáng)度和去除顱外組織；②通過一連續(xù)性設(shè)置組件計(jì)算，對圖像進(jìn)行初步分割；③對灰白質(zhì)表面進(jìn)行高斯半峰全寬平滑，平滑核大小10 mm×10 mm×10 mm。

每名被試圖像以Desikan-Killiany腦圖譜為模板在原始空間進(jìn)行分割，皮層表面最終被分割為66個感興趣的腦區(qū)[12,16]。通過Freesurfer軟件計(jì)算分割出66個腦區(qū)各區(qū)的灰質(zhì)容積、皮層厚度具體值，再次依據(jù)Desikan-Killiany腦圖譜重新計(jì)算雙側(cè)額葉、頂葉、枕葉、顳葉及扣帶回共計(jì)10個分區(qū)的灰質(zhì)容積、皮層厚度。

1.4 雙生子卵型鑒定 所有受試者用K2EDTA抗凝管采靜脈血4 mL，-30℃冰箱速凍后送四川大學(xué)華西醫(yī)院精神衛(wèi)生實(shí)驗(yàn)室提取DNA。采用AmpFLSTRIdentifilerPCR Amplification Kit試劑盒 （ABI公司）檢測15個短串聯(lián)重復(fù)序列（short tandem repeat,STR）位點(diǎn)（D8S1179，D21S11，D7S820，CSF1PO，D3S1358，TH01，D13S317，D16S539，D2S1338，D19S433，vWA，TPOX，D18S51，F(xiàn)GA，D5S818）及牙釉蛋白基因（Amelogenin）進(jìn)行卵型鑒定（儀器Genetic Analyzer 3100AvantTM）。該方法鑒定分析同卵雙生子（monozygotic twins，MZ）的可靠性可以達(dá)到0.999[17]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 統(tǒng)計(jì)分析使用OpenMx_1.3.2-2301軟件包[16]，運(yùn)行環(huán)境為統(tǒng)計(jì)軟件R-2.15.2[17-18]。應(yīng)用雙生子結(jié)構(gòu)方程式模型估計(jì)加性遺傳因素（additive genetic factor,A）、 共享環(huán)境因素（common or shared environmental factor,C）以及特異性/非共享環(huán)境因素（unique or unshared environmental factor,E）對表型（腦灰質(zhì)容積、皮層厚度）總方差的貢獻(xiàn)程度，此模型的統(tǒng)計(jì)誤差包含在特異性環(huán)境因素（E）中[19-20]。用原始數(shù)據(jù)構(gòu)建單變量雙生子模型來估計(jì)在腦葉水平10個區(qū)域中，影響腦灰質(zhì)容積、皮層厚度的遺傳和環(huán)境因素分別所占比重（圖 1），采用最大似然法在起始模型（ACE）和其子模型（AE、CE和E）中選擇最佳模型[19-21]。檢驗(yàn)水準(zhǔn) α=0.05。

圖1 單變量雙生子結(jié)構(gòu)方程模型的示意圖，分析區(qū)域腦容積、皮層厚度受遺傳和環(huán)境因素影響程度。A為加性遺傳因素（additive genetic variance,A）；C 為共享環(huán)境（shared environmental variance,C）；E為特異性環(huán)境因素（unique environmental variance,E）。G為各腦區(qū)灰質(zhì)容積或皮層厚度的表型方差。a、c、e分別為路徑系數(shù)

2 結(jié)果

納入57對雙生子，其中同卵雙生子30對，異卵雙生子27對。同卵和異卵雙生子性別和年齡分布無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），見表1。所有納入雙生子均為右利手。

對所有受試者10個腦區(qū)灰質(zhì)容積、皮層厚度逐個構(gòu)建飽和模型 （saturated model）及子模型（submodel），10個腦區(qū)灰質(zhì)容積、皮層厚度的飽和模型和其子模型差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （P＞0.05），樣本同質(zhì)性較好，具有群體代表性。另外各腦區(qū)灰質(zhì)容積、皮層厚度的飽和模型與起始模型（ACE）亦不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），故可以進(jìn)一步構(gòu)建單變量ACE模型及其子模型AE、CE和E。

翠姨越來越瘦了，哥哥去到外祖母家看了她兩次，也不過是吃飯，喝酒，應(yīng)酬了一番。而且說是去看外祖母的。在這里年青的男子，去拜訪年青的女子，是不可以的。哥哥回來也并不帶回什么歡喜或是什么新的憂郁，還是一樣和大家打牌下棋。

表1 青少年雙生子性別及年齡分布

2.1 灰質(zhì)容積遺傳和環(huán)境因素分析結(jié)果 雙生子結(jié)構(gòu)方程示，對于灰質(zhì)容積，雙側(cè)扣帶回和右側(cè)枕葉遺傳度在ACE模型中無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （PNOA＞0.05，ACE與AE模型以及AE與E模型比較），其他腦區(qū)灰質(zhì)容積遺傳度均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （PNOA＜0.05，ACE與AE模型以及AE與E模型比較），而共享環(huán)境因素（C）貢獻(xiàn)度均較低或者接近于零，且無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（PNOC＞0.05，ACE與CE模型比較），特異性環(huán)境因素 （E）貢獻(xiàn)度也較低；各個腦區(qū)ACE模型與AE模型差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 （均P＞0.05），提示共享環(huán)境因素對各區(qū)灰質(zhì)容積影響可以忽略，E模型與 ACE模型 （P＜0.01）、AE模型（P＜0.01）比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，故最佳模型為AE。在最佳模型AE中，各腦區(qū)灰質(zhì)容積遺傳度均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（PNOA＜0.01，ACE與AE模型以及AE與E模型比較）。在ACE和AE模型中，額、頂、顳、枕、扣帶回灰質(zhì)容積表型遺傳度依次降低。見表2。

2.2 皮層厚度遺傳和環(huán)境因素分析結(jié)果 皮層厚度在ACE模型中各區(qū)大部分遺傳度均不高，除雙側(cè)扣帶回及右側(cè)額葉（PNOA＜0.05，ACE與AE模型以及AE與E模型比較），其他腦區(qū)遺傳度無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（PNOA＞0.05，ACE與 AE模型以及 AE與 E模型比較）。相比較各區(qū)皮層厚度的遺傳度（A）及共享環(huán)境因素（C）貢獻(xiàn)度與特異性環(huán)境因素（E），后者貢獻(xiàn)度明顯上升。大部分區(qū)域ACE模型與AE模型比較無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（PNOA＞0.05，除雙側(cè)扣帶回及右側(cè)額葉PNOA＜0.05），各區(qū)域ACE模型與CE模型均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（PNOC＞0.05），但大部分區(qū)域ACE模型與E模型比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（PNOAC＜0.05，除右側(cè)顳葉、枕葉、扣帶回PNOAC＞0.05），提示盡管大部分區(qū)域皮層厚度遺傳度和共享環(huán)境因素貢獻(xiàn)度均低，但不能同時忽略不計(jì)，因此最佳模型為ACE。見表3。

3 討論

在腦葉水平，本研究以青少年為對象獲得的結(jié)果與成人雙生子研究一致[22]，即遺傳因素對青少年腦灰質(zhì)容積影響呈絕對優(yōu)勢。以往關(guān)于抑郁癥和精神分裂癥患者的研究發(fā)現(xiàn)其腦區(qū)容積有明顯改變[23-25]，而抑郁癥和精神分裂癥是高度遺傳的精神疾病，故腦容積改變與精神疾病可能有共同的遺傳基礎(chǔ)，即遺傳因素既影響腦容積改變又影響腦功能改變。皮層厚度分別受遺傳因素[26-27]、共享環(huán)境因素、特異性環(huán)境因素共同影響。我們之前關(guān)于青少年腦皮層面積的雙生子研究發(fā)現(xiàn)，相同腦區(qū)的皮層面積、灰質(zhì)容積、皮層厚度遺傳度依次下降，尤其皮層厚度遺傳度下降更為明顯，而皮層厚度的特異性環(huán)境因素貢獻(xiàn)度明顯上升[11]，這提示青少年在腦認(rèn)知功能發(fā)育和訓(xùn)練時腦的可塑性變化在這3個結(jié)構(gòu)指標(biāo)中可能主要體現(xiàn)在皮層厚度改變。文獻(xiàn)研究也發(fā)現(xiàn)兒童青少年認(rèn)知發(fā)育與左側(cè)腦半球皮層厚度變薄相關(guān)[28]。最近研究提示同卵雙生子接受音樂訓(xùn)練會使左側(cè)半球聽覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擁有更大的皮層厚度[29]，而這種可塑性變化可能也體現(xiàn)在疾病之中[30]。有研究表明特異性環(huán)境因素在雙相情感障礙中扮演重要角色，這類患者腦皮層發(fā)生改變，尤其以皮層厚度變化最為明顯[31]。當(dāng)然由于在雙生子結(jié)構(gòu)方程模型中E除含有特異性環(huán)境因素外，還包含有誤差，因此皮層厚度受特異性環(huán)境因素E影響大的研究結(jié)果也可能是系統(tǒng)誤差所致。

表2 10個腦區(qū)灰質(zhì)容積在ACE和AE模型中各參數(shù)貢獻(xiàn)度及模型比較結(jié)果

表3 10個腦區(qū)皮層厚度在ACE和AE模型中各參數(shù)貢獻(xiàn)度及模型比較結(jié)果

由于灰質(zhì)容積計(jì)算依賴于皮層面積與皮層厚度，本研究發(fā)現(xiàn)皮層厚度受遺傳因素影響較小，故推測遺傳因素對容積的影響主要驅(qū)動因素依賴于皮層面積擴(kuò)張，而非皮層厚度；由于皮層厚度受環(huán)境因素影響較大，這使得相同區(qū)域灰質(zhì)容積遺傳度并沒有皮層面積高，三者比較皮層面積是更接近于遺傳的表型。

本研究納入雙生子研究青少年大腦分區(qū)灰質(zhì)容積、皮層厚度受遺傳和環(huán)境因素作用的特點(diǎn)，在基因與腦結(jié)構(gòu)關(guān)系研究、腦結(jié)構(gòu)與腦功能關(guān)系研究及腦功能遺傳學(xué)研究中可能存在應(yīng)用價值。

另外本研究亦有不足之處：①因小樣本雙生子研究，分組沒有考慮性別因素，因此結(jié)果是否存在性別差異是未知的；②小樣本統(tǒng)計(jì)不能發(fā)現(xiàn)較小的影響，此前皮層面積研究發(fā)現(xiàn)大部分區(qū)域共同環(huán)境因素影響幾乎可以忽略不計(jì)，故吸取之前經(jīng)驗(yàn)，在此次研究中并未進(jìn)一步探討66個腦區(qū)灰質(zhì)容積、皮層厚度的結(jié)果；③研究中區(qū)域面積分割是以傳統(tǒng)的D-K腦圖譜為模板，該圖譜非基于遺傳圖譜，分割帶有一定強(qiáng)制色彩。故研究的不足也指導(dǎo)在進(jìn)一步研究需要繪制不同指標(biāo)基于遺傳的腦圖譜，并且，應(yīng)考慮對不同種族、年齡段、性別等進(jìn)行獨(dú)立分析研究。