張孟哲，高昕宇，楊鎮(zhèn)圭，黃薈玉，文萌萌，汪衛(wèi)建，程敬亮，張勇，許珂

煙草危害仍然是當(dāng)今世界面臨的一個(gè)巨大的公共衛(wèi)生問(wèn)題。尼古丁依賴(nicotine dependence,ND)是一種慢性、反復(fù)發(fā)作的精神障礙，其特征是強(qiáng)迫性吸煙。且越來(lái)越多的證據(jù)表明吸煙會(huì)損害中樞神經(jīng)系統(tǒng)導(dǎo)致認(rèn)知能力下降[1]。先前的研究表明，ND的神經(jīng)基礎(chǔ)主要與由前額葉皮層、島葉和紋狀體組成的多巴胺能神經(jīng)回路有關(guān)[1]。但這些研究只對(duì)大腦區(qū)域進(jìn)行分析，對(duì)小腦的研究較少。雖然傳統(tǒng)上認(rèn)為小腦在協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)、保持姿勢(shì)和平衡方面很重要，但越來(lái)越多的證據(jù)表明，小腦在許多其他功能中也發(fā)揮著作用，包括調(diào)節(jié)認(rèn)知和情緒、注意力處理和決策[2]，這些都在成癮機(jī)制中至關(guān)重要。小腦在解剖結(jié)構(gòu)上被分為28個(gè)亞區(qū)(包括18個(gè)葉和小腦蚓部I～X)[3]，這些區(qū)域在解剖和功能上與大腦的7個(gè)主要腦網(wǎng)絡(luò)相連[4]。此外，小腦有多種煙堿乙酰膽堿受體(nAChR)亞型，包括α7和α4β2亞型[5]。尼古丁的毒性作用可導(dǎo)致小腦細(xì)胞損傷，特別是浦肯野細(xì)胞和顆粒細(xì)胞[2,6]。Shen等[7]和Peng等[8]都發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照者相比，吸煙者在小腦CrusⅠ灰質(zhì)體積顯著減小。因此，該研究選擇雙側(cè)小腦CrusⅠ為感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，利用靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)，探究尼古丁依賴者小腦-皮層間功能連接(functional connectivity，F(xiàn)C)的異常，擴(kuò)展了先前主要關(guān)注大腦結(jié)構(gòu)和功能改變的發(fā)現(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究通過(guò)微信等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)共招募169例受試者，其中尼古丁依賴者117例，健康對(duì)照52例。尼古丁依賴組的入組標(biāo)準(zhǔn)符合美國(guó)精神障礙診斷統(tǒng)計(jì)手冊(cè)第5版(the Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders V,DSM-V)關(guān)于物質(zhì)依賴的診斷標(biāo)準(zhǔn)[9]，每日吸煙量不低于10根，煙齡不少于2年。尼古丁依賴組排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)有其他物質(zhì)(酒精、藥物、毒品)成癮或行為(賭博、網(wǎng)游、手機(jī))的成癮史；(2)腦器質(zhì)性病變(如腫瘤、腦梗死等)或嚴(yán)重軀體疾病；(3)其他精神障礙者(如抑郁，精神分裂癥等)；(4)2周內(nèi)有服用苯二氮卓類藥物者或接受過(guò)抗精神疾病藥物治療的患者；(5)由于肥胖與吸煙存在交互作用[10]，排除了體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)＞30的肥胖者。對(duì)照組納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)年齡、受教育年限等與尼古丁依賴組相匹配；(2)一生中吸煙少于20支且過(guò)去一年里未吸煙[11]。所有受試者均為成年男性，年齡為20～55歲，右利手，無(wú)磁共振檢查禁忌。之后采用問(wèn)卷形式對(duì)相關(guān)臨床信息和吸煙相關(guān)信息進(jìn)行采集，獲得信息僅供科研使用。本研究經(jīng)過(guò)鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)文號(hào)：科研-2014-LW-75)，受試者均已簽署知情同意書(shū)。

1.2 磁共振檢查方法

1.2.1 檢查設(shè)備

采用3.0 T西門(mén)子掃描儀Skyra和配套的16通道頭部專用線圈進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

掃描前，向受試者說(shuō)明本次MRI掃描注意事項(xiàng)。掃描時(shí)被試者平臥閉眼、保持平靜放松清醒狀態(tài)，用檢查專用耳塞保護(hù)被試者聽(tīng)力及海綿墊固定頭部以最大程度減少掃描期間頭部運(yùn)動(dòng)。采用頭先進(jìn)，雙眉中心連線定位法。圖像采集過(guò)程中不添加任何外界刺激。本次研究磁共振數(shù)據(jù)采集包括常規(guī)磁共振圖像和靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)圖像采集。常規(guī)磁共振圖像即臨床診斷疾病常用序列，包含軸位和矢狀位T1WI圖像、軸位T2WI、T2 FLAIR及擴(kuò)散加權(quán)成像(diffusion weighted imaging，DWI)(b=0、1000 s/mm2)圖像。T1WI用于定位，參數(shù)：重復(fù)時(shí)間(repetition time，TR)380 ms，回波時(shí)間(echo time，TE)2.5 ms；軸位T2WI序列掃描篩查病變，參數(shù)：TR 3800 ms，TE 93 ms，層間距1 mm，層厚5 mm，視野(field of view，F(xiàn)OV)240 mm×240 mm，層數(shù)20?？焖僮孕夭?flash 2D，F(xiàn)L2D)序列掃描獲得矢狀位T1WI圖像，TR 380 ms，TE 2.5 ms。先行常規(guī)MRI掃描目的：首先為使被試適應(yīng)掃描環(huán)境，以盡可能達(dá)到靜息態(tài)掃描狀態(tài)的要求，其次是排除被試者尚未察覺(jué)的顱內(nèi)器質(zhì)性病變，以嚴(yán)格遵守入組標(biāo)準(zhǔn)。靜息態(tài)圖像數(shù)據(jù)為BOLD序列，參數(shù)為T(mén)R 2000 ms，TE 30 ms；翻轉(zhuǎn)角80°；層厚3.0 mm；層數(shù)32層；矩陣64×64；體素大小為3 mm×3 mm×3 mm；共獲取180個(gè)時(shí)間點(diǎn)的功能數(shù)據(jù)即5760幅數(shù)據(jù)圖像。

1.2.3 磁共振圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理

采用基于矩陣實(shí)驗(yàn)室MATLAB運(yùn)行的DPARSF軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，剔除前5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像以保證BOLD信號(hào)的穩(wěn)定性。DPARSF軟件預(yù)處理包括：格式轉(zhuǎn)換(DICOM轉(zhuǎn)為NIFTI)、時(shí)間校正、頭動(dòng)校正(剔除頭動(dòng)平移＞2.5 mm和旋轉(zhuǎn)＞2.5°的被檢者數(shù)據(jù))、空間標(biāo)準(zhǔn)化。進(jìn)行去線性漂移和帶通濾波(0.01～0.08 Hz)去除低高頻噪聲。為了去除任何運(yùn)動(dòng)和其他非神經(jīng)元因素的殘留影響，將頭動(dòng)、白質(zhì)和腦脊液信號(hào)作為協(xié)變量回歸。考慮到頭部微動(dòng)作可能產(chǎn)生偽信號(hào)變化，應(yīng)用Scrubbing method進(jìn)一步消除頭動(dòng)影響。

1.2.4 基于種子點(diǎn)的功能連接分析

本研究基于前人研究，選取雙側(cè)CrusⅠ為ROI，其蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)空間坐標(biāo)為：左側(cè)-45、-56、-33；右側(cè)18、-76、-34[7]。以選取的CrusⅠ MNI坐標(biāo)為球心，構(gòu)建半徑為3 mm的小球，分別計(jì)算雙側(cè)CrusⅠ與大腦區(qū)域之間功能連接。通過(guò)Z轉(zhuǎn)換得到雙側(cè)CrusⅠ和大腦區(qū)域的功能連接圖。最后用6 mm平滑核進(jìn)行全寬半高高斯平滑。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用SPM 8和SPSS 21.0軟件，計(jì)量資料用±s表示。使用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，根據(jù)吸煙與否將被試者分為尼古丁依賴組和對(duì)照組，然后以年齡、受教育程度、預(yù)處理時(shí)生成的頭動(dòng)幀位移參數(shù)(fame-wise displacement，F(xiàn)D)作為協(xié)變量，并以腦灰質(zhì)模板作為感興趣區(qū)進(jìn)行兩組間獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，最后用DPABI中的viewer組件選GRF校正，體素水平P＜0.005和團(tuán)塊水平P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 受試者基本臨床信息

本研究被試者均為成年男性、漢族、右利手，其中尼古丁依賴組117例，健康對(duì)照組52名。尼古丁依賴組和對(duì)照組間年齡、受教育程度均差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均大于0.05；表1)。尼古丁依賴組基本信息：年齡(36.32±8.37)歲，教育年限(14.35±2.48)年，初始吸煙年齡(19.50±3.18)歲，煙齡為(17.18±7.88)歲；每日吸煙(19.61±9.16)支；吸煙指數(shù)[12](17.57±12.57)包年[吸煙指數(shù)即pack-year，是尼古丁依賴程度相關(guān)指標(biāo)，計(jì)算公式為(每天吸煙數(shù)量×吸煙年數(shù))/20，1包=20支香煙]；尼古丁依賴檢驗(yàn)量表(Fagerstrom test of Nicotine Dependence，F(xiàn)TND)。健康對(duì)照組基本信息：年齡(33.86±7.46)歲，教育年限(15.02±2.53)年。

表1 尼古丁依賴組和對(duì)照組間基本臨床信息表(±s)Tab.1 Characteristics of smokers and non-smokers(±s)

表1 尼古丁依賴組和對(duì)照組間基本臨床信息表(±s)Tab.1 Characteristics of smokers and non-smokers(±s)

注：pack-year：吸煙指數(shù)；FTND：尼古丁依賴檢驗(yàn)量表。

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2.2 基于種子點(diǎn)功能連接的組間差異

以左側(cè)CrusⅠ(-45、-56、-33)為感興趣區(qū)，與健康對(duì)照組相比，尼古丁依賴組左側(cè)CrusⅠ與雙側(cè)楔前葉、雙側(cè)中央后回、雙側(cè)中央旁小葉、右側(cè)頂上小葉及右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(supplementary motor area；SMA)的FC升高(圖1；表2)，未發(fā)現(xiàn)FC減弱的腦區(qū)。以右側(cè)CrusⅠ(18、-76、-34)為感興趣區(qū)，尼古丁依賴組與健康對(duì)照組相比無(wú)顯著差異。

表2 尼古丁依賴組和對(duì)照組基于種子點(diǎn)功能連接差異Tab.2 Seed-based FC abnormalities between ND and HC

圖1 尼古丁依賴組和對(duì)照組基于種子點(diǎn)功能連接差異。種子點(diǎn)，左側(cè)CrusⅠ(-45、-56、-33)。A：右側(cè)頂上小葉；B：雙側(cè)中央旁小葉；C：雙側(cè)楔前葉，右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)；D：左側(cè)中央后回Fig.1 Seed-based FC Abnormalities between ND and HC.Seed,LeftCrusⅠ(-45,-56,-33).A:Right superior parietal lobule.B:Bilateral paracentral lobule.C:Bilateral precuneus,Right SMA.D:Left postcentral gyrus.

3 討論

本研究利用靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)，采用功能連接分析方法探究了尼古丁依賴者雙側(cè)小腦CrusⅠ和其他腦區(qū)間的功能連接較健康對(duì)照者之間的差異。研究發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照者相比，吸煙者的左側(cè)CrusⅠ和涉及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network；DMN)的大腦區(qū)域(如雙側(cè)楔前葉)之間的FC顯著增高；吸煙者還顯示左側(cè)CrusⅠ和與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和感覺(jué)相關(guān)的大腦區(qū)域(如中央旁小葉、SMA、中央后回)之間的FC顯著升高。這些發(fā)現(xiàn)有助于了解吸煙者的小腦異常及其與大腦皮層的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)了小腦在尼古丁依賴機(jī)制的作用，對(duì)先前主要關(guān)注大腦結(jié)構(gòu)和功能改變的研究進(jìn)行了擴(kuò)展和補(bǔ)充。

越來(lái)越多證據(jù)表明，小腦在調(diào)節(jié)認(rèn)知和情緒、注意力處理和決策方面發(fā)揮著作用，這些都在成癮機(jī)制中至關(guān)重要[2]。因此，小腦被認(rèn)為是成癮回路中的一部分。CrusⅠ位于小腦后葉，對(duì)認(rèn)知功能有重要作用。CrusⅠ在解剖和功能上與大腦皮層的前額葉、顳葉和頂葉區(qū)域相連[4]。本組的靜息態(tài)FC數(shù)據(jù)表明，CrusⅠ在功能上與涉及DMN的大腦區(qū)域(雙側(cè)楔前葉)相連。楔前葉是構(gòu)成DMN的重要腦區(qū)之一，負(fù)責(zé)注意力與記憶和知覺(jué)的信息整合。Huang等[13]研究發(fā)現(xiàn)吸煙者在戒斷狀態(tài)下，前扣帶回皮質(zhì)(anterior cingular cortex，ACC)與楔前葉之間功能連接較不吸煙者增加。與滿足狀態(tài)相比，戒斷時(shí)吸煙者ACC與楔前葉之間功能連接增加。Wang等[14]研究發(fā)現(xiàn)相對(duì)于戒斷者，復(fù)吸者左側(cè)丘腦-楔前葉FC降低，且可以用來(lái)預(yù)測(cè)吸煙復(fù)發(fā)，準(zhǔn)確率為75.7%。DMN涉及自我參照的心理活動(dòng)、情緒加工和先前經(jīng)驗(yàn)的回憶等[15]。一項(xiàng)基于任務(wù)的磁共振研究表明，當(dāng)吸煙提示存在時(shí)，吸煙者必須使用更多的注意力來(lái)專注于標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)知任務(wù)，這種注意偏差與DMN有關(guān)[16]。因此，DMN被認(rèn)為在吸煙中起重要的作用，特別是在戒斷癥狀中：渴望和難以集中注意力。本組結(jié)果顯示吸煙者左側(cè)CrusⅠ和DMN之間的FC較對(duì)照者有顯著差異，表明CrusⅠ可能參與了DMN的自發(fā)性大腦活動(dòng)，而兩者FC的增加可能與尼古丁依賴者DMN異常激活和與其他大腦區(qū)域的整合紊亂有關(guān)[17]。

相比之下，在成癮的神經(jīng)生物學(xué)和認(rèn)知相關(guān)研究中，感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的作用似乎被忽視了，盡管它們可能與成癮的發(fā)展和維持高度相關(guān)[18]。筆者觀察到，與健康對(duì)照組相比，尼古丁依賴組左側(cè)CrusⅠ與旁中央小葉、SMA、中央后回、頂上小葉之間的FC增加。旁中央小葉和SMA參與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。SMA可能是反應(yīng)抑制任務(wù)中自愿行為調(diào)節(jié)不良的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并且SMA與行為沖動(dòng)有關(guān)[19]。一些研究表明，成癮的運(yùn)動(dòng)過(guò)程一方面與運(yùn)動(dòng)敏感有關(guān)，即反復(fù)給藥后運(yùn)動(dòng)激活增加；另一方面是自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)技能，這可能在成癮中發(fā)揮重要作用[18]。這些與藥物相關(guān)的運(yùn)動(dòng)技能可能與人類在成癮過(guò)程中通過(guò)強(qiáng)化和有規(guī)律的練習(xí)有關(guān)。此外，許多基于線索反應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn)，與中性線索相比，成癮者的SMA、小腦、運(yùn)動(dòng)皮層對(duì)藥物相關(guān)線索反應(yīng)表現(xiàn)為優(yōu)先激活[20]。此外，中央后回是軀體感覺(jué)中樞，頂上小葉參與了感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)的整合[18]，將感覺(jué)與運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起。根據(jù)這些發(fā)現(xiàn)，CrusⅠ與主運(yùn)動(dòng)和感覺(jué)功能的腦區(qū)之間FC的增加暗示了CrusⅠ可能參與了自動(dòng)的吸煙行為。

本研究有以下幾點(diǎn)局限性：(1)研究表明吸煙者腦功能、結(jié)構(gòu)的變化具有性別、種族差異[21-23]，本研究中招募對(duì)象均為漢族男性，而女性及其他種族吸煙者未納入研究，因此研究結(jié)果不具有人群普適性；(2)本研究為病例對(duì)照的橫斷面研究，無(wú)法準(zhǔn)確判斷吸煙和小腦-皮層間功能連接改變的因果關(guān)系。

本研究結(jié)果表明，與健康對(duì)照者相比，吸煙者左側(cè)小腦CrusⅠ與DMN、運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)和感覺(jué)相關(guān)的腦區(qū)之間的FC顯著增高，這說(shuō)明小腦參與了尼古丁依賴的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制并發(fā)揮了作用，在一定程度上解釋了尼古丁依賴者自動(dòng)吸煙行為和認(rèn)知、注意的缺陷。總之，我們的研究擴(kuò)展了先前主要關(guān)注大腦結(jié)構(gòu)和功能改變的發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)調(diào)了小腦的非運(yùn)動(dòng)功能。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無(wú)利益沖突。