杜樂霞,張改云,李勃,錢紹文,劉鍇,薛巖,姜慶軍*
大腦通過(guò)復(fù)雜而相互協(xié)作的神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)攝入和能量消耗,在維持全身的能量平衡方面起關(guān)鍵作用[1]。近年來(lái),大量功能磁共振成像(functional MRI,fMRI)和正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層掃描(positron emission tomography,PET)的研究揭示了病理狀態(tài)下進(jìn)食行為異常的神經(jīng)機(jī)制,如肥胖[2],貪食癥[3],功能性胃腸疾病等[4],提高了對(duì)進(jìn)食異常的認(rèn)識(shí)。同時(shí),健康人進(jìn)食行為的神經(jīng)機(jī)制也引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。健康被試飲食限制、去除限制和饑餓分別與獎(jiǎng)賞系統(tǒng)、邊緣系統(tǒng)的激活狀態(tài)呈正相關(guān),體重狀態(tài)也與相關(guān)腦區(qū)的激活相關(guān)[5]。研究表明,被試在味覺、圖片等食物線索的刺激下會(huì)使獎(jiǎng)賞系統(tǒng)的功能連接發(fā)生變化[6-7]。另外,在研究經(jīng)鼻飼管營(yíng)養(yǎng)液灌注引起的胃腸生理活動(dòng)變化中,與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的廣泛腦區(qū)發(fā)生了去激活[8]。以往研究揭示了人類進(jìn)食行為的神經(jīng)機(jī)制,然而關(guān)于健康被試生理性進(jìn)食的腦功能變化目前所知甚少。本研究排除病理改變和外界刺激等因素對(duì)胃腸道的影響,以非侵入性的方法,使被試服用胃腸動(dòng)力藥(本研究選用的藥物均不易通過(guò)血腦屏障)以擴(kuò)大胃腸活動(dòng)差異,利用fMRI采集靜息態(tài)被試全腦的血氧水平依賴(blood and oxygen level dependence,BOLD)信號(hào),研究生理性進(jìn)食過(guò)程中不同胃腸道狀態(tài)下大腦功能連接的變化,對(duì)大腦在靜息態(tài)下的活動(dòng)進(jìn)行進(jìn)一步的探索,有助于了解進(jìn)食和胃腸活動(dòng)的神經(jīng)機(jī)制,并對(duì)相關(guān)fMRI的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供參考。
選取2016年至2017年招募的42名健康志愿者(男21名,女21名),年齡19~35歲,中位年齡26歲。研究對(duì)象入選標(biāo)準(zhǔn):(1)無(wú)神經(jīng)系統(tǒng)疾患,常規(guī)顱腦MRI檢查無(wú)明顯異常;(2)無(wú)精神、心理疾病史,焦慮自評(píng)量表分?jǐn)?shù)均≤50分;(3)無(wú)器質(zhì)性或功能性胃腸疾病;(4)體質(zhì)量指數(shù)18~24.5 kg/m2,且最近3個(gè)月體重改變<5%;(5)無(wú)吸煙、飲酒嗜好;(6)既往無(wú)肥胖癥、暴飲暴食、節(jié)食史;(7)右利手。排除標(biāo)準(zhǔn):(1)內(nèi)臟系統(tǒng)疾??;(2) MRI檢查禁忌證和幽閉恐懼癥;(3)對(duì)本實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)早餐有特殊偏好或過(guò)敏。MRI檢查前一晚20:00后禁食,睡眠充足,精神良好。本研究經(jīng)濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)批準(zhǔn),受檢者均被告知研究?jī)?nèi)容,并簽署知情同意書。
首先將42名健康被試按性別分為男、女兩組,按照人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征平衡分為三組(促進(jìn)組、抑制組和對(duì)照組均7男7女)。為了在正常生理狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)一步促進(jìn)/抑制胃動(dòng)力,增加胃腸活動(dòng)的差異性,促進(jìn)組服用多潘立酮40 mg (西安楊森制藥),抑制組服用奧替溴銨40 mg (海斯制藥),對(duì)照組服用安慰劑40 mg (淀粉片),均于進(jìn)食標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)早餐時(shí)服用。多潘立酮和奧替溴銨均不通過(guò)血腦屏障,不會(huì)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響。三組均進(jìn)食標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)早餐(250 ml去乳糖牛奶、4片全麥面包和1個(gè)雞蛋),于空腹(早7:30,T1)、早餐后(早8:00,T2)、餐后2 h (上午10:00,T3)及午餐前(中午12:00,T4)四個(gè)時(shí)間點(diǎn)行靜息態(tài)fMRI掃描。被試每次進(jìn)行掃描前均測(cè)量血糖,填寫?zhàn)囸I評(píng)分量表。期間除飲水外,不允許進(jìn)食任何食物。
采用濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院GE MR750 3.0 T MR儀,8通道相控陣頭線圈。囑受檢者取仰臥位,頭部用泡沫墊固定,保持閉眼、放松狀態(tài),盡量避免思考問題。數(shù)據(jù)采集序列:(1)常規(guī)T2序列。掃描參數(shù):TR 4676 ms,TE 93 ms,F(xiàn)OV 24 cm×24 cm,層厚6 mm,層間隔1.5 mm;(2)用平面回波序列進(jìn)行全腦的靜息態(tài)功能成像。掃描參數(shù):TR 2000 ms,TE 35 ms,F(xiàn)OV 24 cm×24 cm,37層,層厚4 mm,200個(gè)時(shí)間點(diǎn),總掃描時(shí)間約6 min 40 s。
采用北京師范大學(xué)DPARSF軟件進(jìn)行預(yù)處理,主要步驟包括:DICOM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、時(shí)間矯正、頭動(dòng)矯正、空間標(biāo)準(zhǔn)化、平滑、去線性漂移、低通濾波(0.01~0.08 Hz)。將頭動(dòng)、均值信號(hào)和腦脊液信號(hào)等參數(shù)作為協(xié)變量去除。Raichle等[9]的研究證明后扣帶回-楔前葉(Posterior cingulate/precuneus, PCC/PCu)顯示高代謝率,在大腦中起關(guān)鍵作用。筆者使用MarsBaR軟件包(http://marsbar.sourceforge.net/)選取PCC/PCu (MNI 坐標(biāo)[-2,-54,27],r=8 mm)作為種子點(diǎn),分別計(jì)算三組每個(gè)時(shí)間點(diǎn)功能連接(functional connectivity,F(xiàn)C)值,利用Fisher'sr to-z轉(zhuǎn)換成Z值。
圖1 時(shí)間主效應(yīng)腦區(qū):重復(fù)測(cè)量ANOVA分析顯示右側(cè)眶額回/殼核/丘腦、右側(cè)緣上回和右側(cè)島蓋的功能連接差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。T1狀態(tài)下,右側(cè)眶額回/殼核/丘腦的功能連接Z值顯著低于T2、T3、T4狀態(tài)(P<0.05);T4狀態(tài)下,上述腦區(qū)的功能連接Z值顯著高于T1、T2、T3狀態(tài)(P<0.05)。T1狀態(tài)下,右側(cè)緣上回、右側(cè)島蓋的功能連接Z值低于T2、T3、T4狀態(tài),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)Fig. 1 The main effect of time: repeated measure ANOVA revealed significant FC changes across time mainly in the right orbitofrontal cortex/putamen/thalamus, right supramarginal gyrus, and right Rolandic lobe (P<0.05). Compared with the T2, T3 and T4 states, the FC of the right orbitofrontal cortex/putamen/thalamus was significantly decreased in the T1 state (P<0.05); compared with the T1,T2 and T3 states, FC in the right orbitofrontal cortex/putamen/thalamus was significantly enhanced in the T4 state (P<0.05). Compared with the T1 state, the FC of the right supramarginal gyrus and right Rolandic lobe was significantly enhanced in the T2, T3 and T4 states (P<0.05).
采用重復(fù)測(cè)量方差分析(ANOVA)對(duì)Z變換后的全腦功能連接圖像進(jìn)行逐個(gè)體素的統(tǒng)計(jì)分析(AlphaSIM校正,P<0.05,體素>85)。為研究被試在不同時(shí)間點(diǎn)功能連接值的差異以及在三組間的差異,我們采用SPM-ANOVA方法,計(jì)算出時(shí)間主效應(yīng)圖像與藥物主效應(yīng)圖像,經(jīng)過(guò)AlphaSIM校正后,獲得具有顯著時(shí)間主效應(yīng)與藥物主效應(yīng)的腦區(qū)。同時(shí),為揭示三種藥物在不同時(shí)間點(diǎn)上功能連接的差異性,進(jìn)一步計(jì)算出時(shí)間與藥物交互效應(yīng)圖像,經(jīng)過(guò)AlphaSIM校正后,獲得具有顯著交互效應(yīng)的腦區(qū),并存儲(chǔ)為感興趣區(qū)(region of interest,ROI)。利用rest工具提取ROI內(nèi)的功能連接Z值,在SPSS軟件中對(duì)提取的功能連接Z值進(jìn)行事后檢驗(yàn)。并將ROI內(nèi)功能連接強(qiáng)度分別與血糖水平、饑餓評(píng)分進(jìn)行相關(guān)分析。
表1 重復(fù)測(cè)量方差分析顯示時(shí)間主效應(yīng)腦區(qū)(P<0.05, 體素?cái)?shù)>85)Tab. 1 Repeated measure analysis of variance showed brain regions with significant FC changes across time (P<0.05, cluster level >85)
表2 重復(fù)測(cè)量方差分析顯示藥物主效應(yīng)腦區(qū)(P<0.05, 體素?cái)?shù)>85)Tab.2 Repeated measure analysis of variance showed brain regions with significant FC changes across medicine (P<0.05, cluster level>85)
表3 功能連接強(qiáng)度與血糖水平的相關(guān)分析結(jié)果Tab. 3 Correlations of functional connectivity strength with blood glucose level
表4 功能連接強(qiáng)度與饑餓評(píng)分的相關(guān)分析結(jié)果Tab. 4 Correlations of functional connectivity strength with hunger rating score
圖2 被試在四個(gè)狀態(tài)下(T1、T2、T3和T4狀態(tài))的血糖和饑餓評(píng)分Fig. 2 The fluctuations of the blood glucose level and hunger rating score during the four states (T1, T2, T3, T4).
重復(fù)測(cè)量ANOVA分析顯示右側(cè)眶額回-殼核-丘腦、右側(cè)緣上回、右側(cè)島蓋的功能連接有顯著差異(P<0.05;表1,圖1)。T1狀態(tài)下,右側(cè)眶額回-殼核-丘腦的FC值低于T2、T3、T4狀態(tài);T4狀態(tài)下,上述腦區(qū)的FC值高于T1、T2、T3狀態(tài),差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。T1狀態(tài)下,右側(cè)緣上回、右側(cè)島蓋的FC值低于T2、T3、T4狀態(tài),差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。
(1)藥物主效應(yīng):重復(fù)測(cè)量ANOVA分析顯示右側(cè)楔前葉、左側(cè)顳中回、左側(cè)舌回、右側(cè)顳中回、右側(cè)額上回、雙側(cè)眶額回、左側(cè)額中回的功能連接有顯著差異(P<0.05;表2)。其中,促進(jìn)組:右側(cè)楔前葉的FC值低于對(duì)照組;左側(cè)顳中回、左側(cè)舌回的FC值高于對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。抑制組:左側(cè)舌回、右側(cè)顳中回、右側(cè)額上回、雙側(cè)眶額回的FC值低于對(duì)照組;左側(cè)顳中回、左側(cè)額中回的FC值高于對(duì)照組,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。(2)藥物與時(shí)間交互效應(yīng):差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。
圖3,4 相關(guān)分析結(jié)果:右側(cè)眶額回/殼核/丘腦的功能連接(FC)值在T1、T3和T4狀態(tài)下與血糖呈負(fù)相關(guān),與饑餓評(píng)分呈正相關(guān)(P值均<0.05)Fig. 3,4 The results of the correlation analysis: the FC in the right orbitofrontal cortex/putamen/thalamus was correlated negatively with blood glucose level and positively with hunger rating score in the states of T1, T3, and T4 (P<0.05)
右側(cè)眶額回/殼核/丘腦的FC值在T1、T3和T4狀態(tài)下與血糖水平呈顯著相關(guān)(P<0.05),血糖越高,負(fù)性的功能連接強(qiáng)度越大。與饑餓評(píng)分也呈顯著相關(guān)(P<0.05), 被試饑餓評(píng)分越高,負(fù)性的功能連接強(qiáng)度越弱(表3,4;圖2~4)。右側(cè)緣上回、右側(cè)島蓋的FC值在任一狀態(tài)下與血糖水平、饑餓評(píng)分均無(wú)相關(guān)性(P>0.05)(表3,4)。
本研究結(jié)果顯示,靜息態(tài)fMRI下,生理性進(jìn)食前后,三組被試在不同的時(shí)間點(diǎn)(時(shí)間主效應(yīng))上,相關(guān)腦區(qū)的功能連接發(fā)生了變化。右側(cè)眶額回、右側(cè)殼核、右側(cè)丘腦的FC值變化趨勢(shì)一致,在四個(gè)時(shí)間點(diǎn)呈升高趨勢(shì),T1狀態(tài)下,上述腦區(qū)的FC值低于T2、T3、T4狀態(tài);T4狀態(tài)下,上述腦區(qū)的FC值高于T1、T2、T3狀態(tài)。進(jìn)食控制系統(tǒng)是由多種因素調(diào)節(jié)的,特別是晝夜節(jié)律。Vanitallie等[10]發(fā)現(xiàn),進(jìn)食引起的大腦激活與睡眠-覺醒周期和整個(gè)晝夜節(jié)律的覺醒水平密切相關(guān)。晨起空腹時(shí),胃腸道正處于晝夜節(jié)律的“睡眠狀態(tài)”,胃腸道的活躍性差,故T1狀態(tài)下右側(cè)眶額回/殼核/丘腦的FC值較低??纛~回和殼核參與進(jìn)食愉悅感的調(diào)節(jié)過(guò)程,是食物獎(jiǎng)賞系統(tǒng)的重要組成部分。研究表明,眶額回與食物獎(jiǎng)賞和監(jiān)測(cè)獎(jiǎng)賞有關(guān)[11]。de Araujo等[12]發(fā)現(xiàn)食物相關(guān)的氣味和味覺刺激會(huì)引起右側(cè)眶額回尾部的激活。背側(cè)紋狀體參與食物獎(jiǎng)賞,多巴胺在背側(cè)紋狀體(殼核和尾狀核)的釋放與進(jìn)食的愉悅度有關(guān)[13]。另外,Small等[14]的一項(xiàng)PET研究發(fā)現(xiàn),進(jìn)食引起的進(jìn)食動(dòng)機(jī)的增加與紋狀體和眶額回尾部的激活有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)中,T2、T3狀態(tài)下,由于被試空腹后接受了食物獎(jiǎng)賞,獎(jiǎng)賞系統(tǒng)(右側(cè)眶額回/殼核)的FC值升高。另有研究發(fā)現(xiàn),眶額回和殼核的激活與饑餓有關(guān),內(nèi)側(cè)前額葉皮層和殼核在饑餓狀態(tài)下比飽食狀態(tài)下表現(xiàn)出更高的激活[15],饑餓被試在渴望得到食物獎(jiǎng)賞期間眶額回和殼核的激活明顯增加[16]。筆者發(fā)現(xiàn),T4狀態(tài)下右側(cè)眶額回-殼核-丘腦的FC值與血糖水平、饑餓評(píng)分存在顯著相關(guān)性,表明中樞神經(jīng)系統(tǒng)FC值的變化可能是大腦對(duì)血糖水平和攝食動(dòng)機(jī)的一種響應(yīng)。被試血糖水平下降后,期望得到食物獎(jiǎng)賞,獎(jiǎng)賞系統(tǒng)(右側(cè)眶額回-殼核)的FC值從而產(chǎn)生相應(yīng)變化。右側(cè)眶額回/殼核在解剖上屬于獎(jiǎng)賞系統(tǒng),其功能連接的變化也符合獎(jiǎng)賞系統(tǒng)的一般變化規(guī)律,本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。右側(cè)丘腦與獎(jiǎng)賞系統(tǒng)(右側(cè)眶額回-殼核)的FC值在時(shí)間上的激活程度和變化趨勢(shì)一致。研究發(fā)現(xiàn),丘腦的激活增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致覓食行為的增加,可導(dǎo)致過(guò)度進(jìn)食[17]。本研究結(jié)果中,右側(cè)丘腦與右側(cè)眶額回、右側(cè)殼核在四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的激活形式一致,筆者由此推斷,右側(cè)丘腦也可能參與食物獎(jiǎng)賞系統(tǒng),但以往研究未提出。
筆者還發(fā)現(xiàn),軀體感覺區(qū)(右側(cè)緣上回和右側(cè)島蓋)可能與進(jìn)食行為有關(guān)。在時(shí)間主效應(yīng)上,T1狀態(tài)下,軀體感覺區(qū)的FC值低于T2、T3、T4狀態(tài),即軀體感覺區(qū)在本實(shí)驗(yàn)期間進(jìn)食后FC值一直處于較高水平。Stice等[18]的一項(xiàng)關(guān)于接受獎(jiǎng)賞和期望接受獎(jiǎng)賞的研究發(fā)現(xiàn),肥胖者比瘦者在軀體感覺區(qū)(頂葉和島蓋)表現(xiàn)出更高的激活。Stoeckel等[19]發(fā)現(xiàn),暴露于食物線索和處于饑餓狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致肥胖者在頂葉呈現(xiàn)更大的激活。本究結(jié)果也提示該區(qū)域可能是大腦獎(jiǎng)賞系統(tǒng)的一部分。但是,其他研究結(jié)果提示還有另外一種可能。Dosenbach等[20]發(fā)現(xiàn),島蓋、前額葉、頂下小葉、基底節(jié)和丘腦屬于CON網(wǎng)絡(luò)(Cingulo-opercular network)的一部分,可能與激活、維持和監(jiān)測(cè)任務(wù)執(zhí)行有關(guān)。由于軀體感覺區(qū)的FC值與血糖水平、饑餓評(píng)分沒有相關(guān)性,因此,軀體感覺區(qū)的FC值升高與進(jìn)食無(wú)關(guān);從早晨7:00至中午12:00,隨著時(shí)間的推移,被試的各種身體機(jī)能逐漸進(jìn)入活躍狀態(tài),軀體感覺區(qū)發(fā)揮激活、維持和監(jiān)測(cè)的作用,故處于活躍狀態(tài)。
以往研究證實(shí),視覺、語(yǔ)言呈現(xiàn)大腦半球偏側(cè)化優(yōu)勢(shì),在本研究中,時(shí)間主效應(yīng)上的各腦區(qū)呈現(xiàn)右側(cè)偏側(cè)化優(yōu)勢(shì),以往關(guān)于獎(jiǎng)賞系統(tǒng)和軀體感覺區(qū)的研究并未提出這一點(diǎn)。
本研究中,藥物主效應(yīng)上,右側(cè)楔前葉、左側(cè)顳中回、左側(cè)舌回、右側(cè)顳中回、右側(cè)額上回、雙側(cè)眶額回、左側(cè)額中回的功能連接差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);促進(jìn)組、抑制組與對(duì)照組比較,各腦區(qū)間的結(jié)果復(fù)雜,且無(wú)規(guī)律性。本研究選用的藥物理論上均不通過(guò)血腦屏障,不會(huì)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生直接影響。我們加入藥物因素,主要是為了促進(jìn)-抑制胃腸道蠕動(dòng),增強(qiáng)胃腸蠕動(dòng)可能對(duì)腦功能產(chǎn)生的影響。結(jié)果顯示,時(shí)間主效應(yīng)上右側(cè)眶額回-殼核-丘腦和軀體感覺區(qū)的FC值在三組中均呈現(xiàn)相似的升高趨勢(shì),因此,藥物并未對(duì)時(shí)間主效應(yīng)上相關(guān)腦區(qū)造成明顯影響。而本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不是針對(duì)藥物與腦功能的關(guān)系,所以不能據(jù)此實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出推斷。
在本實(shí)驗(yàn)中,被試的個(gè)體差異和主觀感受可能會(huì)影響?zhàn)囸I評(píng)分量表的準(zhǔn)確性。以上為不足之處,尚需進(jìn)一步完善。
綜上所述,靜息態(tài)fMRI下健康被試生理性進(jìn)食前后,獎(jiǎng)賞系統(tǒng)(右側(cè)眶額回/殼核)、右側(cè)丘腦和軀體感覺區(qū)(右側(cè)緣上回、右側(cè)島蓋)的功能連接會(huì)發(fā)生變化,并且呈現(xiàn)右側(cè)偏側(cè)化優(yōu)勢(shì);而胃動(dòng)力調(diào)節(jié)藥物對(duì)上述腦區(qū)生理性進(jìn)食前后功能連接的變化無(wú)影響。本研究首次揭示了生理性進(jìn)食的靜息態(tài)fMRI腦功能連接的變化;同時(shí)為相應(yīng)的fMRI實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在被試進(jìn)食狀態(tài)上提供了參考依據(jù)。
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