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[1-2]，又與腦功能和腦結構存在密切相關性。由于青少年處于腦結構與功能發(fā)育的關鍵時間段，研究這一時期正常腦結構發(fā)育對于腦功能及精神疾病的機制探索尤為重要[3]。腦結構研究指標包括腦容積、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)生物學指標[4-6]。不同于皮層厚度，皮層面積測量指標在腦容積計算中占很大比重[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各自擁有獨立的基因表達系統(tǒng)[10]。我們之前研究提示青少年腦皮層面積擴張系由遺傳因素控制，而受環(huán)境因素干擾相對較少[11]。本研究進一步拓展，用雙生子研究方法探索遺傳因素對青少年灰質容積、皮層厚度的影響特點。

1 對象與方法

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

1.2 利手與智力評估 利手調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 腦影像數據收集與處理 對所有受試者進行頭顱磁共振掃描。使用重慶醫(yī)科大學附屬第一醫(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，掃描參數如下：回波時間（echo time，TE）為 2.8 ms，重復時間（repetition time，TR）為 6.2 ms，層厚為 1.2 mm，翻轉角為 25°，視野（fieldofview，FOV）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。

大腦皮層重建計算使用Freesurfer_5.3.0軟件包[12-15]，該軟件包用系列設置的工具調用FSL影像軟件將被試T1加權像圖像數據進行自動處理。具體過程：①非均勻性校正磁場強度和去除顱外組織；②通過一連續(xù)性設置組件計算，對圖像進行初步分割；③對灰白質表面進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軟件計算分割出66個腦區(qū)各區(qū)的灰質容積、皮層厚度具體值，再次依據Desikan-Killiany腦圖譜重新計算雙側額葉、頂葉、枕葉、顳葉及扣帶回共計10個分區(qū)的灰質容積、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華西醫(yī)院精神衛(wèi)生實驗室提取DNA。采用AmpFLSTRIdentifilerPCR Amplification Kit試劑盒 （ABI公司）檢測15個短串聯重復序列（short tandem repeat,STR）位點（D8S1179，D21S11，D7S820，CSF1PO，D3S1358，TH01，D13S317，D16S539，D2S1338，D19S433，vWA，TPOX，D18S51，FGA，D5S818）及牙釉蛋白基因（Amelogenin）進行卵型鑒定（儀器Genetic Analyzer 3100AvantTM）。該方法鑒定分析同卵雙生子（monozygotic twins，MZ）的可靠性可以達到0.999[17]。

1.5 統(tǒng)計學方法 統(tǒng)計分析使用OpenMx_1.3.2-2301軟件包[16]，運行環(huán)境為統(tǒng)計軟件R-2.15.2[17-18]。應用雙生子結構方程式模型估計加性遺傳因素（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（腦灰質容積、皮層厚度）總方差的貢獻程度，此模型的統(tǒng)計誤差包含在特異性環(huán)境因素（E）中[19-20]。用原始數據構建單變量雙生子模型來估計在腦葉水平10個區(qū)域中，影響腦灰質容積、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]。檢驗水準 α=0.05。

圖1 單變量雙生子結構方程模型的示意圖，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)灰質容積或皮層厚度的表型方差。a、c、e分別為路徑系數

2 結果

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)計學差異（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)灰質容積、皮層厚度逐個構建飽和模型 （saturated model）及子模型（submodel），10個腦區(qū)灰質容積、皮層厚度的飽和模型和其子模型差異無統(tǒng)計學意義 （P＞0.05），樣本同質性較好，具有群體代表性。另外各腦區(qū)灰質容積、皮層厚度的飽和模型與起始模型（ACE）亦不存在統(tǒng)計學差異（P＞0.05），故可以進一步構建單變量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 灰質容積遺傳和環(huán)境因素分析結果 雙生子結構方程示，對于灰質容積，雙側扣帶回和右側枕葉遺傳度在ACE模型中無統(tǒng)計學意義 （PNOA＞0.05，ACE與AE模型以及AE與E模型比較），其他腦區(qū)灰質容積遺傳度均有統(tǒng)計學意義 （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）貢獻度均較低或者接近于零，且無統(tǒng)計學意義（PNOC＞0.05，ACE與CE模型比較），特異性環(huán)境因素 （E）貢獻度也較低；各個腦區(qū)ACE模型與AE模型差異無統(tǒng)計學意義 （均P＞0.05），提示共享環(huán)境因素對各區(qū)灰質容積影響可以忽略，E模型與 ACE模型 （P＜0.01）、AE模型（P＜0.01）比較差異均有統(tǒng)計學意義，故最佳模型為AE。在最佳模型AE中，各腦區(qū)灰質容積遺傳度均有統(tǒng)計學意義（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，除雙側扣帶回及右側額葉（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)計學意義（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）貢獻度與特異性環(huán)境因素（E），后者貢獻度明顯上升。大部分區(qū)域ACE模型與AE模型比較無統(tǒng)計學差異（PNOA＞0.05，除雙側扣帶回及右側額葉PNOA＜0.05），各區(qū)域ACE模型與CE模型均無統(tǒng)計學差異（PNOC＞0.05），但大部分區(qū)域ACE模型與E模型比較差異有統(tǒng)計學意義（PNOAC＜0.05，除右側顳葉、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)境因素貢獻度均低，但不能同時忽略不計，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果與成人雙生子研究一致[22]，即遺傳因素對青少年腦灰質容積影響呈絕對優(yōu)勢。以往關于抑郁癥和精神分裂癥患者的研究發(fā)現其腦區(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，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。我們之前關于青少年腦皮層面積的雙生子研究發(fā)現，相同腦區(qū)的皮層面積、灰質容積、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)境因素貢獻度明顯上升[11]，這提示青少年在腦認知功能發(fā)育和訓練時腦的可塑性變化在這3個結構指標中可能主要體現在皮層厚度改變。文獻研究也發(fā)現兒童青少年認知發(fā)育與左側腦半球皮層厚度變薄相關[28]。最近研究提示同卵雙生子接受音樂訓練會使左側半球聽覺神經網絡擁有更大的皮層厚度[29]，而這種可塑性變化可能也體現在疾病之中[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]。當然由于在雙生子結構方程模型中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影響大的研究結果也可能是系統(tǒng)誤差所致。

表2 10個腦區(qū)灰質容積在ACE和AE模型中各參數貢獻度及模型比較結果

表3 10個腦區(qū)皮層厚度在ACE和AE模型中各參數貢獻度及模型比較結果

由于灰質容積計算依賴于皮層面積與皮層厚度，本研究發(fā)現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動因素依賴于皮層面積擴張，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)灰質容積、皮層厚度受遺傳和環(huán)境因素作用的特點，在基因與腦結構關系研究、腦結構與腦功能關系研究及腦功能遺傳學研究中可能存在應用價值。

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，因此結果是否存在性別差異是未知的；②小樣本統(tǒng)計不能發(fā)現較小的影響，此前皮層面積研究發(fā)現大部分區(qū)域共同環(huán)境因素影響幾乎可以忽略不計，故吸取之前經驗，在此次研究中并未進一步探討66個腦區(qū)灰質容積、皮層厚度的結果；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，分割帶有一定強制色彩。故研究的不足也指導在進一步研究需要繪制不同指標基于遺傳的腦圖譜，并且，應考慮對不同種族、年齡段、性別等進行獨立分析研究。