周思中，高家紅

(北京大學物理學院重離子物理研究所醫(yī)學物理與工程北京市重點實驗室，北京大學前沿交叉學科研究院磁共振成像研究中心，北京 100871)

大腦具有很強可塑性，生活環(huán)境和經(jīng)歷會對大腦功能甚至大腦結構產(chǎn)生極大影響[1]。目前已有大量行為學和fMRI研究[2]表明東西方人群在多種認知加工活動中存在差異，但針對東西方人大腦結構差異的研究尚不充分。既往對東西方人大腦結構的對比研究[3-4]均針對某些大腦形態(tài)學參數(shù)本身，缺少對于大腦結構偏側化這一重要大腦結構學參數(shù)的東西方對比研究。偏側化有利于左右大腦半球同時高效處理多個任務，是大腦適應性的重要特征。大腦皮層厚度、皮層表面積和皮層曲率是大腦皮層特征的重要參數(shù)，也是大腦皮層偏側化的研究重點[5]。本研究采用全新的腦網(wǎng)絡組圖譜“Brainnetome Atlas”[6]對不同年齡段中國漢族人和西方高加索人大腦皮層進行精細化分區(qū)(大腦皮層分為左右半球各105個腦區(qū))，從大腦皮層表面積、皮層厚度和皮層平均曲率多個維度研究大腦結構偏側化在東西方不同年齡段人群中的差異。

1 資料與方法

1.1 一般資料 2017年10月—2018年6月于北京大學附近社區(qū)招募60名中國漢族志愿者，青年組和老年組各30名；青年組男女各15名，年齡24～32歲，平均(27.0±1.8)歲；老年組男女各15名，年齡64～79歲，平均(67.5±3.2)歲。納入標準：①青年被試者18～45歲，老年被試者60歲及以上；②右利手；③簡易精神狀態(tài)評價量表評分>27分。排除標準：①有精神系統(tǒng)疾病或其他腦部疾??；②MR圖像質(zhì)量差，不符合后處理要求。本研究經(jīng)北京大學倫理委員會批準，被試者均簽署知情同意書。

60名西方被試者數(shù)據(jù)來自于IXI dataset(http://brain-development.org/ixi-dataset/)，數(shù)據(jù)均在英國倫敦Hammersmit醫(yī)院采集，均為高加索人，青年組和老年組各30名；青年組男女各15名，年齡22～34歲，平均(27.1±3.2)歲；老年組男女各15名，年齡60～81歲，平均(66.5±5.8)歲。

1.2 儀器與方法 對60名中國被試者采用Siemens Prisma 3.0T MR掃描儀，64通道頭頸聯(lián)合線圈。三維T1W結構像采用磁化強度預備梯度回波序列(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequences， MPRAGE)，TR 2 400 ms，TE 2.24 ms，翻轉角8°，矩陣320×320，體素大小0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm。60名西方被試者均采用Philips Intera 3.0T MR掃描儀，TR 9 600 ms，TE 5.6 ms，翻轉角8°，矩陣208×208，體素大小0.9 mm×0.9 mm×1.2 mm。

1.3 數(shù)據(jù)處理 將所有結構像數(shù)據(jù)調(diào)整到相同坐標空間，并重采樣為相同體素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。

采用Freesurfer處理軟件(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)重建T1WI并對齊大腦皮層表面，選取10 mm平滑核進行平滑，使用慧腦云平臺(www.humanbrain.cn)加速計算并簡化操作流程。利用平臺內(nèi)置的“Brainnetome Atlas”對重建的大腦皮層進行自動分割，進而獲得各腦區(qū)(左右半球各105個腦區(qū))大腦皮層表面積、皮層厚度及平均曲率值。采用偏側化系數(shù)(lateralization index， LI)定義各腦區(qū)偏側性，LI=(L-R)/(L+R)，L和R分別代表左右半球腦區(qū)參數(shù)值，LI>0代表具有左偏側化，LI<0代表具有右偏側化。

1.4 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示，2組間年齡比較采用兩獨立樣本t檢驗。采用單樣本t檢驗比較各腦區(qū)LI與0之間是否存在差異(FDR校正，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義)，以此判斷該腦區(qū)是否存在偏側化。分別對東西方青年組和老年組腦皮層形態(tài)學LI進行獨立樣本t檢驗，獲得東西方不同年齡組間LI差異有統(tǒng)計學意義的腦區(qū)(FDR校正，P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義)。

2 結果

東西方青年組和老年組被試者年齡差異均無統(tǒng)計學意義(青年組：t=-0.053，P=0.958；老年組：t=0.829，P=0.410)。

2.1 腦皮層偏側化結果 東西方青年組及老年組被試者皮層表面積、皮層厚度以及平均曲率呈現(xiàn)出不同偏側化結果(圖1、2)。無論是中國人還是西方人、青年組還是老年組，具有皮層表面積偏側化的腦區(qū)均明顯多于皮層厚度和皮層曲率偏側化腦區(qū)。在偏側化腦區(qū)數(shù)目(表1)方面，西方老年組皮層表面積、皮層厚度、平均曲率3個形態(tài)學參數(shù)上出現(xiàn)偏側化的腦區(qū)數(shù)目均低于青年組；中國老年組除皮層表面積右側偏側化腦區(qū)數(shù)目略高于中國青年組外，其他參數(shù)偏側化腦區(qū)數(shù)目均低于青年組。

圖1 中國青年組和老年組被試者皮層偏側化結果，暖色代表腦區(qū)具有顯著左偏側化，冷色代表腦區(qū)具有顯著右偏側化(FDR校正，P<0.05) A、B.皮層表面積偏側化結果(A為青年組，B為老年組)； C、D.皮層厚度偏側化結果(C為青年組，D為老年組)； E、F.皮層平均曲率偏側化結果(E為青年組，F(xiàn)為老年組)

圖2 西方青年組和老年組被試者皮層偏側化統(tǒng)計結果，暖色代表腦區(qū)具有顯著左偏側化，冷色代表腦區(qū)具有顯著右偏側化(FDR校正，P<0.05) A、B.皮層表面積偏側化結果(A為青年組，B為老年組)； C、D.皮層厚度偏側化結果(C為青年組，D為老年組)； E、F.皮層平均曲率偏側化結果(E為青年組，F(xiàn)為老年組)

圖3 東西方被試者皮層LI有顯著差異的腦區(qū)，暖色代表東方LI>西方，冷色代表東方LI<西方(FDR校正，P<0.05) A、B.皮層表面積偏側化有顯著差異腦區(qū)(A為青年組，B為老年組)； C、D.皮層厚度偏側化有顯著差異腦區(qū)(C為青年組，D為老年組)； E、F.皮層平均曲率偏側化有顯著差異腦區(qū)(E為青年組，F(xiàn)為老年組)

全部被試者中，皮層表面積偏側化幾乎出現(xiàn)在全腦各大腦區(qū)，包括額葉、顳葉、頂葉、腦島、枕葉以及扣帶回，且腦區(qū)內(nèi)偏側化存在區(qū)域性差異。顳葉中，左側偏側化腦區(qū)主要位于顳上回、顳下回、梭狀回和后顳上溝，右側偏側化腦區(qū)主要位于顳中回；額葉大部分區(qū)域呈現(xiàn)出偏側化，左側偏側化位于額下溝以及額下回腹側，右側偏側化位于背外側前額葉、內(nèi)側前額葉等區(qū)域。皮層厚度和平均曲率的偏側化區(qū)域明顯少于皮層表面積偏側化區(qū)域。皮層厚度偏側化腦區(qū)主要位于顳上回和頂下小葉。皮層曲率偏側化腦區(qū)主要位于顳上回、顳中回以及扣帶回的大部分區(qū)域。

2.2 東西方青年組和老年組腦皮層偏側化差異 分別對東西方青年組和老年組被試者的3個參數(shù)的LI進行獨立樣本t檢驗分析，獲得東西方LI有顯著性差異的腦區(qū)(表2、3及圖3)。東西方青年組偏側化差異腦區(qū)主要位于“Brainnetome Atla”分區(qū)中的A45c(BA45尾部)、A13(BA13)及vmPOS(腹內(nèi)側頂枕溝)腦區(qū)，在A13腦區(qū)，中國青年組皮層表面積LI顯著高于西方青年組，而在A45c和vmPOS腦區(qū)，中國青年組皮層表面積LI顯著低于西方青年組；東西方老年組偏側化差異腦區(qū)主要位于A13(BA13)和A38l(BA38)腦區(qū)，這兩個腦區(qū)中國老年組皮層表面積LI顯著高于西方老年組。

皮層厚度偏側性對比中，東西方青年組偏側化差異腦區(qū)主要位于A9m(BA9內(nèi)側區(qū))、A14m(BA14內(nèi)側區(qū))和G(多顆粒腦島)腦區(qū)，其中A9m和A14m腦區(qū)中國青年組皮層厚度LI顯著高于西方青年組，而G腦區(qū)中國青年組皮層厚度LI顯著低于西方青年組；東西方老年組皮層厚度偏側化差異主要位于A9/46v(BA9/46)和A1/2/3ll(BA1/2/3)腦區(qū)，且中國老年組皮層厚度LI均顯著低于西方老年組。

皮層曲率偏側化對比中，在東西方青年組偏側化差異腦區(qū)僅見于A44op(BA44的島蓋部)腦區(qū)，且中國青年組皮層曲率LI顯著低于西方青年組(表2)。東西方老年組在皮層曲率偏側化上無顯著差異腦區(qū)(表3)。

東西方被試者不同年齡組間皮層厚度、皮層表面積和皮層曲率的LI差異均無統(tǒng)計學意義(FDR校正，P均>0.05)。

表1 東西方被試者各年齡組存在顯著皮層偏側化的腦區(qū)數(shù)目

表2 東西方青年組被試者皮層LI有顯著差異的腦區(qū)

表3 東西方老年組被試者皮層LI有顯著差異的腦區(qū)

3 討論

本研究首次采用全新腦網(wǎng)絡組圖譜“Brainnetome Atlas”[6]對東西方不同年齡段群體大腦皮層偏側化進行分區(qū)對比，發(fā)現(xiàn)大腦結構偏側化普遍存在，其中表面積偏側化腦區(qū)數(shù)目明顯多于皮層厚度和皮層平均曲率，與既往研究[7]結果一致。東西方老年組中出現(xiàn)偏側化的腦區(qū)數(shù)目相比青年組均有所減少，這可在一定程度上解釋老齡化過程中大腦認知功能下降的神經(jīng)機制。

本研究在東西方腦皮質(zhì)LI對比中發(fā)現(xiàn)，東西方青年組偏側化出現(xiàn)差異的腦區(qū)集中在A13、A45c、vmPOS(皮層表面積)，A9m、A14m和G(皮層厚度)以及A44op(皮層曲率)。A9m腦區(qū)位于額中回，在外顯記憶加工中發(fā)揮重要作用[8]，也是中文語言加工的重要腦區(qū)[9]。既往研究[2]發(fā)現(xiàn)，在社會認知任務中，A9m區(qū)東西方激活強度存在顯著不同，西方人右半球A9m區(qū)激活強度顯著大于東方人。本研究也同樣發(fā)現(xiàn)，A9m區(qū)中國青年組皮層LI顯著高于西方青年組。BA13/14腦區(qū)與情緒及面孔識別有關[10]。Han等[2]采用Meta分析研究發(fā)現(xiàn)，東西方大腦激活強度在BA13腦區(qū)呈現(xiàn)明顯功能偏側化差異，本研究中同樣發(fā)現(xiàn)此腦區(qū)東西方大腦皮層表面積偏側化具有顯著性差異。Broca區(qū)(BA44/45)在語言加工中發(fā)揮重要作用，且其在語言加工中存在明顯的偏側化。本研究發(fā)現(xiàn)并不是整個Broca區(qū)均存在東西方偏側化差異，而是在A45c(BA45尾部)和A44op(BA44的島蓋部)腦區(qū)具有顯著偏側化差異。

東西方老年組出現(xiàn)皮層偏側化差異的腦區(qū)集中在A9/46v和A1/2/3ll(皮層厚度)，A13和A38l(皮層表面積)。A9/46v區(qū)與工作記憶、詞語生成及語言理解等活動有關[11]，本研究發(fā)現(xiàn)東西方人此腦區(qū)皮層厚度偏側化存在顯著差異，或可部分解釋東西方大腦語言加工的不同。A38l區(qū)主要參與面孔識別及語言句法與語義加工等活動[12-13]，既往研究[2]發(fā)現(xiàn)西方人此區(qū)域在認知加工活動中的大腦激活程度遠高于東方人，本研究結果與其一致。

本研究發(fā)現(xiàn)東西方青年組出現(xiàn)偏側化差異腦區(qū)主要是與語言功能相關的A45c(皮層表面積)、A44op(皮層曲率)以及中文加工的特有腦區(qū)A9m(皮層厚度)；但在老年組，與語言功能相關的有顯著偏側化差異的腦區(qū)只有A9/46v(皮層厚度)，可能隨年齡增加，文化差異對大腦的影響逐漸降低[14]；而東西方青年組和老年組在與情緒和面孔加工相關的A13區(qū)均存在皮層表面積偏側化差異，可以部分解釋東西方人群面孔識別認知活動的不同。

本研究發(fā)現(xiàn)東西方人群在皮層結構偏側化上存在差異，可在一定程度上解釋之前有關東西方人行為以及腦功能有所差異的研究結果。本研究局限性：①未對被試者是否為單語者加以限制；②數(shù)據(jù)來自2個中心，設備參數(shù)等因素可能會對結果產(chǎn)生影響，但設備對Freesurfer皮層厚度重建結果影響較小[15]，且已盡可能加以限制；③設備因素對皮層表面積和曲率重建結果的影響需進一步探究；④配準和標準化時采用的腦模板基于西方數(shù)據(jù)建立，可能對結果產(chǎn)生一定影響[16]。