劉夢(mèng)婉，盧虹冰，徐守軍，楊春蘭，李佳銘，鄭凱中，燕寶玉，劉 健，李寶娟*

（1.空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系醫(yī)學(xué)信息技術(shù)教研室，西安 710032；2.深圳市兒童醫(yī)院放射科，廣東深圳 518000；3.深圳市兒童醫(yī)院血液二病區(qū)，廣東深圳 518000；4.空軍軍醫(yī)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)中心，西安 710032）

0 引言

自閉癥譜系障礙（autism spectrum disorder，ASD）是一種神經(jīng)發(fā)育異常疾病，常在兒童時(shí)期出現(xiàn)異常表現(xiàn)，主要特征為社會(huì)交往障礙、重復(fù)刻板行為和興趣缺乏[1]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在美國(guó)8歲以下的兒童中每59名中就有一名是ASD患者[2]。ASD終身難以治愈，給個(gè)人和家庭帶來(lái)了沉重的負(fù)擔(dān)，其早期診斷和干預(yù)已成為研究的熱點(diǎn)。神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展為ASD的診斷提供了新的視角。

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）已廣泛應(yīng)用于ASD的腦連接分析，其原理是腦活動(dòng)會(huì)引起相應(yīng)區(qū)域血液中氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白比例變化，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域MRI T2加權(quán)像信號(hào)變化[3]。基于fMRI的功能連接是通過(guò)研究空間獨(dú)立的腦區(qū)之間在時(shí)間序列上的相關(guān)性來(lái)探究ASD的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，伴有破壞行為的ASD兒童杏仁核與腹外側(cè)前額葉皮質(zhì)的連通性降低[4]，內(nèi)側(cè)前額葉皮質(zhì)與軀體感覺(jué)皮質(zhì)、后扣帶回之間的功能連接降低[5]。與此同時(shí)，還有大量研究發(fā)現(xiàn)ASD患者在尾狀核、楔前葉、海馬、腦島等關(guān)鍵腦區(qū)的功能連接不足[6-7]。

上述研究都是針對(duì)同個(gè)腦半球內(nèi)的功能連接，目前對(duì)ASD半球間的同位腦區(qū)的功能連接強(qiáng)度并無(wú)深入研究。傳統(tǒng)理論認(rèn)為大腦兩半球中間由纖維束板胼胝體連接，右腦主要負(fù)責(zé)空間注意力、視覺(jué)識(shí)別和情緒調(diào)節(jié)，左腦負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算、語(yǔ)言表達(dá)、閱讀書(shū)寫(xiě)[8]，但兩者的功能不是絕對(duì)單側(cè)化的，任何功能的實(shí)現(xiàn)都需要兩半球的相互協(xié)調(diào)溝通[9]。有研究表明，大腦半球間關(guān)于信息傳遞的功能整合能夠在人臉感知過(guò)程中協(xié)調(diào)個(gè)體的信息處理能力[10]。此外，研究發(fā)現(xiàn)觸覺(jué)刺激引起雙側(cè)軀體感覺(jué)區(qū)域激活，該過(guò)程需要依賴(lài)于胼胝體的完整性[11]。更為重要的是，有研究認(rèn)為腦半球間不同步的獨(dú)特特征可能與患者認(rèn)知障礙有關(guān)[12]。另外，ASD的結(jié)構(gòu)連接研究顯示，作為連接大腦兩半球的部位，ASD患者胼胝體的體積[13]、軸突數(shù)目和軸突大小都顯著減小[14]，這也提示可以從大腦兩半球間的信息溝通尋找ASD的潛在神經(jīng)機(jī)制。

體素鏡像同倫連接（voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC）是 Zuo 等[15]在 2010 年提出的，用于研究大腦兩半球相同位置的腦區(qū)功能連接強(qiáng)度，旨在分析退行性疾病及精神類(lèi)疾病的功能同倫所隱藏的機(jī)制背景。目前，有學(xué)者對(duì)精神分裂[16]、抑郁癥[17]、創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙[18]等精神類(lèi)疾病的VHMC進(jìn)行了初步探索。2011年Anderson等[19]對(duì)VMHC在成年ASD患者中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，認(rèn)為同位功能連接存在顯著性下降。但是在兒童中，尤其是在學(xué)齡前兒童中，VMHC是否發(fā)生變化尚不清楚。

本研究采集了ASD兒童的fMRI影像數(shù)據(jù)用于對(duì)比ASD兒童與典型發(fā)育（typically developing，TD）兒童之間鏡像同倫連接強(qiáng)度。由于ASD患者在社會(huì)認(rèn)知方面存在典型缺陷，本文假設(shè)ASD兒童在相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)VMHC異常的現(xiàn)象。

1 資料與方法

1.1 被試資料

自閉癥組（ASD組）被試為深圳市兒童醫(yī)院初次就診的ASD兒童，均符合美國(guó)精神障礙診斷統(tǒng)計(jì)手冊(cè)第V版（DSM-V）ASD診斷標(biāo)準(zhǔn)，由專(zhuān)業(yè)的精神科醫(yī)生通過(guò)ABC（autism behavior checklist）量表和CARS（childhood autism rating scale）量表進(jìn)行診斷。入組標(biāo)準(zhǔn)：（1）年齡 2～8 歲；（2）無(wú)血常規(guī)及臨床檢查生化及血液異常；（3）無(wú) MRI禁忌證；（4）近期未使用安定類(lèi)藥物；（5）無(wú)腦外傷，無(wú)精神分裂癥或其他精神類(lèi)、神經(jīng)類(lèi)疾病。典型發(fā)育組（TD組）招募健康兒童，入組標(biāo)準(zhǔn)：（1）年齡 2～8 歲；（2）無(wú)精神發(fā)育遲滯、注意力缺陷多動(dòng)障礙、學(xué)習(xí)障礙等疾患；（3）無(wú)頭部及軀體外傷；（4）無(wú)精神分裂癥或其他精神類(lèi)、神經(jīng)類(lèi)疾??；（5）無(wú)MRI禁忌證。ASD組共入組121例，TD組共入組119例。由于掃描參數(shù)不同、掃描過(guò)程被試蘇醒、頭動(dòng)過(guò)大、左利手等原因ASD組排除36例，TD組排除44例。通過(guò)觀察樣本分布發(fā)現(xiàn)3～4歲兒童被試較多，而7～8歲兒童被試較少，無(wú)法納入研究，因此去除2組中7～8歲兒童被試，ASD組排除2例，TD組排除5例。最終ASD組83例、TD組70例納入研究。本研究經(jīng)過(guò)了深圳市兒童醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，并且所有被試兒童家長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)前都簽訂了知情同意書(shū)。2組被試資料見(jiàn)表1。

表1 2組被試的人口學(xué)資料

1.2 圖像采集

使用Siemens 3.0T磁共振掃描儀進(jìn)行掃描，所有被試口服或經(jīng)灌腸給予0.5%水合氯醛0.5 ml/kg（最大劑量10 ml）后保持睡眠狀態(tài)，fMRI的掃描參數(shù)：重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）2 000 ms，回波時(shí)間（echo time，TE）30 ms，視野（field of view，F(xiàn)OV）230 mm×230 mm，矩陣 64×64，翻轉(zhuǎn)角度 90°，層數(shù) 35，層厚3.6 mm，層間距0.72 mm。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本研究數(shù)據(jù)使用基于MATLAB平臺(tái)的REST－plus（http://www.restfmri.net/forum/RESTplusV1.2）和SPM（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）工具包進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理主要步驟包括：（1）時(shí)間層校正：校正不同層在采樣時(shí)的時(shí)間差異。（2）頭動(dòng)校正：校正被試在掃描過(guò)程中的頭動(dòng)影響，剔除頭動(dòng)過(guò)大（坐標(biāo)位移超過(guò)3 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過(guò)3°）的被試數(shù)據(jù)。（3）空間標(biāo)準(zhǔn)化：將每個(gè)被試的大腦配準(zhǔn)到蒙特利神經(jīng)學(xué)研究所定義的標(biāo)準(zhǔn)MNI（Montreal Neurological Institute）模板。（4）空間平滑：以半高寬度為6 mm進(jìn)行高斯平滑。（5）去線性漂移。（6）濾波：采用 0.01～0.08 Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波。（7）回歸協(xié)變量：去除白質(zhì)信號(hào)、腦脊液信號(hào)、全腦平均信號(hào)及6個(gè)頭動(dòng)參數(shù)等協(xié)變量的影響。

1.4 VMHC分析及統(tǒng)計(jì)分析

在MATLAB平臺(tái)上使用DPABI工具包進(jìn)行VMHC分析，分別計(jì)算ASD組和TD組的每個(gè)體素與另一半球?qū)?yīng)位置體素的Pearson相關(guān)系數(shù)，得到VMHC強(qiáng)度。再對(duì)該相關(guān)系數(shù)進(jìn)行Fisher-Z變換，使其符合正態(tài)分布，算法的詳細(xì)過(guò)程可參見(jiàn)Zuo等[15]的研究。

使用SPM12分別對(duì)2組進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)，得到2組的VMHC強(qiáng)度圖譜。再對(duì)兩者連接強(qiáng)度進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)比較，將年齡及性別作為協(xié)變量進(jìn)行全腦基于體素的分析，經(jīng)過(guò)錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率（false discovery rate，F(xiàn)DR）控制校正得到二者存在顯著差異（P＜0.05）的VMHC圖譜，之后將2組存在顯著差異的腦區(qū)定義為感興趣區(qū)域。最后提取ASD組感興趣區(qū)域的平均VMHC值并與ABC量表得分之間做相關(guān)性分析。

2 結(jié)果

分別對(duì)2組進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)，2組的VMHC連接強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 TD組與ASD組的VMHC連接強(qiáng)度（單樣本t檢驗(yàn)，P＜0.05，F(xiàn)DR校正）

圖2和表2表示ASD組與TD組之間VMHC對(duì)比結(jié)果。分析發(fā)現(xiàn)，ASD組在楔前葉、內(nèi)側(cè)額葉、尾狀核、顳上回的VMHC強(qiáng)度較TD組顯著降低，并未發(fā)現(xiàn)ASD組VMHC強(qiáng)度增強(qiáng)的腦區(qū)。2組間存在差異腦區(qū)在ASD組中的VMHC值與ABC量表評(píng)分之間無(wú)顯著相關(guān)性（P＞0.05）。

圖2 ASD組與TD組之間VMHC對(duì)比結(jié)果

3 討論

本文首次實(shí)現(xiàn)對(duì)ASD兒童全腦VMHC進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)稱(chēng)位置相同腦區(qū)的功能連接分析，探究ASD兒童大腦半球間信息交流溝通與正常兒童的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與TD兒童相比，ASD患兒在顳上回、楔前葉、內(nèi)側(cè)額葉、尾狀核的VMHC強(qiáng)度顯著降低，這可能與ASD兒童社會(huì)功能和社會(huì)認(rèn)知方面的異常相關(guān)。

表2 ASD組較TD組VMHC減弱的腦區(qū)

顳上回體積、活動(dòng)等異常已被廣泛認(rèn)為是ASD認(rèn)知障礙的因素之一[20]。顳上回在結(jié)構(gòu)上與中央前回、中央后回、頸上回、運(yùn)動(dòng)前皮層、額下回、額中回相連，可能構(gòu)成負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)處理的不同網(wǎng)絡(luò)，形成語(yǔ)音產(chǎn)生和感知之間的語(yǔ)音反饋回路[21]，ASD患者存在這些方面的功能異常。采用頻譜重組技術(shù)對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)和基于任務(wù)的功能數(shù)據(jù)進(jìn)行自下向上的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)顳上回是與聽(tīng)覺(jué)有關(guān)的關(guān)鍵區(qū)域[22]。同時(shí)ASD患者語(yǔ)言功能的障礙可能與顳上回相關(guān)[23]，尤其與語(yǔ)音或語(yǔ)言的產(chǎn)生有關(guān)[24]。此外，在一項(xiàng)研究中對(duì)幼兒講睡前故事使其進(jìn)入自然睡眠狀態(tài)并監(jiān)測(cè)大腦信號(hào)，發(fā)現(xiàn)ASD患兒的顳葉處理語(yǔ)言功能存在單側(cè)化異常，左側(cè)顳葉的活動(dòng)減少而右側(cè)活動(dòng)不變[25]，這與本研究的結(jié)果具有一定的一致性。在以往研究的基礎(chǔ)上，本研究還發(fā)現(xiàn)顳上回的VMHC強(qiáng)度顯著下降，這提示顳上回半球間溝通不足可能也是ASD患兒出現(xiàn)語(yǔ)言障礙的原因。

楔前葉是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，而默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)主要參與社會(huì)心理認(rèn)知的過(guò)程，其功能的異常與ASD患者推斷他人心理能力缺失和自我參照能力下降有關(guān)。楔前葉的活動(dòng)受不同的自我意識(shí)模式調(diào)節(jié)，當(dāng)注意力集中于內(nèi)部刺激時(shí)，楔前葉活動(dòng)增加，在對(duì)外界環(huán)境的自我參照過(guò)程中活動(dòng)減少，同時(shí)，神經(jīng)系統(tǒng)疾病或藥物引起的意識(shí)受損時(shí)楔前葉的活動(dòng)也會(huì)減少[26]。另有研究發(fā)現(xiàn)認(rèn)知障礙患者常做出非理性活動(dòng)與楔前葉的調(diào)節(jié)有關(guān)，尤其是在做出非理性決定時(shí)，楔前葉的高頻活動(dòng)增加[27]。本研究發(fā)現(xiàn)楔前葉VMHC強(qiáng)度降低，可能為ASD患兒自我意識(shí)調(diào)節(jié)障礙提供一定的神經(jīng)生物學(xué)依據(jù)。

內(nèi)側(cè)額葉結(jié)構(gòu)和功能的損傷是很多精神類(lèi)疾病共同的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)。內(nèi)側(cè)額葉參與調(diào)節(jié)多種心理過(guò)程，包括社會(huì)認(rèn)知、推斷他人心理、認(rèn)知控制和情感，其中最重要的是關(guān)注當(dāng)前行為并指導(dǎo)后續(xù)動(dòng)作[28]。內(nèi)側(cè)額葉及前扣帶回可以將外界信息與運(yùn)動(dòng)和感知信息集合以采取行動(dòng)或制訂決策，尤其是在檢測(cè)到對(duì)外界刺激的錯(cuò)誤反應(yīng)及可能帶來(lái)的不利后果時(shí)內(nèi)側(cè)額葉一直處于激活狀態(tài)，這有助于自適應(yīng)行為。研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)額葉是通過(guò)對(duì)紋狀體自上而下的控制影響神經(jīng)元間隔放電時(shí)間從而指導(dǎo)行為的，內(nèi)側(cè)額葉活動(dòng)降低將會(huì)破壞指導(dǎo)動(dòng)作的時(shí)機(jī)[29]。在一項(xiàng)預(yù)測(cè)獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰反饋的任務(wù)研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于面對(duì)輸贏的反饋中，ASD組相較于TD組在內(nèi)側(cè)額葉的神經(jīng)活動(dòng)一致性降低，提示ASD患者預(yù)測(cè)行為結(jié)果和事件發(fā)生時(shí)間能力的降低[30]，而單側(cè)的內(nèi)側(cè)皮質(zhì)的損傷會(huì)加重這種決策能力的缺失[31]。本研究發(fā)現(xiàn)ASD組內(nèi)側(cè)額葉的VMHC強(qiáng)度降低，這可能與ASD患兒收集感知信息并做出相應(yīng)反應(yīng)的障礙有關(guān)，在面對(duì)錯(cuò)誤判斷時(shí)無(wú)法調(diào)整自身行為以適應(yīng)特定的環(huán)境，繼而導(dǎo)致社會(huì)交往障礙。

尾狀核是獎(jiǎng)勵(lì)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵腦區(qū)，在行為監(jiān)測(cè)方面起重要作用。重復(fù)刻板是ASD患者的典型癥狀，同時(shí)也發(fā)生在其他神經(jīng)精神疾病如多動(dòng)癥、強(qiáng)迫癥中，這些疾病的神經(jīng)影像學(xué)研究提示，該癥狀與基底神經(jīng)節(jié)-額葉回路的異常有關(guān)[32]，但是目前對(duì)尾狀核如何影響ASD患者的重復(fù)刻板行為還存在爭(zhēng)議。研究發(fā)現(xiàn)ASD患者強(qiáng)迫行為與雙側(cè)尾狀核體積正相關(guān)且隨著年齡的增長(zhǎng)體積增大速度增加[33]，另有研究認(rèn)為重復(fù)行為的嚴(yán)重程度與紋狀體生長(zhǎng)有關(guān)，而與體積本身無(wú)關(guān)[34]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)重復(fù)行為可能是由于鈣調(diào)蛋白濃度降低而破壞尾狀核的興奮/抑制平衡，從而導(dǎo)致皮質(zhì)紋狀體回路功能障礙[35]。此外，研究發(fā)現(xiàn)多巴胺D3受體（dopamine D3 receptor，DRD3）基因與重復(fù)刻板行為高度相關(guān)，DRD3基因在基底神經(jīng)節(jié)中高度表達(dá)，尤其是尾狀核過(guò)度激活[32]。缺失Shank3基因（SH3 and Multiple Ankyrin Repeat Domains 3）的ASD小鼠模型在發(fā)育早期時(shí)皮質(zhì)過(guò)度活躍，紋狀體過(guò)度連接從而導(dǎo)致ASD小鼠行為異常，這與之前的人腦研究具有一致性，因此可以一定程度解釋ASD患者的重復(fù)刻板行為[36]。但是對(duì)強(qiáng)迫癥患者的腦功能連接分析發(fā)現(xiàn)，左側(cè)尾狀核-丘腦功能連接的降低與強(qiáng)迫癥的病程呈正相關(guān)[37]。本研究發(fā)現(xiàn)尾狀核的VMHC強(qiáng)度下降，這可能與雙側(cè)尾狀核溝通不良有關(guān)，為理解ASD患兒的重復(fù)刻板行為的發(fā)生機(jī)制提供了新的神經(jīng)影像學(xué)視角。

本研究存在以下不足：（1）由于ASD發(fā)病率存在顯著的性別差異等因素，本文中2組樣本在性別、年齡方面并未完全匹配。針對(duì)這一問(wèn)題，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，我們將性別和年齡作為協(xié)變量進(jìn)行了處理。在下一步工作中將重點(diǎn)增加更多被試使得2組的性別和年齡匹配。（2）VMHC對(duì)ASD的發(fā)病機(jī)制做了初步探索，但是只能發(fā)現(xiàn)兩半球間相同位置腦區(qū)的連接強(qiáng)度，對(duì)于連接彼此如何調(diào)控的方向性無(wú)法獲得，因此，下一步工作將基于腦有效連接的分析方法，尋找兩半球?qū)?yīng)腦區(qū)之間的連接的方向及因果關(guān)系，進(jìn)一步探索腦區(qū)之間的相互作用。

綜上，本研究通過(guò)對(duì)2～6歲的ASD兒童的影像學(xué)資料進(jìn)行腦VMHC分析，發(fā)現(xiàn)與TD組相比，ASD患者在顳上回、楔前葉、內(nèi)側(cè)額葉、尾狀核的VMHC強(qiáng)度顯著降低。這些腦區(qū)的連接強(qiáng)度降低可能與ASD患兒的語(yǔ)言功能障礙、社會(huì)交往障礙、自我參照能力缺失以及重復(fù)刻板行為相關(guān)，為進(jìn)一步闡明ASD神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制提供了新思路。