劉嘉瑋 郭力寧 李魏薇 馬林 滿瑋琦，2 徐佳圓 劉風 于春水

環(huán)境無處不在且影響著人類的精神健康，精神類疾病中50%的風險因素可歸因于環(huán)境[1-2]。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)表明，中國的城鎮(zhèn)人口比例從1978 年的17.92%提高到2019 年的60.6%[3-4]，不斷增長的比例強調(diào)了研究城市化程度對精神健康影響的重要性。近期研究[5]發(fā)現(xiàn)，城市化與大腦處理社會壓力相關區(qū)域的活動存在關聯(lián)，這種大腦結構或功能的變化可能參與調(diào)節(jié)城市化對精神健康或認知功能的影響，而目前較少有研究關注三者之間的關聯(lián)。在生命的早期階段，即出生到青春期（15 歲之前），人腦處于快速發(fā)育時期，認知功能也在不斷增強，人腦及認知功能更容易受到城市化程度的影響[5]。本研究旨在探索早期階段的城市環(huán)境暴露對健康青年人腦灰質(zhì)體積及執(zhí)行功能的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 前瞻性在天津市招募健康青年人。所有受試者在進行實驗前均詳細了解實驗內(nèi)容并簽署知情同意書。納入標準：①18～30 周歲，身體健康；②漢族人；③右利手。排除標準：①吸煙史，過度飲酒史，藥物、毒品濫用或依賴史；②妊娠期或月經(jīng)期女性；③MRI 禁忌證；④有神經(jīng)精神疾病家族史；⑤實驗前一晚睡眠不足7 h。最終納入1 021 名受試者，男 467 名，女 554 名；年齡 18~30 歲，平均（23.76±2.34）歲；受教育程度 9~22 年，平均（16.64±1.91）年。本項研究得到了天津醫(yī)科大學總醫(yī)院倫理委員會批準。

1.2 早期城市化分數(shù) 采用城市化分數(shù)[5-6]評價受試者早期階段（0~15 歲）的城市暴露水平。首先，基于問卷調(diào)查獲得受試者15 歲以前的居住地址，根據(jù)國家統(tǒng)計局2008 年8 月1 日起施行的《關于統(tǒng)計上劃分城鄉(xiāng)的規(guī)定》（國函〔2008〕60 號）把居住地址分為 3 個等級：1 代表農(nóng)村，2 代表城鎮(zhèn)，3 代表城市。然后，將受試者居住地的等級乘以受試者在該地區(qū)居住的時間（年），如有住址遷移則將結果累加計算獲得前15 年的累積值，即為該受試者的早期城市化分數(shù)。早期城市化分數(shù)為15～45 分；15 分代表一直生活在農(nóng)村，45 分代表一直生活在城市；分數(shù)越高表示城市環(huán)境暴露時間越長。

1.3 MRI 數(shù)據(jù)采集及處理

1.3.1 數(shù)據(jù)采集 采用GE Discovery MR750 3.0 T MR 掃描設備，頭部8 通道相控陣線圈。對全部受試者先行常規(guī)T2WI 檢查以確定無顱內(nèi)器質(zhì)性病變，隨后行高分辨矢狀面三維T1WI 全腦數(shù)據(jù)采集。掃描參數(shù)：TR 8.14 ms，TE 3.17 ms，TI 450 ms；翻轉角12°；視野 256 mm×256 mm；矩陣 256×256；層厚1 mm，層間距 0；層數(shù) 188。

1.3.2 數(shù)據(jù)預處理 采用SPM12 軟件中的插件VBM8 進行數(shù)據(jù)預處理。具體步驟：①根據(jù)先驗模板采用“聯(lián)合分割”算法將全腦結構像分割為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液，即可生成灰質(zhì)概率圖，它代表每個體素隸屬于灰質(zhì)的概率；②采用VBM8 內(nèi)置的DARTEL 高階配準法將每名受試者的灰質(zhì)概率圖配準到MNI 標準空間以保證每個體素在受試者之間相對應，并將每個體素重采樣到1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；③使用標準化過程中產(chǎn)生的非線性變形場參數(shù)對灰質(zhì)概率圖進行調(diào)制得到GMV 圖，每個體素內(nèi)的值代表絕對GMV；④將GMV 圖進行平滑處理（高斯核為8 mm×8 mm×8 mm）以提高圖像的信噪比和數(shù)據(jù)正態(tài)性，并且減少配準不齊的影響。

1.4 執(zhí)行功能數(shù)據(jù)采集 采用Go/No-go 任務評估被試執(zhí)行抑制能力，使用E-Prime 2.0 軟件呈現(xiàn)并收集結果。在實驗中，屏幕上會呈現(xiàn)字母X 或者Y，如果當前呈現(xiàn)的字母和前一次出現(xiàn)的字母不同，被試需要快速按鍵做出反應，這種條件為Go 條件；如果當前呈現(xiàn)字母和前一次呈現(xiàn)字母相同，被試此時不能按鍵，如果按鍵則記為錯誤，這種條件為No-go條件，占整個測試的10%[7]。任務包括練習和正式測試，練習通過后開始正式測試。正式測試分為2 組，每組210 個試次，要求在字母顯示后盡可能快速和準確地做出反應。記錄Go 條件的正確率（Go trial accuracy, GA）、No-go 條件的正確率 （No-go trial accuracy, NGA）、Go 條 件 的 反 應 時 間 （Go trial reaction time,GRT）。

1.5 統(tǒng)計學方法 采用SPM12 軟件進行影像數(shù)據(jù)分析。采用基于體素的多元線性回歸方法分析早期城市化分數(shù)與體素水平GMV 之間的關聯(lián)性，采用整體錯誤率（family wise error，F(xiàn)WE）方法對結果進行多重比較校正（P<0.05），并提取通過校正的腦區(qū)團塊的平均GMV 值。采用Spearman 等級相關分析早期城市化分數(shù)值、顯著團塊GMV、執(zhí)行功能之間的相關性。采用SPSS24.0 軟件PROCESS 程序中的Model4 構建早期城市化分數(shù)值、顯著團塊GMV、執(zhí)行功能之間的中介模型，并分析總效應、直接效應、中介效應。其中，總效應由直接效應和中介效應共同構成，直接效應是指在控制中介變量GMV 時，早期城市化分數(shù)對執(zhí)行功能的效應；中介效應是早期城市化分數(shù)對GMV 效應和GMV 對執(zhí)行功能效應的乘積。用Bootstrap 重采樣法抽樣5 000 次來檢驗中介效應的顯著性，效應值以標準誤差、95%置信區(qū)間的下限和上限表示，如果置信區(qū)間不包含零，則認為中介效應顯著。上述分析均將年齡、性別、教育年限以及全腦灰質(zhì)體積作為控制變量予以控制。

2 結果

2.1 關聯(lián)性分析

2.1.1 早期城市化分數(shù)與體素水平GMV 之間的回歸分析 早期城市化分數(shù)與背側前扣帶皮質(zhì)（dorsal anterior cingulate cortex,dACC）和內(nèi)側額上回（medial superior frontal cortex,mSFG）組成團塊的GMV 呈負相關（MNI 峰值坐標：0，35，39；體素 2 124，峰值 T=-6.22）（圖1），即早期城市化分數(shù)值越高，該團塊的GMV 越小。

2.1.2 各變量之間的相關性 早期城市化分數(shù)與dACC 及mSFG 組成團塊的平均 GMV 呈負相關（r=-0.17，P<0.001）。早期城市化分數(shù)與GA 呈正相關（r=0.18，P<0.001），與 GRT 呈負相關（r=-0.18，P<0.001）。dACC 和 mSFG 組成團塊的平均 GMV 與NGA、GA 呈負相關（GMV 與 NGA：r=-0.06，P=0.05；GMV 與 GA：r=-0.10，P=0.001），與 GRT 呈正相關（r=0.08，P=0.01）。

2.2 GMV 在早期城市化分數(shù)與執(zhí)行功能關聯(lián)中的中介效應 早期城市化分數(shù)能負向預測顯著團塊的 GMV 值（βa=-0.14，P<0.001）和 GRT（βc’=-0.17，P<0.001）。顯著團塊的GMV 能正向預測GRT（βb=0.10，P<0.05），詳見圖2。早期城市化分數(shù)可經(jīng)中介路徑和直接路徑預測GRT，中介路徑（早期城市化分數(shù)→顯著團塊GMV→GRT）和直接路徑（早期城市化分數(shù)→GRT）的Bootstrap 效應值的95%置信區(qū)間（CI）均不包含0，表明中介效應和直接效應均達到顯著水平，詳見表1。因此，dACC 和mSFG 團塊的平均GMV 值在早期城市化分數(shù)與GRT 的關聯(lián)中起到部分中介作用，且部分中介效應占總效應的比例為6.74%。

圖1 GMV 與早期城市化分數(shù)值顯著相關的腦區(qū)（P<0.05，F(xiàn)WE 校正）。色帶中T 值的絕對值越大，回歸系數(shù)越顯著，相關性越強。

圖2 顯著團塊平均GMV 在早期城市化分數(shù)對GRT 影響的中介效應模型。*P<0.05,**P<0.001。

3 討論

近年來，中國經(jīng)歷了快速的城市化過程。由于不斷增長的城市化水平帶來的環(huán)境變化與精神健康息息相關，故明確早期城市環(huán)境暴露與大腦結構及認知的關聯(lián)有助于更好地理解城市化水平對精神健康的影響。本研究使用城市化分數(shù)來評估受試者早期所在城市環(huán)境暴露水平，通過關聯(lián)分析建立了早期城市環(huán)境暴露與受試者背側前扣帶皮質(zhì)和內(nèi)側額上回GMV 以及執(zhí)行功能之間的關聯(lián)，并通過中介效應模型發(fā)現(xiàn)，該腦區(qū)的GMV 在早期城市化與執(zhí)行功能關聯(lián)中具有顯著的中介效應。

既往研究[8-9]顯示，城市化水平較高地區(qū)居民比較低地區(qū)的有更好的認知功能表現(xiàn)，尤其是在信息處理速度、執(zhí)行功能和口語學習等方面。本研究結果提示早期城市環(huán)境暴露越高，健康青年人的執(zhí)行功能越強，與既往研究結果相符。這可能是多因素共同作用的結果。首先，城市化水平的提升會帶來更好的生活條件，如完善的醫(yī)療、教育、營養(yǎng)條件等[10-11]，從而促進認知的發(fā)展。其次，城市生活會增加周圍環(huán)境的復雜度，研究[12]表明豐富的外界環(huán)境對認知功能的發(fā)展有促進作用。綜上，城市化發(fā)展在一定程度上促進個體的認知發(fā)展，尤其是執(zhí)行功能。

本研究還發(fā)現(xiàn)，早期城市環(huán)境暴露水平較高的個體 dACC 及 mSFG 的 GMV 較小。dACC 和 mSFG具有很強的解剖與功能連接[13-14]，提示這2 個腦區(qū)參與了相似的功能。dACC 是執(zhí)行控制功能的經(jīng)典腦區(qū)，參與沖突監(jiān)控、錯誤檢測和獎勵評估等多種執(zhí)行功能[14-17]。mSFG 通過與dACC 形成豐富的解剖聯(lián)系，也參與執(zhí)行控制功能[18-19]。本研究同時發(fā)現(xiàn)，dACC 和mSFG 的GMV 越小，執(zhí)行功能越強。一個腦區(qū)GMV 大小與認知功能的關系與年齡因素有關。例如，老年人前額葉腦區(qū)的GMV 越小提示認知功能越差[20]。但是，青年人并非如此，前額葉皮質(zhì)是成熟時間最晚的腦區(qū)，完全成熟可能要持續(xù)到25歲左右[21]。前額葉成熟之前主要經(jīng)歷了經(jīng)驗依賴性突觸修剪過程，該過程將通過去除冗余的突觸，使得前額葉皮質(zhì)變薄、體積變小，而認知處理能力增強[22-24]。本研究納入的受試者年齡為18~30 歲，正處于前額葉成熟的后期階段，因此dACC 和mSFG 的GMV 與執(zhí)行功能呈負相關。

中介效應分析發(fā)現(xiàn)，個體dACC 和mSFG 的GMV 減小介導了早期城市環(huán)境暴露水平與執(zhí)行功能之間的正性效應。這一發(fā)現(xiàn)提示，早期城市環(huán)境暴露水平越高，受試者的經(jīng)濟條件、營養(yǎng)水平、教育及醫(yī)療條件等社會環(huán)境因素越好，這有助于青春期前額葉的突觸修剪過程，進而導致前額葉GMV 減小，而更加高效的突觸連接使得執(zhí)行功能增強。這一解釋也與以往的研究[25-26]發(fā)現(xiàn)相一致，如青春期大量飲酒作為個體特殊環(huán)境暴露可以干擾突觸修剪過程導致前額葉GMV 增大，進而造成執(zhí)行功能減低。以上均提示環(huán)境暴露可能通過影響青春期突觸修剪過程進而影響GMV 及執(zhí)行功能。

本研究還存在一些局限性。首先，早期城市化分數(shù)指標只是對受試者15 歲前生活成長地區(qū)居住時間的反映，而未進一步細化家庭居住地址和學校所在地的不同，可能對結果造成影響。其次，本研究只探討了城市環(huán)境暴露對人腦及行為的影響，而未能考慮遺傳因素及遺傳環(huán)境交互作用的影響。這些因素的效應需要在今后研究中進行探討。再次，腦成像指標中只選擇了GMV，而且GMV 只能解釋一部分執(zhí)行功能的變異。今后研究中需要納入更多的腦成像指標，以全面認識早期城市化對人腦結構、功能與連接的影響，以及這些指標與執(zhí)行功能之間的關系。最后，本研究只考慮了青年人15 歲前城市化程度的累積效應，并沒有進行敏感期分析，無法明確哪個年齡階段的城市環(huán)境暴露對人腦及認知功能的影響最大。盡管存在這些局限性，本研究基于較大樣本發(fā)現(xiàn)了早期城市化程度對青年人腦灰質(zhì)發(fā)育以及執(zhí)行功能的正性效應，增進了對城市環(huán)境暴露與人腦健康及行為關系的理解。