劉宇翀 朱繪霖 曹 偉 李 妍 冀 彥 白無瑕 汪 瑜 張穎瀅 鄒小兵

在青春期，個體的生理、認知和社交功能明顯成熟；同時前額葉(個體處理社會認知過程時的激活部位)發(fā)育成熟，因而青春期是大腦發(fā)育的一個敏感期[1, 2]。孤獨癥譜系障礙 (ASD) 青少年存在異常的前額葉和顳葉皮層激活和功能連通性[3]，并與溝通能力或癥狀嚴重程度呈正相關(guān)[4]。

從發(fā)育觀點上看，ASD個體的大腦拓撲結(jié)構(gòu)可能有異于典型發(fā)育 (TD) 個體。Henry等[5]基于圖論的研究結(jié)果表明，ASD個體存在腦功能分化和整合的非TD模式。另一項研究發(fā)現(xiàn),ASD兒童的網(wǎng)絡(luò)效率和年齡存在負相關(guān)，并且非典型的網(wǎng)絡(luò)效率與ASD癥狀的嚴重程度有關(guān)[6]。

本研究利用功能近紅外光譜成像 (fNIRS) 研究ASD個體的腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性的發(fā)育軌跡。假設(shè)自兒童期至青春期，部分的大腦拓撲屬性存在顯著的年齡效應，并且可能與ASD的癥狀嚴重程度相關(guān)。

1 方法

1.1 研究設(shè)計 病例系列報告。通過采集ASD兒童青少年8 min的雙側(cè)大腦額葉和部分顳頂葉的靜息態(tài)fNIRS，分析大腦拓撲屬性(全局效率、局部效率、中介中心度和度)與年齡、認知及ASD核心癥狀嚴重程度的相關(guān)性。

1.2 倫理 本文為青春期輕度ASD大腦執(zhí)行功能和心智化網(wǎng)絡(luò)發(fā)育軌跡的多模態(tài)研究中的一部分，倫理審批號：中山大學附屬第三醫(yī)院(我院)倫[2019]-02-013-01。

1.3 ASD診斷標準 同時符合以下2項：①通過《美國精神疾病分類與診斷手冊第四版修訂版》(DSM-Ⅳ-TR)、《美國精神疾病分類與診斷手冊第五版》(DSM-Ⅴ)、《國際疾病分類第10版》(ICD-10)或ICD-11診斷的ASD，②ASD診斷觀察量表 (ADOS-G) 和ASD診斷訪談修訂版 (ADI-R) 的評估均超過診斷截止分。

1.4 納入標準 同時符合以下各項：①通過社會公開招募和社交媒體平臺招募診斷或疑似ASD兒童青少年，②經(jīng)我院發(fā)育行為科有2年以上臨床經(jīng)驗的醫(yī)生評估，符合本文ASD診斷的標準；③兒童青少年及其家長愿意配合評估，并簽署知情同意書；④年齡6～17歲；⑤第一語言為普通話；⑥右利手；⑦韋氏兒童智力量表 (WISC) 全量表智商 (FSIQ) ≥70。

1.5 數(shù)據(jù)采集 采用連續(xù)波fNIRS設(shè)備 (FOIRE-3000, 日本島津) 測量48通道靜息態(tài)下Hb濃度的自發(fā)變化，通過光強的變化非侵入式地測量氧合Hb (HbO) 、去氧Hb (HbR) 和總Hb (HbT) 的濃度。圖1顯示，48通道主要覆蓋了額下回 (IFG) 、額中回 (MFG) 、額上回 (SFG) 、內(nèi)額上回 (SMFG) 、顳頂聯(lián)合 (TPJ) 和顳上回 (STG) 。將含有15個信號和16個探測探頭的改良游泳帽佩戴在受試者前額。最下排的探頭沿受試者的眉弓線，中間列的探頭與鼻根-枕骨粗隆正中矢狀線平行。在10-10系統(tǒng)中，9號探頭置于Fp1，3和15號探頭分別置于T3和T4。信號源-探頭之間距離固定為3 cm，帽蓋的形狀可輕微調(diào)整，以適應不同受試者的頭型和大小。預試驗通過三維數(shù)字化儀，從9名年齡6～14歲ASD兒童獲得光學探頭精確的空間坐標和4個參考點 (鼻根、枕骨隆突、右側(cè)和左側(cè)耳乳突) ，然后將平均坐標轉(zhuǎn)換為蒙特利爾神經(jīng)學研究所空間。坐標的測量是通過自動化解剖標簽模版確定的。

圖1 涵蓋前額葉網(wǎng)絡(luò)的48通道排列圖

安靜、關(guān)燈的房間里，軟枕支撐頭部安坐并閉眼休息8 min，數(shù)據(jù)采集應用8.7 Hz樣本頻率和780 nm、805 nm和830 nm波長的近紅外光，實驗人員及時記錄體動，采集的所有信號都納入之后的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和分析。

1.6 數(shù)據(jù)分析

1.6.1 數(shù)據(jù)預處理 (1)刪除首尾各30 s的數(shù)據(jù)，避免邊緣效應。(2)對數(shù)據(jù)中的運動偽跡進行處理，借助Homer2工具包，通過樣條插值法修正運動偽跡[7]。樣條插值首先基于在特定時間窗中的原始強度或移動標準差的變化與預先定義的閾值的比較，來識別運動偽跡。①參照既往研究的推薦，時間窗設(shè)定為1 s，原始強度閾值和標準差分別設(shè)定為0.1和15[8]；②使用三次樣條插值將運動偽跡建模，其中指標p會影響插值的準確度，當p=0，擬合最小二乘曲線；當p=1，應用自然三次插值；本研究參照既往研究的推薦，以p=0.99作為預設(shè)值[7]。在建模完成后，將建模信號與原始信號相減以重構(gòu)整個時間序列數(shù)據(jù)。共(4.05±8.44)%信號被識別為運動偽跡；③對運動偽跡校正后的時間序列信號進行0.009～0.08 Hz帶通濾波，然后參照第1個時間節(jié)點，進行基線校正。

1.6.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 使用GRETNA工具包 (https://www.nitrc.org/projects/gretna/) 進行腦網(wǎng)絡(luò)屬性的構(gòu)建和分析[9]。計算每對通道間的Pearson相關(guān)系數(shù)r，然后用Fisher’sz轉(zhuǎn)換將r轉(zhuǎn)換為z值，以滿足后續(xù)分析的正態(tài)假設(shè)。通過一系列的稀疏閾值，將48×48z值系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)換為一個二元鄰接矩陣。由于負值相關(guān)系數(shù)會影響圖論分析的重測信度，分析只采用正z值系數(shù)[9]。

本研究選擇了網(wǎng)絡(luò)稀疏度作為網(wǎng)絡(luò)分析的閾值 ，網(wǎng)絡(luò)稀疏度定義為網(wǎng)絡(luò)中存在的邊數(shù)與最大可能邊數(shù)的比值，可以保證在分析中每個稀疏閾值中的邊數(shù)相同。最大稀疏閾值需要確保最弱邊對應的相關(guān)系數(shù)差異有統(tǒng)計學意義 (27%，r=0.251) ；另一方面，最小閾值需滿足每個個體的圖不會分成數(shù)個組成部分 (8%)。因此，本研究選擇了8%～27%的網(wǎng)絡(luò)閾值，并使用了1%增量[10]。

1.6.3 網(wǎng)絡(luò)分析 從ASD兒童青少年腦網(wǎng)絡(luò)中提取4個拓撲學指標。①全局效率：網(wǎng)絡(luò)中任意兩節(jié)點的最短路徑長度的倒數(shù)，測量功能整合性和量化網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息的能力。②局部效率：局部子圖中某一指定節(jié)點與相鄰的節(jié)點間傳遞信息的效率，是衡量功能分化的指標。本研究對1 000個隨機化網(wǎng)絡(luò)的對應指標進行計算和正態(tài)化處理后獲得網(wǎng)絡(luò)的全局和局部效率，所有隨機化網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)、邊數(shù)和度分布均相等。③單個節(jié)點的度：與該節(jié)點連通的節(jié)點數(shù)目，度較高的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中與其他節(jié)點的連通更為緊密。④中介中心度：其他任意節(jié)點對的最短路徑通過某一節(jié)點的次數(shù)，節(jié)點的中介中心度越高，反映該節(jié)點對有效的信息溝通越重要。對4個拓撲學指標的AUC進行計算，以避免對閾值水平的依賴，是拓撲屬性在網(wǎng)絡(luò)稀疏度閾值范圍內(nèi)的積分；AUC為稀疏閾值的拓撲屬性整合而成。

1.7 統(tǒng)計分析 使用MATLab 2019軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料以xˉ±s(P0～ P100) 表示， 計數(shù)資料以n(%) 表示。使用廣義線性模型 (GLM) 對年齡和網(wǎng)絡(luò)屬性 (4個拓撲學指標×48通道) 進行建模。年齡為連續(xù)變量，在模型中預測網(wǎng)絡(luò)指標的線性效應。線性回歸模型為：Y=β0+β1×年齡 +e(β0為截距，β1為年齡的系數(shù)，e為誤差)。在控制了年齡的影響后，采用偏相關(guān)分析分別評價腦網(wǎng)絡(luò)屬性與IQ和ADOS的溝通、社會互動和重復行為分數(shù)間的腦-行為關(guān)系。由于ADOS分數(shù)為偏態(tài)分布，分析采用Spearman偏相關(guān)系數(shù)。采用假陽性發(fā)現(xiàn)率校正(P<0.05)對上述多重比較進行校正，即對所有拒絕零假設(shè)的結(jié)果進行假陽性校正[12]。

2 結(jié)果

2.1 一般情況 符合本文納入標準①～⑥條48例，其中3例不符合納入標準⑦，預處理后可分析信號變異高1例(可能由于頭動或體動過多)，44例ASD兒童青少年大腦拓撲屬性數(shù)據(jù)進入本文分析，男 40例，女4例；年齡 6～16(9.5±1.5) 歲；ADOS量表：溝通0～9(2.82±1.98)分，社會互動1～14(6.89±2.89)分，重復刻板0～4(1.16±1.19)分；WISC：言語智商 (VIQ) 68～129(96.41±17.05)，操作智商 (PIQ) 66～134(99.28±14.71)，全量表智商 (FSIQ)74～123(97.09±15.94)。

2.2 全局效率和局部效率指標與年齡相關(guān)性 ①HbO的數(shù)據(jù)行回歸分析，圖2A顯示，全局效率AUC與年齡呈正相關(guān)(R2=0.233，P=0.026)，隨著年齡增大，全局效率的AUC下降 ；圖2B顯示，局部效率的AUC與年齡不相關(guān) (R2=0.002，P>0.05) 。②HbR的數(shù)據(jù)行回歸分析，圖2A和B顯示，全局效率 (R2=0.074，P>0.05) 和局部效率 (R2=0.013，P>0.05) AUC與年齡不相關(guān)。

圖2 全局網(wǎng)絡(luò)指標與年齡的效應

2.3 節(jié)點指標 表1顯示，在通道3(β=-0.333，HbO，lMFG)、4(β=-0.351，HbO，lSFG)和23(β=-0.360，HbR，lIFG)，受試者的中介中心度出現(xiàn)與年齡相關(guān)的顯著下降；而在通道14 (β=0.305, HbR, lMFG)、40 (β=0.375, HbO, rSTG)，則顯示與年齡相關(guān)的顯著上升。度在通道3 (β=-0.430, HbO, lMFG) 和4 (β=-0.411, HbO, lSFG) 顯示與年齡相關(guān)的顯著下降，在通道30 (β=0.299, HbR, rIFG) 、40 (β=0.467, HbO, rSTG) 和48 (β=0.337, HbO, rSTG) 顯著上升。

表1 節(jié)點指標的回歸模型結(jié)果

2.4 腦-行為關(guān)系 表2顯示調(diào)整年齡影響后的偏相關(guān)分析結(jié)果，全局指標與ADOS溝通或社交互動得分及IQ均無顯著相關(guān)(P均>0.05) 。

表2 全局網(wǎng)絡(luò)屬性和ADOS分數(shù)及智力的偏相關(guān)結(jié)果

圖3A顯示，ADOS溝通分數(shù)與通道9的HbR信號(rIFG) 和40(rSTG) 的中介中心度呈正相關(guān)。社會互動得分與通道40的中介中心度 (HbR, rSTG) 和通道33 (HbO, lIFG) 、45 (HbR, rSMFG) 的度呈正相關(guān)，與通道46的中介中心度 (HbR, rSFG) 和通道6的度 (HbR, rSMFG) 呈負相關(guān)。圖3B顯示，F(xiàn)SIQ與通道48 (HbO, rSTG) 的度呈正相關(guān)，與通道3(HbO, lMFG) 和通道22 (HbR, lSTG) 的度呈負相關(guān)。

圖3C和D顯示，操作IQ (PIQ) 與通道37 (HbO和HbR, lSTF)和通道46 (HbO, rSFG) 呈正相關(guān)。通道19 (rIFG) 在HbO信號的度與言語IQ (VIQ) 和FSIQ呈正相關(guān)。通道27 (rSMFG) 的中介中心度和度與VIQ (HbR) 、PIQ (中介中心度: HbR；度: HbO和HbR) 和FSIQ (HbR) 呈正相關(guān)。

圖3 ASD受試者的圖指標和行為相關(guān)性估計

3 討論

本研究采用圖論分析探討ASD個體自兒童期至青春期的腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性的發(fā)育。HbO結(jié)果表明，隨著年齡增長，全局效率逐漸降低，而局部效率保持穩(wěn)定。HbR數(shù)據(jù)在全局和局部效率上未發(fā)現(xiàn)差異有統(tǒng)計學意義。一方面，中介中心度在左額下回 (通道23) 、額中回 (通道3) 和額上回 (通道4) 顯示與年齡相關(guān)的下降；另一方面，左額中回 (通道14) 和右顳上回 (通道40) 的中介中心度顯示與年齡相關(guān)的增加。在左額中回 (通道3) 和額上回 (通道4) 的度顯示與年齡相關(guān)的下降，而額下回 (通道30) 和顳上回 (通道40和/或48) 的度顯示與年齡相關(guān)的增加。在控制年齡的影響后，有數(shù)個通道的中介中心度和度與ADOS得分和IQ顯著相關(guān)。

本研究報道了HbO數(shù)據(jù)全局效率的下降和相近的局部效率，結(jié)果提示在ASD個體中非典型的功能整合和分化成熟。既往研究報道在TD個體中，全局效率增加或維持穩(wěn)定，局部效率呈倒U型發(fā)育，并在25歲左右達到頂峰[13]。Fair 等[14]指出 “從局部到分散”的過程與短距連通性的減少和長距連通性的增加相關(guān)。Nomi等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，ASD兒童的短距連通更多、長距連通性減少；相反，ASD青少年中只有長距連通性減少差異有統(tǒng)計學意義。本研究結(jié)果驗證了這個發(fā)現(xiàn)。神經(jīng)元興奮/抑制失衡理論指出認為，ASD個體神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性提高、抑制性下降，實時降低mPFC的興奮比例能補救ASD小鼠模型的社交缺陷[16]。興奮過度使神經(jīng)系統(tǒng)難以將信號從生理噪音中區(qū)分開來，因而ASD個體的大腦信息傳遞的效率會下降 。

本研究結(jié)果未發(fā)現(xiàn)ASD核心癥狀與網(wǎng)絡(luò)效率顯著相關(guān)。既往研究發(fā)現(xiàn)，在注意力缺陷多動障礙[17]等其他神經(jīng)發(fā)育障礙中也存在網(wǎng)絡(luò)效率下降以及整合和分化過程發(fā)育的減少。既往研究也證實了不同神經(jīng)發(fā)育障礙之間的一致性結(jié)果僅見于網(wǎng)絡(luò)水平分析，提示在神經(jīng)發(fā)育障礙中可能普遍存在異常的網(wǎng)絡(luò)效率，而并非ASD個體獨有的特征[18]。盡管如此，今后仍需更多的研究去明確這一問題。

在HbO和HbR數(shù)據(jù)關(guān)于節(jié)點指標的分析結(jié)果中，雖然在左額上回和額中回皮層顯示與年齡相關(guān)的下降，并在右顳上回和額下回顯示與年齡相關(guān)的上升，但中介中心度和度的結(jié)果并不一致。研究報道在進行心智化任務時，TD成人在右顳上溝的腦激活程度比兒童和青少年高；而在兒童和青少年中，mPFC的激活程度比成人高[19]。這些結(jié)果提示了社會腦呈“從前往后”的傾向[20]。本研究的結(jié)果似乎也提示了從兒童期到青春期，ASD個體也存在類似的發(fā)育軌跡。全年齡段研究也報道了TD個體雙側(cè)mPFC節(jié)點指標的衰減，而在額下回和顳葉區(qū)則存在負定二次年齡效應，即從兒童期到青春期呈逐漸增加的趨勢[13]。類似的發(fā)育軌跡可能與ASD受試者ToM能力的正常發(fā)育相關(guān)；如Hoogenhout等[21]報道高功能ASD個體ToM能力的發(fā)育存在滯后，但發(fā)育的速度和順序與TD個體相比無明顯差異。

本研究也發(fā)現(xiàn)，有數(shù)個通道的節(jié)點指標與ASD癥狀的嚴重程度相關(guān)。有研究基于圖論分析，應用支持向量機 (SVM) 的方法對ASD進行分類，結(jié)果表明右IFG、STG和SFG 腦區(qū)在分類模型中有較高的權(quán)重[22]。需要指出，在前述的這些腦區(qū)對應的通道中，本研究未發(fā)現(xiàn)顯著的年齡效應。這個結(jié)果表明與ASD核心癥狀密切關(guān)聯(lián)的腦區(qū)可能不存在顯著的發(fā)育效應。既往研究也表明，24個月的ASD高危兒的額葉皮層存在非典型的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[23]。以上結(jié)果支持了基于圖論分析的神經(jīng)影像學結(jié)果作為ASD早期識別的生物標記的可能性[24]。

此外，右SMFG、STG和左MFG的節(jié)點指標與IQ相關(guān)。在健康兒童中進行的fMRI研究發(fā)現(xiàn)，左MFG的中介中心度和IQ呈正相關(guān)，左STG的度與IQ呈負相關(guān)；左mPFC、左顳上回和額下皮層與IQ呈負相關(guān)[25]。研究結(jié)果的差異可能來自于本研究的樣本只包括高功能ASD受試者。本研究一個重要的發(fā)現(xiàn)在于這些腦區(qū)有顯著的年齡效應，提示這些腦區(qū)的發(fā)育可能與認知能力的發(fā)育相關(guān)，而與ASD的核心癥狀關(guān)聯(lián)性不大。

本研究局限性包括以下方面。①僅探討了前額葉網(wǎng)絡(luò)和后顳葉皮層。后續(xù)探討圖論指標和癥狀嚴重程度的關(guān)系時，或需要同時納入其他腦區(qū)作研究。②未納入TD對照組。然而，未納入TD對照組應該不會對目前的結(jié)果產(chǎn)生本質(zhì)性的改變：近期發(fā)表的綜述已經(jīng)在宏觀層面對人類大腦的發(fā)育進行了歸納總結(jié)，為本研究探討ASD大腦發(fā)育提供了思路[26]。③非縱向設(shè)計，今后需要進行動態(tài)的追蹤，以進一步驗證本研究結(jié)果。④未考慮受試者接受干預的情況。但因本研究所納入的兒童和青少年均就讀于主流學校，除了1例女生外，其余受試者均未接受規(guī)律的“干預”，只采用了鄒小兵[27]所提出的BSR教育三原則進行教育?；谀X電圖的研究發(fā)現(xiàn)ASD青少年在接受了社交技能團體訓練后，大腦神經(jīng)功能連接性發(fā)生了改變，并且這些改變與社交技能的提升相關(guān)[28]。因此，今后仍需要進一步深入評價干預對于ASD個體大腦拓撲學的影響。

總而言之，以往鮮有研究利用fNIRS探討ASD個體自兒童期到青春期的大腦發(fā)育軌跡[29]。本研究發(fā)現(xiàn)從兒童期至青春期，ASD個體存在功能整合的下降，而分化模式相似。此外，數(shù)個腦區(qū)的節(jié)點指標顯示顯著的與年齡相關(guān)的發(fā)育，但這些腦區(qū)僅與認知能力相關(guān)；另一方面，ASD癥狀嚴重程度與無顯著年齡效應的腦區(qū)相關(guān)。因此，前額葉皮層的發(fā)育可能只與認知能力的發(fā)展相關(guān)，而與ASD核心癥狀無關(guān)。