李玉爽，敖亞雯，趙益林，楊華光，查云飛

作者單位：武漢大學(xué)人民醫(yī)院放射科，武漢430060

自閉癥譜系障礙(autism spectrum disorder，ASD)，又稱孤獨(dú)癥，是一種常見的高度遺傳的異質(zhì)神經(jīng)發(fā)育障礙性疾病[1]。ASD 患者的臨床表現(xiàn)差異很大，主要表現(xiàn)為社會性交流交往障礙、重復(fù)刻板的興趣與行為等。ASD 兒童往往不能正常生活，不僅危害自身健康發(fā)展，還給家庭和社會帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)的發(fā)展為無創(chuàng)探究ASD兒童腦部結(jié)構(gòu)和功能異常提供了新的方法[2]。在此基礎(chǔ)上，采用圖論分析方法，構(gòu)建了一個由許多節(jié)點(diǎn)(腦區(qū))和邊(腦區(qū)之間的結(jié)構(gòu)和功能連接)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腦網(wǎng)絡(luò)模型，不僅可以描繪腦區(qū)之間的相互連接情況，還可以通過檢測和定量分析各腦網(wǎng)絡(luò)特征屬性變化探究中樞系統(tǒng)的微觀變化。ASD 背后的功能機(jī)制目前尚不清楚，先前有大量證據(jù)表明ASD患者的大腦網(wǎng)絡(luò)存在異常，主要表現(xiàn)在異常的區(qū)域內(nèi)靜息狀態(tài)功能連接，如語言功能網(wǎng)絡(luò)[3]，社交功能網(wǎng)絡(luò)[4]以及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network，DMN)[5]等。他們只是從局部結(jié)構(gòu)和功能改變上探討ASD 的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，然而，腦區(qū)結(jié)構(gòu)或功能異常可以映射到網(wǎng)絡(luò)層面上，因此，從全腦功能網(wǎng)絡(luò)層面上分析ASD 的異常改變將更有助于理解ASD 的病理生理機(jī)制。并且，之前的研究結(jié)果既有發(fā)現(xiàn)ASD的大腦功能連接增加，也有發(fā)現(xiàn)連接減弱的，大腦功能連接的結(jié)果不一致性可能與選取樣本的年齡有關(guān)[6]，也可能與研究的樣本量有關(guān)[7]。本研究從國際自閉癥腦成像交換數(shù)據(jù)庫(Autism Brain Imaging Data Exchange，ABIDE)中選取足量的樣本，利用圖論分析的方法研究ASD 兒童(8～18 歲)全腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使結(jié)果更具有說服力，為臨床提供參考。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究的數(shù)據(jù)來源于ABIDE (http://preprocessedconnectomes-project.org/abide)。該數(shù)據(jù)庫包含了36 個國際站點(diǎn)的1060 例ASD 患者和1166 正常發(fā)育(typically developing，TD)者的腦功能成像及結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)，這些對象的年齡為6～65 歲。本研究中，ASD組的入組條件：(1)依據(jù)第4版《美國精神障礙診斷和統(tǒng)計手冊》標(biāo)準(zhǔn)診斷為ASD；(2)年齡8～18 歲；(3)總智商評分≥70 分；(4)右利手；(5)影像學(xué)數(shù)據(jù)來自于睜眼狀態(tài)時掃描。TD 組的入組條件：(1)性別及年齡與ASD 組相匹配；(2)總智商評分≥70 分；(3)右利手；(4)影像學(xué)數(shù)據(jù)來自于睜眼狀態(tài)時掃描；(5)既往無神經(jīng)或精神疾病如重度抑郁癥、精神分裂癥、癲癇或創(chuàng)傷性腦損傷等病史。本研究最終納入符合條件的來自4 個站點(diǎn)(NYU、SDSU、PITT、UCLA)的130 例被試者，包括65 例ASD 兒童(男50 例、女15 例)以及65 例TD 兒童(男51例、女14例)。ABIDE數(shù)據(jù)庫中的每個數(shù)據(jù)貢獻(xiàn)者都通過了機(jī)構(gòu)審查委員會的批準(zhǔn)，所有的受試者(或其監(jiān)護(hù)人)都簽署了知情同意書。

1.2 臨床量表評估

兩組兒童均接受韋氏量表(Wechsler，1999)智商評估，得到言語智商(verbal intelligence quotient，VIQ)，操作智商(performance intelligence quotient，PIQ) 和智商總量表(full-scale intelligence quotient，F(xiàn)IQ)的分值。本研究納入的ASD兒童曾接受過孤獨(dú)癥診斷訪談量表修訂版(autism diagnoses interview-revised，ADI-R，Lord，1994)評估[8]，ADI-R主要通過評估ASD的社會交往、言語交流和重復(fù)刻板行為這3 個核心特征來確診被評估者是否患有ASD。ADI-R量表評分方法因項目不同而異，一般按0～3分劃分為4 個等級，其中0 分表示無異常；1 分為介于有或無此類癥狀之間；2分或3分表示此類癥狀存在，但在程度上存在差異。

1.3 圖像預(yù)處理

采 用DPABI 工 具 包(4.1 版 本；http://rfmri.org/DPABI)基于Matlab 2011 a (MathWorks, Natick,MA, USA)平臺對原始MRI 圖像進(jìn)行預(yù)處理。(1)將圖像格式轉(zhuǎn)換成NIFITI 格式；(2)剔除前10 個時間點(diǎn)；(3)時間層校正；(4)頭動校正：將頭動旋轉(zhuǎn)角度＞1.5°，平移＞1.5 mm 的圖像去除，計算每個被試的平均逐幀位移量(framewise displacement，F(xiàn)D)，移除FD 大于0.5 mm 的時間點(diǎn)，并移除此時間點(diǎn)后面一個和前面兩個時間點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)兩組FD [ASD：(0.190±0.073)；TD：(0.219±0.226)；P=0.321]之間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義，可排除頭動對圖像結(jié)果的影響[9]；(5)將T1 加權(quán)像配準(zhǔn)到功能像，并分割成灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液，并去除協(xié)變量，如Friston 24 頭動參數(shù)、線性趨勢、全腦體積均值、腦白質(zhì)及腦脊液信號；(6)校正的圖像配準(zhǔn)到SPM 12 (http://www.fil.ion.ucl.ac.uk)提供的標(biāo)準(zhǔn)模板，并采用全寬半高為8 mm 的高斯平滑核對圖像進(jìn)行平滑；(7)去線性漂移；(8)低頻濾波(0.01～0.08 Hz)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Gretna (www.nitrc.org/projects/gretna/)軟件依據(jù)AAL (anatomical automatic labeling)模板構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)并分析其拓?fù)鋵W(xué)指標(biāo)。該圖譜將大腦劃為90個區(qū)，每個區(qū)域視為一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，提取每個區(qū)域所有體素的平均時間序列，計算每對節(jié)點(diǎn)平均時間序列之間的Pearson相關(guān)系數(shù)，得到一個90×90的相關(guān)系數(shù)矩陣，對相關(guān)系數(shù)r進(jìn)行Fisherr到z變換，制作出大腦功能連接網(wǎng)絡(luò)的模型。腦區(qū)相互之間功能連接強(qiáng)度的絕對值定義為“邊”，將網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際存在的邊的數(shù)量占最大可能邊的數(shù)量的比例定義為網(wǎng)絡(luò)稀疏度(sparsity，S)。本研究中選擇在0.01＜S＜0.34，步長0.01 的情況下計算ASD 組和TD 組的拓?fù)鋵W(xué)指標(biāo)，主要包括幾個常見的全局/節(jié)點(diǎn)參數(shù)：聚類系數(shù)(clustering coefficient，Cp)、特征路徑長度(Characteristic path length，Lp)、標(biāo)準(zhǔn)化的聚類系數(shù)(γ)、標(biāo)準(zhǔn)化的特征路徑長度(λ)、小世 界 指 數(shù)(σ)、全 局 效 率(global efficiency，Eglob)、局部效率(local efficiency，Eloc)、節(jié)點(diǎn)效率(nodal efficiency)。其中σ=γ/λ，當(dāng)滿足γ＞1、λ≈1、σ＞1 時，表示該網(wǎng)絡(luò)符合小世界的高效網(wǎng)絡(luò)特性。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 22.0 軟件對臨床基本資料進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。使用Shapiro-Wilk測試對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布測試。如果數(shù)據(jù)通過正態(tài)性檢驗(yàn)，使用參數(shù)檢驗(yàn)法，數(shù)據(jù)沒有通過正態(tài)性檢驗(yàn)，則使用非參數(shù)檢驗(yàn)法。雙樣本t檢驗(yàn)用來比較兩組間在年齡是否有差異。統(tǒng)計ASD組的臨床測評分?jǐn)?shù)的均數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差。采用雙樣本t檢驗(yàn)來比較兩組間全腦及局部腦功能連接網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩韵嚓P(guān)參數(shù)的差異，并進(jìn)行FDR 校正。軟件BrainNet Viewer 可以呈現(xiàn)節(jié)點(diǎn)中拓?fù)鋵W(xué)屬性存在顯著差異的情況。P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床基本資料比較

ASD 組的男女性別比為3.3∶1，TD 組的男女性別比為3.6∶1，兩組在性別、年齡、FIQ、VIQ、PIQ 等方面的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P均＞0.05) (表1)。

表1 兩組人口統(tǒng)計學(xué)及臨床基本資料Tab.1 Demographic and clinical characteristics of the two groups

2.2 兩組全腦水平拓?fù)鋵W(xué)指標(biāo)改變

本研究中我們發(fā)現(xiàn)兩組被試在整個稀疏度閾值范圍內(nèi)(0.1～0.34)均滿足小世界網(wǎng)絡(luò)屬性，即γ＞1，λ≈1(圖1)；然而，與TD 組相比，ASD 組的小世界網(wǎng)絡(luò)屬性出現(xiàn)改變。具體來說，ASD 組的Cp及Lp的曲線下面積明顯低于TD組，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P均＜0.05)；兩組的Eglob、Eloc、γ、λ和σ大致相同，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P均＞0.05) (圖2，表2)。

圖1 腦功能網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性參數(shù)隨稀疏度變化曲線圖。ASD：自閉癥譜系障礙；TD：正常發(fā)育。Fig. 1 The curve of the small world attribute parameters of the brain function network with sparsity. ASD: autism spectrum disorder; TD:typically developing.

表2 兩組全局網(wǎng)絡(luò)屬性比較Tab.2 Between-group comparison in global network metrics

2.3 兩組節(jié)點(diǎn)水平拓?fù)鋵W(xué)指標(biāo)改變

與TD組相比，ASD組節(jié)點(diǎn)水平分析結(jié)果顯示在雙側(cè)前扣帶回、雙側(cè)尾狀核、雙側(cè)海馬、右側(cè)頂下小葉這些腦區(qū)的節(jié)點(diǎn)效率減低(P＜0.05) (表3、圖3)。

圖3 自閉癥譜系障礙組中節(jié)點(diǎn)屬性改變存在顯著差異的腦區(qū)。黑色表示屬性減低。ACG：前扣帶回及旁扣帶腦回；IPL：頂下小葉；HIP：海馬；CAU：尾狀核。Fig. 3 Brain regions with significant differences in node attribute changes in autism spectrum disorder groups. Black balls represent the areas of decreased nodal efficiency. ACG: anterior cingulate gyrus and paracingulate gyrus; IPL: apical and inferior lobule; HIP: hippocampi.CAU:caudate nucleus.

表3 自閉癥譜系障礙組較正常發(fā)育組節(jié)點(diǎn)效率減低的腦區(qū)Tab.3 Brain regions which autism spectrum disorder group had lower node efficiency than typically developing group

3 討論

本研究采用圖論的方法研究ASD 組和TD 組全腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異。結(jié)果表明雖然ASD 組和TD 組都仍具有小世界網(wǎng)絡(luò)屬性，但是與TD 組相比，ASD 組全局/局部水平大腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)屬性都發(fā)生了異常改變，具體表現(xiàn)為ASD組的Cp以及Lp降低，說明有向隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的趨勢，其功能整合能力增強(qiáng)，功能分化能力降低，并且在雙側(cè)前扣帶回、尾狀核、海馬及右側(cè)頂下小葉等這些腦區(qū)出現(xiàn)了腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)效率降低。這些結(jié)果為我們探索ASD 的病理生理機(jī)制以及解釋ASD 的神經(jīng)基礎(chǔ)癥狀提供了有價值的見解。

3.1 ASD 組與TD 組全腦功能網(wǎng)絡(luò)全局屬性指標(biāo)的結(jié)果分析

大腦作為一個大尺度網(wǎng)絡(luò)，是對神經(jīng)元、神經(jīng)元集群或腦區(qū)之間活動交互整合的直觀描述[10]，具有復(fù)雜高效的腦部結(jié)構(gòu)及功能。圖論分析方法為大腦網(wǎng)絡(luò)的研究提供了可視化的途徑[11]。大腦被模擬為由數(shù)百個相互作用的區(qū)域組成的網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成幾個集合和分離的系統(tǒng)。大腦中的功能整合是指快速結(jié)合來自不同大腦區(qū)域的特定信息的能力[12]，一般是通過估計大腦各區(qū)域之間交流的容易程度來衡量的，通常是基于路徑的概念。路徑是由不同的節(jié)點(diǎn)和線組成的，它是一對對大腦區(qū)域之間信息流動的潛在路徑。因此，路徑的長度代表了大腦區(qū)域間功能整合的潛力，Lp是指網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)對的路徑長度的平均值，一般Lp越短，意味著信息可以在短時間內(nèi)迅速傳遞至遠(yuǎn)距離點(diǎn)，功能整合能力越強(qiáng)。大腦的功能分離是指在大腦區(qū)域內(nèi)部發(fā)生特殊處理信息的能力，一般通過計算網(wǎng)絡(luò)中三角形的數(shù)量來量化，單個節(jié)點(diǎn)周圍三角形的比例被稱為聚類系數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)代表平均單個節(jié)點(diǎn)周圍的聚類連接的流行程度[11]，也代表了近距離傳遞信息的能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中顯示出相對較高的Cp和較短的Lp時，意味著不僅可以支持特定的模塊化信息和全局信息快速的處理，還可以最大限度地提高大腦網(wǎng)絡(luò)的效率，大腦網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)的這種強(qiáng)大的局部和全局效率水平，即小世界網(wǎng)絡(luò)屬性[13]。本研究中，ASD組和TD組都具有小世界網(wǎng)絡(luò)屬性，這與Fang 等[14]的研究一致，說明兩組在功能分化和信息整合之間均保持相對平衡的狀態(tài)，但是ASD組表現(xiàn)出的較短的Lp和Cp，說明ASD兒童的腦網(wǎng)絡(luò)有由小世界網(wǎng)絡(luò)向隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的趨勢。本研究發(fā)現(xiàn)，ASD 組的Lp比TD 組低，說明與TD 組相比，ASD組功能整合能力增強(qiáng)，遠(yuǎn)距離傳遞信息的能力較強(qiáng)，有研究采用彌散張量成像評估ASD 患者結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時也得出了相似的結(jié)論，他們推測這種異?？赡芘cASD患者腦白質(zhì)超連接有關(guān)，特別是在涉及基底神經(jīng)節(jié)和旁邊緣-邊緣系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，與重復(fù)和刻板行為以及學(xué)習(xí)和記憶障礙相關(guān)[15]。另外，本研究結(jié)果顯示，ASD 組的Cp也較TD 組的減少，與Peters 等[16]的研究結(jié)果相同，表明ASD 組腦區(qū)內(nèi)部之間的連接程度降低，可能是ASD 患者交流障礙的原因。有研究發(fā)現(xiàn)，與正常發(fā)育的個體相比，ASD 兒童在大規(guī)模大腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)表現(xiàn)出高度連接性，并且網(wǎng)絡(luò)間連接性降低[9]，這也和我們得出的結(jié)論一致。然而Chen 等[5]的研究卻發(fā)現(xiàn)ASD組并沒有表現(xiàn)出強(qiáng)烈的網(wǎng)絡(luò)效率變化，Lp和Cp和與TD組大致相同，這可能與樣本量有關(guān)。另外，目前對S值的選擇尚無參考標(biāo)準(zhǔn)。在本研究中，我們使用0.01＜S＜0.34，間隔為0.01，這種閾值策略創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)可以估計小世界具有稀疏性質(zhì)和最小數(shù)目的偽邊[17]。

3.2 ASD 組與TD 組全腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性指標(biāo)的結(jié)果分析

本研究還發(fā)現(xiàn)，與TD 組相比，ASD 組在雙側(cè)前扣帶回、尾狀核、海馬及右側(cè)頂下小葉等這些腦區(qū)全腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)效率降低。節(jié)點(diǎn)效率是指網(wǎng)絡(luò)中某一點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間連接的可能性，用來反映節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中的作用。前扣帶回皮層是邊緣系統(tǒng)的重要組成部分之一，涉及廣泛的行為和認(rèn)知過程。據(jù)報道前扣帶回皮層中谷氨酸(glutamate)和谷氨酰胺(glutamine)的濃度降低，與ASD 患者更嚴(yán)重的交流障礙癥狀顯著相關(guān)[18]。尾狀核是紋狀體的一部分，有研究認(rèn)為ASD 的重復(fù)行為的嚴(yán)重程度與紋狀體生長有關(guān)，而與體積本身無關(guān)[19]。此外有研究發(fā)現(xiàn)尾狀核的鏡像同倫連接減弱，這可能與雙側(cè)尾狀核溝通不良有關(guān)[20]，本研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的ASD 兒童大腦雙側(cè)尾狀核節(jié)點(diǎn)效率降低，可能與此相關(guān)。許多研究認(rèn)為ASD 中海馬結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張是ASD 癥狀的前兆或結(jié)果[21]，體積增加可能是由于病理發(fā)育增加或經(jīng)驗(yàn)依賴功能。一些研究表明非典型的前額葉-海馬體和后頂葉-海馬體網(wǎng)絡(luò)異?？赡芘cASD 相關(guān)的記憶缺陷有關(guān)[22]。研究發(fā)現(xiàn)ASD 青少年的檢索收益明顯低于TD同齡人，ASD 青少年左海馬體與左頂下小葉之間以及左海馬體與后扣帶回皮質(zhì)之間的連接強(qiáng)度與成功檢索分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)[23]，海馬偏側(cè)化的非典型發(fā)育可能與ASD個體在社交、溝通和行為不靈活方面的問題有關(guān)。頂下小葉是大腦中發(fā)育成熟最晚的腦區(qū)之一，這導(dǎo)致其解剖結(jié)構(gòu)具有高度的易變性。頂下小葉是行動觀察網(wǎng)絡(luò)中的一個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，該網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為支持模仿行為，當(dāng)其受損時，可能導(dǎo)致ASD 核心社交和交際特征的損害[24]。有趣的是，研究發(fā)現(xiàn)右側(cè)頂下小葉連接與實(shí)踐能力相關(guān)，特別是右側(cè)中央頂下小葉與左側(cè)頂內(nèi)溝的連接，延伸到頂上小葉和左側(cè)楔前葉[25]。右側(cè)中央頂下小葉-左后扣帶回功能連接減少也與ASD 兒童較弱的實(shí)踐和社交技能有關(guān)。后扣帶回被認(rèn)為是DMN中的樞紐，而默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)同時具有小世界的特性，DMN 參與處理關(guān)于我們自己和他人的信息，其功能障礙可能表現(xiàn)為與其他大腦系統(tǒng)的交互作用。關(guān)于自己和他人的信息整合的中斷可能是ASD 患者社交障礙的一個原因，因此ASD 兒童右側(cè)中央頂下小葉-左后扣帶回連接性降低可能會影響動作和身體知識的協(xié)調(diào)和映射，進(jìn)一步破壞實(shí)踐和社交技能的形成，未來還需要進(jìn)一步的研究來得到驗(yàn)證。

3.3 局限性

我們的研究有一些局限性：(1)本研究選取的樣本量相對較小，可能對統(tǒng)計分析的結(jié)果產(chǎn)生影響；(2)本研究中沒有對ASD患者進(jìn)行性別區(qū)分，還需要進(jìn)一步認(rèn)識性別差異在腦功能影像中的表征；(3)我們只使用AAL模板來構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)，但使用不同的模板可能會影響我們結(jié)果的一致性，需要進(jìn)一步研究確定哪種模板最適合描述ASD 兒童的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；(4) ASD兒童的腦功能會隨著年齡增長而變化，未來還需要繼續(xù)探討不同年齡段ASD患者大腦網(wǎng)絡(luò)的變化。

3.4 小結(jié)

總之，本研究發(fā)現(xiàn)，和TD組相比，ASD組全腦功能網(wǎng)絡(luò)雖然仍具有小世界網(wǎng)絡(luò)屬性，但Cp和Lp降低，有向隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變的趨勢，其功能整合能力增強(qiáng)，功能分化能力降低，并且在雙側(cè)前扣帶回、尾狀核、海馬及右側(cè)頂下小葉等腦區(qū)腦功能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)效率降低。這些發(fā)現(xiàn)揭示了ASD 兒童腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的異常改變，有助于我們理解ASD 的病理生理機(jī)制，為臨床早期發(fā)現(xiàn)和治療提供有效的神經(jīng)影像學(xué)標(biāo)記物。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。