綠色環(huán)境暴露與青年人腦灰質(zhì)體積及自發(fā)性腦活動的相關(guān)性

李魏薇，郭力寧，劉嘉瑋，滿瑋琦,2，馬 林，劉 風(fēng)，于春水*

(1.天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 天津市功能影像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300052；2.天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院，天津 300072)

綠色環(huán)境暴露有益于心理健康[1]，利于提高注意力及認(rèn)知水平[2]。目前關(guān)于綠色環(huán)境暴露對健康成年人腦灰質(zhì)體積(grey matter volume， GMV)影響的研究較少，對于綠色環(huán)境暴露與自發(fā)性腦活動的關(guān)聯(lián)尚不明確。遙感衛(wèi)星技術(shù)具有實(shí)時、監(jiān)測時間長、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，已廣泛用于評估綠色環(huán)境，多以歸一化植被指數(shù)(normalized difference vegetation index， NDVI)反映綠色植被覆蓋情況[3]。本研究基于陸地衛(wèi)星(Landsat)圖像提取NDVI，評價綠色環(huán)境暴露與青年GMV及靜息態(tài)自發(fā)腦活動的相關(guān)性。

1 資料與方法

1.1 研究對象 于2015年10月—2016年11月納入653名青年志愿者，男300名，女353名，年齡18～30歲，平均(24.0±2.2)歲，受教育程度(16.6±1.8)年。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡18～30歲，漢族，右利手；②無吸煙史，無過度飲酒史，無睡眠障礙，無暴飲暴食，無焦慮、抑郁或躁郁癥等精神疾?。虎蹮oMR檢查禁忌證。本研究通過醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)(倫理編號：IRB2015-092-01)。所有受試者均自愿參加，檢查前均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery MR750 3.0T MR掃描儀，配備頭部8通道相控陣線圈。固定受試者頭部，囑其檢查時平靜呼吸、閉眼，保持清醒。采用腦容積成像(brain volume imaging， BRAVO)序列采集3D T1W結(jié)構(gòu)圖像，掃描參數(shù)：TR 8.16 ms，TE 3.18 ms，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，F(xiàn)A 12°，層厚1 mm，層間距0，掃描層數(shù)188。以梯度回波單次激發(fā)平面回波成像(single shot echo planar imaging， SS-EPI)序列采集靜息態(tài)功能MRI(functional MRI， fMRI)，參數(shù)：TR 2 000 ms，TR 30 ms，F(xiàn)OV 220 mm×220 mm，矩陣64×64，F(xiàn)A 90°，層厚3 mm，層間距1 mm，掃描層數(shù)36，共180個時間點(diǎn)。

1.3 圖像處理 采用SPM 12軟件，由1名具有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師對結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用“聯(lián)合分割”算法全腦結(jié)構(gòu)分割為灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液，生成灰質(zhì)概率圖，并將之配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間，對每個體素重采樣至1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；以標(biāo)準(zhǔn)化過程中產(chǎn)生的非線性變形場參數(shù)調(diào)制灰質(zhì)濃度圖，得到絕對灰質(zhì)體積圖，并進(jìn)行空間平滑處理。采用DPARSFA軟件預(yù)處理fMRI數(shù)據(jù)，刪除前10個時間點(diǎn)的數(shù)據(jù)；行時間層校正及頭動校正；將圖像配準(zhǔn)到標(biāo)準(zhǔn)空間，并將每個體素重采樣到3 mm×3 mm×3 mm；去除線性漂移、頭動參數(shù)、腦脊液信號及腦白質(zhì)信號等協(xié)變量的影響；計(jì)算低頻振幅(amplitude of low frequency fluctuation， ALFF)，濾波頻段為0.01～0.08 Hz；行空間平滑處理。

1.4 采集居住地信息 以問卷形式收集受試者從出生到參與試驗(yàn)期間每年居住地的地理坐標(biāo)，以高德地圖定位坐標(biāo)。地理坐標(biāo)以日間主要活動地作為研究地址：小學(xué)前階段使用家庭地址，就學(xué)期間使用學(xué)校地址，工作期間使用單位地址。若某年內(nèi)受試者家庭、學(xué)?；蚬ぷ鞯刂纷兏瑒t以停留時間超過6個月的地點(diǎn)為研究地址。

1.5 評估綠色暴露水平 將高德坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為谷歌坐標(biāo)系，以谷歌地球引擎云數(shù)據(jù)處理平臺根據(jù)受試者每年所在坐標(biāo)點(diǎn)提取的Landsat 5(1981—2011年)和Landsat 7(2012—2018年)的近紅外(near infrared， NIR)波段和紅光(red， R)波段數(shù)值，并計(jì)算NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。健康植被含葉綠素較多，反射近紅外光較多，NIR值較大；反之則反射紅光更多，R值較大，即NDVI的數(shù)值越接近1，代表綠色植被覆蓋率越高[4]。計(jì)算受試者從出生到參加試驗(yàn)所有年份坐標(biāo)點(diǎn)1 km范圍的平均NDVI，同時計(jì)算所有年份NDVI的累積平均值，作為綠色環(huán)境暴露量。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPM 12軟件中多重回歸分析方法，以性別、年齡、全腦體積及受教育年限為協(xié)變量，評價NDVI累積平均值與GMV的相關(guān)性，對結(jié)果行FDR校正(α=0.05)，團(tuán)塊體素數(shù)>800(2 700 mm3)；以性別、年齡及受教育年限為協(xié)變量，評價NDVI累積平均值與ALFF的相關(guān)性，對結(jié)果行FDR校正(α=0.05)，團(tuán)塊體素數(shù)>100(2 700 mm3)。對于GMV與ALFF結(jié)果重疊的腦區(qū)，采用殘差計(jì)算偏相關(guān)系數(shù)，校正水準(zhǔn)α=0.01，r<0.3為弱相關(guān)，0.3≤r≤0.5為中等相關(guān)，r>0.5為強(qiáng)相關(guān)。P<0.01為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

基于體素的回歸分析顯示，NDVI累積平均值與內(nèi)側(cè)額葉皮層GMV呈正相關(guān)，與小腦蚓GMV呈負(fù)相關(guān)，見圖1及表1。NDVI累積平均值與內(nèi)側(cè)額上回、眶額皮層、外側(cè)顳下回及右側(cè)小腦后葉ALFF呈正相關(guān)，與內(nèi)側(cè)前額葉、中央后回及左側(cè)枕外側(cè)葉ALFF呈負(fù)相關(guān)，見圖2及表2。

圖1 NDVI累積平均值與GMV顯著相關(guān)的腦區(qū)(黃色為正相關(guān)腦區(qū)，藍(lán)色為負(fù)相關(guān)腦區(qū))

圖2 NDVI累積平均值與ALFF顯著相關(guān)的腦區(qū)(黃色為正相關(guān)腦區(qū)，藍(lán)色為負(fù)相關(guān)腦區(qū))

表1 青年人NDVI累積平均值與GMV顯著相關(guān)腦區(qū)

表2 青年人NDVI累積平均值與ALFF顯著相關(guān)的腦區(qū)

將NDVI與GMV顯著相關(guān)的團(tuán)塊投影到與ALFF顯著相關(guān)的團(tuán)塊，結(jié)果顯示NDVI與GMV呈正相關(guān)的內(nèi)側(cè)額葉腦區(qū)和與ALFF顯著相關(guān)的腦區(qū)中存在兩個重疊區(qū)域：內(nèi)側(cè)額上回，重疊100個體素，該區(qū)GMV與ALFF呈正相關(guān)(r=0.31，P<0.01)；內(nèi)側(cè)前額葉皮層，重疊218個體素，該區(qū)GMV與ALFF無顯著相關(guān)(r=-0.09，P>0.01)。

3 討論

內(nèi)側(cè)額葉皮層與社會認(rèn)知(決定未來的行為、自我反思和反思他人)相關(guān)[5]。綠色環(huán)境暴露可增強(qiáng)認(rèn)知功能，減少精神疾病發(fā)生[1-2]。本研究發(fā)現(xiàn)NDVI累積平均值與內(nèi)側(cè)額葉GMV呈正相關(guān)，提示綠色環(huán)境暴露越多，內(nèi)側(cè)額葉GMV越大，可能對人腦認(rèn)知功能起正向作用。小腦蚓部與執(zhí)行功能、情緒調(diào)節(jié)及情感處理有關(guān)[6]。本研究中NDVI累積平均值與小腦蚓GMV呈負(fù)相關(guān)，或意味著綠色環(huán)境暴露越多，小腦蚓GMV越小，可能原因在于綠色環(huán)境占比越多則城市化程度越低，使得教育及醫(yī)療等資源及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平較差，個體小腦蚓發(fā)育較差而致GMV較小。

內(nèi)側(cè)額上回在功能上與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的大腦區(qū)域相關(guān)[7]，眶額皮層及外側(cè)顳葉和顳極均為默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成部分[8]。本研究中NDVI累積平均值與內(nèi)側(cè)額上回、眶額皮層及外側(cè)顳下回ALFF呈正相關(guān)，提示暴露于綠色環(huán)境可能影響默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的功能；NDVI累積平均值與右側(cè)小腦后葉的ALFF呈正相關(guān)，而小腦后葉ALFF的降低與初發(fā)初治重度抑郁癥[9]有關(guān)，小腦后葉ALFF隨NDVI升高而增高，提示綠色環(huán)境對精神健康存在保護(hù)作用。既往研究[10-12]結(jié)果顯示，初發(fā)精神分裂癥患者內(nèi)側(cè)前額葉、中央后回和枕葉皮層ALFF降低。本研究中NDVI累積平均值與內(nèi)側(cè)前額葉、中央后回及左側(cè)枕外側(cè)葉的ALFF值呈負(fù)相關(guān)，ALFF隨NDVI增高而減低，似與SHANG等[13]我國農(nóng)村地區(qū)人群更易患精神疾病的研究結(jié)果相符；但一項(xiàng)包括其他多個國家及地區(qū)的薈萃分析[14]認(rèn)為城市地區(qū)的精神障礙患病率明顯高于農(nóng)村地區(qū)，可能與農(nóng)村地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)地位較低和醫(yī)療資源較差有關(guān)。

本研究發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)額上回NDVI累積平均值與GMV及ALFF均呈正相關(guān)；而在內(nèi)側(cè)前額葉重疊腦區(qū)，NDVI與GMV呈正相關(guān)、與ALFF呈負(fù)相關(guān)，但GMV和ALFF無顯著相關(guān)。腦結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系較為復(fù)雜，二者的變化可以是同向的，如結(jié)構(gòu)受到損害時，功能亦相應(yīng)受到損害；也可存在反向變化趨勢，如結(jié)構(gòu)受到損害時，功能可能發(fā)生代償。本研究結(jié)果提示，綠色環(huán)境暴露引起的腦結(jié)構(gòu)和功能變化可能具有相關(guān)性，但并非絕對，且NDVI可能對相同腦結(jié)構(gòu)及其功能特性產(chǎn)生不同影響，針對其具體機(jī)制尚需進(jìn)一步探討。

本研究發(fā)現(xiàn)綠色環(huán)境暴露對腦結(jié)構(gòu)和腦功能的影響均有不一致之處，提示NDVI對人腦的影響具有兩面性：NDVI可反映所處環(huán)境的綠色環(huán)境水平，綠色空間可通過改善空氣質(zhì)量、緩解壓力及提升微生物輸入的多樣性等途徑改善身心健康、促進(jìn)人腦發(fā)育[15]，但NDVI越高，城市化水平越低，社會經(jīng)濟(jì)及醫(yī)療條件較差，可能對腦功能及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響；另一方面，NDVI可反映城市污染程度，城市化程度越高，建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施占比越大，NDVI越小，空氣、噪聲污染及社會壓力等負(fù)面因素會對腦健康產(chǎn)生負(fù)面影響，反之，良好的經(jīng)濟(jì)、醫(yī)療及教育條件對人的正面影響[16]也會在NDVI中有所體現(xiàn)。因此，NDVI所反映的復(fù)雜環(huán)境因素通過經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性機(jī)制、炎癥反應(yīng)機(jī)制及壓力反應(yīng)機(jī)制而多方面影響人腦結(jié)構(gòu)與功能。

綜上所述，暴露于綠色環(huán)境會影響青年人GMV和自發(fā)性腦活動。但本研究未考慮遺傳及其他環(huán)境因素對腦結(jié)構(gòu)與功能的影響，有待進(jìn)一步探討。