基于體素及基于表面積形態(tài)測(cè)量學(xué)方法觀察早盲青少年腦皮層形態(tài)學(xué)改變

侯 芬，李恒國，周智鳳，李 平，李 波，胡運(yùn)濤，劉 霞*

(1.湖南中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，湖南 長沙 410007；2.暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像中心，廣東 廣州 510632；3.深圳市康寧醫(yī)院 深圳市精神衛(wèi)生中心精神影像中心， 廣東 深圳 518000；4.廣州市盲人學(xué)校，廣東 廣州 510000)

早盲指1～2歲失明，亦有報(bào)道為2～4歲[1]。視覺剝奪可引起早盲患兒腦結(jié)構(gòu)和功能重塑改變[1-2]，局部腦結(jié)構(gòu)變化，如枕葉初級(jí)視覺皮層(primary visual cortex, PVC)體積(cortical volume, CV)和表面積(surface area, SA)縮小、皮層厚度(cortical thickness, CT)增加[3-5]及視覺傳導(dǎo)通路白質(zhì)體積萎縮[6]等，伴隨腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)變化，如枕葉腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接度降低[7]，提示早期視覺經(jīng)驗(yàn)在視覺皮層結(jié)構(gòu)重塑中具有關(guān)鍵性作用。

既往研究[3-5]主要應(yīng)用基于體素的形態(tài)測(cè)量學(xué)(voxel-based morphometry, VBM)、基于表面積的形態(tài)測(cè)量學(xué)(surface-based morphometry, SBM)等技術(shù)分析盲人大腦皮層結(jié)構(gòu)的異常改變，以枕葉視覺皮層區(qū)結(jié)構(gòu)為主要關(guān)注點(diǎn)，且研究對(duì)象多為成年盲人，少見關(guān)于枕葉視覺皮層以外的視覺信息處理相關(guān)腦區(qū)的研究，對(duì)早盲青少年(early blind adolescents, EBA)大腦皮層形態(tài)學(xué)研究相對(duì)更少。本研究基于顱腦MRI，聯(lián)合應(yīng)用VBM及SBM方法觀察EBA大腦皮層的形態(tài)學(xué)改變。

1 資料與方法

1.1 一般資料 于廣州市盲人學(xué)校選取23例EBA(EBA組)，男15例，女8例，年齡11～18歲，平均(14.8±2.1)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①雙眼無光感，右利手；②失明年齡<1歲，主要失明原因包括早產(chǎn)兒視網(wǎng)膜病變、先天性視網(wǎng)膜病變、先天性青光眼和先天性白內(nèi)障等，且未經(jīng)治療；③無藥物依賴或藥物濫用史，未曾服用影響認(rèn)知功能的相關(guān)藥物；④無聽覺、觸覺及溫度覺等感覺障礙或運(yùn)動(dòng)、語言功能異常。排除存在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神疾病病史、家族遺傳史及器質(zhì)性腦疾病者。另招募21名視力正常的青少年志愿者作為對(duì)照組，男11名，女10名，年齡11～19歲，平均(14.7±2.6)歲，視力>5.0，聽力正常，右利手。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有受檢者及其監(jiān)護(hù)人簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery 750 3.0T MR掃描儀，8通道頭部相控陣線圈。囑受檢者仰臥，閉眼，保持放松狀態(tài)，固定頭部。以3D腦容積成像(3D brain volume imaging， 3D-BRAVO)序列采集全腦結(jié)構(gòu)高分辨率T1WI，參數(shù)：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，F(xiàn)A 12°，F(xiàn)OV 256 mm×256 mm，矩陣256×256，層厚1 mm，層間距0，層數(shù)172，掃描時(shí)間197 s。

1.3 圖像處理

1.3.1 VBM 基于Metlab 2012a平臺(tái)，以SPM 8/VBM 8工具包對(duì)T1WI進(jìn)行處理，包括頭動(dòng)校正(剔除頭部移動(dòng)>2 mm、轉(zhuǎn)動(dòng)>2°數(shù)據(jù))和圖像分割(劃分灰質(zhì)、白質(zhì)及腦脊液)及采用DARTEL配準(zhǔn)對(duì)齊方法進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化和非線性變換。將處理后的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)標(biāo)準(zhǔn)空間，空間平滑(6 mm半高全寬高斯平滑)，計(jì)算各區(qū)域CV。

1.3.2 SBM 采用FreeSurfer 6.0軟件(http://surfer.nmr.harvard.edu)分析圖像，具體步驟包括校正磁場(chǎng)不均勻性及頭動(dòng)，去除顱骨和頭皮軟組織，分割灰質(zhì)、白質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部區(qū)域校正并配準(zhǔn)于標(biāo)準(zhǔn)模板中，高斯平滑，重建皮層，以Desikan-Killiany圖譜分割等得到各腦區(qū)三維重建圖，計(jì)算各區(qū)域CT、SA及CV。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

1.4.1 一般資料 采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，以獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)比較組間年齡，采用χ2檢驗(yàn)比較組間性別。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4.2 VBM 采用SPM 12軟件，以兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析組間CV差異；以年齡、性別作為協(xié)變量，P<0.05(FDR校正)、體素閾值≥50為腦區(qū)之間CV差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

1.4.3 SBM 采用FreeSurfer 6.0子軟件包Qdec軟件，對(duì)所測(cè)量腦區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確定位統(tǒng)計(jì)；以廣義線性模型(general linear model, GLM) 基于頂點(diǎn)對(duì)組間CV、SA及CT進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，并以年齡、性別作為協(xié)變量參與統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行蒙特卡洛模擬多重比較校正(雙尾比較，P<0.01)，校正后P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

EBA組與對(duì)照組年齡(t=0.33，P=0.74)、性別(χ2=0.75，P=0.39)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

VBM分析結(jié)果顯示，EBA組右側(cè)距狀溝及左側(cè)額中回CV較對(duì)照組顯著減小(P均<0.05)，見表1及圖1。

SBM分析結(jié)果顯示，與對(duì)照組比較，EBA組左側(cè)距狀溝旁、左側(cè)楔葉、左側(cè)顳上回及右側(cè)枕外側(cè)回CT增加(P均<0.05)，而左側(cè)頂上小葉及右側(cè)舌回CT減低(P均<0.05)；雙側(cè)距狀溝旁、左側(cè)額中回前部CV減小(P均<0.05)；雙側(cè)距狀溝旁、雙側(cè)舌回及左側(cè)楔葉SA減小(P均<0.05)。見表2和圖2。

表1 EBA組相比對(duì)照組CV減小腦區(qū)

表2 EBA組與對(duì)照組CT、CV及SA差異 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)

圖1 軟件經(jīng)VBM分析后生成圖示EBA組相比對(duì)照組CV減小的腦區(qū)(藍(lán)色區(qū)域)

圖2 軟件經(jīng)SBM分析后生成圖示EBA組與對(duì)照組之間CT、CV、SA差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū) 藍(lán)綠色區(qū)域?yàn)镋BA組皮層形態(tài)學(xué)參數(shù)減低、紅黃色為增高的腦區(qū)(多重校正，蒙特卡洛模擬，P<0.05)

3 討論

3.1 枕葉PVC和視覺相關(guān)皮層(左側(cè)額中回)的形態(tài)學(xué)改變 本研究VBM分析結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，EBA組右側(cè)距狀溝及左側(cè)額中回CV顯著降低；SBM分析結(jié)果表明，EBA組雙側(cè)距狀溝旁及左側(cè)額中回前部CV較對(duì)照組顯著減??；上述2種不同形態(tài)學(xué)分析方法發(fā)現(xiàn)EBA組CV異常腦區(qū)位置高度一致，均位于距狀溝、額中回。另外，SBM分析發(fā)現(xiàn)，EBA患者左側(cè)距狀溝旁、左側(cè)楔葉CT增高，雙側(cè)距狀溝旁、雙側(cè)舌回及左側(cè)楔葉SA減低；上述腦區(qū)(距狀溝旁、舌回、楔葉)均位于PVC，且EBA患者PVC區(qū)CV、SA減低而CT增高，與既往研究[4]結(jié)果一致。CV近似等于CT乘以SA，故推測(cè)PVC區(qū)CV降低主要由于SA減低而非CT改變所致。

通常認(rèn)為PVC是中樞視覺網(wǎng)絡(luò)的核心位置，其視覺輸入來自前視覺通路(視束、外側(cè)膝狀體、視輻射)的傳導(dǎo)，如傳導(dǎo)通路中斷，則PVC發(fā)生失用性萎縮、退變[8]；此點(diǎn)可解釋本研究EBA組CV、SA減低。既往研究[9-10]表明，早盲患者視覺剝奪在早期視覺發(fā)育關(guān)鍵期內(nèi)，跨模態(tài)重塑能力最強(qiáng)，可通過皮層-皮層連接、皮層-丘腦連接和視覺皮層內(nèi)纖維連接處理其他感覺模態(tài)的任務(wù)，如聽覺、觸覺、復(fù)雜認(rèn)知等，以抵消萎縮、退變所致負(fù)面效果，導(dǎo)致CT增加，即經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性改變是PVC區(qū)CT增厚的重要影響因素。此外，先天發(fā)育性因素亦為引起PVC區(qū)CT增加的重要原因。突觸修剪受視覺經(jīng)驗(yàn)的影響，在早盲患者，因早期視覺剝奪導(dǎo)致突觸修剪過程中斷，其PVC區(qū)相對(duì)較高的突觸數(shù)量和密度可能是導(dǎo)致CT增加的關(guān)鍵因素。本研究VBM[4]及SBM分析還發(fā)現(xiàn)EBA組左側(cè)額中回(前部)CV降低。既往研究[4]證實(shí)，額中回前部皮層腦區(qū)與前額眶區(qū)非常接近。前額眶區(qū)屬于額葉視覺區(qū)，可接收紋外皮層的投射纖維并控制眼球運(yùn)動(dòng)。早盲患者左側(cè)額中回前部CV改變主要受神經(jīng)退變影響，表現(xiàn)為CV減少。

以上結(jié)果提示，影響PVC區(qū)CV、SA、CT的主要因素不完全相同，并由多種因素，主要包括先天發(fā)育性因素、經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性及神經(jīng)退變等共同決定；視覺輸入關(guān)鍵期對(duì)PVC的發(fā)育發(fā)揮調(diào)控作用。

3.2 枕葉視覺皮層(右側(cè)舌回、右側(cè)枕外側(cè)回)和枕葉以外視覺相關(guān)皮層(左側(cè)頂上小葉和左側(cè)顳上回)的CT改變 本研究中EBA組右側(cè)舌回CT減低。解剖學(xué)上，舌回屬于腹側(cè)紋狀區(qū)，是非視覺信號(hào)整合的重要通路。既往相關(guān)性分析[5]結(jié)果顯示，早盲患者聽覺定位和音調(diào)辨別能力增強(qiáng)與舌回CT變薄直接相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，舌回CT變薄可能提示早期視覺缺失人群聽覺行為能力更強(qiáng)；右側(cè)枕外側(cè)回CT增加則與既往研究[5]結(jié)果相符。枕外側(cè)回是高級(jí)視覺皮層[11]，早盲患者高級(jí)視覺皮層結(jié)構(gòu)保留較完整，早期參與跨模態(tài)處理非視覺任務(wù)，導(dǎo)致皮層增厚。本研究中CT異常腦區(qū)不僅包括枕葉視覺皮層，還包括2個(gè)枕葉以外腦區(qū)，即左側(cè)頂上小葉和左側(cè)顳上回。頂上小葉屬于背側(cè)視覺通路。早期視覺剝奪后，盲人背側(cè)視覺通路短程連接密度增強(qiáng)，導(dǎo)致皮層增厚，有助于左側(cè)頂上小葉參與視覺空間注意及聲音定位任務(wù)[12]。顳上回屬于傳統(tǒng)聽覺區(qū)，盲人長時(shí)間缺少視覺輸入，視覺皮層被征用于跨模態(tài)處理聽覺任務(wù)，使傳統(tǒng)聽覺區(qū)激活減弱，導(dǎo)致顳葉皮層代償性增厚[13]。上述解剖結(jié)構(gòu)改變可能與腦的可塑性有關(guān)，反映了盲人腦結(jié)構(gòu)與功能改變之間的平衡關(guān)系。

綜上所述，早期視覺經(jīng)驗(yàn)對(duì)盲人枕葉視覺皮層及枕葉以外視覺相關(guān)區(qū)域的皮層結(jié)構(gòu)重塑具有關(guān)鍵性作用；采用SBM及VBM分析可觀察EBA大腦皮層形態(tài)改變。但本研究樣本量小，且未分年齡段進(jìn)行比較，尚待進(jìn)一步完善。