模拟失重状态对情绪稳定性影响的磁共振脑功能成像研究

刘 刚，李 科，曾亚伟，朱 磊，李勇枝，金 真

1解放军306医院磁共振室暨国家“认知科学与学习”重点实验室脑功能成像中心，北京 100101；2解放军总医院 放射诊断科，北京 100853；3中国航天员科研训练中心，北京 100094

模拟失重状态对情绪稳定性影响的磁共振脑功能成像研究

刘 刚1,2，李 科1，曾亚伟1，朱 磊1，李勇枝3，金 真1

1解放军306医院磁共振室暨国家“认知科学与学习”重点实验室脑功能成像中心，北京 100101；2解放军总医院 放射诊断科，北京 100853；3中国航天员科研训练中心，北京 100094

目的 应用功能性磁共振(functional magnetic resonance imaging，fMRI)扫描观察模拟失重对情绪稳定性的影响。方法选取8名航天志愿者完成卧床3周的模拟失重实验。实验前后使用fMRI行功能性磁共振扫描测试。实验采用恐惧情绪图片刺激。结果卧床前，在完成任务时，双侧枕叶枕中回、枕叶楔叶、双侧额叶额中回及双侧丘脑出现显著的脑激活区；双侧边缘叶海马旁回及右侧杏仁核出现了小范围的激活区。卧床后进行同一任务扫描，激活脑区的范围及信号强度与卧床前相似。结论模拟失重状态后，对情绪激发图片反应的脑区激活模式与模拟失重状态前较为接近。说明模拟失重状态对航天训练员情绪稳定性的影响较小。

功能性磁共振；模拟失重；情绪

国内外载人航天及模拟失重实验研究表明，航天员或航天训练员虽不会发生严重的心理障碍，但存在一定的心理问题，常见的有超常体验、情绪变化、性格改变、视知觉改变等[1]。上述变化对航天员执行任务有可能产生不良的影响。因此，国内外在对航天员及飞行员选拔和训练时一直非常重视心理素质的考评和心理训练[2-3]。心理素质包含多方面的内容，其中情绪稳定性是最为重要的评价指标。由于恐惧情绪的进化和适应功能，相对于其他基本情绪来说，对恐惧情绪影响的评估是重要的研究内容之一，也是评价情绪稳定性的最重要因素[4]。神经科学领域研究中功能磁共振成像技术(functional magnetic resonance imaging，fMRI)作为全新的研究手段，可以无创地对神经元活动进行精确空间定位，对脑功能状态进行评价，有良好的可行性及可重复性，已大量应用于运动、心理及认知科学的各个研究领域。本实验使用功能性磁共振扫描技术，比较模拟失重状态前后航天训练员对恐惧图片刺激的脑部激活区变化，以探讨模拟失重状态对情绪稳定性的影响。

对象和方法

1 研究对象 选取8名航天训练员，年龄17 ～ 22岁，均为男性，常规体检结论健康，无特殊疾病病史。

2 模拟失重 采用-6°头低位卧床3周。实验期间除排便时，由平板床转送至卫生间，其余时间均头低脚高位卧床，可以翻身，但不可进行身体锻炼。模拟失重前、后各进行1次fMRI试验。

3 fMRI任务设计 从国际情绪图片系统(international affective picture system，IAPS)中选择经过标准化处理的恐惧图片54张作为实验条件的刺激材料，其中目标刺激18张，9张自然的恐怖刺激如蛇、昆虫、鲨鱼等，9张人造的恐惧刺激如暴力威胁情境、交通事故(飞机失事、沉船)、人为死亡和医疗手术血腥场面等[5-6]。选择简单的几何图形如圆形、水平和垂直的椭圆形作为控制条件的刺激材料。本实验采用组块设计方法，在屏幕上同时呈现3张恐惧图片，上面的1张是目标刺激，1张恐惧图片，下面两张是恐惧图片，其中有1张任务刺激与目标刺激是一样的，要求被试者从同时呈现的两张恐惧图片中，选择出1张与目标刺激相匹配，按相应按键。每组图片呈现5 s，以让被试者观察清楚，每个组块6组图片，共呈现30 s，测试时间共6 min 9 s。该实验条件是让被试者直接加工情绪刺激－恐惧图片，通过匹配任务让被试者注意刺激的恐惧内容。实验开始前，详细向被试者交待并多次练习，直至被试者完全理解实验要求。?

图 1 8名模拟失重志愿者完成恐惧情绪图片刺激的脑内激活图(组分析结果，不矫正P＜0.001，激活范围＞3个相连体素，其t值范围由图右侧的色度尺表示，图下方的数字代表蒙特利尔坐标的Z轴坐标值) A： 模拟失重前完成任务时的脑区激活图； B： 模拟失重后完成任务时的脑区激活图Fig. 1 Brain activation in 8 volunteers who completed horror emotion tasks before (A) and after (B) simulated weightlessness experiments

4 fMRI数据采集 采用全身扫描仪(2T prestige，GE/Elscint，Haifa，Israel)，头线圈获取功能像数据。采用单次激发梯度回波EPI序列，主要参数为TR(repetition time)=3 000 ms，TE(echo time)=45 ms，Flip Angle=90°，FOV(Field of View)=373×212 mm， Matrix size=128×72。轴位扫描，层厚6 mm，层间距为0。扫描时间为6 min 9 s(120 volumes)。

5 功能影像数据分析 在Matlab程序中运行SPM5(Statistical Parametric Mapping)软件包。将功能像与扫描时间点最接近的解剖像进行校准。应用正玄Sinc插值法进行头动校正，以脑内脑脊液、灰质及白质的信号差异进行去头皮分割。分割后的功能像与蒙特利尔模板进行空间标准化配准。在确认无图像扭曲变形的情况下，以Gaussian核心法(8×8×8)将标准化后的数据进行平滑并进行统计学分析。采用每一刺激开始后延迟6 s的延迟半正玄法计算血红蛋白动态反应的延迟。将功能扫描的前3个采样点(前9 s内)的数据删除，以保证机器状态的平稳及排除信号漂移，减少初期不稳定的血流动力学对脑区信号的影响。标准化激活情况的判定：由t检验来判定激活脑区。不校正P＜0.001，激活区＞3个相连体素以上视为激活脑区。

结 果

1 模拟失重前脑激活图分析 结果显示双侧枕叶枕中回、枕叶楔叶、双侧额叶额中回及双侧丘脑出现显著的脑激活区；双侧边缘叶海马旁回及右侧杏仁核也出现了小范围的激活区；激活的脑区还包括右侧颞叶梭状回及双侧顶叶顶上小叶(表1、图1)。

2 模拟失重后脑激活图分析 结果显示双侧枕叶梭状回、双侧枕叶楔叶出现显著的激活区，双侧额叶额中回、右侧额叶额下回及双侧丘脑出现较明显的脑激活区，同时激活的脑区还有双侧顶叶楔前叶及右侧顶叶顶上小叶。模拟失重前后激活脑区及强度无显著变化，但存在优势侧的改变，杏仁核的激活由左转右，枕叶由左优势转为双侧激活甚至右优势，额叶由双侧激活转为左侧激活，丘脑无变化。模拟失重前后，激活脑区范围及强度变化较小，说明模拟失重3周时对航天训练员情绪稳定性影响很小。见表1、图1。

表1 8例模拟失重志愿者完成恐惧情绪图片刺激的脑内激活图Tab. 1 Brain activation in 8 simulated weightlessness volunteers who completed horror emotion tasks before and after simulated weightlessness experiments

讨 论

微重力环境使人体体液重新分布，对人的生理功能、认知功能、情绪均产生一定的影响，是航天医学研究的重要课题[7]。以往对微重力条件下情绪改变的研究方法主要采用心理测量对情绪稳定性进行评定，以探讨在航天过程中情绪稳定性的变化[8-9]。

fMRI作为近些年迅速发展起来的脑功能成像技术，以血管内血红蛋白为内源性对比剂，通过血氧饱和度的变化导致局部磁场的改变而成像，可无创、实时地观察脑的活动变化，对人脑进行精确功能定位[10]。其成像原理如下：脑内神经元活动引起伴行毛细血管内血流量和血流容积增加，相应脑区氧和血红蛋白含量增加，神经元活动区的信号强度高于非活动区的信号强度。这一微小信号差别(3% ～ 6%)，可通过计算机处理将其呈现。将脑功能成像技术应用于微重力环境对情绪稳定性的影响的研究鲜有报道。

恐惧情绪和调节的中枢神经系统研究显示，杏仁核参与多种不同的情绪加工，尤其在恐惧情绪处理调节中具有重要的作用。Phan等[11]的研究表明，1990 - 2000年查询55项研究(PET 33项，fMRI 22项)，通过对不同刺激方法、不同情绪任务、不同类型情绪产生的结果进行分析，发现恐惧情绪同杏仁核之间存在密切的联系。60%的研究证实恐惧情绪刺激导致了杏仁核的激活。Young等[12]在脑损伤患者的研究中发现，在杏仁核损伤时，病人恐惧条件作用明显减少，并且对恐惧刺激不产生反应。Whalen等[13]在一项fMRI研究中发现迅速呈现隐蔽的恐惧面孔时，尽管被试者主观没有意识到看到刺激图片，但左侧杏仁核却出现了显著的激活区。这意味着左侧杏仁核参与了恐惧刺激的无意识状态下情绪加工，右侧杏仁核没有激活，推测可能参与恐惧刺激的有意识加工。上述研究表明，杏仁核负责识别与威胁和恐惧有关的刺激，产生与恐惧情绪相关的体验和行为反应。

Davidson[14]根据动物的大脑损伤的包括临床神经心理学、心理生理学和人类的功能成像研究的不同证据，提出了恐惧情绪的加工协调过程通常由前额叶皮层(即眶额叶皮层、背侧前额皮层和前扣带回皮层)和大脑的边缘系统如杏仁核、下丘脑的不同区域组成的神经回路来执行。Mayne和Bonnano[15]认为情绪产生和调节的过程是由自动和控制的多重加工水平来完成的。自动和控制二者间的调节过程，包括了由杏仁核、丘脑、外侧前额皮层及皮层联合区、前扣带回皮层、眶额叶皮层和腹侧前额皮层5个不同的脑区协同执行。

本实验模拟失重状态前分析结果显示：双侧枕叶枕中回、枕叶楔叶、双侧额叶额中回及双侧丘脑出现显著的脑激活区；双侧边缘叶海马旁回及右侧杏仁核也出现了小范围的激活区；激活的脑区还包括右侧颞叶梭状回及双侧顶叶顶上小叶(表1、图1)。双侧额叶及双侧丘脑的显著激活脑区与恐惧情绪的自我调节回路一致。同时双侧海马旁回及右侧杏仁核也参与了恐惧情绪的自我调节过程。我们注意到，右侧杏仁核仅出现了小范围的脑激活区，一方面说明杏仁核是恐惧情绪调节中重要的功能核团，但另一方面，仅仅出现了小范围的激活可能与青年男性航天训练员情绪稳定性较好，不易被外来恐惧刺激所干扰有关。在正常状态下的脑激活区与现有的相关研究基本相符。模拟失重状态后对照组脑区激活模式与模拟失重前类似，但存在激活区优势侧的改变，这种变化可能为脑灌注的改变所致，左侧优势半球的灌注在微重力环境是减少的[16]。

Ishizaki[17]在20 d头低位卧床实验中发现，紧张、焦虑、抑郁等负性情绪相对稳定，这与本研究的结果一致。秦海波等[18]通过人工量表测试及抽血查相关激素水平的结果表明，在60 d的头低位卧床模拟失重环境中，受试者负性情绪变化呈现高-低-高-低的变化趋势，在第3周生理改变适应后为受试者情绪平稳期。本实验结果提示：模拟失重状态前后脑区激活模式较为接近。说明模拟失重第3周时对航天训练员的情绪影响很小。本研究不足之处在于受模拟失重实验受试规模，磁共振扫描转运过程需保持头低卧位状态等客观因素影响，受试样本偏少，数据采集仅为模拟失重起床前的一个时间点。后续研究应增加样本量及数据采集时间点，以更详实、准确地探知模拟失重对情绪稳定性的影响。

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Application of functional magnetic resonance imaging in showing the effect of simulated weightlessness on emotional stability

LIU Gang1,2, LI Ke1, ZENG Ya-wei1, ZHU Lei1, LI Yong-zhi3, JIN Zhen1
1Functional MRI Center and State Key Laboratory of Cognition Science and Learning, Chinese PLA 306 Hospital, Beijing 100101, China;2Department of Radiology, Chinese PLA General Hospital, Beijing 100853, China;3China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China

JIN Zhen. Email：mdjinzhen@163.com

ObjectiveTo study the application of functional magnetic resonance imaging (fMRI) in showing the effect of simulated weightlessness on emotional stability.MethodsEight male astronaut volunteers underwent stimulated weightlessness experiments in bed for 3 weeks, followed by fMRI.ResultsSignifcantly activated areas were observed in bilateral mid-occipital gyrus, occipital cuneus, bilateral mid-frontal gyrus of prefrontal and bilateral thalamus, and a small activated area appeared in bilateral limbic lobe subiculum hippocampi and right amygdaloid nuclei at simulated weightlessness experiments before lying in bed. The size and signal intensity of activated brain were similar at simulated weightlessness experiments before and after lying in bed.ConclusionThe effect of stimulated weightlessness is similar on emotional stability of astronaut volunteers.

functional magnetic resonance imaging; simulated weightlessness; emotion

R 853

A

2095-5227(2014)07-0747-04

10.3969/j.issn.2095-5227.2014.07.028

时间：2014-03-20 08:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20140320.0839.002.html

2014-01-10

全军十二五重大项目(AWS11J003-15)

Supported by the 12th Five Years Major scientific research Program of General Logistics Department of PLA(AWS11J003-15)

刘刚，博士，男，主治医师。Email：lgwzl@126.com

金真，女，主任医师，教授，博士生导师。Email：mdjinzhen@163.com