不同动机特质在静息态下脑功能的相关研究

李珈含　王　欣　成立立　张雪君

不同动机特质在静息态下脑功能的相关研究

李珈含王欣成立立张雪君

目的动机特质包括趋近系统（BAS）和行为抑制系统（BIS），利用静息态功能MRI研究不同动机特质的被试在静息态下大脑活动的差别，以及与默认网络（DMN）、背侧注意网络（DAN）和额顶控制网络（FPN）之间功能连接强度的相关性。方法将38例完成BIS/BAS问卷的健康在校女大学生分为3组：高BAS低BIS组（高BAS组），高BIS低BAS组（高BIS组），低BAS低BIS组（对照组）。采集静息态fMRI及结构像数据并进行预处理及统计。计算低频振幅（ALFF）值，将高BAS组及高BIS组分别与对照组比较，利用双样本t检验的统计学方法，得出显著差异的脑区。利用种子相关分析法获得3个脑网络并获得其间的功能连接强度，将功能连接强度同每个被试BAS、BIS得分进行Spearman相关分析。结果两实验组与对照组比较，ALFF值呈显著性增高的脑区分别为：高BAS组主要位于左侧距状回、左侧楔前叶、后扣带回皮质、右侧尾状核、两侧前扣带回皮质、左侧额中回；高BIS组主要位于右侧顶下小叶、额叶、颞叶、距状回及左侧后扣带回。ALFF值呈显著性减低的脑区分别为：高BAS组主要位于两侧丘脑、右侧颞上回及左侧顶叶；高BIS组主要位于左侧顶叶、额叶及两侧前扣带回。BAS分值与DMN-FPN、DAN-FPN功能连接强度呈显著相关（r=0.69，P＜0.001;r=-0.40，P=0.037）；BIS分值与DMN-DAN功能连接强度呈显著相关（r=-0.41，P=0.036）。结论静息态下不同动机特质呈现前额叶偏侧化活动。动机特质与网络间功能连接强度存在一定相关性。动机特质是多个脑区组成的网络水平负载的神经活动。

动机特质；静息态；低频振幅；功能连接；脑区

Int J Med Radiol，2016,39（5）：468-472

人类依赖动机系统实现目标，包括两种最基本的形式：趋近和回避。“趋近动机系统”即行为激活系统（behavioral activation system，BAS），涉及到对趋近行为的调节，如实现目标以及获得奖励等；“回避动机系统”即行为抑制系统（behavioral inhibition system，BIS），可参与调节回避行为，如避免惩罚和威胁。两个系统协同作用以反映个体与环境的相互作用，通过寻找优势、规避劣势，以实现个体适应环境的核心功能[1-2]。越来越多的研究关注不同的动机系统与脑功能和结构间是否存在联系。静息态功能

MRI不需要被试完成特定的任务，就能够直接显示不同脑区之间的低频血氧水平依赖（blood oxygen level-dependent，BOLD）信号的同步波动，反映基础状态下中枢神经系统的自发活动。低频振幅（amplitude of low-frequency fuctuation，ALFF）值表示每个体素的自发活动强度，通过计算所有频点中一个频段（0.01～0.08 Hz）内部波的振幅的平均值，能够从能量的角度反映各个体素在静息状态下脑自发活动水平的高低。本文利用ALFF研究不同动机特质的正常人静息态脑活动的特点，并采用静息态功能连接（resting state functional connectivity，RSFC）的方法，分析BAS与BIS评分与脑网络间功能连接强度的相关性。

1　资料与方法

1.1一般资料采用Carver和White于1994年编制[3]的行为抑制/激活系统量表来评定被试的行为激活和行为抑制水平。为避免性别对实验结果的影响，本实验只选取女性被试。对618名18～22岁的健康在校女大学生进行BAS/BIS问卷调查，每个条目都采用4点计分法，从“1-很不同意”到“4-非常同意”，得到BAS和BIS总分，将得分从低到高排序，按27%的比例各取两端的极值，选取BAS高而BIS低（高BAS组）、BAS低而BIS高（高BIS组）、BAS和BIS均低（对照组）的3组被试各15例，实验过程中高BAS组4例、高BIS组2例、对照组1例分别因为空间幽闭症、大枕大池等原因未完成扫描。最终符合入组标准、完成扫描且影像质量合格者共38例，高BAS组11例，高BIS组13例，对照组14例。3组BAS、BIS得分及年龄见表1，高BAS组的BAS值高于对照组（t=4.02，P＜0.001）；高BIS组的BIS值高于对照组（t=4.16，P＜0.001）。3组间年龄差异无统计学意义（F=0.75，P=0.46）。研究经天津医科大学伦理委员会批准，所有志愿者在实验前均获得知情同意，自愿参加实验。

表13　组BAS、BIS得分及年龄

1.2设备与方法采用GE 3.0 T Signa HDx MRI设备扫描，头部相控阵线圈。对所有受试者进行静息状态下fMRI和3D矢状面高分辨T1WI结构像扫描，范围覆盖全脑。fMRI扫描采用梯度回波（gradient echo，GRE）单次激发回波平面成像（echoplanarimaging，EPI）技术。扫描参数：TR/TE 2 000 ms/30 ms，FOV 24 cm×24 cm，矩阵64×64，层厚4.0 mm，无间隔，层数40层，采集180个时相，时间6 min10 s，获得图像6 120幅。扫描范围为全脑。高分辨率结构像采用BRAVO序列进行3D T1WI矢状面扫描。扫描参数：TR/TE/TI 8.1 ms/3.1 ms/450 ms，FA=13°，层厚1.0 mm，无间隔，FOV 25.6 cm×25.6 cm，矩阵256× 256，自左向右采集，采集层数为176层。

1.3数据处理采用基于Matlab的DPARSF和SPM8软件。预处理包括：时间校正，使得一个TR中的各层获取时间一致；头动校正，以平均图像作为模板，估计扫描期间的头动参数和旋转参数，用得到的头动参数对每个时间序列图像进行刚性变换，剔除平移超过2 mm、旋转超过2°的被试；空间标准化，采用T1结构像联合分割配准法对数据进行配准；空间平滑，使用6 mm×6 mm×6 mm的半高全宽（FWHM）高斯核对fMRI影像进行空间平滑，以减少配准不完全效应，并提高信噪比；对经空间平滑后的图像进行去线性漂移；采用0.01～0.08 Hz频段对所得信号进行带通滤波；利用线性回归的方法将头动、全脑平均信号、白质信号和脑脊液信号去除。ALFF值的计算：通过傅里叶变换将每个体素的时间序列转换为频率范围，然后得到功率谱，计算出每个频率的功率谱的平方根，所有频率的功率谱的平方根的平均值即为ALFF值。

根据Vincent等[4]与Fox等[5]的研究方法，采用种子点功能连接分析法获取默认网络（default mode network，DMN）、背侧注意网络（dorsal attention network,DAN）及额顶控制网络（frontoparietal control network，FPN）。将兴趣区（ROI）种子点MNI坐标定义为：①DMN：内侧前额叶皮质（-1，47，-4）、后扣带回（-5，-49，40）；②DAN：颞中回（-48，-70，0）、顶上小叶（-27，-52，57）；③FPN，喙端外侧前额叶皮质（-36，57，9）、顶下小叶前部（-52，-49，47）。以这6个MNI坐标为中心建立半径为8 mm的小球作为ROI，分别将6个ROI与全脑其他体素进行相关分析，得到种子区域的功能连接图，即3个脑网络，并将其以Mask形式储存。将得到的3个脑网络Mask再次设为ROI，提取ROI内每个体素的时间序列曲线，并计算其平均时间序列，对3个ROI的时间序列进行相关分析，得到的相关系数做Z变换，使数据更符合正态分布，以Z值作为功能连接强度。

1.4统计学方法采用SPM8和SPSS 16.0软件进行统计分析。计量资料采用均数±标准差（x±s）表示，两组间比较采用独立样本t检验，多组间比较采用方差分析。通过逐个体素的分析得到每组ALFF图，将高BAS组、高BIS组分别与对照组的ALFF值做双样本t检验，P<0.01为差异有统计学意义。将每个被试的BAS、BIS得分分别与DMN、DAN及FPN功能连接强度依次做Spearman相关分析，分析网络连接的相关性。P<0.05为差异具有统计学意义。

2　结果

2.13组间ALFF值比较与对照组比较后，高BAS组ALFF值呈显著性增高的脑区主要位于左侧距状回、左侧楔前叶、后扣带回皮质、右侧尾状核、两侧前扣带回皮质、左侧额中回；高BIS组主要位于右侧顶下小叶、额叶、颞叶、距状回及左侧后扣带回。高BAS组ALFF值呈显著性减低的脑区主要位于两侧丘脑、右侧颞上回及左侧顶叶；高BIS组主要位于左侧顶叶、额叶及两侧前扣带回（图1、2，表2、3）。

2.23个网络间的功能连接强度将获得的3个网络进行兴趣区水平（ROI-wise）的功能连接分析，得到3个网络间的功能连接强度，结果显示DMNFPN为负连接，Z=-0.42±0.17；DAN-FPN为较弱的正连接，Z=0.02±0.22；DMN-DAN为负连接，Z=-1.0± 0.27（图3）。

图1　高BAS组与对照组比较显示ALFF值发生改变，红色表示增强，蓝色表示减弱

图2　高BIS组与对照组比较显示ALFF值发生改变，红色表示增强，蓝色表示减弱

表2　高BAS、BIS组与对照组ALFF显著差异增强的脑区

2.3动机特质与网络间功能连接强度的相关性BAS得分与DMN-FPN（r=0.69，P＜0.001）呈正相关，而与DAN-FPN呈负相关（r=-0.40，P=0.037）。BIS得分与DMN-DAN呈负相关（r=-0.41，P=0.036）。

表3　高BAS、BIS组与对照组ALFF显著差异增强的脑区

图3　DMN、DAN、FPN之间的功能连接强度的箱型图

3　讨论

3.1ALFF及其意义BOLD信号的低频波动是静息态脑的重要特征之一，能够反映大脑的活动水平。Zang等[6]于2007年提出了ALFF，他假设在低频范围内，静息状态下大脑BOLD信号是有其生理意义的。因此，对一个体素自发活动的强弱可采用一个频段(0.01～0.08 Hz)内所有频率点上振幅值的平均值来描述，从而反映出能量角度下各个体素在静息状态下自发活动水平的高低。

DMN是休息状态活跃，而在任务状态持续呈负激活的脑区网络。ALFF值可以间接反映静息态下脑区自发活动的水平。神经元活性在睁眼状态明显高于闭眼状态，视觉皮质的ALFF值在睁眼状态下也明显高于闭眼状态。ALFF被用于研究脑的自发性活动，其幅度的改变有时与病变有关，已应用于各种神经和心理疾病的探查和正常认知功能的研究。

3.2额叶偏侧化额叶偏侧化，即当趋近积极刺激时，左侧前额叶背外侧会激活；回避消极刺激时，右侧前额叶激活。静息状态下，神经元的活动在一定程度上会影响神经元对刺激或任务做出反应，在特定脑区神经元的自发活动与神经元如何处理应对内部和外部刺激有关，这是不同人格特征和行为存在的生理基础[7]。早期有研究利用人静息态脑电图（EEG）研究不同动机特质，检测到双侧额叶脑电波活动强度存在差异，结果发现了额叶偏侧化活动[8]，但EEG对于脑功能的研究存在一定局限性，其测量时的空间定位性相对较差，而且脑网络的节点数量较少。而本研究采用静息态fMRI来研究不同特质人群的脑活动，结果显示高BAS组左侧额中回和高BIS组右侧全额叶均有ALFF值升高，也表明额叶偏侧化活动，验证了动机系统额叶偏侧化的理论。

额叶与大脑的其他部位有广泛的联系，能够接受和处理各种传入的信息，并能及时组织传出冲动，保证中枢神经系统整体的协同和达到整个高级心理过程的机能统一，是大脑功能的执行中枢。受损后常表现为行为反应迟缓、喜怒无常、性格偏执、孤僻、情绪波动。有研究[9]指出额叶皮质某些脑区与动机系统相关，左侧额叶皮质是趋近行为产生的生物结构基础，能促进引发完成目标的趋近行为，右侧额叶皮质是回避行为产生的生物结构基础。Engels等[10]发现伴焦虑症状病人的左侧前额叶背外侧活性降低。临床上，左侧前额叶损伤时病人更容易引起抑郁症，而焦虑障碍病人可见右侧前额叶活性持续增强[11]。在趋近或避免的不同状态下，动机引起的行为变化可能会由不同的机制引起[12]。

3.33个网络及其间的功能连接DMN是指在认知任务负荷下fMRI中表现出一致负激活的脑区所构成的功能连接网络。该网络主要由内侧前额叶皮质、后扣带回/楔前叶及顶下小叶后部组成。其与内在的与刺激无关的想法，监测周围环境，内在的心理活动如记忆、心智理论、预想未来等功能有关。DAN主要分布在额区、腹侧运动后、顶叶、顶内沟和颞中回，功能是负责管理空间注意和视觉运动，提供自上而下的注意定向。FPN是不具有左右对称性的网络，分为左额顶网络和右额顶网络，左侧FPN与语音、记忆相关，右侧FPN与内感受性知觉、躯体感觉、工作记忆、抑制相关。

脑区间的功能连接是指不同脑区活动时间序列之间统计学的变化相关性[13]。本研究发现，DMNDAN、DMN-FPN均为负连接，而DAN-FPN为正连接。由于DAN和DMN之间为负连接且强度为1，说明它们是两个完全对立的网络。FPN和DMN之间为负连接且连接强度较弱，表明两者并非完全的拮抗关系，在一些功能上还是有相互协同的作用。

3.4动机特质与功能连接的相关性BAS和BIS评分均与网络连接有一定的相关性。BAS得分分别与DMN-FPN和DAN-FPN呈显著正、负相关；BIS得分与DMN-DAN显著负相关。表明在人脑的神经功能模式上，动机特质体现出个体差异。BAS得分高者，DMN-FPN连接强度增大，DAN-FPN连接强度减小。DMN与DAN是两个相互拮抗的网络，而FPN在解剖位置上位于DAN与海马-皮质记忆系统（默认网络一部分）之间，功能上与这两个网络的信息整合有关。DMN内部有两个重要的节点是后扣带回和内侧前额叶皮质，中线区结构（包括内侧前额叶皮质和后扣带回）与个人追求目标和与自我参照思维相联系的未来事件情节模拟相关[14-15]；后扣带回可能与支持内部的定向认知相关,并且在调节注意力的焦点上有重要作用[16]，内侧前额叶皮质可能与自我促进（如强调希望、成就和进步）的过程相关[17]。Spreng等[18]研究发现，DMN与FPN相互协同，参与自传式规划过程，表明DMN-FPN连接强的个体更擅长于展望、规划。

BIS得分较高者，DMN-DAN负连接强度的增加，两者是相互对立的网络。有研究表明，消极的认知模式下，脑区激活主要为后扣带和眶前回内侧皮质，主要与事件记忆、自省以及情绪调节有关；积极的认知模式下，外侧前额叶皮质和下顶叶主要被激活，是注意力和自适应控制的区域。

综上所述，不同动机特质静息态下呈现前额叶偏侧化活动，动机系统对应的是多个脑区网络水平负载的神经活动。

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（收稿2016-01-25）

Correlation between different motivational traits and brain function in resting state

LI Jiahan,WANG Xin,

CHENG Lili,ZHANG Xuejun.School of Medical Imaging,Tianjin Medical University,Tianjin 300203,China

ObjebtiveMotivation traits include motivational approach system(BAS)and behavioral inhibition system(BIS).To analyze brain activity of different motivational traits in resting-state,and to test the relationships between functional connectivity and trait approach/avoidance motivationby using resting state functional magnetic resonance imaging technology.MethodsA total of 38 healthy college students completed BIS/BAS questionnaire,and were classified into three groups:high BAS group who had high BAS low BIS,high BIS group(high BIS low BAS),and control group(low BAS low BIS).Resting-state fMRI scan and sagittal structural images were collected.All preprocessing steps and statistics were carried out.The high BAS group and high BIS group were compared to the control group respectively.The brain areas with significant difference were detected by a two-sample t test.The Seed-based Correlation Analysis was used to explore functional connectivity for three predefined networks.Spearman test was used to analyze the relationships between functional connectivity and trait approach/avoidance motivation.ResultsCompared to the control group,amplitude of low-frequency fluctuation(ALFF)was significantly increased at left calcarine cortices,precuneus,posterior cingulate cortex(PCC),and middle frontal gyri(MFG),right caudate nucleus,and bilateral anterior cingulate cortex(ACC)in the high BAS group;at the right frontal lobe,temporal lobe,inferior parietal lobule,calcarine cortices,and the left PCC in the high BIS group.ALFF was significantly decreased at the bilateral thalamus,right superior temporal gyriand,and left parietal lobe in the high BAS group; at the left frontal lobe,parietal lobe,and bilateral ACC in the high BIS group.The BAS score was significantly correlated with the strength between DMN-FPN,and DAN-FPN(r=0.69,P＜0.001;r=-0.40,P=0.037,respectively),the BIS score was significantly correlated with DMN-FPN(r=-0.41,P=0.036).Conclusions Prefrontal asymmetry on different motivational traits exists in resting-state.Trait approach motivation and trait avoidance motivation are significantly correlated with functionalconnectivity.The motivational trait isaneural activity involved multiple brain areas.

Motivational trait;Resting-state;Amplitude of low-frequency fluctuation;Functional connectivity;Brain area

10.19300/j.2016.L4209

R445.2

A

天津医科大学医学影像学院，天津300203

张雪君，E-mail：ydzhangxj@126.com