失读症儿童磁共振脑成像VBM DARTEL研究

孙肇春，汪谓超

（广东外语外贸大学 国际商务英语学院，广东 广州 510420）

失读症儿童磁共振脑成像VBM DARTEL研究

孙肇春，汪谓超

（广东外语外贸大学 国际商务英语学院，广东 广州 510420）

使用3.0TGE磁共振扫描仪对16位失读症儿童和16位对照组儿童进行脑部T1加权成像，运用体素形态学DARTEL方法对两组受试脑图像进行预处理.VBM8工具箱分析结果显示，失读症儿童与正常儿童灰质（p=0.432）、白质（p= 0.413）、整体脑容量（p=0.238）没有显著性差异.SPM8对两组受试脑灰质和脑白质分别做双样本T-test检验.结果显示，失读症儿童左脑额下回灰质（Voxel=355）低于正常儿童（p＜0.05）.失读症儿童语言阅读障碍可能与大脑语言区灰质密度下降有关.

磁共振脑成像；失读症；体素形态学；灰质

1 引言

失读症（dyslexia）是一种常见的儿童发展障碍，目前被世界卫生组织（ICD-10 code R48.0）列入“疾病及相关健康国际数据分类”第十版[1].据估计，西方国家儿童失读症患病率约为5-17%[2-3].失读症儿童语言障碍主要表现为词汇识别和拼写困难.此外，失读症儿童在视觉、听觉及运动系统亦受到不同程度影响[4]，但智力、情感等方面与正常儿童没有差别[5].由于失读症病理复杂，其发病机理目前尚不明确.越来越多的生物学和医学研究表明失读症与家庭遗传基因有关[6-8].

近年来，随着磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）、功能性磁共振脑成像（functional magnetic resonance imaging,fMRI）、弥散张量成像（diffusion tensor imaging, DTI）技术的发展，人们对失读症易感人群的脑结构和脑功能研究取得了一定的成果.如孙肇春[9]运用优化VBM方法对15名美国失读症儿童（平均年龄12.3岁）和15名正常儿童（平均年龄12.2岁）对比研究发现，失读症儿童左脑额中回灰质和左脑颞中回白质部分密度比正常儿童低.此外，失读症患者左顶叶、左脑枕颞和左颞顶叶等区域均被发现灰质密度比正常儿童低.

尽管人们对失读症脑结构和脑功能研究已经取得丰富的成果，但是我们可以看到，一方面由于磁共振成像技术的限制和数据处理方法的局限，另一方面由于受试人群的语言、年龄等差异，人们对失读症的脑机制尚未取得一致的解释.为探讨失读症儿童大脑形态学特征，本文采用目前国际最新流行的体素形态学数据处理方法：VBM DARTEL（diffeomorphic anatomical registration through exponentiated lie algebra）[10]算法，对失读症和正常儿童的脑灰质和脑白质形态进行对比分析，以期发现两组之间的脑形态差异.

2 研究方法

2.1 受试

参与本研究的受试均来自于美国本地，母语为英语.通过当地报纸、普通小学和特殊学校邮件等形式招募到儿童82名.其中41名有阅读障碍家族史，41名阅读能力正常.由于受试者个人原因和MRI成像质量筛选，本研究保留了32名儿童的行为和脑影像数据.32名受试分为两组：16名失读症儿童和16名正常儿童，年龄范围8.6-14.2岁，平均年龄12.3岁.本研究项目所有协议均得到32位受试者父母和斯坦福大学学术委员会书面同意.该项目所有受试均无精神疾病，参加项目前没有进行过任何药物治疗，对磁共振成像无不良反应.关于受试人口学资料请参照表1.

表1 受试人口统计学信息及行为评估

2.2 行为评估

本研究的两组受试在进行磁共振脑成像扫描之前均参加了认知能力和阅读能力评估.认知能力评估采用Wechsler Abbreviated Scale of Intelligence（WASI-II）量表[11].该量表分为四个亚项和两个亚项两个版本.前者包括词汇能力（vocabulary）、相似性分析（similarities）、组块设计（block design）、矩阵推理（matrix reasoning），测试时间为30分钟；后者包括词汇能力和矩阵推理，时间为15分钟.两个版本信度相同.考虑到受试者是儿童这一因素，本研究采用第二个版本.WASI-II评估结果显示：两组受试矩阵推理（p=0.32）和总体IQ（p=0.06）无统计学意义，但词汇能力（p＜0.001）有显著性差异.阅读能力评估使用以下三个量表：Woodcock Reading Mastery Tests(WRMT)-Revised/Normative Update[12]中的Word Identification(ID)测试；WRMT Word Attack(WA)测试；以及Peabody Picture Vocabulary Test(PPVT)[13]测试.上述三个量表在英语国家普遍被用来对儿童阅读能力进行评估.受试者得到的原始分与他们的年龄进行换算得出标准分.一般认为，在上述测试中如果受试者得分等于或低于标准分90，即可判断该受试具有失读症或阅读障碍[14-16].类似标准在目前失读症神经成像研究领域已被广泛采用.我们对两组受试者的阅读能力进行评估，对标准分进行T-test，他们在ID(p＜0.001),WA(p＜0.001),PPVT(p＜0.001)三个测试中均具有显著性差异（表1）.

2.3 MRI参数设计

本研究中MRI图像由斯坦福大学医学院Richard M.Lucas磁共振影像学中心设计时间序列并完成扫描.磁共振扫描仪型号：3T Signa LX,GE Medical Systems,Milwaukee, WI.所有受试者均获得高分辨率三维T1加权成像.相关参数如下：脉冲序列：扰相梯度回波脉冲序列（spoiled gradient echo pulse sequence）；回波时间(TE)：2毫秒；重复时间(TR)：9毫秒；翻转角(flip angle)：15度；激励次数（NEX）：2；视野（FOV）：240毫米；矩阵（acquisition matrix）：256×196；体素（voxel size）：0.94×0.94×1.2毫米；帧数：124（Sagital AC-PC-aligned，前连接与后连接对齐冠状图）.

2.4 数据处理

本研究数据处理使用VBM8工具箱，在SPM8（Wellcome Department of Cognitive Neurology,Institute of Neurology,University College London） 和 Matlab7.11 R2010b（MathWorks,Natick,MA,USA）环境下对受试者的三维T1加权脑图像进行VBM DARTEL分析.VBM是近年来兴起的一种全脑无偏算法，用来计算脑密度（density）和脑容量（volume）[17].标准VBM分析通常包括以下四个步骤:（1）空间校准（normalization）；（2）灰质与白质分离（segmentation）；（3）脑灰质和脑白质图像平滑（smoothing）；（4）组间统计学分析.由于空间校准过程中受试者的MR脑图像会产生几何变形，这会导致一定误差.假如某个受试者大脑脑室（ventricle）较小，在空间校准过程中需要对脑室进行空间变形和拉伸.在此过程中脑室周边的灰质和白质也会相应发生变形，致使最终的计算结果出现误差.为了减少误差，提高计算精度，VBM DARTEL采用与标准VBM不同的数据处理方法.首先，VBM DARTEL使用的标准大脑模板来自于所有受试者MR脑图像的均值.由于脑模板来自受试者，在空间校准过程中出现的误差较小.其次，为了减少空间校准误差，VBM DARTEL采用不同的数据处理步骤，比传统VBM分析方法和优化VBM方法更加易于发现脑结构的细节差异.下面是我们使用VBM DARTEL方法对MR图像的预处理过程：（1）对32位受试的T1加权脑成像进行质量检查以保证图像质量；（2）对32位受试的脑成像进行前连接（anterior commissure，AC）、后连接（posterior commissure，PC）对齐，确保所有图像上、下、左、右方向一致；（3）将AC-PC对齐后的脑成像进行灰质、白质、脑脊液分离.此步由VBM8工具箱自动完成.分离结束后进行第二次质量检查，确保分离后的灰质、白质、脑脊液图像没有不正常的连接部分；（4）用所有32位受试者的灰质、白质、脑脊液图像创建标准的大脑模板；（5）将所有灰质、白质、脑脊液图像与创建的标准大脑模板进行配准（registration）、调整（modulation）、标准化；（6）对所有标准化之后的灰质、白质图像进行平滑处理，平滑参数采用8毫米半高全宽三维高斯核卷积（8 mm FWHM Gaussian smoothing kernel）.平滑有三个作用：（1）提高信噪比；（2）使数据更加符合正态分布；（3）对空间标准化过程中的误差进行补偿.

3 结果

根据受试者人口统计学数据，两组受试年龄、性别匹配.两组受试的MR脑图像经VBM8工具箱计算处理后，得到每个受试的脑灰质和脑白质图像并同时获得各部分脑容量值.使用SPSS 16.0（SPSS Inc,Chicago,Illinois）对两组儿童脑灰质、脑白质、总体脑容量进行双样本T检验（p＜.05）.统计结果显示：两组受试脑灰质（p=0.432）、脑白质（p=0.413）、总体脑容量（p=0.238）均无统计学意义（见表2）.

表2 失读症儿童与正常儿童人口学统计及脑容量对比（单位：cc）

VBM8工具箱虽然可以计算出脑灰质、脑白质和整体脑容量值，但无法计算出两组受试大脑微结构差异.为了得到两组受试脑形态差异，我们使用SPM8对VBM DARTEL平滑（smoothing）处理后两组受试的脑灰质和脑白质图像进行双样本T-test.我们采用张静[18]等数据统计方法：采用未经矫正的临界阈值（height threshold）（p＜0.001），将族块（cluster）超过200个体素的脑区定义为有统计学意义（extent threshold=200voxels）.将SPM8的计算结果用Xjview软件（http: //www.alivelearn.net/xjview）转换成MNI坐标（coordinate）并对计算结果进行可视化.Xjview计算结果显示，两组受试脑灰质形态存在一定差异：失读症儿童组左脑额下回（left inferior frontal gyrus）灰质密度低于正常儿童（灰质=355 voxels）.表3为SPM8的计算结果，图1为计算结果的伪彩图.

表3 失读症儿童与正常儿童灰质形态差异

图1 失读症儿童与正常儿童组间T-test结果

4 讨论

本研究采用VBM DARTEL方法对失读症儿童和正常儿童的MR T1加权脑图像进行预处理.VBM8工具箱计算结果显示，两组受试脑灰质、脑白质和总体脑容量没有显著性差异.使用SPM8对两组受试平滑处理后的脑灰质和脑白质图像进行双样本T检验，结果显示失读症儿童左脑额下回（MNI坐标：-53,22,27）灰质密度低于正常儿童.这一发现对我们理解失读症儿童语言障碍的神经机制和对失读症的干预和恢复具有重要意义.

人类左脑额下回包括BA44、BA45及BA47区.自Broca[19]首次提出左脑额下回是负责语言任务的重要脑区以来，在过去的100多年里，该脑区在语言和认知任务中所发挥的功能一直被广泛研究和讨论.Grodzinsky[20]采用功能性磁共振脑影像学方法发现，左脑额下回在句法分析时被激活.以Grodzinsky的研究为基础，越来越多的研究发现BA44、BA45和BA47[21-24]区在句法分析时被激活.为了验证左脑额下回在句法分析中的功能，Rodd[25]等用一组含有歧义成分的句子对一组健康受试者进行测试，受试者在完成语言任务的同时由磁共振仪进行功能性磁共振脑成像.向受试者呈现的句子均有歧义，如：“The newspaper reported that bullying teenagers…”，其中短语“bullying teenagers”中的名词“teenagers”既可以是“bullying”的施事，也可以是“bullying”的受事.句子歧义随“bullying teenagers”之后的成分被消除，如：“…are a problem for the local school”或“…is bad for their self-esteem”.功能性磁共振脑成像分析结果显示，该组受事在完成句法分析任务时，BA44、BA45、BA47以及颞中回中部和颞中回后部均被不同程度激活.左脑额下回除了参与句法分析外，还参与语音和语义等语言任务.研究发现该脑区受损将影响人脑对语音和语义的处理.研究发现，一组左脑额下回受损的受试者在完成词汇提取任务时表现出语言产出的“竞争效应”.受试者被要求提取可以与某个名词搭配的动词，其中一些名词（如：scissors）可搭配的备择动词较少，而另一些名词（如：cat）可搭配的备择动词较多.该组患者在完成前者任务时出现的错误明显少于后者[26].除了执行语言任务外，左脑额下回还参与抑制控制（inhibitory control）任务，例如语义选择和对工作记忆的前摄干扰（proactive interference）做出决策.随着研究的不断深入，人们发现语言处理是一个多个脑区共同参与的复杂过程，并非由左脑额下回独立完成.最新的研究结果表明，左脑额下回、颞中回、颞下回、及周边区域共同构成一个完整的语言神经网络.失读症儿童的语言困难主要表现为对词汇拼读能力受损，其临床表现与左脑额下回受损患者基本一致.从本研究的结果来看，失读症儿童左脑额下回脑灰质密度低于正常儿童可能影响该脑区的语言处理活动.但失读症儿童大脑内部机制及各脑区如何协同工作仍然需要进一步研究.

5 结论

本研究使用3.0T磁共振仪对两组受试大脑进行三维高分辨率T1加权成像，采用了目前最新的数据处理方法对两组受试脑形态进行全脑对比，结果显示失读症儿童左脑额下回灰质密度低于正常儿童.这一发现有助于我们理解失读症脑解剖特点，对失读症儿童的语言干预训练提供神经解剖学依据.本研究同时存在局限性.首先，本研究得到的结果只能反映两组受试的脑形态差异，而不能反映出他们的脑功能差异.限于篇幅，我们将对两组受试的脑功能差异另文研究.第二，虽然我们严格按照VBM DARTEL处理方法对原始数据进行了标准化处理，由于MR成像仪的磁场稳定性和受试者的头动影响，我们获得的T1加权成像仍然会有瑕疵，这会导致一定的计算误差.第三，本研究SPM8对两组受试脑灰质采用双样本T检验时采用的p值矫正方法可能会导致统计结果出现一定的误差.最后，本研究采用的成像技术和数据预处理方法还无法对脑白质的分数各向异性和神经丛走行方向进行运算.目前针对失读症儿童的脑灰质形态学研究取得一定成果，但对脑白质形态学研究相对较少.普通的成像技术目前还无法观察到脑白质成分.我们在后续研究中将采用弥散张量成像技术和纤维示踪技术，对脑白质神经丛的密度、走向等进行更精确的量化研究.

〔1〕Dilling H,Mombour W,Schmidt MH.International Classification of Mental Diseases,ICD-10,German Edition.Bern:Huber.[M].1991.

〔2〕Eden,G.G.,Zeffiro,T.A.Neural systems affected in developmental dyslexia revealed by functional neuroimaging.[J].Neuron.1998;21:279-282.

〔3〕Shaywitz,S.E.Dyslexia.[J].The New England Journal of Medicine.1998;338:307-312.

〔4〕Eden,G.F.,VanMeter,J.W.,Rumsey,J.M.,Maisog,J.M.,Woods,R.P.,and Zeffiro,T.A.Abnormal processingof visual motion in dyslexia revealed by functional brain imaging.[J].Nature.1996;382(6586):66-69.

〔5〕Tanaka H,Black JM,Hulme C,Stanley LM,Kesler SR,Whitfield-Gabrieli S,Reiss AL,Gabrieli JD,Hoeft F.The brain basisofthe phonologicaldeficitin dyslexia is independent of IQ.[J].Psychological Science.2011;22:1442-51.

〔6〕Arndt Wilcke,Carolin Ligges,Jana Burkhardt,Michael Alexander,Christiane Wolf,Elfi Quente,Peter Ahnert, Per Hoffmann,Albert Becker,Bertram Müller-Myhsok, Sven Cichon,Johannes Boltze and HolgerKirsten.Imaging genetics of FOXP2 in dyslexia.[J].European Journal of Human Genetics.2012;20:224-229.

〔7〕Huc-Chabrolle M,Charon C,Guilmatre A,Vourc’h P,Tripi G,Barthez MA,Sizaret E,Thepault RA,Le Gallic S,Hager J,Toutain A,Raynaud M,Andres C, Campion D,Laumonnier F,Bonnet-Brilhault F.Xq27 FRAXA locus is a strong candidate for dyslexia:evidence from a genome-wide scan in French families.Behavior Genetics.2013;43:132-140.

〔8〕Field LL,Shumansky K,Ryan J,Truong D,Swiergala E,Kaplan BJ.Dense-map genome scan for dyslexia supports loci at 4q13,16p12,17q22;suggests novel locus at 7q36.Genes,Brain and Behavior.2013;12:56-69.

〔9〕孙肇春.失读症儿童磁共振脑成像研究—优化体素形态学分析[J].江苏师范大学学报（哲学社会科学版），2013（39）:57-62.

〔10〕Ashburner,J.A fast diffeomorphic image registration algorithm.[J].Neuroimage.2007;38:95-113.

〔11〕Wechsler,D.Wechsler Abbreviated Scale of Intelligence.[M].San Antonio,TX:The Psychological Corporation.1999.

〔12〕Woodcock,R.W.Woodcock Reading Mastery Tests-Revised/normativeupdateCirclePines,MN: American Guidance Service.1998.

〔13〕Dunn,L.M.,&Dunn,D.M.Peabody Picture VocabularyTest (3rd ed.).[M].CirclePines,MN: American Guidance Service.1997.

〔14〕O’Malley,K.J.,Francis,D.J.,Foorman,B.R., Fletcher,J.M.,&Swank,P.R.Growth in precursor and reading-related skills:Do low-achieving and IQ-discrepantreadersdevelop differently?.[J].Learning Disabilities Research&Practice.2002;17:19-34.

〔15〕Shaywitz,B.A.,Shaywitz,S.E.,Pugh KR,Mencl WE,Fulbright PK,Skudlarski P,Constable RT,Marchione KE,Fletcher JM,Lyon GR,Gore JC.Disruption of posterior brain systems for reading in children with developmental dyslexia.[J].Biological Psychiatry.2002;52:101-10.

〔16〕Shaywitz,B.A.,Shaywitz,S.E.,Blachman B.A., Pugh K.R.,Fulbright,RK.Development of left occipitotemporal systems for skilled reading in children after a phonologically-based intervention.[J].Biological Psychiatry.2004;55:926-33.

〔17〕Ashburner,J.,Friston KJ.Voxel-based morphometrythe methods.[J].Neuroimage.2000;11:805-21.

〔18〕张静,张云亭,张本恕,杨俊峰.原发帕金森病全脑灰质结构基于体素的MRI形态学分析[J].兰州大学学报（医学版），2011（37）:71-75.

〔19〕Broca PP.Perte de la parole, ramollissement chroniqueet destruction partielle du lobe ante′rieur gauche du cerveau.[J].Bulletin de la Socie′te′Anthropologique,1861;2:235–8.

〔20〕Grodzinsky Y.The neurology of syntax:language use without Broca’s area.[J].Behavioral Brain Science.2000;23:1–21.

〔21〕Friederici AD,Ruschemeyer S-A,Hahne A,Fiebach CJ.The role of left inferior frontal and superior temporal cortex in sentence comprehension:localizing syntactic and semantic processes.[J].Cerebral Cortex.2003; 13:170–7.

〔22〕Hashimoto R,Sakai KL.Specialization in the left prefrontal cortex for sentence comprehension.[J].Neuron.2002;35:589–97.

〔23〕Marcus GF,Vouloumanos A,Sag IA.Does Broca’s play by the rules? [J].Nature Neuroscience.2003;6: 651–2.

〔24〕Lorraine K.Tyler,William D.Marslen-Wilson,Billi Randall,Paul Wright,Barry J.Devereux,JieZhuang, Marina Papoutsi1 and Emmanuel A.Stamatakis.Left inferior frontal cortex and syntax:function,structure and behaviour in patients with left hemisphere damage.[J].Brain.2011;134:415-431.

〔25〕Rodd JM,Longe OA,Randall B,Tyler LK.The functional organization of the fronto-temporal language system:evidence from syntactic and semantic ambiguity.[J].Neuropsychologia.2010;48:1324–35.

〔26〕Thompson-SchillSL,Aguirre GK,d’Esposito M, Farah MJ.A neural basis for category and modality specificity of semantic knowledge.[J].Neuropsychologia.1999;37:671–6.

R395.2

A

1673-260X（2017）01-0047-04

2016-10-15

汪谓超（1980-），男，汉族，安徽芜湖，博士，语言与社会学研究