东西方人大脑皮层结构偏侧化的差异

周思中，高家红

(北京大学物理学院重离子物理研究所医学物理与工程北京市重点实验室，北京大学前沿交叉学科研究院磁共振成像研究中心，北京 100871)

大脑具有很强可塑性，生活环境和经历会对大脑功能甚至大脑结构产生极大影响[1]。目前已有大量行为学和fMRI研究[2]表明东西方人群在多种认知加工活动中存在差异，但针对东西方人大脑结构差异的研究尚不充分。既往对东西方人大脑结构的对比研究[3-4]均针对某些大脑形态学参数本身，缺少对于大脑结构偏侧化这一重要大脑结构学参数的东西方对比研究。偏侧化有利于左右大脑半球同时高效处理多个任务，是大脑适应性的重要特征。大脑皮层厚度、皮层表面积和皮层曲率是大脑皮层特征的重要参数，也是大脑皮层偏侧化的研究重点[5]。本研究采用全新的脑网络组图谱“Brainnetome Atlas”[6]对不同年龄段中国汉族人和西方高加索人大脑皮层进行精细化分区(大脑皮层分为左右半球各105个脑区)，从大脑皮层表面积、皮层厚度和皮层平均曲率多个维度研究大脑结构偏侧化在东西方不同年龄段人群中的差异。

1 资料与方法

1.1 一般资料 2017年10月—2018年6月于北京大学附近社区招募60名中国汉族志愿者，青年组和老年组各30名；青年组男女各15名，年龄24～32岁，平均(27.0±1.8)岁；老年组男女各15名，年龄64～79岁，平均(67.5±3.2)岁。纳入标准：①青年被试者18～45岁，老年被试者60岁及以上；②右利手；③简易精神状态评价量表评分>27分。排除标准：①有精神系统疾病或其他脑部疾病；②MR图像质量差，不符合后处理要求。本研究经北京大学伦理委员会批准，被试者均签署知情同意书。

60名西方被试者数据来自于IXI dataset(http://brain-development.org/ixi-dataset/)，数据均在英国伦敦Hammersmit医院采集，均为高加索人，青年组和老年组各30名；青年组男女各15名，年龄22～34岁，平均(27.1±3.2)岁；老年组男女各15名，年龄60～81岁，平均(66.5±5.8)岁。

1.2 仪器与方法 对60名中国被试者采用Siemens Prisma 3.0T MR扫描仪，64通道头颈联合线圈。三维T1W结构像采用磁化强度预备梯度回波序列(magnetization prepared rapid acquisition gradient echo sequences， MPRAGE)，TR 2 400 ms，TE 2.24 ms，翻转角8°，矩阵320×320，体素大小0.8 mm×0.8 mm×0.8 mm。60名西方被试者均采用Philips Intera 3.0T MR扫描仪，TR 9 600 ms，TE 5.6 ms，翻转角8°，矩阵208×208，体素大小0.9 mm×0.9 mm×1.2 mm。

1.3 数据处理 将所有结构像数据调整到相同坐标空间，并重采样为相同体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。

采用Freesurfer处理软件(https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu)重建T1WI并对齐大脑皮层表面，选取10 mm平滑核进行平滑，使用慧脑云平台(www.humanbrain.cn)加速计算并简化操作流程。利用平台内置的“Brainnetome Atlas”对重建的大脑皮层进行自动分割，进而获得各脑区(左右半球各105个脑区)大脑皮层表面积、皮层厚度及平均曲率值。采用偏侧化系数(lateralization index， LI)定义各脑区偏侧性，LI=(L-R)/(L+R)，L和R分别代表左右半球脑区参数值，LI>0代表具有左偏侧化，LI<0代表具有右偏侧化。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。计量资料以±s表示，2组间年龄比较采用两独立样本t检验。采用单样本t检验比较各脑区LI与0之间是否存在差异(FDR校正，P<0.05为差异有统计学意义)，以此判断该脑区是否存在偏侧化。分别对东西方青年组和老年组脑皮层形态学LI进行独立样本t检验，获得东西方不同年龄组间LI差异有统计学意义的脑区(FDR校正，P<0.05为差异有统计学意义)。

2 结果

东西方青年组和老年组被试者年龄差异均无统计学意义(青年组：t=-0.053，P=0.958；老年组：t=0.829，P=0.410)。

2.1 脑皮层偏侧化结果 东西方青年组及老年组被试者皮层表面积、皮层厚度以及平均曲率呈现出不同偏侧化结果(图1、2)。无论是中国人还是西方人、青年组还是老年组，具有皮层表面积偏侧化的脑区均明显多于皮层厚度和皮层曲率偏侧化脑区。在偏侧化脑区数目(表1)方面，西方老年组皮层表面积、皮层厚度、平均曲率3个形态学参数上出现偏侧化的脑区数目均低于青年组；中国老年组除皮层表面积右侧偏侧化脑区数目略高于中国青年组外，其他参数偏侧化脑区数目均低于青年组。

图1 中国青年组和老年组被试者皮层偏侧化结果，暖色代表脑区具有显著左偏侧化，冷色代表脑区具有显著右偏侧化(FDR校正，P<0.05) A、B.皮层表面积偏侧化结果(A为青年组，B为老年组)； C、D.皮层厚度偏侧化结果(C为青年组，D为老年组)； E、F.皮层平均曲率偏侧化结果(E为青年组，F为老年组)

图2 西方青年组和老年组被试者皮层偏侧化统计结果，暖色代表脑区具有显著左偏侧化，冷色代表脑区具有显著右偏侧化(FDR校正，P<0.05) A、B.皮层表面积偏侧化结果(A为青年组，B为老年组)； C、D.皮层厚度偏侧化结果(C为青年组，D为老年组)； E、F.皮层平均曲率偏侧化结果(E为青年组，F为老年组)

图3 东西方被试者皮层LI有显著差异的脑区，暖色代表东方LI>西方，冷色代表东方LI<西方(FDR校正，P<0.05) A、B.皮层表面积偏侧化有显著差异脑区(A为青年组，B为老年组)； C、D.皮层厚度偏侧化有显著差异脑区(C为青年组，D为老年组)； E、F.皮层平均曲率偏侧化有显著差异脑区(E为青年组，F为老年组)

全部被试者中，皮层表面积偏侧化几乎出现在全脑各大脑区，包括额叶、颞叶、顶叶、脑岛、枕叶以及扣带回，且脑区内偏侧化存在区域性差异。颞叶中，左侧偏侧化脑区主要位于颞上回、颞下回、梭状回和后颞上沟，右侧偏侧化脑区主要位于颞中回；额叶大部分区域呈现出偏侧化，左侧偏侧化位于额下沟以及额下回腹侧，右侧偏侧化位于背外侧前额叶、内侧前额叶等区域。皮层厚度和平均曲率的偏侧化区域明显少于皮层表面积偏侧化区域。皮层厚度偏侧化脑区主要位于颞上回和顶下小叶。皮层曲率偏侧化脑区主要位于颞上回、颞中回以及扣带回的大部分区域。

2.2 东西方青年组和老年组脑皮层偏侧化差异 分别对东西方青年组和老年组被试者的3个参数的LI进行独立样本t检验分析，获得东西方LI有显著性差异的脑区(表2、3及图3)。东西方青年组偏侧化差异脑区主要位于“Brainnetome Atla”分区中的A45c(BA45尾部)、A13(BA13)及vmPOS(腹内侧顶枕沟)脑区，在A13脑区，中国青年组皮层表面积LI显著高于西方青年组，而在A45c和vmPOS脑区，中国青年组皮层表面积LI显著低于西方青年组；东西方老年组偏侧化差异脑区主要位于A13(BA13)和A38l(BA38)脑区，这两个脑区中国老年组皮层表面积LI显著高于西方老年组。

皮层厚度偏侧性对比中，东西方青年组偏侧化差异脑区主要位于A9m(BA9内侧区)、A14m(BA14内侧区)和G(多颗粒脑岛)脑区，其中A9m和A14m脑区中国青年组皮层厚度LI显著高于西方青年组，而G脑区中国青年组皮层厚度LI显著低于西方青年组；东西方老年组皮层厚度偏侧化差异主要位于A9/46v(BA9/46)和A1/2/3ll(BA1/2/3)脑区，且中国老年组皮层厚度LI均显著低于西方老年组。

皮层曲率偏侧化对比中，在东西方青年组偏侧化差异脑区仅见于A44op(BA44的岛盖部)脑区，且中国青年组皮层曲率LI显著低于西方青年组(表2)。东西方老年组在皮层曲率偏侧化上无显著差异脑区(表3)。

东西方被试者不同年龄组间皮层厚度、皮层表面积和皮层曲率的LI差异均无统计学意义(FDR校正，P均>0.05)。

表1 东西方被试者各年龄组存在显著皮层偏侧化的脑区数目

表2 东西方青年组被试者皮层LI有显著差异的脑区

表3 东西方老年组被试者皮层LI有显著差异的脑区

3 讨论

本研究首次采用全新脑网络组图谱“Brainnetome Atlas”[6]对东西方不同年龄段群体大脑皮层偏侧化进行分区对比，发现大脑结构偏侧化普遍存在，其中表面积偏侧化脑区数目明显多于皮层厚度和皮层平均曲率，与既往研究[7]结果一致。东西方老年组中出现偏侧化的脑区数目相比青年组均有所减少，这可在一定程度上解释老龄化过程中大脑认知功能下降的神经机制。

本研究在东西方脑皮质LI对比中发现，东西方青年组偏侧化出现差异的脑区集中在A13、A45c、vmPOS(皮层表面积)，A9m、A14m和G(皮层厚度)以及A44op(皮层曲率)。A9m脑区位于额中回，在外显记忆加工中发挥重要作用[8]，也是中文语言加工的重要脑区[9]。既往研究[2]发现，在社会认知任务中，A9m区东西方激活强度存在显著不同，西方人右半球A9m区激活强度显著大于东方人。本研究也同样发现，A9m区中国青年组皮层LI显著高于西方青年组。BA13/14脑区与情绪及面孔识别有关[10]。Han等[2]采用Meta分析研究发现，东西方大脑激活强度在BA13脑区呈现明显功能偏侧化差异，本研究中同样发现此脑区东西方大脑皮层表面积偏侧化具有显著性差异。Broca区(BA44/45)在语言加工中发挥重要作用，且其在语言加工中存在明显的偏侧化。本研究发现并不是整个Broca区均存在东西方偏侧化差异，而是在A45c(BA45尾部)和A44op(BA44的岛盖部)脑区具有显著偏侧化差异。

东西方老年组出现皮层偏侧化差异的脑区集中在A9/46v和A1/2/3ll(皮层厚度)，A13和A38l(皮层表面积)。A9/46v区与工作记忆、词语生成及语言理解等活动有关[11]，本研究发现东西方人此脑区皮层厚度偏侧化存在显著差异，或可部分解释东西方大脑语言加工的不同。A38l区主要参与面孔识别及语言句法与语义加工等活动[12-13]，既往研究[2]发现西方人此区域在认知加工活动中的大脑激活程度远高于东方人，本研究结果与其一致。

本研究发现东西方青年组出现偏侧化差异脑区主要是与语言功能相关的A45c(皮层表面积)、A44op(皮层曲率)以及中文加工的特有脑区A9m(皮层厚度)；但在老年组，与语言功能相关的有显著偏侧化差异的脑区只有A9/46v(皮层厚度)，可能随年龄增加，文化差异对大脑的影响逐渐降低[14]；而东西方青年组和老年组在与情绪和面孔加工相关的A13区均存在皮层表面积偏侧化差异，可以部分解释东西方人群面孔识别认知活动的不同。

本研究发现东西方人群在皮层结构偏侧化上存在差异，可在一定程度上解释之前有关东西方人行为以及脑功能有所差异的研究结果。本研究局限性：①未对被试者是否为单语者加以限制；②数据来自2个中心，设备参数等因素可能会对结果产生影响，但设备对Freesurfer皮层厚度重建结果影响较小[15]，且已尽可能加以限制；③设备因素对皮层表面积和曲率重建结果的影响需进一步探究；④配准和标准化时采用的脑模板基于西方数据建立，可能对结果产生一定影响[16]。