特发性中枢性性早熟患儿静息态脑功能连接网络的研究

蒋弘阳 丁忠祥 张寒

近年来，全世界儿童青春期年龄有逐渐提前的趋势。中枢性性早熟是临床常见的一类性早熟，女童的发病率为男童的5～10倍，其中90%为特发性中枢性性早熟（idiopathic central precocious puberty，ICPP）[1-2]。下丘脑作为人类大脑神经内分泌的中枢，具有调控青春期性激素分泌的重要功能。静息态脑功能可被用于探索青春期大脑功能的改变，笔者以局部一致性（regional homogeneity，ReHo）、基于下丘脑为种子点的静息态功能连接分析（seed-based connectivity analysis，SCA）研究ICPP患儿静息态脑功能的差异，现报道如下。

1 对象和方法

1.1 对象 收集2016年2月至2017年12月浙江省人民医院就诊的女童39例，年龄6～9岁，均行头颅磁共振检查排除中枢神经系统肿瘤或其他遗传性疾病。其中确诊ICPP女童26例（ICPP组），正常发育女童13例（正常对照组）。ICPP组纳入标准：年生长速率高于正常儿童（＞2个标准差单位）；体格检查Tanner分级Ⅱ级或以上，促性腺激素释放激素（gonadotropin-releasing hormone，GnRH）激发试验达青春期水平 [黄体生成素（luteinizing hormone，LH）峰值＞5 U/L，身高、LH 峰值/卵泡刺激素（follicle-stimulating hormone，FSH）峰值＞0.6][3]。排除标准：继发性性早熟；不完全性早熟（单纯性乳房早发育、肾上腺功能早现、单纯性阴毛早现、单纯性早初潮）患儿，需随访6个月，并结合GnRH激发试验、骨龄、生长速率等排除是否为性早熟的最初症状。正常对照组纳入标准：体格检查无乳房结节或阴毛早现，近期无明显生长加速，身高符合该年龄身高±2个标准差单位。剔除图像预处理时以3 mm、3°头动标准的9例，最终纳入ICPP组18例，正常对照组12例。两组女童年龄、体重及BMI比较差异均无统计学意义（均P＞0.05），身高、LH水平与LH/FSH比值差异均有统计学意义（均P＜0.01），见表1。本研究经本院医学伦理委员会审查批准，所有监护人均签署书面知情同意书。

1.2 磁共振数据采集 使用GE Discovery MR750 3.0T磁共振扫描仪，通用磁共振成像系统和8通道头部专用线圈。均由同一位熟练操作者采集数据，扫描序列包含高分辨率T1WI序列和静息态脑功能核磁共振成像。整个数据采集过程中，嘱咐女童保持静止、身体放松、不进行思考、双眼睁开平视前方。在阶段扫描完成后及时评估磁共振数据质量，对于头动过大的数据，予以重新扫描。扫描参数如下：（1）静息态脑功能扫描采用平面回波成像技术（EPI）序列：TR=2 s，TE=30 ms，翻转角 90°，层厚 3.2 mm，矩阵 64×64，扫描视野 220×220。每次检查序列包含210个时间点，每个时间点包含44层。（2）高分辨率 T1WI序列：TR=6.8 ms，TE=3 ms，翻转角 12°，层厚1 mm，矩阵 256×256，扫描视野 216×216。数据搜集完成后，检查图像，避免颅底骨质、双侧乳突及磁场信号不均引起的信号缺失和信号噪声。

1.3 图像预处理 在Matlab 2016b环境下，应用基于SPM8的DPARSF工具包进行预处理。ReHo与SCA皆需在预处理前删除前10个时间点所扫描的数据，以确保血氧水平依赖（blood oxygen level dependence，BOLD）信号的稳定；而后行时序校正、头动校正、空间标准化。ReHo需使用0.01～0.1 Hz频段滤波去除低频生理信号和高频随机噪声，分析完成后需以半高全宽行6 mm平滑核的高斯平滑处理。SCA需在空间标准化后行去线性漂移和回归协变量、滤波和高斯平滑[4]。

在预处理阶段，使用DPARSF对大脑结构像（高分辨T1WI）不同成分进行分割，分为白质、灰质和脑脊液。采用SPM8的Calculate功能，将所有女童结构像的大脑灰质部分作平均值运算（阈值＞0.3）生成灰质蒙版。在灰质蒙版范围内运算ReHo分析可以来消除大脑白质、脑脊液等对结果的影响。

下丘脑感兴趣区（region of interest，ROI）确定：根据Baroncini等[5]和Kullmann等[6]的成人下丘脑功能网络研究，选定双侧下丘脑内侧部为坐标，见图1。使用WFU_PickAtlas软件（http://fmri.wfubmc.edu/software/pickatlas），在双侧坐标点以3 mm为直径绘制两个（3×3×3）mm3的球体作为 ROI，每一侧的 ROI包含 1 个体素。

表1 两组女童一般资料的比较

图1 基于下丘脑为种子点的静息态功能连接分析所选取的感兴趣区[位于双侧侧下丘脑内侧部，蒙特利尔坐标系（x：±4；y：-2；z：-12）；使用 WFU_PickAtlas软件绘制两个（3×3×3）mm3的球体为ROI]

2 结果

2.1 ReHo分析 ICPP组ReHo值减低的脑区有双侧的内侧前额叶皮层和前扣带回皮层（包含Brodmann11、24、25、32脑区），见表 2。

表2 ICPP组ReHo值显著减低的脑区

2.2 两组女童下丘脑功能连接网络差异的脑区 正常对照组和ICPP组均出现与下丘脑相关联的活跃脑区，经双样本t检验分析发现，5个脑区的具有显著意义的脑区（ICPP组＞正常对照组），分别为双侧前额叶皮层、楔前叶皮层及右侧顶叶皮层，见表3及图2（插页）。

表3 ICPP组下丘脑功能连接网络显著差异的脑区

图2 两组女童下丘脑功能连接网络差异的脑区[紫色实线内为蒙版的范围；暖色区域为ICPP组较正常对照组有显著差异的脑区，右侧前额叶（t=4.46）、左侧前额叶（t=5.17）、右侧楔前叶（t=4.75）、左侧楔前叶（t=4.81）及右侧顶叶（t=3.85）皮层与下丘脑的功能连接增强]

3 讨论

人类大脑的发育包含功能性变化和结构性的变化，既往对于功能连接网络的研究表明人类婴儿时期的大脑和成人时期的大脑在功能磁共振序列下有着显著不同[7]。大脑的发育是从局限性功能连接到离散性功能连接的渐进性变化[8]。目前的研究表明，ICPP是一种没有器质性病变的内分泌功能失调，单纯表现为进入青春期的年龄提前。笔者通过比较ICPP患儿和同年龄阶段正常女童的大脑功能连接差异，特别是下丘脑功能连接网络，研究儿童大脑功能连接网络的变化方式。

脑功能连接在原理上是通过统计学分析，评价不同神经生理活动之间的相关性或一致性。ReHo分析是一种数据驱动的分析手段，能够较好地减弱BOLD数据中的信号噪声所带来的影响，可以通过肯德尔一致性系数来评估大脑BOLD图像中一个像素与其邻近像素的一致性，已被广泛用于精神分裂、抑郁症、自闭症、阿尔茨海默症等疾病的临床研究中。大脑每个区域的发育顺序存在差异，前额叶的结构与功能的发育与青春期有着密切关系。Sisk等[9]发现前额叶是大脑中与执行功能有关的区域，在青春期前额叶的发育要晚于与其他与行为奖励功能相关的大脑区域；这一发现解释了青春期行为问题的产生机制，同时也说明大脑前额叶的发育与青春期有着密切的关系。Piekarski等[10]研究表明大脑内侧前额叶的发育是受青春期荷尔蒙调控，抑制性神经突触传递增加导致了内侧前额叶的提前发育；γ-氨基丁酸是一种抑制性的神经递质，与大脑的执行功能有关，其分泌增加可以改善自我控制的能力。本研究发现ICPP患儿在内侧前额叶皮层ReHo降低，说明在内侧前额叶局部像素间的功能连接减弱。该变化符合正常青春期的大脑功能网络发育模式，是一种“短程连接减弱”的模式。

下丘脑功能连接网络最初被用于研究与摄食行为相关联的高级皮层与下丘脑的关系，以及下丘脑神经元如何整合入离散式的神经网络系统[6，11]。虽然先前的研究者们使用了不同的ROI选择下丘脑功能连接网络，他们得到的结果却是一致的，都观察到下丘脑和额叶皮层之间增强的功能连接，前额叶皮层、颞叶皮层、扣带旁沟皮层、上枕叶皮层与下丘脑也存在功能连接。但是，目前尚没有研究者将这种方法应用于儿童脑功能网络研究，本研究首次观察到了ICPP儿童静息态功能磁共振显示的下丘脑功能连接网络的存在。ICPP组的下丘脑功能连接网络与同龄的正常对照组之间存在显著差异，其更接近先前Kullmann等[6]与Lips等[11]所得到的成人下丘脑功能连接网络。

本实验研究表明大多数的像素簇位于额叶和顶叶这些与生长发育有着密切关系的皮层区域，证明它们是下丘脑功能网络的主要构成成分。在前额叶中与认知功能和执行功能相关的内侧和背侧前额叶显示出与下丘脑更为显著的功能连接[12-13]；内侧下丘脑蕴含功能异质性的神经元，能够调控性腺激素的分泌[14]；笔者推测实验组前额叶与下丘脑之间增强的功能连接与ICPP女童的下丘脑-垂体-性腺轴提前激活有关（实验组就是ICPP）。两者之间密切的联系，同时也能证明前额叶皮层的发育是受性腺激素所调控的。楔前叶和后扣带回是大脑结构连接和功能连接中最重要的枢纽，它们在Dosenbach等[15]通过功能成像预测个体生长发育的模型中具很高的权重；后扣带回也是传统静息态脑功能连接网络研究中用以确定默认网络的重要感兴趣区[16-17]，它在记忆回溯和情感表达起重要的作用[18]。功能连接网络会随着大脑的发育动态变化。Supekar等[19]和Gu等[20]发现在后扣带回和内侧前额叶网络内和网络间的连接随年龄的增加而增强。在儿童时期的脑功能拓扑研究中，大脑的结构网络枢纽位于这些初级功能皮层区域；随着青春期的生长发育，这些网络枢纽逐渐由更高级的功能网络替代。这些变化都表明青春发育时期，大脑的功能网络针对不同基本功能进行针对性局部调整。

本研究也存在一定的局限性，实验样本量偏少，仅能满足组水平的统计分析，不能使用Bonferroni校正、FWE（Family Wise Error）校正等更严格的多重比较校正。本研究采用的FDR校正和AlphaSim校正也是较好的控制阳性错误的方法，对于前瞻性的探索实验，能够保存更多有效的阳性实验结果。本研究样本量偏少是由于本研究对象为女童，且对年龄和激素水平有较为严格的要求；对于健康的青春前期的女童，较难说服家长同意进行耗时较长的磁共振检查；同时，静息态脑功能分析对图像稳定性有较高要求，部分小龄儿童在扫描时容易烦躁不安，导致图像剔除。

综上所述，ICPP女童的内侧前额叶的ReHo值与下丘脑功能连接网络存在异常，提前出现了近似于成年人（或正常儿童青春后期）的静息态功能连接的模式。活跃的下丘脑功能连接网络对于特发性性早熟具有影像标志意义，下丘脑网络的从无到有是青春期大脑发育模块化重组的结果，在某种程度上反映了下丘脑-垂体-性腺轴的激活，说明下丘脑网络的发展受到青春期性腺激素的影响。