绿色环境暴露与青年人脑灰质体积及自发性脑活动的相关性

李魏薇，郭力宁，刘嘉玮，满玮琦,2，马 林，刘 风，于春水*

(1.天津医科大学总医院医学影像科 天津市功能影像重点实验室，天津 300052；2.天津大学医学工程与转化医学研究院，天津 300072)

绿色环境暴露有益于心理健康[1]，利于提高注意力及认知水平[2]。目前关于绿色环境暴露对健康成年人脑灰质体积(grey matter volume， GMV)影响的研究较少，对于绿色环境暴露与自发性脑活动的关联尚不明确。遥感卫星技术具有实时、监测时间长、覆盖范围广的特点，已广泛用于评估绿色环境，多以归一化植被指数(normalized difference vegetation index， NDVI)反映绿色植被覆盖情况[3]。本研究基于陆地卫星(Landsat)图像提取NDVI，评价绿色环境暴露与青年GMV及静息态自发脑活动的相关性。

1 资料与方法

1.1 研究对象 于2015年10月—2016年11月纳入653名青年志愿者，男300名，女353名，年龄18～30岁，平均(24.0±2.2)岁，受教育程度(16.6±1.8)年。纳入标准：①年龄18～30岁，汉族，右利手；②无吸烟史，无过度饮酒史，无睡眠障碍，无暴饮暴食，无焦虑、抑郁或躁郁症等精神疾病；③无MR检查禁忌证。本研究通过医院伦理委员会批准(伦理编号：IRB2015-092-01)。所有受试者均自愿参加，检查前均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery MR750 3.0T MR扫描仪，配备头部8通道相控阵线圈。固定受试者头部，嘱其检查时平静呼吸、闭眼，保持清醒。采用脑容积成像(brain volume imaging， BRAVO)序列采集3D T1W结构图像，扫描参数：TR 8.16 ms，TE 3.18 ms，FOV 256 mm×256 mm，矩阵256×256，FA 12°，层厚1 mm，层间距0，扫描层数188。以梯度回波单次激发平面回波成像(single shot echo planar imaging， SS-EPI)序列采集静息态功能MRI(functional MRI， fMRI)，参数：TR 2 000 ms，TR 30 ms，FOV 220 mm×220 mm，矩阵64×64，FA 90°，层厚3 mm，层间距1 mm，扫描层数36，共180个时间点。

1.3 图像处理 采用SPM 12软件，由1名具有5年以上工作经验的影像科医师对结构像数据进行预处理，采用“联合分割”算法全脑结构分割为灰质、白质和脑脊液，生成灰质概率图，并将之配准到标准空间，对每个体素重采样至1.5 mm×1.5 mm×1.5 mm；以标准化过程中产生的非线性变形场参数调制灰质浓度图，得到绝对灰质体积图，并进行空间平滑处理。采用DPARSFA软件预处理fMRI数据，删除前10个时间点的数据；行时间层校正及头动校正；将图像配准到标准空间，并将每个体素重采样到3 mm×3 mm×3 mm；去除线性漂移、头动参数、脑脊液信号及脑白质信号等协变量的影响；计算低频振幅(amplitude of low frequency fluctuation， ALFF)，滤波频段为0.01～0.08 Hz；行空间平滑处理。

1.4 采集居住地信息 以问卷形式收集受试者从出生到参与试验期间每年居住地的地理坐标，以高德地图定位坐标。地理坐标以日间主要活动地作为研究地址：小学前阶段使用家庭地址，就学期间使用学校地址，工作期间使用单位地址。若某年内受试者家庭、学校或工作地址变更，则以停留时间超过6个月的地点为研究地址。

1.5 评估绿色暴露水平 将高德坐标系转化为谷歌坐标系，以谷歌地球引擎云数据处理平台根据受试者每年所在坐标点提取的Landsat 5(1981—2011年)和Landsat 7(2012—2018年)的近红外(near infrared， NIR)波段和红光(red， R)波段数值，并计算NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)。健康植被含叶绿素较多，反射近红外光较多，NIR值较大；反之则反射红光更多，R值较大，即NDVI的数值越接近1，代表绿色植被覆盖率越高[4]。计算受试者从出生到参加试验所有年份坐标点1 km范围的平均NDVI，同时计算所有年份NDVI的累积平均值，作为绿色环境暴露量。

1.6 统计学分析 采用SPM 12软件中多重回归分析方法，以性别、年龄、全脑体积及受教育年限为协变量，评价NDVI累积平均值与GMV的相关性，对结果行FDR校正(α=0.05)，团块体素数>800(2 700 mm3)；以性别、年龄及受教育年限为协变量，评价NDVI累积平均值与ALFF的相关性，对结果行FDR校正(α=0.05)，团块体素数>100(2 700 mm3)。对于GMV与ALFF结果重叠的脑区，采用残差计算偏相关系数，校正水准α=0.01，r<0.3为弱相关，0.3≤r≤0.5为中等相关，r>0.5为强相关。P<0.01为差异有统计学意义。

2 结果

基于体素的回归分析显示，NDVI累积平均值与内侧额叶皮层GMV呈正相关，与小脑蚓GMV呈负相关，见图1及表1。NDVI累积平均值与内侧额上回、眶额皮层、外侧颞下回及右侧小脑后叶ALFF呈正相关，与内侧前额叶、中央后回及左侧枕外侧叶ALFF呈负相关，见图2及表2。

图1 NDVI累积平均值与GMV显著相关的脑区(黄色为正相关脑区，蓝色为负相关脑区)

图2 NDVI累积平均值与ALFF显著相关的脑区(黄色为正相关脑区，蓝色为负相关脑区)

表1 青年人NDVI累积平均值与GMV显著相关脑区

表2 青年人NDVI累积平均值与ALFF显著相关的脑区

将NDVI与GMV显著相关的团块投影到与ALFF显著相关的团块，结果显示NDVI与GMV呈正相关的内侧额叶脑区和与ALFF显著相关的脑区中存在两个重叠区域：内侧额上回，重叠100个体素，该区GMV与ALFF呈正相关(r=0.31，P<0.01)；内侧前额叶皮层，重叠218个体素，该区GMV与ALFF无显著相关(r=-0.09，P>0.01)。

3 讨论

内侧额叶皮层与社会认知(决定未来的行为、自我反思和反思他人)相关[5]。绿色环境暴露可增强认知功能，减少精神疾病发生[1-2]。本研究发现NDVI累积平均值与内侧额叶GMV呈正相关，提示绿色环境暴露越多，内侧额叶GMV越大，可能对人脑认知功能起正向作用。小脑蚓部与执行功能、情绪调节及情感处理有关[6]。本研究中NDVI累积平均值与小脑蚓GMV呈负相关，或意味着绿色环境暴露越多，小脑蚓GMV越小，可能原因在于绿色环境占比越多则城市化程度越低，使得教育及医疗等资源及社会经济发展水平较差，个体小脑蚓发育较差而致GMV较小。

内侧额上回在功能上与默认网络的大脑区域相关[7]，眶额皮层及外侧颞叶和颞极均为默认网络系统的组成部分[8]。本研究中NDVI累积平均值与内侧额上回、眶额皮层及外侧颞下回ALFF呈正相关，提示暴露于绿色环境可能影响默认网络的功能；NDVI累积平均值与右侧小脑后叶的ALFF呈正相关，而小脑后叶ALFF的降低与初发初治重度抑郁症[9]有关，小脑后叶ALFF随NDVI升高而增高，提示绿色环境对精神健康存在保护作用。既往研究[10-12]结果显示，初发精神分裂症患者内侧前额叶、中央后回和枕叶皮层ALFF降低。本研究中NDVI累积平均值与内侧前额叶、中央后回及左侧枕外侧叶的ALFF值呈负相关，ALFF随NDVI增高而减低，似与SHANG等[13]我国农村地区人群更易患精神疾病的研究结果相符；但一项包括其他多个国家及地区的荟萃分析[14]认为城市地区的精神障碍患病率明显高于农村地区，可能与农村地区社会经济地位较低和医疗资源较差有关。

本研究发现内侧额上回NDVI累积平均值与GMV及ALFF均呈正相关；而在内侧前额叶重叠脑区，NDVI与GMV呈正相关、与ALFF呈负相关，但GMV和ALFF无显著相关。脑结构和功能的关系较为复杂，二者的变化可以是同向的，如结构受到损害时，功能亦相应受到损害；也可存在反向变化趋势，如结构受到损害时，功能可能发生代偿。本研究结果提示，绿色环境暴露引起的脑结构和功能变化可能具有相关性，但并非绝对，且NDVI可能对相同脑结构及其功能特性产生不同影响，针对其具体机制尚需进一步探讨。

本研究发现绿色环境暴露对脑结构和脑功能的影响均有不一致之处，提示NDVI对人脑的影响具有两面性：NDVI可反映所处环境的绿色环境水平，绿色空间可通过改善空气质量、缓解压力及提升微生物输入的多样性等途径改善身心健康、促进人脑发育[15]，但NDVI越高，城市化水平越低，社会经济及医疗条件较差，可能对脑功能及结构产生负面影响；另一方面，NDVI可反映城市污染程度，城市化程度越高，建筑物和基础设施占比越大，NDVI越小，空气、噪声污染及社会压力等负面因素会对脑健康产生负面影响，反之，良好的经济、医疗及教育条件对人的正面影响[16]也会在NDVI中有所体现。因此，NDVI所反映的复杂环境因素通过经验依赖性可塑性机制、炎症反应机制及压力反应机制而多方面影响人脑结构与功能。

综上所述，暴露于绿色环境会影响青年人GMV和自发性脑活动。但本研究未考虑遗传及其他环境因素对脑结构与功能的影响，有待进一步探讨。