基于动态低频振幅方法的飞行员静息态fMRI研究

徐开俊，肖成坤，陈 曦，杨 泳，陈锡硼，王泉川

（中国民用航空飞行学院，广汉 618300）

0 引言

2020年9月，为深化改革运输航空飞行训练，结合我国实际，中国民用航空局飞行标准司发布了《中国民航运输航空飞行员技能全生命周期管理体系建设实施路线图》征求意见稿，提出构建的飞行员技能全生命周期管理体系（professionalism lifecycle management system，

PLM）是以岗位胜任力为核心，通过实证训练、作风建设等手段，提质民航飞行训练和管理，对于提升飞行员防范“灰犀牛”和“黑天鹅”的能力具有重要作用。在选拔岗位胜任力强的飞行员时，需要客观的评价标准，本文利用数据驱动，进行岗位胜任力评估。

静息态功能磁共振成像作为一种无创观察大脑内部自发性神经活动的方法，以血氧水平对比增强为原理，成像方式是通过利用脑内神经细胞活动引起的大脑局部脑血流的血氧动力学改变，通过此技术，研究者可观察特定人群的大脑内部结构，具有无创、高空间分辨率等多种优势，是探索脑科学的重要工具。个体大脑局部神经活动的强度大小可以从低频振幅（ALFF）这一指标中反映出来，其原理是通过血氧水平依赖信号的自发波动强度，定位脑区的自发性神经活动和生理状态，这项技术目前已经被广泛用于神经疾病及局部神经功能的评估。但是目前绝大部分研究都是基于“静态”条件下的脑功能活动变化，即研究者假设扫描过程中的BOLD信号是平稳的，而忽略了大脑随时间自发性神经活动的动态特征。人脑是一个复杂的动态系统，能够进行非静止的神经活动和快速变化的神经交互作用，人的大脑与各种生理功能紧密相关，如意识和认知。动态低频振幅（dALFF）在基于静态ALFF的基础上，将大脑内部神经活动时间划分成若干个时间窗口，以便在研究大脑内部神经活动的同时，量化其时间变异性。在自发性神经活动中，Biswal等发现，在人体全身运动系统中，脑内血氧水平依赖性信号的低频波动是时间同步的，因此，脑活动的动态变化反映了脑认知适应性的时间变异性以及大脑发育及病变变化的特点，研究基于飞行员大脑的动态低频振幅（dALFF）显得至关重要。

臧玉峰等以低频振幅为指标来表征大脑的自发性神经活动，结果发现低频振幅在反映脑区功能方面具有优势；前期实验室团队通过比较飞行员与健康职业者的低频振幅，结果发现，经过长期的飞行训练和飞行经验的累计，飞行员在视觉处理和言语方面的脑区发生了明显的变化；Aviat Space Environ Med等发现飞行员随着飞行经验的增加，他们的海马体有增大的趋势，海马体的大小可以随着训练程度的强弱而变化；在低频振幅的基础上，张牧等人加入了滑动时间窗口，以动态低频振幅为指标，探究了乒乓球运动员在不同训练程度下，脑功能相关机制的变化，结果发现，运动员在不同训练程度下，部分脑区发生了变化。因此，本文将在实验室团队前期研究成果的基础上，以动态低频振幅为指标，探究飞行员与普通职业者的脑区差异。

当前已有的研究主要集中在大脑内部动态特异性的功能连接上，就是将大脑内部的BOLD信号进行平均值操作，但是很少有关于自发性神经活动的动态变化研究。为了更加深入的研究飞行员脑内神经机制的动态变化过程，本文利用滑动时间窗的分析方法，利用低频振幅（ALFF）值随时间的变化来量化脑内活动的动态变化特征，即利用动态低频振幅（dynamic amplitude of low-frequency fluctuation，dALFF）指标来探究飞行员与普通职业对照者之间的脑区差异，为以后的飞行人员选拔和飞行课程的开发提供较为客观的评价指标。

1 方法

采用动态低频振幅对飞行员与普通职业者进行研究，滑动时间窗是一个很重要的动态分析方法，在滑动时间窗中，窗宽和步长是静息态动力学中两个很重要的计算参数，已有的研究表明，窗宽最小不能低于（即采样周期），其中表示的是采集时间序列的最小频率。在本研究中，选取50 TR的最佳窗宽，2 TR的步长进行动态截取，对窗口截取的数据进行常规ALFF分析，最后用方差量化其变异性，该方差即dALFF值。为了验证实验结果，本研究实验还使用了2 TR的步长和50 TR、75 TR的窗宽进行辅助验证，其结果与本研究中的2 TR步长和50 TR窗宽的主要结果相似。

1.1 被试者

飞行组：从中国民用航空飞行学院、各航空运输公司、部分通用航空公司招募了26名在职飞行教员和飞行员，他们均为男性，年龄在23～35岁之间，飞行小时数为200～9800 h。其中受试者中14名是来自中国民用航空飞行学院的飞行教员，执教机型有C172R、PA44、MA600和CE525；12名是来自不同航空公司的副驾驶，执飞机型是Boeing737或Airbus320。

对照组：参加工作23名健康被试者，他们与飞行员在性别和受教育年限上没有显着差异。

49名被试者中没有色盲和色弱，大脑均未受过创伤，右利手，左右双眼视力未矫正或矫正视力正常，学历全部为本科，被试者本人及近亲属无神经系统或者影响脑功能与结构的疾病，满足电子科技大学磁共振成像中心磁共振检查清单的要求。所有参加实验的被试者在对本研究实验流程有了充分了解后，签署了书面的知情同意书，研究得到了电子科技大学医学研究伦理委员会的批准（批准编号:NO2018-042002）后实施，在实验过程中严格遵循《赫尔辛基宣言》。

表1 研究对象人口统计学数据

1.2 数据获取

实验的49名被试者大脑磁共振数据是在电子科技大学磁共振成像中心（中国成都）进行采集。扫描之前，使用泡沫填充以控制被试头动，被试者佩戴实验耳塞来减少扫描产生的噪声，同时告诉被试者平卧、闭眼、保持放松和清醒，头部保持不动，不要进行特定的认知活动，实验采用被试者头先进的扫描方式。使用的设备是3.0T GE DISCOVERY MR750（美国通用电气公司），配备8通道原型线圈和高速梯度仪。功能像采用梯度平面回波成像序列（EPI）采集，相关参数为：TR=2000 ms，TE=30 ms，FOV=240×240 mm，FA=90°，Matrix64×64，层厚4 mm（无层间距）。在扫描过程中，关闭磁共振室内的所有灯光，避免扫描室灯光对被试者产生影响，扫描结束后，询问每一位被试者是否在实验中入睡，大脑是否进行思想活动，以此来判断是否满足上述条件。通过以上参数，共采集了255个全脑体积，每个全脑体积35层，排除了2个头动超过2 mm的飞行组被试。

1.3 数据处理及分析方法

基 于MATLAB2014a软 件 包、SPM12、RESTplus v1.25实现数据处理。分别对每位被试者的大脑磁共振数据进行以下几步操作：①考虑磁场饱和时间，去除了每个功能像时间序列的前5个时间点，同时一定程度上降低了扫描机器启动时磁场不稳定及被试者适应环境对采集的图像质量的影响；②对余下的250个时间点进行时间层校正和头动校正，筛掉了头动参数控制在平移大于2 mm，转动幅度大于2°的2个飞行组被试；③使用EPI模板将体素重采样至3×3×3的MNI标准空间；④使用半高全宽8 mm的高斯核函数进行空间平滑；⑤去线性化趋势。最后回归了无关变量（头动参数、白质信号、灰质信号和脑脊液信号），目的是为了去除部分生理噪声在接下来的研究中带来的潜在影响。

通过以上预处理后，采用快速傅里叶变换将动态功能矩阵转换到频域范围（滤波器参数为0.01～0.1 Hz），同时获得功率谱。将功率谱开方求出均值，得到ALFF，最后通过滑动时间窗分析和方差量化计算出dALFF。

1.4 统计分析

本研究利用全脑灰质模板（mask）对飞行员组与对照组进行了双尾、双样本t检验，把年龄作为协变量回归，使用高斯随机场（GRF）校正方法（p＜0.01），得到飞行员组与健康对照组的差异脑区，并且将结果叠加在ch2模板进行展示。

1.5 结果

表2 飞行组和对照组d ALFF有统计学意义脑区

AAL：解剖学自动标记模板；MNI：蒙特利尔神经研究所

图1 飞行组和对照组d ALFF差异脑区示意图

2 讨论

本文研究的动态低频振幅（dALFF）通过滑动时间窗将被试的一整段时间序列分成101个时间窗口，实验假设是大脑神经活动的时间序列不是一直不变的，以此来探究民航飞行员大脑局部神经活动的时间动态性。实验采用dALFF方法对飞行员的静息态磁共振数据进行分析，探究了飞行员与健康职业对照组随时间变化，他们的局部脑神经活动的波动情况，为在较短的时间尺度内飞行员的局部大脑活动提供更为精细的信息。结果显示，飞行组的左三角部额下回、右额中回、右中央后回三个脑区得dALFF值显著低于对照组。

额叶包含额中回、额下回等脑区，额中回位于背外侧前额叶皮质，背外侧前额叶是大脑的高级神经中枢，与多种高级认知功能和情绪处理有关。也有研究提出右侧额中回可能是连接背侧和腹侧网络的一个节点脑区，除此之外，右侧额中回的积极功能由有关注意任务组成，是持续注意的一个关键特征。额下回是与工作记忆、语言相关的脑区，是人类认知的一个重要功能，已有的研究表明，在涉及言语处理、词汇提取和语义识别等方面，该脑区可能被激活。在加工熟悉的事物的过程中，左三角部额下回和左颞极的连通性显著变化。同时，额下回三角区也是高级认知与执行功能的关键脑区，在情绪调节中也发挥着至关重要的作用。此外，左三角部额下回一直被认为是与视听多感觉整合有关的重要区域，已有的研究已经将额下回在感觉加工的作用延伸到言语以外的范围，发现左三角部额下回在知觉决策任务中发挥着视听信息积累的作用，也是多感觉统计学习的基础。

位于大脑半球顶叶前端的中央后回脑区，属于右侧额顶网络的核心区域，主要与躯体感觉运动有关，中央后回是大脑的体感皮层所在的脑区，中央后回受损可能导致位置觉和辨别觉降低。相关资料表明，约九成的飞行员发生过在飞行中不能正确感知飞机的位置、运动和飞行姿态的现象。研究发现，在低氧暴露环境下，飞行员的额上回脑区的fALFF和ReHo降低，活动减弱；前期，实验室团队成员的成果也发现相比健康普通职业者，飞行员的楔叶与中央后回之间的功能连接程度降低。综上，我们推测，民航飞行员经过长期的飞行训练和飞行经验的累积，他们的大脑与躯体感觉相关的功能、注意力等方面可能会受到影响。

3 不足与展望

本研究使用dALFF方法对飞行员与普通对照组脑自发活动的时间变异性进行研究，不足之处在与本研究的数据只进行了横向比较，对于纵向的数据并未进行收集，同时实验数据的样本量还不够多，结果外推性不强，不足以说明一些问题。在接下来的实验研究和设计中，将通过增加实验样本量，采集纵向数据进行分析不同飞行时间的飞行员，希望能找到飞行员这一特殊职业活动程度更高的脑区，为飞行员的选拔培养和飞行课程的开发提供更多影像学证据和支持。

4 结语

本研究采用静息态fMRI探究了飞行员与普通职业者的动态区域神经活动，结果显示，飞行员在与躯体运动相关方面的脑区的活动性程度降低，验证了这些脑区在飞行员培养训练中的重要性，同时该指标也是对静态低频振幅的有力补充，能更全面的帮助我们了解飞行员的神经活动，为我国民航飞行员的选拔和飞行学员课程开发提供相关的影像学支持。