基于体素及基于表面积形态测量学方法观察早盲青少年脑皮层形态学改变

侯 芬，李恒国，周智凤，李 平，李 波，胡运涛，刘 霞*

(1.湖南中医药大学第一附属医院放射科，湖南 长沙 410007；2.暨南大学附属第一医院 医学影像中心，广东 广州 510632；3.深圳市康宁医院 深圳市精神卫生中心精神影像中心， 广东 深圳 518000；4.广州市盲人学校，广东 广州 510000)

早盲指1～2岁失明，亦有报道为2～4岁[1]。视觉剥夺可引起早盲患儿脑结构和功能重塑改变[1-2]，局部脑结构变化，如枕叶初级视觉皮层(primary visual cortex, PVC)体积(cortical volume, CV)和表面积(surface area, SA)缩小、皮层厚度(cortical thickness, CT)增加[3-5]及视觉传导通路白质体积萎缩[6]等，伴随脑结构网络变化，如枕叶脑结构网络连接度降低[7]，提示早期视觉经验在视觉皮层结构重塑中具有关键性作用。

既往研究[3-5]主要应用基于体素的形态测量学(voxel-based morphometry, VBM)、基于表面积的形态测量学(surface-based morphometry, SBM)等技术分析盲人大脑皮层结构的异常改变，以枕叶视觉皮层区结构为主要关注点，且研究对象多为成年盲人，少见关于枕叶视觉皮层以外的视觉信息处理相关脑区的研究，对早盲青少年(early blind adolescents, EBA)大脑皮层形态学研究相对更少。本研究基于颅脑MRI，联合应用VBM及SBM方法观察EBA大脑皮层的形态学改变。

1 资料与方法

1.1 一般资料 于广州市盲人学校选取23例EBA(EBA组)，男15例，女8例，年龄11～18岁，平均(14.8±2.1)岁。纳入标准：①双眼无光感，右利手；②失明年龄<1岁，主要失明原因包括早产儿视网膜病变、先天性视网膜病变、先天性青光眼和先天性白内障等，且未经治疗；③无药物依赖或药物滥用史，未曾服用影响认知功能的相关药物；④无听觉、触觉及温度觉等感觉障碍或运动、语言功能异常。排除存在中枢神经系统疾病、精神疾病病史、家族遗传史及器质性脑疾病者。另招募21名视力正常的青少年志愿者作为对照组，男11名，女10名，年龄11～19岁，平均(14.7±2.6)岁，视力>5.0，听力正常，右利手。本研究经医院伦理委员会批准，所有受检者及其监护人签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery 750 3.0T MR扫描仪，8通道头部相控阵线圈。嘱受检者仰卧，闭眼，保持放松状态，固定头部。以3D脑容积成像(3D brain volume imaging， 3D-BRAVO)序列采集全脑结构高分辨率T1WI，参数：TR 8.2 ms，TE 3.2 ms，FA 12°，FOV 256 mm×256 mm，矩阵256×256，层厚1 mm，层间距0，层数172，扫描时间197 s。

1.3 图像处理

1.3.1 VBM 基于Metlab 2012a平台，以SPM 8/VBM 8工具包对T1WI进行处理，包括头动校正(剔除头部移动>2 mm、转动>2°数据)和图像分割(划分灰质、白质及脑脊液)及采用DARTEL配准对齐方法进行空间标准化和非线性变换。将处理后的数据配准到蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)标准空间，空间平滑(6 mm半高全宽高斯平滑)，计算各区域CV。

1.3.2 SBM 采用FreeSurfer 6.0软件(http://surfer.nmr.harvard.edu)分析图像，具体步骤包括校正磁场不均匀性及头动，去除颅骨和头皮软组织，分割灰质、白质结构，局部区域校正并配准于标准模板中，高斯平滑，重建皮层，以Desikan-Killiany图谱分割等得到各脑区三维重建图，计算各区域CT、SA及CV。

1.4 统计学分析

1.4.1 一般资料 采用SPSS 23.0统计分析软件，以独立样本t检验比较组间年龄，采用χ2检验比较组间性别。P<0.05为差异有统计学意义。

1.4.2 VBM 采用SPM 12软件，以两独立样本t检验分析组间CV差异；以年龄、性别作为协变量，P<0.05(FDR校正)、体素阈值≥50为脑区之间CV差异具有统计学意义。

1.4.3 SBM 采用FreeSurfer 6.0子软件包Qdec软件，对所测量脑区进行准确定位统计；以广义线性模型(general linear model, GLM) 基于顶点对组间CV、SA及CT进行两独立样本t检验，并以年龄、性别作为协变量参与统计分析，对统计结果进行蒙特卡洛模拟多重比较校正(双尾比较，P<0.01)，校正后P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

EBA组与对照组年龄(t=0.33，P=0.74)、性别(χ2=0.75，P=0.39)差异均无统计学意义。

VBM分析结果显示，EBA组右侧距状沟及左侧额中回CV较对照组显著减小(P均<0.05)，见表1及图1。

SBM分析结果显示，与对照组比较，EBA组左侧距状沟旁、左侧楔叶、左侧颞上回及右侧枕外侧回CT增加(P均<0.05)，而左侧顶上小叶及右侧舌回CT减低(P均<0.05)；双侧距状沟旁、左侧额中回前部CV减小(P均<0.05)；双侧距状沟旁、双侧舌回及左侧楔叶SA减小(P均<0.05)。见表2和图2。

表1 EBA组相比对照组CV减小脑区

表2 EBA组与对照组CT、CV及SA差异 具有统计学意义的脑区

图1 软件经VBM分析后生成图示EBA组相比对照组CV减小的脑区(蓝色区域)

图2 软件经SBM分析后生成图示EBA组与对照组之间CT、CV、SA差异具有统计学意义的脑区 蓝绿色区域为EBA组皮层形态学参数减低、红黄色为增高的脑区(多重校正，蒙特卡洛模拟，P<0.05)

3 讨论

3.1 枕叶PVC和视觉相关皮层(左侧额中回)的形态学改变 本研究VBM分析结果显示，与对照组相比，EBA组右侧距状沟及左侧额中回CV显著降低；SBM分析结果表明，EBA组双侧距状沟旁及左侧额中回前部CV较对照组显著减小；上述2种不同形态学分析方法发现EBA组CV异常脑区位置高度一致，均位于距状沟、额中回。另外，SBM分析发现，EBA患者左侧距状沟旁、左侧楔叶CT增高，双侧距状沟旁、双侧舌回及左侧楔叶SA减低；上述脑区(距状沟旁、舌回、楔叶)均位于PVC，且EBA患者PVC区CV、SA减低而CT增高，与既往研究[4]结果一致。CV近似等于CT乘以SA，故推测PVC区CV降低主要由于SA减低而非CT改变所致。

通常认为PVC是中枢视觉网络的核心位置，其视觉输入来自前视觉通路(视束、外侧膝状体、视辐射)的传导，如传导通路中断，则PVC发生失用性萎缩、退变[8]；此点可解释本研究EBA组CV、SA减低。既往研究[9-10]表明，早盲患者视觉剥夺在早期视觉发育关键期内，跨模态重塑能力最强，可通过皮层-皮层连接、皮层-丘脑连接和视觉皮层内纤维连接处理其他感觉模态的任务，如听觉、触觉、复杂认知等，以抵消萎缩、退变所致负面效果，导致CT增加，即经验依赖性可塑性改变是PVC区CT增厚的重要影响因素。此外，先天发育性因素亦为引起PVC区CT增加的重要原因。突触修剪受视觉经验的影响，在早盲患者，因早期视觉剥夺导致突触修剪过程中断，其PVC区相对较高的突触数量和密度可能是导致CT增加的关键因素。本研究VBM[4]及SBM分析还发现EBA组左侧额中回(前部)CV降低。既往研究[4]证实，额中回前部皮层脑区与前额眶区非常接近。前额眶区属于额叶视觉区，可接收纹外皮层的投射纤维并控制眼球运动。早盲患者左侧额中回前部CV改变主要受神经退变影响，表现为CV减少。

以上结果提示，影响PVC区CV、SA、CT的主要因素不完全相同，并由多种因素，主要包括先天发育性因素、经验依赖性可塑性及神经退变等共同决定；视觉输入关键期对PVC的发育发挥调控作用。

3.2 枕叶视觉皮层(右侧舌回、右侧枕外侧回)和枕叶以外视觉相关皮层(左侧顶上小叶和左侧颞上回)的CT改变 本研究中EBA组右侧舌回CT减低。解剖学上，舌回属于腹侧纹状区，是非视觉信号整合的重要通路。既往相关性分析[5]结果显示，早盲患者听觉定位和音调辨别能力增强与舌回CT变薄直接相关。本研究发现，舌回CT变薄可能提示早期视觉缺失人群听觉行为能力更强；右侧枕外侧回CT增加则与既往研究[5]结果相符。枕外侧回是高级视觉皮层[11]，早盲患者高级视觉皮层结构保留较完整，早期参与跨模态处理非视觉任务，导致皮层增厚。本研究中CT异常脑区不仅包括枕叶视觉皮层，还包括2个枕叶以外脑区，即左侧顶上小叶和左侧颞上回。顶上小叶属于背侧视觉通路。早期视觉剥夺后，盲人背侧视觉通路短程连接密度增强，导致皮层增厚，有助于左侧顶上小叶参与视觉空间注意及声音定位任务[12]。颞上回属于传统听觉区，盲人长时间缺少视觉输入，视觉皮层被征用于跨模态处理听觉任务，使传统听觉区激活减弱，导致颞叶皮层代偿性增厚[13]。上述解剖结构改变可能与脑的可塑性有关，反映了盲人脑结构与功能改变之间的平衡关系。

综上所述，早期视觉经验对盲人枕叶视觉皮层及枕叶以外视觉相关区域的皮层结构重塑具有关键性作用；采用SBM及VBM分析可观察EBA大脑皮层形态改变。但本研究样本量小，且未分年龄段进行比较，尚待进一步完善。