刘梦婉，卢虹冰，徐守军，杨春兰，李佳铭，郑凯中，燕宝玉，刘 健，李宝娟*

（1.空军军医大学军事生物医学工程学系医学信息技术教研室，西安 710032；2.深圳市儿童医院放射科，广东深圳 518000；3.深圳市儿童医院血液二病区，广东深圳 518000；4.空军军医大学网络中心，西安 710032）

0 引言

自闭症谱系障碍（autism spectrum disorder，ASD）是一种神经发育异常疾病，常在儿童时期出现异常表现，主要特征为社会交往障碍、重复刻板行为和兴趣缺乏[1]。调查发现，在美国8岁以下的儿童中每59名中就有一名是ASD患者[2]。ASD终身难以治愈，给个人和家庭带来了沉重的负担，其早期诊断和干预已成为研究的热点。神经影像学的发展为ASD的诊断提供了新的视角。

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）已广泛应用于ASD的脑连接分析，其原理是脑活动会引起相应区域血液中氧合血红蛋白和去氧血红蛋白比例变化，进而导致该区域MRI T2加权像信号变化[3]。基于fMRI的功能连接是通过研究空间独立的脑区之间在时间序列上的相关性来探究ASD的神经生理学机制。研究发现，伴有破坏行为的ASD儿童杏仁核与腹外侧前额叶皮质的连通性降低[4]，内侧前额叶皮质与躯体感觉皮质、后扣带回之间的功能连接降低[5]。与此同时，还有大量研究发现ASD患者在尾状核、楔前叶、海马、脑岛等关键脑区的功能连接不足[6-7]。

上述研究都是针对同个脑半球内的功能连接，目前对ASD半球间的同位脑区的功能连接强度并无深入研究。传统理论认为大脑两半球中间由纤维束板胼胝体连接，右脑主要负责空间注意力、视觉识别和情绪调节，左脑负责逻辑运算、语言表达、阅读书写[8]，但两者的功能不是绝对单侧化的，任何功能的实现都需要两半球的相互协调沟通[9]。有研究表明，大脑半球间关于信息传递的功能整合能够在人脸感知过程中协调个体的信息处理能力[10]。此外，研究发现触觉刺激引起双侧躯体感觉区域激活，该过程需要依赖于胼胝体的完整性[11]。更为重要的是，有研究认为脑半球间不同步的独特特征可能与患者认知障碍有关[12]。另外，ASD的结构连接研究显示，作为连接大脑两半球的部位，ASD患者胼胝体的体积[13]、轴突数目和轴突大小都显著减小[14]，这也提示可以从大脑两半球间的信息沟通寻找ASD的潜在神经机制。

体素镜像同伦连接（voxel-mirrored homotopic connectivity，VMHC）是 Zuo 等[15]在 2010 年提出的，用于研究大脑两半球相同位置的脑区功能连接强度，旨在分析退行性疾病及精神类疾病的功能同伦所隐藏的机制背景。目前，有学者对精神分裂[16]、抑郁症[17]、创伤后应激障碍[18]等精神类疾病的VHMC进行了初步探索。2011年Anderson等[19]对VMHC在成年ASD患者中的应用进行了研究，认为同位功能连接存在显著性下降。但是在儿童中，尤其是在学龄前儿童中，VMHC是否发生变化尚不清楚。

本研究采集了ASD儿童的fMRI影像数据用于对比ASD儿童与典型发育（typically developing，TD）儿童之间镜像同伦连接强度。由于ASD患者在社会认知方面存在典型缺陷，本文假设ASD儿童在相关脑网络可能出现VMHC异常的现象。

1 资料与方法

1.1 被试资料

自闭症组（ASD组）被试为深圳市儿童医院初次就诊的ASD儿童，均符合美国精神障碍诊断统计手册第V版（DSM-V）ASD诊断标准，由专业的精神科医生通过ABC（autism behavior checklist）量表和CARS（childhood autism rating scale）量表进行诊断。入组标准：（1）年龄 2～8 岁；（2）无血常规及临床检查生化及血液异常；（3）无 MRI禁忌证；（4）近期未使用安定类药物；（5）无脑外伤，无精神分裂症或其他精神类、神经类疾病。典型发育组（TD组）招募健康儿童，入组标准：（1）年龄 2～8 岁；（2）无精神发育迟滞、注意力缺陷多动障碍、学习障碍等疾患；（3）无头部及躯体外伤；（4）无精神分裂症或其他精神类、神经类疾病；（5）无MRI禁忌证。ASD组共入组121例，TD组共入组119例。由于扫描参数不同、扫描过程被试苏醒、头动过大、左利手等原因ASD组排除36例，TD组排除44例。通过观察样本分布发现3～4岁儿童被试较多，而7～8岁儿童被试较少，无法纳入研究，因此去除2组中7～8岁儿童被试，ASD组排除2例，TD组排除5例。最终ASD组83例、TD组70例纳入研究。本研究经过了深圳市儿童医院伦理委员会批准，并且所有被试儿童家长在实验前都签订了知情同意书。2组被试资料见表1。

表1 2组被试的人口学资料

1.2 图像采集

使用Siemens 3.0T磁共振扫描仪进行扫描，所有被试口服或经灌肠给予0.5%水合氯醛0.5 ml/kg（最大剂量10 ml）后保持睡眠状态，fMRI的扫描参数：重复时间（repetition time，TR）2 000 ms，回波时间（echo time，TE）30 ms，视野（field of view，FOV）230 mm×230 mm，矩阵 64×64，翻转角度 90°，层数 35，层厚3.6 mm，层间距0.72 mm。

1.3 数据预处理

本研究数据使用基于MATLAB平台的REST－plus（http://www.restfmri.net/forum/RESTplusV1.2）和SPM（https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）工具包进行数据预处理。数据预处理主要步骤包括：（1）时间层校正：校正不同层在采样时的时间差异。（2）头动校正：校正被试在扫描过程中的头动影响，剔除头动过大（坐标位移超过3 mm，转动角度超过3°）的被试数据。（3）空间标准化：将每个被试的大脑配准到蒙特利神经学研究所定义的标准MNI（Montreal Neurological Institute）模板。（4）空间平滑：以半高宽度为6 mm进行高斯平滑。（5）去线性漂移。（6）滤波：采用 0.01～0.08 Hz的带通滤波器进行滤波。（7）回归协变量：去除白质信号、脑脊液信号、全脑平均信号及6个头动参数等协变量的影响。

1.4 VMHC分析及统计分析

在MATLAB平台上使用DPABI工具包进行VMHC分析，分别计算ASD组和TD组的每个体素与另一半球对应位置体素的Pearson相关系数，得到VMHC强度。再对该相关系数进行Fisher-Z变换，使其符合正态分布，算法的详细过程可参见Zuo等[15]的研究。

使用SPM12分别对2组进行单样本t检验，得到2组的VMHC强度图谱。再对两者连接强度进行双样本t检验比较，将年龄及性别作为协变量进行全脑基于体素的分析，经过错误发现率（false discovery rate，FDR）控制校正得到二者存在显著差异（P＜0.05）的VMHC图谱，之后将2组存在显著差异的脑区定义为感兴趣区域。最后提取ASD组感兴趣区域的平均VMHC值并与ABC量表得分之间做相关性分析。

2 结果

分别对2组进行单样本t检验，2组的VMHC连接强度如图1所示。

图1 TD组与ASD组的VMHC连接强度（单样本t检验，P＜0.05，FDR校正）

图2和表2表示ASD组与TD组之间VMHC对比结果。分析发现，ASD组在楔前叶、内侧额叶、尾状核、颞上回的VMHC强度较TD组显著降低，并未发现ASD组VMHC强度增强的脑区。2组间存在差异脑区在ASD组中的VMHC值与ABC量表评分之间无显著相关性（P＞0.05）。

图2 ASD组与TD组之间VMHC对比结果

3 讨论

本文首次实现对ASD儿童全脑VMHC进行研究，通过对称位置相同脑区的功能连接分析，探究ASD儿童大脑半球间信息交流沟通与正常儿童的差异。结果发现，与TD儿童相比，ASD患儿在颞上回、楔前叶、内侧额叶、尾状核的VMHC强度显著降低，这可能与ASD儿童社会功能和社会认知方面的异常相关。

表2 ASD组较TD组VMHC减弱的脑区

颞上回体积、活动等异常已被广泛认为是ASD认知障碍的因素之一[20]。颞上回在结构上与中央前回、中央后回、颈上回、运动前皮层、额下回、额中回相连，可能构成负责运动、触觉和听觉处理的不同网络，形成语音产生和感知之间的语音反馈回路[21]，ASD患者存在这些方面的功能异常。采用频谱重组技术对静止状态和基于任务的功能数据进行自下向上的数据驱动分析，发现颞上回是与听觉有关的关键区域[22]。同时ASD患者语言功能的障碍可能与颞上回相关[23]，尤其与语音或语言的产生有关[24]。此外，在一项研究中对幼儿讲睡前故事使其进入自然睡眠状态并监测大脑信号，发现ASD患儿的颞叶处理语言功能存在单侧化异常，左侧颞叶的活动减少而右侧活动不变[25]，这与本研究的结果具有一定的一致性。在以往研究的基础上，本研究还发现颞上回的VMHC强度显著下降，这提示颞上回半球间沟通不足可能也是ASD患儿出现语言障碍的原因。

楔前叶是默认网络的中心节点，而默认网络主要参与社会心理认知的过程，其功能的异常与ASD患者推断他人心理能力缺失和自我参照能力下降有关。楔前叶的活动受不同的自我意识模式调节，当注意力集中于内部刺激时，楔前叶活动增加，在对外界环境的自我参照过程中活动减少，同时，神经系统疾病或药物引起的意识受损时楔前叶的活动也会减少[26]。另有研究发现认知障碍患者常做出非理性活动与楔前叶的调节有关，尤其是在做出非理性决定时，楔前叶的高频活动增加[27]。本研究发现楔前叶VMHC强度降低，可能为ASD患儿自我意识调节障碍提供一定的神经生物学依据。

内侧额叶结构和功能的损伤是很多精神类疾病共同的神经生理学基础。内侧额叶参与调节多种心理过程，包括社会认知、推断他人心理、认知控制和情感，其中最重要的是关注当前行为并指导后续动作[28]。内侧额叶及前扣带回可以将外界信息与运动和感知信息集合以采取行动或制订决策，尤其是在检测到对外界刺激的错误反应及可能带来的不利后果时内侧额叶一直处于激活状态，这有助于自适应行为。研究发现内侧额叶是通过对纹状体自上而下的控制影响神经元间隔放电时间从而指导行为的，内侧额叶活动降低将会破坏指导动作的时机[29]。在一项预测奖励/惩罚反馈的任务研究中发现，对于面对输赢的反馈中，ASD组相较于TD组在内侧额叶的神经活动一致性降低，提示ASD患者预测行为结果和事件发生时间能力的降低[30]，而单侧的内侧皮质的损伤会加重这种决策能力的缺失[31]。本研究发现ASD组内侧额叶的VMHC强度降低，这可能与ASD患儿收集感知信息并做出相应反应的障碍有关，在面对错误判断时无法调整自身行为以适应特定的环境，继而导致社会交往障碍。

尾状核是奖励网络中的关键脑区，在行为监测方面起重要作用。重复刻板是ASD患者的典型症状，同时也发生在其他神经精神疾病如多动症、强迫症中，这些疾病的神经影像学研究提示，该症状与基底神经节-额叶回路的异常有关[32]，但是目前对尾状核如何影响ASD患者的重复刻板行为还存在争议。研究发现ASD患者强迫行为与双侧尾状核体积正相关且随着年龄的增长体积增大速度增加[33]，另有研究认为重复行为的严重程度与纹状体生长有关，而与体积本身无关[34]。进一步研究发现重复行为可能是由于钙调蛋白浓度降低而破坏尾状核的兴奋/抑制平衡，从而导致皮质纹状体回路功能障碍[35]。此外，研究发现多巴胺D3受体（dopamine D3 receptor，DRD3）基因与重复刻板行为高度相关，DRD3基因在基底神经节中高度表达，尤其是尾状核过度激活[32]。缺失Shank3基因（SH3 and Multiple Ankyrin Repeat Domains 3）的ASD小鼠模型在发育早期时皮质过度活跃，纹状体过度连接从而导致ASD小鼠行为异常，这与之前的人脑研究具有一致性，因此可以一定程度解释ASD患者的重复刻板行为[36]。但是对强迫症患者的脑功能连接分析发现，左侧尾状核-丘脑功能连接的降低与强迫症的病程呈正相关[37]。本研究发现尾状核的VMHC强度下降，这可能与双侧尾状核沟通不良有关，为理解ASD患儿的重复刻板行为的发生机制提供了新的神经影像学视角。

本研究存在以下不足：（1）由于ASD发病率存在显著的性别差异等因素，本文中2组样本在性别、年龄方面并未完全匹配。针对这一问题，在进行统计分析时，我们将性别和年龄作为协变量进行了处理。在下一步工作中将重点增加更多被试使得2组的性别和年龄匹配。（2）VMHC对ASD的发病机制做了初步探索，但是只能发现两半球间相同位置脑区的连接强度，对于连接彼此如何调控的方向性无法获得，因此，下一步工作将基于脑有效连接的分析方法，寻找两半球对应脑区之间的连接的方向及因果关系，进一步探索脑区之间的相互作用。

综上，本研究通过对2～6岁的ASD儿童的影像学资料进行脑VMHC分析，发现与TD组相比，ASD患者在颞上回、楔前叶、内侧额叶、尾状核的VMHC强度显著降低。这些脑区的连接强度降低可能与ASD患儿的语言功能障碍、社会交往障碍、自我参照能力缺失以及重复刻板行为相关，为进一步阐明ASD神经生物学机制提供了新思路。