為了發現吸煙成癮者在戒煙前后的腦功能特征改變，探索戒煙過程的神經生理理論基礎，14 名吸煙成癮者同意戒煙并完成了試驗，另外 11 名健康不吸煙的志愿者參與了對照試驗。采取兩因素混合實驗設計方法，以靜息態功能磁共振影像技術為技術手段，利用區域一致性算法來研究吸煙成癮者在戒煙前后的神經活動及其與正常人之間的差異，并對這些差異進行組內與組間交互分析。戒煙兩周后，在補充運動區、中央旁小葉、距狀裂周圍皮層、楔葉和舌回等區域的 ReHo 值明顯上升，意味著在這些腦區的神經活動同步性增強，而在楔前葉和后扣帶回腦區同步性降低。在補充運動區、中央旁小葉、中央前回、中央后回、眶部額上回等腦區存在組間交叉效應。本研究結果顯示吸煙成癮者戒煙 2 周后在補充運動區的功能顯著增強。
引用本文： 莫少鋒, 馮思浩, 陳洪波. 吸煙成癮者戒煙前后的靜息態功能磁共振研究. 生物醫學工程學雜志, 2018, 35(1): 87-91. doi: 10.7507/1001-5515.201609026 復制
引言
有很多致死性疾病（如缺血性心臟病、腦血管病、下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病、結核和肺癌）與吸煙有關[1]。大量研究證據表明，戒煙可降低或消除吸煙導致的健康危害。而戒煙效果往往是通過問卷調查的方法來進行評價的[2]。吸煙成癮者在戒煙過程中，往往伴隨著心理、情緒等的變化[3-4]，這種變化通過問卷調查的方式是很難精確描述的。近年來發展起來的靜息態功能磁共振影像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）技術已經廣泛應用于視覺、聽覺、語言、認知與情緒等功能皮層及記憶等心理活動的研究[5-9]，以及吸煙成癮者與正常人之間的神經活動差異方面的研究[10-12]。我們[13]也曾利用 fMRI 技術結合獨立分量分析方法來研究吸煙成癮者在戒煙前后的視覺功能網絡連接的異常情況。
局部區域一致性（regional homogeneity，ReHo）是基于 rs-fMRI 的重要分析方法，主要是衡量體素內血氧依賴水平（blood oxygenation level-dependent，BOLD）的功能磁共振成像信號的時間序列與鄰近體素的區域一致性[14]。目前該方法已經廣泛應用于精神及神經疾病的研究，也有不少研究者將它應用于戒煙過程的研究[15-17]。本文采取兩因素混合實驗設計方法，以 rs-fMRI 為技術手段，利用 ReHo 算法來研究吸煙成癮者在戒煙前后的神經活動及其與正常人之間的差異，以發現吸煙成癮者在戒煙前后腦功能的特征改變，探索戒煙過程的神經生理理論基礎。
1 材料與方法
1.1 受試者情況
14 名來自社區的正常健康男性成年吸煙者同意參與，并完成了戒煙組試驗。登記顯示，所有的吸煙者都符合美國精神障礙診斷統計手冊第 4 版關于物質依賴的診斷標準，每天抽煙超過 10 支，煙齡 5 年以上，沒有大麻、海洛因、酒精等其他藥物成癮史，無既往癲癇、家族癲癇及其他精神病史。掃描前一個月至全部試驗完成沒有發生受傷或巨大心理創傷事件，沒有接受任何藥物治療。所有受試者年齡 24～63（34.00 ± 11.74）歲，高中以上受教育程度，右利手，無磁共振檢查禁忌，經磁共振顱腦檢查無結構異常。在實驗開始前，所有受試者及其家屬被告知實驗的目的、過程及可能產生的不適和危險，以及戒煙的各種注意事項，并被要求在實驗過程中遠離二手煙，了解可能引起復吸的誘因。受試者全部自愿參加本次研究，并簽署了知情同意書。
11 名健康的不吸煙男性志愿者參與了對照組試驗。對照組受試者年齡 21～59（34.55 ± 10.96）歲，與戒煙組無明顯年齡差異（P = 0.906 6，雙尾）。高中以上受教育程度，右利手，無磁共振檢查禁忌，經磁共振顱腦檢查無結構異常。
1.2 實驗設計
本文采取兩因素混合實驗設計方案，如表 1 所示。實驗中分為兩組：戒煙組和對照組。每一組在時間因素有兩個水平。對于戒煙組的時間因素為戒煙前和戒煙 2 周，而對于對照組兩次采集數據的時間間隔為 2 周。
表1
雙因素混合實驗設計
Table1.
Two factors mixed design
1.3 磁共振圖像采集
所有受試者在廣西桂林醫學院附屬醫院放射科的 3.0T MRI（Verio，Siemens Medical System）上完成靜息態功能磁共振信號采集。告知受試者安靜、閉眼、平躺于磁共振儀中，同時使用海綿墊對受試者頭部進行固定以減少頭動。功能磁共振影像采集時，對 BOLD 信號采集連續的 43 層，其 TR = 2 000 ms，TE = 30 ms，FOV = 220 mm × 220 mm，圖像矩陣 matrix = 64 × 64，翻轉角 flip angle = 90°，gap = 0，體素大小 3.4 × 3.4 × 3.2，掃描次數 = 240，總掃描時間為 8 min。
T1 權重三維結構像采用矢狀位成像，采集掃描 176 層，矩陣大小 256 mm × 256 mm，FOV = 256 mm × 256 mm，TR/TE = 1 900 ms/2.52 ms，flip angle = 8°，gap = 0，層厚 1 mm，體素大小 = 1 mm × 1 mm × 1 mm。
1.4 數據處理
使用 DPARSF 軟件對采集到的功能磁共振信號進行處理。具體步驟包括：將標準醫學數字成像格式圖像轉換為神經影像信息技術倡議（Neuroimaging Informatics Technology Initiative，NIFTI）格式的圖像。去除前 10 個時間點功能圖像以排除系統不穩定所帶來的干擾，對功能像的圖像進行時間空間配準，然后將功能像匹配到蒙特利爾神經病學研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）模板，對功能像進行重采樣至 3 mm × 3 mm × 3 mm，然后進行線性去漂移以及生理噪聲去除，提取頻率范圍 0.01～0.08 Hz 的信號。所有受試者頭動的位移均小于 1.5 mm 且旋轉角度小于 1.5°。為了消除計算 ReHo 值時個體之間的差異，計算 27 個領域的 ReHo 全腦信號圖，再根據標準 Fisher 函數將 ReHo 值轉換成 z 分（z score）。
1.5 統計分析
戒煙組組內分析：為了得到吸煙成癮者戒煙前后的 ReHo 的顯著變化區域，我們對戒煙前與戒煙兩周后的 ReHo 腦圖進行配對 t 檢驗（Paired t test），P < 0.01，采取 AlphaSim 方法對檢驗的結果進行校正，消除干擾。其結果在 rest 軟件 [18]中進行顯示。
戒煙組與對照組組間分析：采用 2 × 2 雙因素方差分析（P < 0.01） [19]的方法來獲得組間交互效應，結果在 BrainNet viewer（http://www.nitrc.org/projects/bnv）中進行顯示。
2 結果
2.1 吸煙成癮者戒煙前后 ReHo 分析
對吸煙成癮者戒煙前與戒煙兩周后的 ReHo 值進行配對 t 檢驗，結果如圖 1 所示。存在顯著差異的區域信息如表 2 所示。我們可以發現，相比戒煙前，戒煙兩周后在兩個感興趣區域（region of interest，ROI）的 ReHo 值都有升高的現象，這兩個 ROI 分別在補充運動區、中央旁小葉、距狀裂周圍皮層、楔葉和舌回等區域（Brodmann 6 和 18 腦區）。而在楔前葉和后扣帶回腦區的 ReHo 值呈現下降的情況。
圖1
吸煙成癮者戒煙前后的 ReHo 值發生顯著變化的區域
紅色區域表示戒煙后 > 戒煙前，而藍色區域表示戒煙后 < 戒煙前（
red areas present increased ReHo values after smoking cessation, blue areas present decreased ReHo values (Paired
表2
吸煙成癮者戒煙前后的 ReHo 值發生顯著變化區域的信息
Table2.
ROIs’ information with significantly different ReHo values before and after smoking cessation
2.2 與對照組比較結果
與健康且不吸煙的對照組相比，通過 F 檢驗得到，吸煙組戒煙后有兩個 ROI 存在組間差異（P < 0.01）。這兩個 ROI 分別處在補充運動區、中央旁小葉、中央前回、中央后回、眶部額上回等腦區（Brodmann 6 腦區）。2 個 ROI 的詳細信息見 表 3 和圖 2。我們在圖 2 中可以進一步發現，在兩個 ROI 中，對照組的 ReHo 值在兩周的時間內存在下降的趨勢，但差異并無統計學意義（P > 0.05），而吸煙成癮者在戒煙兩周后較戒煙前顯著上升（ P < 0.05）。
圖2
對照組與戒煙組的組間差異
紅色和藍色分別代表吸煙組戒煙后兩個存在組間差異的 ROI（
red and blue means 2 ROIs with significant between-group difference. Red ROI located in supplementary motor area and left paracentral lobule; blue ROI located in right anterior central gyrus, right posterior central gyrus, right superior frontal gyrus and right paracentral lobule. L: left; R: Right. *** comparison before and after smoking cessation,
表3
吸煙成癮者戒煙后與對照組的差異區域（P < 0.01）
Table3.
ROIs’ information with significantly different ReHo values between smokers and controls (P < 0.01)
3 討論
ReHo 方法是靜息態腦功能數據處理的重要方法，其基本理論假設為，當某一腦區處于特定條件下，相鄰體素的 BOLD 信號在時間上具有相似性，因而認為該腦區的體素具有較高的時間一致性。因此，ReHo 值反映了區域 BOLD 信號的時間同步性，而不是信號的強度，ReHo 值的高低可以反映大腦的局部活動性。
我們的研究發現戒煙兩周后，在補充運動區、中央旁小葉、距狀裂周圍皮層、楔葉和舌回等區域的 ReHo 值明顯上升，意味著在這些腦區的神經活動同步性增強，而在楔前葉和后扣帶回腦區同步性降低。另外，我們還發現在補充運動區、中央旁小葉、中央前回、中央后回、眶部額上回等腦區存在組間交叉效應，在這些腦區，吸煙成癮者在戒煙 2 周后 ReHo 值明顯增強，而對照組變化不明顯。所以，在補充運動區、中央旁小葉等腦區在戒煙前后既存在組內顯著差異，也存在組間交互效應。這說明在戒煙后，吸煙者這些腦區的功能得到明顯的增強。
McClernon 等[20]研究表明，吸煙成癮者在戒斷狀態和吸煙提示狀態在補充運動區等區域存在正相關。Ding 等[21]發現吸煙成癮者戒煙前后在補充運動區等腦區的功能連接存在差異。Claus 等[22]也發現吸煙成癮者的補充運動區和眶額皮層對吸煙誘導的神經反應比對食物誘導的反應強烈得多。這些研究進一步印證了補充運動區等腦區在戒煙過程中起著關鍵的作用，這些發現對于進一步研究吸煙成癮者戒煙過程中的神經生理工作機制有所幫助。
本次實驗有兩個不足：① 在年齡上，本次實驗對象涵蓋了 24～63 歲的志愿者，雖然年齡范圍較廣，具有一定的代表性，但樣本量相對較小，這可能會影響統計結果的效力，更大樣本量將可以消除這種影響；② 在實驗設計時，我們設計了健康且不吸煙的受試者為對照組，但沒有考慮吸煙成癮者在沒有戒煙時的對照實驗，在未來的實驗中將增加這方面的實驗，以進一步驗證本文結論。
引言
有很多致死性疾病（如缺血性心臟病、腦血管病、下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病、結核和肺癌）與吸煙有關[1]。大量研究證據表明，戒煙可降低或消除吸煙導致的健康危害。而戒煙效果往往是通過問卷調查的方法來進行評價的[2]。吸煙成癮者在戒煙過程中，往往伴隨著心理、情緒等的變化[3-4]，這種變化通過問卷調查的方式是很難精確描述的。近年來發展起來的靜息態功能磁共振影像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）技術已經廣泛應用于視覺、聽覺、語言、認知與情緒等功能皮層及記憶等心理活動的研究[5-9]，以及吸煙成癮者與正常人之間的神經活動差異方面的研究[10-12]。我們[13]也曾利用 fMRI 技術結合獨立分量分析方法來研究吸煙成癮者在戒煙前后的視覺功能網絡連接的異常情況。
局部區域一致性（regional homogeneity，ReHo）是基于 rs-fMRI 的重要分析方法，主要是衡量體素內血氧依賴水平（blood oxygenation level-dependent，BOLD）的功能磁共振成像信號的時間序列與鄰近體素的區域一致性[14]。目前該方法已經廣泛應用于精神及神經疾病的研究，也有不少研究者將它應用于戒煙過程的研究[15-17]。本文采取兩因素混合實驗設計方法，以 rs-fMRI 為技術手段，利用 ReHo 算法來研究吸煙成癮者在戒煙前后的神經活動及其與正常人之間的差異，以發現吸煙成癮者在戒煙前后腦功能的特征改變，探索戒煙過程的神經生理理論基礎。
1 材料與方法
1.1 受試者情況
14 名來自社區的正常健康男性成年吸煙者同意參與，并完成了戒煙組試驗。登記顯示，所有的吸煙者都符合美國精神障礙診斷統計手冊第 4 版關于物質依賴的診斷標準，每天抽煙超過 10 支，煙齡 5 年以上，沒有大麻、海洛因、酒精等其他藥物成癮史，無既往癲癇、家族癲癇及其他精神病史。掃描前一個月至全部試驗完成沒有發生受傷或巨大心理創傷事件，沒有接受任何藥物治療。所有受試者年齡 24～63（34.00 ± 11.74）歲，高中以上受教育程度，右利手，無磁共振檢查禁忌，經磁共振顱腦檢查無結構異常。在實驗開始前，所有受試者及其家屬被告知實驗的目的、過程及可能產生的不適和危險，以及戒煙的各種注意事項，并被要求在實驗過程中遠離二手煙，了解可能引起復吸的誘因。受試者全部自愿參加本次研究，并簽署了知情同意書。
11 名健康的不吸煙男性志愿者參與了對照組試驗。對照組受試者年齡 21～59（34.55 ± 10.96）歲，與戒煙組無明顯年齡差異（P = 0.906 6，雙尾）。高中以上受教育程度，右利手，無磁共振檢查禁忌，經磁共振顱腦檢查無結構異常。
1.2 實驗設計
本文采取兩因素混合實驗設計方案，如表 1 所示。實驗中分為兩組：戒煙組和對照組。每一組在時間因素有兩個水平。對于戒煙組的時間因素為戒煙前和戒煙 2 周，而對于對照組兩次采集數據的時間間隔為 2 周。
表1
雙因素混合實驗設計
Table1.
Two factors mixed design
1.3 磁共振圖像采集
所有受試者在廣西桂林醫學院附屬醫院放射科的 3.0T MRI（Verio，Siemens Medical System）上完成靜息態功能磁共振信號采集。告知受試者安靜、閉眼、平躺于磁共振儀中，同時使用海綿墊對受試者頭部進行固定以減少頭動。功能磁共振影像采集時，對 BOLD 信號采集連續的 43 層，其 TR = 2 000 ms，TE = 30 ms，FOV = 220 mm × 220 mm，圖像矩陣 matrix = 64 × 64，翻轉角 flip angle = 90°，gap = 0，體素大小 3.4 × 3.4 × 3.2，掃描次數 = 240，總掃描時間為 8 min。
T1 權重三維結構像采用矢狀位成像，采集掃描 176 層，矩陣大小 256 mm × 256 mm，FOV = 256 mm × 256 mm，TR/TE = 1 900 ms/2.52 ms，flip angle = 8°，gap = 0，層厚 1 mm，體素大小 = 1 mm × 1 mm × 1 mm。
1.4 數據處理
使用 DPARSF 軟件對采集到的功能磁共振信號進行處理。具體步驟包括：將標準醫學數字成像格式圖像轉換為神經影像信息技術倡議（Neuroimaging Informatics Technology Initiative，NIFTI）格式的圖像。去除前 10 個時間點功能圖像以排除系統不穩定所帶來的干擾，對功能像的圖像進行時間空間配準，然后將功能像匹配到蒙特利爾神經病學研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）模板，對功能像進行重采樣至 3 mm × 3 mm × 3 mm，然后進行線性去漂移以及生理噪聲去除，提取頻率范圍 0.01～0.08 Hz 的信號。所有受試者頭動的位移均小于 1.5 mm 且旋轉角度小于 1.5°。為了消除計算 ReHo 值時個體之間的差異，計算 27 個領域的 ReHo 全腦信號圖，再根據標準 Fisher 函數將 ReHo 值轉換成 z 分（z score）。
1.5 統計分析
戒煙組組內分析：為了得到吸煙成癮者戒煙前后的 ReHo 的顯著變化區域，我們對戒煙前與戒煙兩周后的 ReHo 腦圖進行配對 t 檢驗（Paired t test），P < 0.01，采取 AlphaSim 方法對檢驗的結果進行校正，消除干擾。其結果在 rest 軟件 [18]中進行顯示。
戒煙組與對照組組間分析：采用 2 × 2 雙因素方差分析（P < 0.01） [19]的方法來獲得組間交互效應，結果在 BrainNet viewer（http://www.nitrc.org/projects/bnv）中進行顯示。
2 結果
2.1 吸煙成癮者戒煙前后 ReHo 分析
對吸煙成癮者戒煙前與戒煙兩周后的 ReHo 值進行配對 t 檢驗，結果如圖 1 所示。存在顯著差異的區域信息如表 2 所示。我們可以發現，相比戒煙前，戒煙兩周后在兩個感興趣區域（region of interest，ROI）的 ReHo 值都有升高的現象，這兩個 ROI 分別在補充運動區、中央旁小葉、距狀裂周圍皮層、楔葉和舌回等區域（Brodmann 6 和 18 腦區）。而在楔前葉和后扣帶回腦區的 ReHo 值呈現下降的情況。
圖1
吸煙成癮者戒煙前后的 ReHo 值發生顯著變化的區域
紅色區域表示戒煙后 > 戒煙前，而藍色區域表示戒煙后 < 戒煙前（
red areas present increased ReHo values after smoking cessation, blue areas present decreased ReHo values (Paired
表2
吸煙成癮者戒煙前后的 ReHo 值發生顯著變化區域的信息
Table2.
ROIs’ information with significantly different ReHo values before and after smoking cessation
2.2 與對照組比較結果
與健康且不吸煙的對照組相比，通過 F 檢驗得到，吸煙組戒煙后有兩個 ROI 存在組間差異（P < 0.01）。這兩個 ROI 分別處在補充運動區、中央旁小葉、中央前回、中央后回、眶部額上回等腦區（Brodmann 6 腦區）。2 個 ROI 的詳細信息見 表 3 和圖 2。我們在圖 2 中可以進一步發現，在兩個 ROI 中，對照組的 ReHo 值在兩周的時間內存在下降的趨勢，但差異并無統計學意義（P > 0.05），而吸煙成癮者在戒煙兩周后較戒煙前顯著上升（ P < 0.05）。
圖2
對照組與戒煙組的組間差異
紅色和藍色分別代表吸煙組戒煙后兩個存在組間差異的 ROI（
red and blue means 2 ROIs with significant between-group difference. Red ROI located in supplementary motor area and left paracentral lobule; blue ROI located in right anterior central gyrus, right posterior central gyrus, right superior frontal gyrus and right paracentral lobule. L: left; R: Right. *** comparison before and after smoking cessation,
表3
吸煙成癮者戒煙后與對照組的差異區域（P < 0.01）
Table3.
ROIs’ information with significantly different ReHo values between smokers and controls (P < 0.01)
3 討論
ReHo 方法是靜息態腦功能數據處理的重要方法，其基本理論假設為，當某一腦區處于特定條件下，相鄰體素的 BOLD 信號在時間上具有相似性，因而認為該腦區的體素具有較高的時間一致性。因此，ReHo 值反映了區域 BOLD 信號的時間同步性，而不是信號的強度，ReHo 值的高低可以反映大腦的局部活動性。
我們的研究發現戒煙兩周后，在補充運動區、中央旁小葉、距狀裂周圍皮層、楔葉和舌回等區域的 ReHo 值明顯上升，意味著在這些腦區的神經活動同步性增強，而在楔前葉和后扣帶回腦區同步性降低。另外，我們還發現在補充運動區、中央旁小葉、中央前回、中央后回、眶部額上回等腦區存在組間交叉效應，在這些腦區，吸煙成癮者在戒煙 2 周后 ReHo 值明顯增強，而對照組變化不明顯。所以，在補充運動區、中央旁小葉等腦區在戒煙前后既存在組內顯著差異，也存在組間交互效應。這說明在戒煙后，吸煙者這些腦區的功能得到明顯的增強。
McClernon 等[20]研究表明，吸煙成癮者在戒斷狀態和吸煙提示狀態在補充運動區等區域存在正相關。Ding 等[21]發現吸煙成癮者戒煙前后在補充運動區等腦區的功能連接存在差異。Claus 等[22]也發現吸煙成癮者的補充運動區和眶額皮層對吸煙誘導的神經反應比對食物誘導的反應強烈得多。這些研究進一步印證了補充運動區等腦區在戒煙過程中起著關鍵的作用，這些發現對于進一步研究吸煙成癮者戒煙過程中的神經生理工作機制有所幫助。
本次實驗有兩個不足：① 在年齡上，本次實驗對象涵蓋了 24～63 歲的志愿者，雖然年齡范圍較廣，具有一定的代表性，但樣本量相對較小，這可能會影響統計結果的效力，更大樣本量將可以消除這種影響；② 在實驗設計時，我們設計了健康且不吸煙的受試者為對照組，但沒有考慮吸煙成癮者在沒有戒煙時的對照實驗，在未來的實驗中將增加這方面的實驗，以進一步驗證本文結論。
