下额枕束及其分段与注意功能的影像遗传学研究

发布时间：2017-12-16 08:31

  本文关键词：下额枕束及其分段与注意功能的影像遗传学研究

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【摘要】：影像遗传学是结合多模态神经影像学技术和遗传学方法,深入探讨大脑结构及与认知等行为相关脑功能的遗传变异,为探索基因多态性对大脑行为及行为的潜在影响奠定了基础。下额枕束(IFOF)作为脑内最长的联络纤维之一,发出纤维连接枕叶皮层、颞叶基底部、顶上小叶至额叶,并穿行外囊／最外囊等结构,为大脑功能提供重要的解剖基础。基于纤维束骨架的空间统计方法(TBSS)、感兴趣(ROI)及概率性纤维追踪等方法,大多是描述某一区域中所有白质纤维束的微观属性,并不能从准确说明IFOF的白质微结构属性。因此我们采用确定性纤维追踪的方法,该方法能够完整的描述白质纤维束的属性,因其追踪精度较高,被广泛应用于成人、儿童和疾病研究中。在功能方面,下额枕束可能参与语言系统,并为视觉空间注意提供解剖连接,尤其是腹侧视觉注意系统。尽管直接的额顶连接是注意网络的重要组成部分,然而由于下额枕束走形的复杂性,其在注意三个子网络(警觉、定向和执行控制)中的作用尚未有定论。慢性视觉缺失病人中右侧额顶连接的损伤能够引起空间注意的定向障碍,但是也有研究指出下额枕束的额顶连接并不参与定向功能。同样,在疾病研究中,IFOF白质微观结构属性的改变与多种注意缺陷疾病有关,如精神分裂症(SCZ)、自闭症谱系障碍(CD)、注意缺陷多动障碍(ADHD)等,然而在功能上这些疾病却表现为不同注意功能子网络的缺失。因此探索下额枕束分别在三个子网络中的作用能够为注意缺陷疾病的诊断和分类提供解剖基础。分段研究能够对下额枕束在注意网络中的作用进行更深入的研究。在渐进性核上瘫患者中,相对于下额枕束内侧段和枕叶段,其下额枕束额叶段的体素数量减少、部分各向异性值明显降低,而表观弥散系数明显增加。除此之外,多模态研究也发现,额叶区下额枕束的侧化与执行控制功能有相关性。因此使用确定性纤维追踪的方法追踪下额枕束并根据脑区将其分段,不仅能够为注意缺陷疾病的治疗提供解剖定位,也能够更好的解决目前研究中存在的关于下额枕束的争议。大脑结构、功能的发育和退化是受到遗传因素和环境因素共同作用的结果,因此,遗传度的研究为探索遗传因素和环境因素对性状的影响程度提供了可能。双生子法是目前已知的最常用于遗传度研究的方法,该方法比较了100%基因相同的同卵双生子的性状相似度和只有50%基因相同的异卵双生子的相似度。然而不同年龄阶段受到遗传因素的影响程度也是不同的,青春期是人体生长发育的重要时期,此阶段大脑的结构和功能也进一步发育成熟,其遗传度应有其独特的发育模式。青壮年或采用大年龄跨度样本的研究结果并不足以作为青春期遗传度的标准。因此,本研究拟用确定性纤维追踪的方法先描述IFOF整体的白质微结构属性,由于其走形跨越多脑区,在不同脑区中受到不同交叉纤维的影响,将IFOF根据不同脑区分段,为深入研究结构-功能相关性提供解剖位点；采用相关分析进一步研究IFOF及其分段与注意三个子网络的相关性,并利用青春期双生子受试者的优势,确定遗传因素对白质纤维束、注意功能以及两者相关性的影响。本研究分为三个部分,摘要如下：第一部分：下额枕束及其侧化与注意功能的相关性研究研究目的注意缺陷疾病在功能上可表现为警觉、定向或执行控制网络效率的降低,而在结构上,均存在下额枕束自质微观结构属性的改变。本研究旨在探索IFOF的白质属性是否能够同时影响注意功能的三个子网络。材料与方法本研究征集60名15～20岁的健康志愿者,以注意网络测试作为实验范式,测定受试者的警觉、定向和执行控制功能的比率得分。对志愿者进行GE 3.0T磁共振扫描,采集DTI数据。利用FSL进行预处理,通过Diffusion Toolkit进行确定性纤维追踪,在TrackVis中可视化纤维束的完整走行并计算其FA值和MD值。所有的统计分析在SPSS中进行。研究结果FA值结果显示,左侧IFOF的平均FA值小于右侧,IFOF呈现右侧化；而对MD值的分析结果显示,左侧IFOF的平均值大于右侧,IFOF的平均MD值出现左侧化倾向。统计分析结果中,左侧IFOF的平均FA值与执行控制比率得分呈明显正相关性,而右侧IFOF的平均FA值与执行控制得分呈负相关,此外,FA值的右侧化也与执行控制得分呈明显负相关。左侧和右侧IFOF的平均MD值及MD值侧化指数均未发现与注意功能的明显相关性。结论右侧大脑半球是注意功能的优势半球,下额枕束的髓鞘化程度呈现明显右侧化倾向,随着右侧IFOF髓鞘化程度的增加及IFOF髓鞘的右侧化程度增加,执行控制功能均明显提高。第二部分：下额枕束的分段与注意功能的相关性研究研究目的下额枕束走行长而复杂,在不同脑区中受到不同交叉纤维的影响,从而可能影响其白质结构属性及其在功能连接的作用。本研究利用差值的方法,将下额枕束按其经过的脑区分为5段,进一步研究不同脑区中IFOF的微观结构属性与注意网络的关系。材料与方法从青岛市疾控中心招募60名15～20周岁的健康青少年,给予受试者GE3.0T磁共振扫描,采集结构像和DTI图像数据。使用注意网络测试范式对受试者进行注意功能的测评,获得其警觉、定向、执行控制得分。应用先进的标准化工具ANTs将MNI结构图谱的分区信息配准到MR图像中,并在Matlab中利用差值的方法,将纤维束标记并分段。将分段的纤维束在SmartPLS结构方程模型中与注意三个子网络进行相关性检验,并根据模型分析结果在SPSS中构建多元回归模型,以得到分段的白质属性对注意功能的影响程度。研究结果在结构方程模型中得到左侧顶叶段和岛叶段的FA值能够影响警觉得分,左侧额叶段和右侧枕叶段的FA值能够影响执行控制得分。在多元回归模型中得到相同的结果,并且发现,左侧顶叶和左侧岛叶段对警觉得分为低水平正向影响,而左侧额叶段和右侧枕叶段对执行控制得分均为中等水平负向影响。未发现与定向功能相关的纤维束分段。IFOF的侧化呈现节段不一致。对FA值侧化的研究发现,额叶段、岛叶段、颞叶段和顶叶段的平均FA值均为右侧化,而枕叶段是左侧化倾向；MD值侧化的研究发现,额叶段和岛叶段的平均MD值出现右侧化倾向,而颞叶段、顶叶段和枕叶段均为左侧化倾向。进一步对分段的侧化研究表明,经多重比较校正之后,只有执行控制得分随枕叶段FA值的右侧化增大而降低。未发现纤维束侧化与警觉、定向功能的相关性。结论本研究揭示了纤维束分段方法在大脑结构-功能相关性研究中的优势,为注意缺陷疾病和注意结构脑网络的节点研究提供了解剖基础。同时,IFOF分段侧化的不一致性可能是导致IFOF的侧化研究产生争议的原因。第三部分：下额枕束及其分段与注意功能的遗传相关性研究研究目的大脑结构和功能的发育以及结构-功能相关性是受到遗传因素和环境因素共同作用的结果。目前对IFOF的白质微结构属性和注意功能三个子网络的遗传度研究存在争议,且缺少对青春期遗传度的研究。对于两种特性的遗传相关性及表现型相关受到遗传因素影响的程度目前均无研究。材料与方法本研究从青岛双生子库招募30对健康双生子,IFOF及其分段的白质属性与行为学得分的表现型相关的研究方法如前所述。在基于R语言环境的OpenMx中构建ACE模型,分别计算IFOF及其分段和警觉、定向、执行控制的遗传度。应用双变量遗传分析方法计算两种特性的遗传相关性以及两种特性的表型相关受到遗传因素影响的程度。研究结果下额枕束整体的平均FA值和MD值均受到中等程度遗传因素的影响,然而在分段研究中,左侧额叶段和顶叶段的FA值以及右侧岛叶段和枕叶段的MD值未发现明显的遗传因素影响。注意的三个子网络中,警觉功能未发现受到遗传因素的明显影响,定向和执行控制功能的遗传度为中度遗传。双变量遗传相关性研究表明,执行控制得分与左侧下额枕束和右枕叶段FA值的遗传相关性分别为0.916和-0.570,且基因对表型相关的影响程度分别为0.452和-0.168；其与右侧下额枕束和左侧下额枕束FA值的环境相关性分别为-0.379和-0.555,且环境因素对表型相关性的影响程度分别为-0.228和-0.244。结论影响执行控制功能的基因在一定程度上能够同时影响左侧下额枕束和右枕叶段FA值,说明了两种特性存在共同的生理学机制并为进一步的全基因组关联分析的研究奠定了基础。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R338

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1 冷媛;下额枕束及其分段与注意功能的影像遗传学研究[D];山东大学;2016年

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本文编号：1295377