吸烟青少年大脑结构和功能网络异常的影像学研究

发布时间：2020-08-22 17:30

【摘要】：青少年时期是大脑认知控制、情绪管理发育的重要阶段,吸烟成瘾会对青少年的身体和精神状态产生毒害作用。随着影像学技术的发展应用,国内外学者对吸烟成瘾的研究取得了很大的进展,但研究结果大多集中于吸烟成瘾者大脑局部脑区结构和功能的异常变化,关于全脑网络水平的研究结果并不多。因此,本文从全脑网络水平对吸烟青少年大脑结构和功能网络拓扑属性的异常变化展开研究。首先,本论文采用图论的分析方法对被试大脑白质网络拓扑属性进行分析。结果显示两组被试大脑白质网络都具有高度分化和整合的“小世界”属性,符合进化过程中大脑形态变化的自然规律。但与非吸烟青少年相比,吸烟青少年大脑白质网络全局拓扑属性发生了显著的变化:网络强度、网络效率增加,特征最短路径降低。其中网络强度和全局效率与青少年吸烟成瘾者的尼古丁依赖程度具有显著性正相关,特征最短路径与尼古丁依赖程度呈现显著性负相关;此外吸烟青少年大脑部分节点效率显著性增加,节点效率增加的脑区主要分布在眶额叶,纹状体和前扣带皮层。最后我们对大脑的白质网络连接采用基于网络的统计方法(Network-based statistic,NBS)进行了组间分析,结果显示与非吸烟青少年相比,吸烟青少年成瘾者大脑白质网络前额叶和扣带皮层等脑区的连接显著增加。为了进一步探究青少年吸烟成瘾者大脑功能网络的异常变化,我们采用组内实验设计对吸烟青少年吸烟满足和12小时戒断两种状态的大脑功能网络进行了分析。本研究中我们将大脑分为246个脑区节点,脑区之间的皮尔逊(Pearson)相关系数作为连接的边。结果显示两种状态的大脑功能网络在0.1~0.4的稀疏度范围内均表现出小世界特性,并且大脑全局参数之间均没有显著差异。此外我们对两种状态的246个脑区进行了节点效率分析,结果显示相对于吸烟满足状态,吸烟戒断状态下大脑皮层默认网络、枕叶以及皮下脑区的杏仁核、伏隔核、苍白球和丘脑的节点效率显著降低。并且发现丘脑节点效率的改变量与吸烟青少年主观渴求分数的改变量呈现负相关。该研究结果从网络层次为戒断诱导吸烟渴求神经机制的研究提供了新的见解。本文采用组间和组内实验设计对青少年吸烟成瘾者大脑白质结构和功能网络的异常进行分析,从大脑复杂网络水平发现吸烟青少年大脑网络的异常与其行为缺陷之间的关系。本文研究成果可为吸烟青少年成瘾的研究提供一份理论依据。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R749.6
【图文】：

神经回路,尼古丁

西安电子科技大学硕士学位论文巴胺的分泌量降低，当吸烟者受到外界环境提示或情绪因素时，如吸烟图片或诱惑，精神压力等，就会希望迅速补充尼古丁促进多巴胺释放以缓解焦躁不心、失眠等戒断症状。长期反复的尼古丁刺激会使大脑形成对尼古丁依赖的新回路（即大脑的可塑性），即对尼古丁依赖的奖赏回路。大脑在尼古丁的反复下，神经元细胞上的尼古丁乙酰胆碱受体对尼古丁越来越不敏感，需要更大量古丁才能满足成瘾者对多巴胺带来的愉悦感的需求。如此以来吸烟者便陷入一性的循环并逐渐发展为烟草成瘾者。

原理图,血氧,原理图,大脑

图 2.1 血氧水平依赖（BOLD）原理图[37]2.3.2静息态功能磁共振成像数据处理大脑功能磁共振成像一般分为任务态功能磁共振成像和静息态功能磁共振像（Resting-state fMRI，R-fMRI）。任务态功能磁共振是指受试者处于外界刺激某一种任务中时，对受试者采集任务态功能磁共振图像，然后计算任务态和静息下磁共振信号的差值，通过差值查看受试者大脑脑区的激活部位，从而判断与任相关的脑区有哪些。很长一段时间内，研究者们认为大脑的激活只有在外界的刺下才能够被唤醒。近年来越来越多研究表明，当人类大脑处于静息状态时，大脑然会有大量氧气的消耗，也就是说即使人们处于静息状态下，大脑神经活动依然持续的进行。有研究表明，即使大脑处于静息状态下，大脑神经元的能量消耗占脑消耗总量的五分之三到五分之四，高出任务态下能量的消耗的 20 倍。研究者现这种大脑自发性的脑区活动对研究大脑固有特性具有重要意义。静息状态是指受试者不接受任何刺激、保持清醒并且不做系统思维活动的一

属性,规则网络,随机网络,局部效率

pG(G)N( )iSs i (2-7)其中 s ( i )是节点 i 所有连接边加权连接的总和。（2）小世界属性（Small-worldness）复杂网络根据其网络属性可以分为随机网络、规则网络以及小世界网络。如 2.3所示，规则网络具有较高的局部效率（集群系数高）和较低全局效率（最短路径长度较长），与之相反，随机网络拥有较低局部效率（集群系数低）和较高全局效率（最短路径长度较短）。Watts 和他的同事发现由真实系统抽象而来的复杂网络具有处于规则网络和随机网络之间的一种特殊网络属性：小世界特性。具有小世界属性的网络既有规则网络较高全局效率(高聚类特性)，又具有与随机网络类似的较高局部效率（较短的最短路径长度），使具有该属性的网络同时拥有规则网络和随机网络的优势拓扑属性，使信息无论在局部还是在整体水平的传递都具有较高的效率。集群系数（pC ）和最短特征路径（pL ）是描述小世界属性的两个重要网络参数。

【参考文献】