为了发现吸烟成瘾者在戒烟前后的脑功能特征改变，探索戒烟过程的神经生理理论基础，14 名吸烟成瘾者同意戒烟并完成了试验，另外 11 名健康不吸烟的志愿者参与了对照试验。采取两因素混合实验设计方法，以静息态功能磁共振影像技术为技术手段，利用区域一致性算法来研究吸烟成瘾者在戒烟前后的神经活动及其与正常人之间的差异，并对这些差异进行组内与组间交互分析。戒烟两周后，在补充运动区、中央旁小叶、距状裂周围皮层、楔叶和舌回等区域的 ReHo 值明显上升，意味着在这些脑区的神经活动同步性增强，而在楔前叶和后扣带回脑区同步性降低。在补充运动区、中央旁小叶、中央前回、中央后回、眶部额上回等脑区存在组间交叉效应。本研究结果显示吸烟成瘾者戒烟 2 周后在补充运动区的功能显著增强。
引用本文： 莫少锋, 冯思浩, 陈洪波. 吸烟成瘾者戒烟前后的静息态功能磁共振研究. 生物医学工程学杂志, 2018, 35(1): 87-91. doi: 10.7507/1001-5515.201609026 复制
引言
有很多致死性疾病（如缺血性心脏病、脑血管病、下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病、结核和肺癌）与吸烟有关[1]。大量研究证据表明，戒烟可降低或消除吸烟导致的健康危害。而戒烟效果往往是通过问卷调查的方法来进行评价的[2]。吸烟成瘾者在戒烟过程中，往往伴随着心理、情绪等的变化[3-4]，这种变化通过问卷调查的方式是很难精确描述的。近年来发展起来的静息态功能磁共振影像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）技术已经广泛应用于视觉、听觉、语言、认知与情绪等功能皮层及记忆等心理活动的研究[5-9]，以及吸烟成瘾者与正常人之间的神经活动差异方面的研究[10-12]。我们[13]也曾利用 fMRI 技术结合独立分量分析方法来研究吸烟成瘾者在戒烟前后的视觉功能网络连接的异常情况。
局部区域一致性（regional homogeneity，ReHo）是基于 rs-fMRI 的重要分析方法，主要是衡量体素内血氧依赖水平（blood oxygenation level-dependent，BOLD）的功能磁共振成像信号的时间序列与邻近体素的区域一致性[14]。目前该方法已经广泛应用于精神及神经疾病的研究，也有不少研究者将它应用于戒烟过程的研究[15-17]。本文采取两因素混合实验设计方法，以 rs-fMRI 为技术手段，利用 ReHo 算法来研究吸烟成瘾者在戒烟前后的神经活动及其与正常人之间的差异，以发现吸烟成瘾者在戒烟前后脑功能的特征改变，探索戒烟过程的神经生理理论基础。
1 材料与方法
1.1 受试者情况
14 名来自社区的正常健康男性成年吸烟者同意参与，并完成了戒烟组试验。登记显示，所有的吸烟者都符合美国精神障碍诊断统计手册第 4 版关于物质依赖的诊断标准，每天抽烟超过 10 支，烟龄 5 年以上，没有大麻、海洛因、酒精等其他药物成瘾史，无既往癫痫、家族癫痫及其他精神病史。扫描前一个月至全部试验完成没有发生受伤或巨大心理创伤事件，没有接受任何药物治疗。所有受试者年龄 24～63（34.00 ± 11.74）岁，高中以上受教育程度，右利手，无磁共振检查禁忌，经磁共振颅脑检查无结构异常。在实验开始前，所有受试者及其家属被告知实验的目的、过程及可能产生的不适和危险，以及戒烟的各种注意事项，并被要求在实验过程中远离二手烟，了解可能引起复吸的诱因。受试者全部自愿参加本次研究，并签署了知情同意书。
11 名健康的不吸烟男性志愿者参与了对照组试验。对照组受试者年龄 21～59（34.55 ± 10.96）岁，与戒烟组无明显年龄差异（P = 0.906 6，双尾）。高中以上受教育程度，右利手，无磁共振检查禁忌，经磁共振颅脑检查无结构异常。
1.2 实验设计
本文采取两因素混合实验设计方案，如表 1 所示。实验中分为两组：戒烟组和对照组。每一组在时间因素有两个水平。对于戒烟组的时间因素为戒烟前和戒烟 2 周，而对于对照组两次采集数据的时间间隔为 2 周。
表1
双因素混合实验设计
Table1.
Two factors mixed design
1.3 磁共振图像采集
所有受试者在广西桂林医学院附属医院放射科的 3.0T MRI（Verio，Siemens Medical System）上完成静息态功能磁共振信号采集。告知受试者安静、闭眼、平躺于磁共振仪中，同时使用海绵垫对受试者头部进行固定以减少头动。功能磁共振影像采集时，对 BOLD 信号采集连续的 43 层，其 TR = 2 000 ms，TE = 30 ms，FOV = 220 mm × 220 mm，图像矩阵 matrix = 64 × 64，翻转角 flip angle = 90°，gap = 0，体素大小 3.4 × 3.4 × 3.2，扫描次数 = 240，总扫描时间为 8 min。
T1 权重三维结构像采用矢状位成像，采集扫描 176 层，矩阵大小 256 mm × 256 mm，FOV = 256 mm × 256 mm，TR/TE = 1 900 ms/2.52 ms，flip angle = 8°，gap = 0，层厚 1 mm，体素大小 = 1 mm × 1 mm × 1 mm。
1.4 数据处理
使用 DPARSF 软件对采集到的功能磁共振信号进行处理。具体步骤包括：将标准医学数字成像格式图像转换为神经影像信息技术倡议（Neuroimaging Informatics Technology Initiative，NIFTI）格式的图像。去除前 10 个时间点功能图像以排除系统不稳定所带来的干扰，对功能像的图像进行时间空间配准，然后将功能像匹配到蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）模板，对功能像进行重采样至 3 mm × 3 mm × 3 mm，然后进行线性去漂移以及生理噪声去除，提取频率范围 0.01～0.08 Hz 的信号。所有受试者头动的位移均小于 1.5 mm 且旋转角度小于 1.5°。为了消除计算 ReHo 值时个体之间的差异，计算 27 个领域的 ReHo 全脑信号图，再根据标准 Fisher 函数将 ReHo 值转换成 z 分（z score）。
1.5 统计分析
戒烟组组内分析：为了得到吸烟成瘾者戒烟前后的 ReHo 的显著变化区域，我们对戒烟前与戒烟两周后的 ReHo 脑图进行配对 t 检验（Paired t test），P < 0.01，采取 AlphaSim 方法对检验的结果进行校正，消除干扰。其结果在 rest 软件 [18]中进行显示。
戒烟组与对照组组间分析：采用 2 × 2 双因素方差分析（P < 0.01） [19]的方法来获得组间交互效应，结果在 BrainNet viewer（http://www.nitrc.org/projects/bnv）中进行显示。
2 结果
2.1 吸烟成瘾者戒烟前后 ReHo 分析
对吸烟成瘾者戒烟前与戒烟两周后的 ReHo 值进行配对 t 检验，结果如图 1 所示。存在显著差异的区域信息如表 2 所示。我们可以发现，相比戒烟前，戒烟两周后在两个感兴趣区域（region of interest，ROI）的 ReHo 值都有升高的现象，这两个 ROI 分别在补充运动区、中央旁小叶、距状裂周围皮层、楔叶和舌回等区域（Brodmann 6 和 18 脑区）。而在楔前叶和后扣带回脑区的 ReHo 值呈现下降的情况。
图1
吸烟成瘾者戒烟前后的 ReHo 值发生显著变化的区域
红色区域表示戒烟后 > 戒烟前，而蓝色区域表示戒烟后 < 戒烟前（
red areas present increased ReHo values after smoking cessation, blue areas present decreased ReHo values (Paired
表2
吸烟成瘾者戒烟前后的 ReHo 值发生显著变化区域的信息
Table2.
ROIs’ information with significantly different ReHo values before and after smoking cessation
2.2 与对照组比较结果
与健康且不吸烟的对照组相比，通过 F 检验得到，吸烟组戒烟后有两个 ROI 存在组间差异（P < 0.01）。这两个 ROI 分别处在补充运动区、中央旁小叶、中央前回、中央后回、眶部额上回等脑区（Brodmann 6 脑区）。2 个 ROI 的详细信息见 表 3 和图 2。我们在图 2 中可以进一步发现，在两个 ROI 中，对照组的 ReHo 值在两周的时间内存在下降的趋势，但差异并无统计学意义（P > 0.05），而吸烟成瘾者在戒烟两周后较戒烟前显著上升（ P < 0.05）。
图2
对照组与戒烟组的组间差异
红色和蓝色分别代表吸烟组戒烟后两个存在组间差异的 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
吸烟成瘾者戒烟后与对照组的差异区域（P < 0.01）
Table3.
ROIs’ information with significantly different ReHo values between smokers and controls (P < 0.01)
3 讨论
ReHo 方法是静息态脑功能数据处理的重要方法，其基本理论假设为，当某一脑区处于特定条件下，相邻体素的 BOLD 信号在时间上具有相似性，因而认为该脑区的体素具有较高的时间一致性。因此，ReHo 值反映了区域 BOLD 信号的时间同步性，而不是信号的强度，ReHo 值的高低可以反映大脑的局部活动性。
我们的研究发现戒烟两周后，在补充运动区、中央旁小叶、距状裂周围皮层、楔叶和舌回等区域的 ReHo 值明显上升，意味着在这些脑区的神经活动同步性增强，而在楔前叶和后扣带回脑区同步性降低。另外，我们还发现在补充运动区、中央旁小叶、中央前回、中央后回、眶部额上回等脑区存在组间交叉效应，在这些脑区，吸烟成瘾者在戒烟 2 周后 ReHo 值明显增强，而对照组变化不明显。所以，在补充运动区、中央旁小叶等脑区在戒烟前后既存在组内显著差异，也存在组间交互效应。这说明在戒烟后，吸烟者这些脑区的功能得到明显的增强。
McClernon 等[20]研究表明，吸烟成瘾者在戒断状态和吸烟提示状态在补充运动区等区域存在正相关。Ding 等[21]发现吸烟成瘾者戒烟前后在补充运动区等脑区的功能连接存在差异。Claus 等[22]也发现吸烟成瘾者的补充运动区和眶额皮层对吸烟诱导的神经反应比对食物诱导的反应强烈得多。这些研究进一步印证了补充运动区等脑区在戒烟过程中起着关键的作用，这些发现对于进一步研究吸烟成瘾者戒烟过程中的神经生理工作机制有所帮助。
本次实验有两个不足：① 在年龄上，本次实验对象涵盖了 24～63 岁的志愿者，虽然年龄范围较广，具有一定的代表性，但样本量相对较小，这可能会影响统计结果的效力，更大样本量将可以消除这种影响；② 在实验设计时，我们设计了健康且不吸烟的受试者为对照组，但没有考虑吸烟成瘾者在没有戒烟时的对照实验，在未来的实验中将增加这方面的实验，以进一步验证本文结论。
引言
有很多致死性疾病（如缺血性心脏病、脑血管病、下呼吸道感染、慢性阻塞性肺疾病、结核和肺癌）与吸烟有关[1]。大量研究证据表明，戒烟可降低或消除吸烟导致的健康危害。而戒烟效果往往是通过问卷调查的方法来进行评价的[2]。吸烟成瘾者在戒烟过程中，往往伴随着心理、情绪等的变化[3-4]，这种变化通过问卷调查的方式是很难精确描述的。近年来发展起来的静息态功能磁共振影像（resting state functional magnetic resonance imaging，rs-fMRI）技术已经广泛应用于视觉、听觉、语言、认知与情绪等功能皮层及记忆等心理活动的研究[5-9]，以及吸烟成瘾者与正常人之间的神经活动差异方面的研究[10-12]。我们[13]也曾利用 fMRI 技术结合独立分量分析方法来研究吸烟成瘾者在戒烟前后的视觉功能网络连接的异常情况。
局部区域一致性（regional homogeneity，ReHo）是基于 rs-fMRI 的重要分析方法，主要是衡量体素内血氧依赖水平（blood oxygenation level-dependent，BOLD）的功能磁共振成像信号的时间序列与邻近体素的区域一致性[14]。目前该方法已经广泛应用于精神及神经疾病的研究，也有不少研究者将它应用于戒烟过程的研究[15-17]。本文采取两因素混合实验设计方法，以 rs-fMRI 为技术手段，利用 ReHo 算法来研究吸烟成瘾者在戒烟前后的神经活动及其与正常人之间的差异，以发现吸烟成瘾者在戒烟前后脑功能的特征改变，探索戒烟过程的神经生理理论基础。
1 材料与方法
1.1 受试者情况
14 名来自社区的正常健康男性成年吸烟者同意参与，并完成了戒烟组试验。登记显示，所有的吸烟者都符合美国精神障碍诊断统计手册第 4 版关于物质依赖的诊断标准，每天抽烟超过 10 支，烟龄 5 年以上，没有大麻、海洛因、酒精等其他药物成瘾史，无既往癫痫、家族癫痫及其他精神病史。扫描前一个月至全部试验完成没有发生受伤或巨大心理创伤事件，没有接受任何药物治疗。所有受试者年龄 24～63（34.00 ± 11.74）岁，高中以上受教育程度，右利手，无磁共振检查禁忌，经磁共振颅脑检查无结构异常。在实验开始前，所有受试者及其家属被告知实验的目的、过程及可能产生的不适和危险，以及戒烟的各种注意事项，并被要求在实验过程中远离二手烟，了解可能引起复吸的诱因。受试者全部自愿参加本次研究，并签署了知情同意书。
11 名健康的不吸烟男性志愿者参与了对照组试验。对照组受试者年龄 21～59（34.55 ± 10.96）岁，与戒烟组无明显年龄差异（P = 0.906 6，双尾）。高中以上受教育程度，右利手，无磁共振检查禁忌，经磁共振颅脑检查无结构异常。
1.2 实验设计
本文采取两因素混合实验设计方案，如表 1 所示。实验中分为两组：戒烟组和对照组。每一组在时间因素有两个水平。对于戒烟组的时间因素为戒烟前和戒烟 2 周，而对于对照组两次采集数据的时间间隔为 2 周。
表1
双因素混合实验设计
Table1.
Two factors mixed design
1.3 磁共振图像采集
所有受试者在广西桂林医学院附属医院放射科的 3.0T MRI（Verio，Siemens Medical System）上完成静息态功能磁共振信号采集。告知受试者安静、闭眼、平躺于磁共振仪中，同时使用海绵垫对受试者头部进行固定以减少头动。功能磁共振影像采集时，对 BOLD 信号采集连续的 43 层，其 TR = 2 000 ms，TE = 30 ms，FOV = 220 mm × 220 mm，图像矩阵 matrix = 64 × 64，翻转角 flip angle = 90°，gap = 0，体素大小 3.4 × 3.4 × 3.2，扫描次数 = 240，总扫描时间为 8 min。
T1 权重三维结构像采用矢状位成像，采集扫描 176 层，矩阵大小 256 mm × 256 mm，FOV = 256 mm × 256 mm，TR/TE = 1 900 ms/2.52 ms，flip angle = 8°，gap = 0，层厚 1 mm，体素大小 = 1 mm × 1 mm × 1 mm。
1.4 数据处理
使用 DPARSF 软件对采集到的功能磁共振信号进行处理。具体步骤包括：将标准医学数字成像格式图像转换为神经影像信息技术倡议（Neuroimaging Informatics Technology Initiative，NIFTI）格式的图像。去除前 10 个时间点功能图像以排除系统不稳定所带来的干扰，对功能像的图像进行时间空间配准，然后将功能像匹配到蒙特利尔神经病学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）模板，对功能像进行重采样至 3 mm × 3 mm × 3 mm，然后进行线性去漂移以及生理噪声去除，提取频率范围 0.01～0.08 Hz 的信号。所有受试者头动的位移均小于 1.5 mm 且旋转角度小于 1.5°。为了消除计算 ReHo 值时个体之间的差异，计算 27 个领域的 ReHo 全脑信号图，再根据标准 Fisher 函数将 ReHo 值转换成 z 分（z score）。
1.5 统计分析
戒烟组组内分析：为了得到吸烟成瘾者戒烟前后的 ReHo 的显著变化区域，我们对戒烟前与戒烟两周后的 ReHo 脑图进行配对 t 检验（Paired t test），P < 0.01，采取 AlphaSim 方法对检验的结果进行校正，消除干扰。其结果在 rest 软件 [18]中进行显示。
戒烟组与对照组组间分析：采用 2 × 2 双因素方差分析（P < 0.01） [19]的方法来获得组间交互效应，结果在 BrainNet viewer（http://www.nitrc.org/projects/bnv）中进行显示。
2 结果
2.1 吸烟成瘾者戒烟前后 ReHo 分析
对吸烟成瘾者戒烟前与戒烟两周后的 ReHo 值进行配对 t 检验，结果如图 1 所示。存在显著差异的区域信息如表 2 所示。我们可以发现，相比戒烟前，戒烟两周后在两个感兴趣区域（region of interest，ROI）的 ReHo 值都有升高的现象，这两个 ROI 分别在补充运动区、中央旁小叶、距状裂周围皮层、楔叶和舌回等区域（Brodmann 6 和 18 脑区）。而在楔前叶和后扣带回脑区的 ReHo 值呈现下降的情况。
图1
吸烟成瘾者戒烟前后的 ReHo 值发生显著变化的区域
红色区域表示戒烟后 > 戒烟前，而蓝色区域表示戒烟后 < 戒烟前（
red areas present increased ReHo values after smoking cessation, blue areas present decreased ReHo values (Paired
表2
吸烟成瘾者戒烟前后的 ReHo 值发生显著变化区域的信息
Table2.
ROIs’ information with significantly different ReHo values before and after smoking cessation
2.2 与对照组比较结果
与健康且不吸烟的对照组相比，通过 F 检验得到，吸烟组戒烟后有两个 ROI 存在组间差异（P < 0.01）。这两个 ROI 分别处在补充运动区、中央旁小叶、中央前回、中央后回、眶部额上回等脑区（Brodmann 6 脑区）。2 个 ROI 的详细信息见 表 3 和图 2。我们在图 2 中可以进一步发现，在两个 ROI 中，对照组的 ReHo 值在两周的时间内存在下降的趋势，但差异并无统计学意义（P > 0.05），而吸烟成瘾者在戒烟两周后较戒烟前显著上升（ P < 0.05）。
图2
对照组与戒烟组的组间差异
红色和蓝色分别代表吸烟组戒烟后两个存在组间差异的 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
吸烟成瘾者戒烟后与对照组的差异区域（P < 0.01）
Table3.
ROIs’ information with significantly different ReHo values between smokers and controls (P < 0.01)
3 讨论
ReHo 方法是静息态脑功能数据处理的重要方法，其基本理论假设为，当某一脑区处于特定条件下，相邻体素的 BOLD 信号在时间上具有相似性，因而认为该脑区的体素具有较高的时间一致性。因此，ReHo 值反映了区域 BOLD 信号的时间同步性，而不是信号的强度，ReHo 值的高低可以反映大脑的局部活动性。
我们的研究发现戒烟两周后，在补充运动区、中央旁小叶、距状裂周围皮层、楔叶和舌回等区域的 ReHo 值明显上升，意味着在这些脑区的神经活动同步性增强，而在楔前叶和后扣带回脑区同步性降低。另外，我们还发现在补充运动区、中央旁小叶、中央前回、中央后回、眶部额上回等脑区存在组间交叉效应，在这些脑区，吸烟成瘾者在戒烟 2 周后 ReHo 值明显增强，而对照组变化不明显。所以，在补充运动区、中央旁小叶等脑区在戒烟前后既存在组内显著差异，也存在组间交互效应。这说明在戒烟后，吸烟者这些脑区的功能得到明显的增强。
McClernon 等[20]研究表明，吸烟成瘾者在戒断状态和吸烟提示状态在补充运动区等区域存在正相关。Ding 等[21]发现吸烟成瘾者戒烟前后在补充运动区等脑区的功能连接存在差异。Claus 等[22]也发现吸烟成瘾者的补充运动区和眶额皮层对吸烟诱导的神经反应比对食物诱导的反应强烈得多。这些研究进一步印证了补充运动区等脑区在戒烟过程中起着关键的作用，这些发现对于进一步研究吸烟成瘾者戒烟过程中的神经生理工作机制有所帮助。
本次实验有两个不足：① 在年龄上，本次实验对象涵盖了 24～63 岁的志愿者，虽然年龄范围较广，具有一定的代表性，但样本量相对较小，这可能会影响统计结果的效力，更大样本量将可以消除这种影响；② 在实验设计时，我们设计了健康且不吸烟的受试者为对照组，但没有考虑吸烟成瘾者在没有戒烟时的对照实验，在未来的实验中将增加这方面的实验，以进一步验证本文结论。
