0 前言

       烟草使用是世界上最主要的潜在死亡原因之一^[1]。尼古丁依赖（nicotine dependence, ND）是由于长期使用烟草导致的一种身心依赖的精神障碍疾病，与多种肿瘤、呼吸及消化系统疾病密切相关^{[2, 3]}，对人类的健康、经济、生活造成严重的负面影响^{[4, 5]}。虽然许多尼古丁依赖者知道长期吸烟的不良后果，但在试图自己戒烟的人群中，复发率高于85%^[6]。先前的研究发现，轻度尼古丁依赖者比重度尼古丁依赖者更有可能尝试戒烟，但戒烟治疗的情况各不相同^[7]。了解不同程度尼古丁依赖的神经机制，对于科学指导戒烟具有重要意义。

       目前大量的研究表明尼古丁依赖者在一些大脑区域显示普遍的异常功能连接^{[8, 9, 10, 11, 12]}。但是这些功能连接研究都需要先验假设或种子点的选取，使我们不能对全脑的功能连接进行完整的分析。功能连接密度（functional connectivity density, FCD）是一种基于图论的数据驱动方法，不需要任何先验假设或种子点的选取^[13]，通过测量单个特定体素与大脑中所有其他体素功能连接的数量，反映该体素的功能网络连接特性^[14]。特定体素的FCD值越高表明其在功能信息协调处理中发挥越重要的作用。因此，FCD是一种比功能连接提供更多大脑功能改变信息的方法。目前已有部分研究采用FCD的方法探究尼古丁依赖者的大脑功能协调性改变。一项关于不同状态下尼古丁依赖者的功能研究发现，相较于满足状态，渴求状态下的尼古丁依赖者在双侧尾状核、壳核及额叶区域的局部FCD和全脑FCD增高^[15]。张孟哲等^[16]发现与对照组相比，尼古丁依赖者双侧楔叶、舌回和距状裂周围皮层的动态FCD时变性降低。然而不同程度尼古丁依赖者的全脑功能协调性改变仍未被研究。因此，本研究应用FCD的方法探究尼古丁依赖者共有的大脑功能协调性改变，以及不同程度尼古丁依赖者是否有其更特异的大脑功能改变，以期为尼古丁依赖的神经机制提供更全面的发现，从而科学指导基于大脑的戒烟治疗。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究通过传单及网络等形式招募志愿者176例，根据纳入及排除标准将其分为轻度尼古丁依赖组、重度尼古丁依赖组及正常对照组（对照组）。尼古丁依赖量表（Fagerström Test for Nicotine Dependence, FTND）与包年（即吸烟年数×日吸烟量/20，1包=20支香烟）用来评估尼古丁依赖的严重程度。轻度尼古丁依赖组与重度尼古丁依赖组的纳入标准包括：（1）符合美国精神障碍诊断统计手册第5版（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders -Five Edition, DSM-V）中关于物质依赖的诊断标准；（2）每日吸烟量≥10支且持续时间≥2年，期间未尝试戒断^[17]；（3）重度尼古丁依赖者日吸烟量≥20支，轻度尼古丁依赖者日吸烟量＜20支^{[18, 19, 20]}；对照组的纳入标准：一生中吸烟数少于10支。三组的共同排除标准包括：（1）除尼古丁依赖外，有其他任何物质成瘾或行为成瘾史；（2）两周内服用过镇定类药物或既往服用过抗精神病类药物；（3）有严重躯体疾病、脑器质性病变或脑外伤史等；（4）有其他精神障碍史（如抑郁症、精神分裂症、癫痫等）；（5）有磁共振扫描禁忌证。本研究所有受试者均为年龄在20～55岁之间的男性、右利手。本研究遵照《赫尔辛基宣言》，通过了郑州大学第一附属医院医学伦理委员会批准（批准文号：2019-KY-297），所有受试者均签署了知情同意书。

1.2 磁共振成像检查方法

1.2.1 检查设备

       本研究所有受试者磁共振图像均采用德国Siemens MAGNETOM Skyra 3.0 T磁共振扫描仪和16通道头颅线圈获得。

1.2.2 数据采集

       扫描前向受试者说明本次检查注意事项。本研究主要关注的是尼古丁依赖者在尼古丁满足状态下与对照组神经活动的差异，因此嘱尼古丁依赖者进入扫描仪前30～45 min吸一支烟^[19,21]。扫描时嘱受试者闭眼、放松、保持清醒并在头部周围放入海绵垫等固定物以减少头动。采取仰卧位、头先进。本研究中采集的序列包括磁共振常规扫描序列和静息态血氧水平依赖（blood oxygen level dependent, BOLD）序列。常规扫描序列包括轴位和矢状位T1加权成像序列、轴位T2加权成像序列、轴位T2黑水序列及弥散加权成像序列，用于排除受试者颅内器质性病变，以严格遵守入组标准。BOLD序列扫描参数如下：TR 2000 ms，TE 30 ms，翻转角80°，层厚4.0 mm，层数 36层，视野240 mm×240 mm，分辨率矩阵64×64；体素大小3 mm×3 mm×3 mm，时间点180，扫描全程耗时360 s。

1.2.3 磁共振图像预处理

       预处理在基于Matlab平台上的DPARSFA软件进行，具体操作包括：（1）数据格式转换，DICOM格式文件转换为NIFTI格式；（2）时间点剔除，去除前5个时间点；（3）时间校正，消除隔层扫描造成的时间差；（4）头动校正，去除头动平移＞3.0 mm，旋转＞3.0°的受试者；（5）空间标准化，将所有受试者图像配准到蒙特利尔神经研究所6 mm×6 mm×6 mm标准空间；（6）回归协变量：将脑白质、脑脊液信号等进行线性回归^{[22, 23]}；（7）去线性趋势；（8）滤波：滤波范围为0.01～0.08 Hz，降低高频噪声；（9）清洗：进一步消除头动的影响。

1.2.4 FCD的计算

       FCD是一种基于图论的指标。计算大脑各体素的FCD就是计算给定体素到全脑其他体素的功能连接的总数，基于Matlab平台，使用根据Tomasi和Volkow在Linux平台上描述的方法编写的内部脚本^[24]计算每个体素的FCD，对大脑中所有的体素重复这个计算。使两体素进行Pearson线性相关，相关系数R＞0.6被认为显著相关^[16]。通过除以全脑所有体素的均值来增加数据分布的正态性，得到FCD的大尺度均值。然后将每个受试者的时间变异图归一化为Z-score矩阵，最后对归一化后的图像进行平滑处理（半最大值高斯核下全宽6 mm×6 mm×6 mm）^[25]。

1.3 统计学方法

       数据统计采用SPSS 21.0软件和Matlab平台的SPM软件。首先对轻度尼古丁依赖组、重度尼古丁依赖组及对照组三组人口学特征进行非参数检验（检验水准P＜0.05）。然后将年龄、受教育年限、帧位移参数均值作为协变量，对三组FCD的变化进行ANOVA分析，采用高斯随机场（Gaussian random field, GRF）校正（体素水平P＜0.005，团块水平P＜0.01），得到三组间差异的F图。提取FCD分析生成的组间差异F图中存在显著差异脑区的FCD信号均值，进行轻度尼古丁依赖组、重度尼古丁依赖组、对照组两两组间分析（Bonferroni校正，P＜0.05）。

2 结果

2.1 受试者基本临床信息

       本研究所有受试者均为成年男性、汉族、右利手，轻度尼古丁依赖组59例，重度尼古丁依赖组61例，对照组56例。尼古丁依赖组和对照组间年龄、受教育程度差异均无统计学意义（P值均大于0.05，表1）。

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表1  三组基本临床信息表
Tab. 1  Demographic and smoking behaviors

2.2 FCD分析结果

       研究结果表明尼古丁依赖者FCD的改变集中表现在视觉皮层，包括双侧距状裂周围皮层及右侧楔叶（GRF校正，体素水平P＜0.005，团块水平P＜0.01），结果见表2、图1。组间分析结果表明，相较于对照组，轻度尼古丁依赖者及重度尼古丁依赖者均表现出双侧距状裂周围皮层FCD的降低；与对照组相比，只有重度尼古丁依赖者显示出右侧楔叶FCD的降低（Bonferroni校正，P＜0.05），结果见图2。

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图1  三组组间功能连接密度差异脑区的分布。1A为轴位观；1B为冠状位观；1C为矢状位观。图中由红色至黄色表示差异F值逐渐增加（体素P＜0.005，团块P＜0.01，高斯随机场校正）。
Fig. 1  Distribution of brain regions with different functional connectivity density among the three groups. 1A is axial view; 1B is coronal view; 1C is sagittal view. The figure from red to yellow shows a gradual increase in difference F value (voxel P＜0.005, mass P＜0.01, Gaussian random field corrected).

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图2  事后分析的结果。“*”代表组间差异有统计学意义，不同个数的“*”代表不同程度的P值。FCD：功能连接密度；HS：重度尼古丁依赖组；LS：轻度尼古丁依赖组；HC：对照组。
Fig. 2  The results of post-hoc analysis. “*” represents statistically significant differences between groups. Different numbers of “*” represent different degrees of P value. FCD: functional connectivity density; HS: severe nicotine dependent group; LS: mild nicotine dependent group; HC: control group.

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表2  三组组间FCD差异脑区的分布
Tab. 2  Distribution of brain regions with different FCD among the three groups

3 讨论

       本研究采用FCD的方法在轻度尼古丁依赖组、重度尼古丁依赖组及对照组三组间探索不同程度尼古丁依赖者共有的及特异的脑区功能改变。研究发现，相较于对照组，轻度尼古丁依赖组和重度尼古丁依赖组均存在双侧距状裂周围皮层的FCD降低，该脑区的异常被认为是尼古丁依赖者共有的异常神经活动区域；此外，与对照组相比，只有重度尼古丁依赖组表现出右侧楔叶的FCD降低，这可能是重度尼古丁依赖者特异的异常神经活动区域。

       先前研究表明，距状裂周围皮层是视觉注意网络的组成部分，在进行视觉信息整合和视觉注意的处理中起着重要作用^[26]。双侧距状裂周围皮层又是枕叶皮层的重要组成部分，枕叶皮层被认为是视觉皮层的初级脑区^[27]。本研究中尼古丁依赖者在初级视觉皮层FCD的降低提示了视觉网络功能障碍，即在大脑活动中作为信息节点的作用减弱。注意偏向是个体对信息的选择性注意^[28]，根据以往的研究^{[29, 30]}，尼古丁依赖者最初对香烟线索表现出自上而下的注意偏向障碍以及抑制注意偏向障碍。先前的研究^{[31, 32]}已经广泛研究了视觉皮层特征选择自上而下的注意偏向机制，研究表明，注意偏向通过调节感觉视觉区域的神经加工增益来发挥其作用。HAVERMANS等^[33]发现注意偏向障碍可能会影响基本的视觉对象处理过程。因此，本研究中发现初级视觉相关脑区出现功能活动的异常减低与尼古丁依赖者的注意偏向障碍有关，使尼古丁依赖者更易收集到香烟相关的信息，从而诱发渴望引起吸烟行为的发生。且轻度尼古丁依赖组和重度尼古丁依赖组均存在双侧距状裂周围皮层FCD的降低，表明视觉网络功能障碍随着尼古丁依赖的进展持续存在，提示视觉皮层可能是尼古丁依赖者共有的异常神经活动区域。

       此外，本研究发现，相较于对照组，重度尼古丁依赖组表现出右侧楔叶的FCD显著降低。楔叶是视觉联想皮层的一部分，被认为在视觉信息的收集中发挥着关键作用^[24,34]，参与视觉空间选择性注意的自下而上控制，即刺激驱动注意^[35]。先前提出的“激励-习惯理论”认为吸烟是习惯反应的一种形式，即随着成瘾的进展，吸烟行为从开始明确的、有意识的激励反应模式转变为强迫性的、自动的异常习惯反应模式^[36]，这一理论表明尼古丁依赖程度更重的人群在面对吸烟线索诱导时产生的注意力偏向作用相较于尼古丁依赖程度较轻的人群减弱^[37]。本次FCD研究中，只有重度尼古丁依赖组表现出右侧楔叶FCD的降低，轻度尼古丁依赖组与对照组未见明显差异，该区域可能是重度尼古丁依赖者特异的异常神经活动区域，提示重度尼古丁依赖者初级视觉皮层的功能协调性下降更大，视觉刺激作用在尼古丁依赖程度较重的人群维持吸烟行为中发挥的作用减弱，这可能与重度尼古丁依赖者的吸烟行为倾向于习惯自发性有关。

       本研究尚有一定的局限性。当前研究并未发现轻度尼古丁依赖组与重度尼古丁依赖组之间的差异脑区，可能是由于本研究的样本量相对较小，未来需要纳入更多数据来验证及补充我们在不同程度尼古丁依赖者中的研究发现；已有研究证明尼古丁依赖者神经活动的变化存在性别及种族差异^{[38, 39, 40]}，本研究的受试者都是汉族男性，没有分析吸烟者大脑功能的变化在种族、性别中的差异，研究结果缺乏人群普适性；本研究是横断面研究，未来需要一批纵向数据来验证该结果。

4 结论

       综上所述，本研究发现尼古丁依赖者存在共有的与视觉注意网络相关的脑区功能改变，该改变随着尼古丁依赖的进展持续存在；此外，重度尼古丁依赖者存在其特有的异常神经活动区域，这可能与尼古丁依赖程度更重的人群的吸烟行为倾向于习惯自发性有关。这些发现为不同程度尼古丁依赖的潜在神经机制提供了新的见解。