Environment International：兒童閱讀網(wǎng)絡(luò)的功能連接與其產(chǎn)前接觸的多溴聯(lián)苯醚濃度有關(guān)

環(huán)境和人類的發(fā)展息息相關(guān)，環(huán)境的惡化給人類帶來的不僅僅是表面看起來的危機(jī)，生存在環(huán)境問題嚴(yán)重的人群中可能也被潛在的影響甚至于改變其發(fā)展軌跡。兒童在幼年階段尤其容易受到此類問題的困擾，但環(huán)境變化如何具體作用于我們?nèi)梭w目前還不清楚，因此，有大量研究在對類似問題進(jìn)行研究（比如中國霧霾問題的大規(guī)模研究）。閱讀障礙是一種目前仍舊不清楚其病理成因的語言障礙之一，其中，遺傳因素可以解釋60%的閱讀障礙患者的障礙成因。有研究者指出暴露于神經(jīng)性毒物，包括多溴二苯醚(PBDEs，一種神經(jīng)毒物，被大量用作印制板基材覆銅箔層壓板與半固化片的阻燃劑，被混合在樹脂中，有毒，味道類似桉樹氣)，可能是該問題研究中容易被忽視的危險(xiǎn)因素（如果兒童在出生前就長期保留此類毒物濃度較大的環(huán)境中，其遺傳因素可能受到影響）。為此，來自哥倫比亞大學(xué)的研究者使用靜息態(tài)功能性磁共振成像(rs-fMRI)檢查了5歲兒童社區(qū)樣本(N=33)中產(chǎn)前PBDE濃度與閱讀相關(guān)網(wǎng)絡(luò)(RN)功能連接的相關(guān)性。產(chǎn)婦血清中的多溴二苯醚(ΣPBDE)含量測定在12.2 （Mean）+2.8(SD)妊娠周進(jìn)行。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些5歲兒童在產(chǎn)前接觸到的ΣPBDE濃度越高，其閱讀網(wǎng)絡(luò)的全局效率就越低，而ΣPBDE濃度與DMN網(wǎng)絡(luò)則不相關(guān)，這說明了ΣPBDE濃度的影響是具有特異性的。本研究發(fā)表在環(huán)境與健康類著名雜志Environment International上。

研究背景：

在美國，大約有200萬兒童有特殊的學(xué)習(xí)障礙，其中80%患有閱讀障礙（RD）。這些兒童在學(xué)業(yè)失敗、抑郁、焦慮、濫用藥物和失業(yè)方面的風(fēng)險(xiǎn)都大幅增加。雖然對RD病因的研究主要集中在內(nèi)源性因素，如遺傳和智力，這些因素只能解釋RD中約60%的差異。外源性的、可改變的環(huán)境因素，如暴露于神經(jīng)毒物，包括多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)，可能是RD研究中被忽視的危險(xiǎn)因素。多溴二苯醚是一類生物積累的鹵代化合物，曾被廣泛用作阻燃劑，目前仍存在于織物、家具、電子產(chǎn)品、電線絕緣和嬰兒用品等消費(fèi)品中。盡管在過去的20年里，PBDE在美國已經(jīng)逐步被淘汰，但通過現(xiàn)有產(chǎn)品的釋放和環(huán)境中的生物持續(xù)性，PBDE的持續(xù)暴露仍然存在。

多溴二苯醚暴露是由于吸入或攝入家庭灰塵或受污染的食物，并在脂肪組織中積累。研究表明，在美國，幾乎所有人都暴露于多溴二苯醚，在全國有代表性的全國健康與營養(yǎng)檢查調(diào)查(NHANES)中，97%的美國成人樣本血液中可檢測到多溴二苯醚水平。產(chǎn)前暴露于多溴二苯醚可能通過間接作用(如破壞甲狀腺激素)或氧化應(yīng)激和DNA損傷等直接機(jī)制破壞兒童的大腦發(fā)育。多溴二苯醚可能會干擾神經(jīng)元分化、突觸形成和髓鞘形成，這些都對大腦的健康發(fā)育至關(guān)重要。在第一項(xiàng)關(guān)于產(chǎn)前多溴二苯醚濃度對人類大腦功能影響的MRI研究中，作者最近發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)前孕婦血清中多溴二苯醚濃度較高與支持視覺注意力和執(zhí)行功能受損的大腦區(qū)域整體效率的改變有關(guān)。流行病學(xué)證據(jù)則表明，母親多溴二苯醚濃度與兒童期不良神經(jīng)發(fā)育結(jié)果之間存在關(guān)聯(lián)，包括認(rèn)知能力下降。因此，產(chǎn)前孕婦血清中多溴二苯醚濃度較高與閱讀障礙兒童的腦功能發(fā)育以及其閱讀能力之間是否存在關(guān)系值得深入研究。

作者在一項(xiàng)縱向出生隊(duì)列研究中登記的5歲兒童樣本中，檢查了這些兒童母親的產(chǎn)前多溴二苯醚濃度，以及這些兒童的閱讀技能和支持閱讀的大腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的靜息狀態(tài)功能連接之間的關(guān)聯(lián)。作者的研究設(shè)計(jì)如下:

(1) 計(jì)算來自于5歲兒童社區(qū)樣本的RN（閱讀網(wǎng)絡(luò)）連通性;

(2) 檢驗(yàn)RN連通性與閱讀技能的關(guān)系(即文字識別);

(3) 檢驗(yàn)?zāi)阁w血清PBDE濃度是否與RN連接和閱讀技能改變有關(guān)。還探討了哪些PBDE同源基因?qū)N連接和閱讀技能的改變貢獻(xiàn)最大。

研究方法：

被試：

從316對母親-孩子組合的持續(xù)的縱向出生隊(duì)列中選擇了47名兒童(Horton et al.， 2013)，參與一天的訪問，包括核磁共振掃描和閱讀評估。本試點(diǎn)研究的47名研究對象的樣本來自2009年至2010年的父母隊(duì)列研究。其中14名兒童由于頭動、數(shù)據(jù)值異常等原因被排除在外，最后納入分析的被試為33名兒童。

母親產(chǎn)前的PBDE濃度測量

在妊娠的前三個(gè)月或后三個(gè)月定期進(jìn)行產(chǎn)前抽血時(shí)(中位值為12.2周，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.8周)，通過無菌靜脈穿刺收集孕婦血清，測量PBDEs。關(guān)于本隊(duì)列中多溴二苯醚同系物的樣本收集和分析的完整細(xì)節(jié)已經(jīng)發(fā)表。

閱讀技能測試

在MRI掃描之前，由一名訓(xùn)練有素的研究助理在訪問當(dāng)天進(jìn)行全面的閱讀評估。管理和評分由注冊心理學(xué)家審查。孩子們完成了閱讀準(zhǔn)備的測試。包括：伍德考克閱讀精熟測驗(yàn)（WRMT-2，字母識別測試）;;基本閱讀技能測試(WRMT-2，單詞識別)。此外，在其他部分還評估了可能有助于獲得閱讀技能的認(rèn)知技能，包括：Wide Range Assessment of Memory and Learning 第二版、Sound Symbol Learning測試、Woodcock Johnson Test ofCognitive Abilities測試、Visual Auditory Learning測試和Comprehensive Test of Phonological Processing測試。這些測試表都是針對英文的，如果想使用，可能只能自己翻譯了。

目前的研究集中在大腦連接和基本閱讀技能之間的聯(lián)系，因此，只分析了通過單詞識別子測試的單詞閱讀能力。由于缺乏可變性，字母識別沒有被檢查(< 10%的參與者表現(xiàn)低于平均值1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差)。單詞識別得分的殘差為正態(tài)分布，因此在參數(shù)檢驗(yàn)中將其作為一個(gè)連續(xù)變量。

靜息態(tài)數(shù)據(jù)收集和處理

作者對每個(gè)兒童收集了5分鐘的靜息態(tài)數(shù)據(jù)（個(gè)人感覺有點(diǎn)兒短了，但考慮到5歲兒童，確實(shí)不好采集）。8通道線圈，西門子3T機(jī)器。TR為2s，采集為順序采集（沒有用現(xiàn)在更常用的隔層掃描），44層，視野24cm，體素大小為3*3*3，翻轉(zhuǎn)角度72度，矩陣大小為80*80（mm）。為了配準(zhǔn)，作者還采集了每個(gè)兒童的T1結(jié)構(gòu)像，在采集期間手動檢查質(zhì)量，采集參數(shù)為常見參數(shù)，無特殊修改。作者使用了FSL來做數(shù)據(jù)預(yù)處理，刪除了前兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，然后先進(jìn)行頭動校正，再進(jìn)行時(shí)間層校正（這和我們常說的順序掃描先頭動后時(shí)間層是一樣的順序）。然后在剝頭皮的基礎(chǔ)上使用非線性配準(zhǔn)和兩步配準(zhǔn)法把功能性配準(zhǔn)至標(biāo)準(zhǔn)空間（MNI）。最后，使用了6mm的空間平滑。然后，作者使用了CONN工具包完成了后續(xù)的數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括逐幀頭動的檢查、協(xié)變量處理（頭動、腦脊液和白質(zhì)信號）、0.008-0.09的帶通濾波和剔除全腦信號Z大于3的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

閱讀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：

作者使用的閱讀網(wǎng)絡(luò)的12個(gè)種子點(diǎn)（表1，圖1）是在之前的任務(wù)態(tài)研究中確定的，作者使用MARSBAR根據(jù)這12個(gè)種子點(diǎn)的MNI坐標(biāo)為中心，畫6mm小球的方式創(chuàng)建了種子點(diǎn)。作為對照網(wǎng)絡(luò)，作者還選取了DMN網(wǎng)絡(luò)的九個(gè)節(jié)點(diǎn)來以相同方法構(gòu)建DMN網(wǎng)絡(luò)。

利用各網(wǎng)絡(luò)間兩兩相關(guān)系數(shù)（皮爾遜相關(guān)）的均值來構(gòu)建每個(gè)被試的閱讀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)效率是通過全局效率(Global efficiency，GE)來衡量的，全局效率是一種大腦整合的圖論測量方法，它反映了從網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)區(qū)域到所有其他區(qū)域的效率高低。

之所以評估GE而不是其他圖論指標(biāo)，是因?yàn)樽髡邔N的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)集成更感興趣。使用圖論分析中常用的固定閾值(稀疏度> 0.15)分別計(jì)算每個(gè)參與者的RN（閱讀網(wǎng)絡(luò)）和DMN（默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)）的GE。在以前的工作中，全局效率在0.15稀疏度時(shí)，結(jié)果最為穩(wěn)定。為了確保結(jié)果的穩(wěn)健性，與之前的研究一致，RN和DMN的平均GE通過兩個(gè)額外的稀疏度進(jìn)行了評估，這兩個(gè)閾值與初始固定值(0.125、0.15、0.175)之間的增量很小。表1 所有種子點(diǎn)的MNI坐標(biāo)

圖一閱讀網(wǎng)絡(luò)種子點(diǎn)

圖S3. Reading Network(RN) 和 Default Mode Network (DMN)感興趣區(qū)的可視化. RN ROIs紅色標(biāo)記， DMN ROIs 藍(lán)色標(biāo)記.

縮寫詞： L = left, R = right; ACC = anterior cingulatecortex, AG = angular gyrus, FFG = fusiform gyrus, IFGop = inferior frontalgyrus pars opercularis, IFGtr = inferior frontal gyrus pars triangularis, IPL =inferior parietal lobule, IPS = intraparietal sulcus, IOG = inferior occipitalgyrus, MFG = middle frontal gyrus, MPFC = medial prefrontal cortex, MTG =middle temporal gyrus, PCC = posterior cingulate cortex, PCG = precentralgyrus, PCUN = precuneus, SMA = supplementary motor area, THAL = thalamus, TPJ =temporoparietal junction.

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第十四屆磁共振腦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理班（重慶）

第十一屆磁共振彌散張量成像數(shù)據(jù)處理班

第六屆任務(wù)態(tài)fMRI專題班（重慶）

第二十七屆磁共振腦影像基礎(chǔ)班（南京）

第九屆磁共振腦影像結(jié)構(gòu)班(南京）

第十屆腦影像機(jī)器學(xué)習(xí)班（南京）

數(shù)據(jù)分析：作者首先檢驗(yàn)了因變量和自變量的分布(圖S2)。為了解決參數(shù)檢驗(yàn)的假設(shè)，通過非正態(tài)分布變量的P-P圖檢驗(yàn)殘差的分布。如果這些殘差是正態(tài)分布，則不進(jìn)行變量轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)缺失的病例被排除在分析之外。所有檢驗(yàn)均為雙尾檢驗(yàn)，顯著性水平為p < .05。

圖S2 因變量和自變量的分布

首先，使用單樣本t檢驗(yàn)來測試平均RN連通性是否顯著不為0，也就是說，以前在成人和較大的兒童中識別建立的這個(gè)假定的RN，在這個(gè)幼兒樣本中也很明顯。此外，使用配對樣本t檢驗(yàn)來檢驗(yàn)平均RN連通性是否與隨機(jī)生成的網(wǎng)絡(luò)(12個(gè)6 mm的球體，以隨機(jī)生成的峰值坐標(biāo)為中心)有顯著差異。然后使用三個(gè)線性回歸分析來檢查RN的全局效率、單詞識別和PBDE之間的關(guān)聯(lián)。模型包括一系列已知的大腦連接(年齡、性別、出生體重、社會經(jīng)濟(jì)地位[SES]、平均頭部運(yùn)動和全球相關(guān)性)和閱讀(性別、出生體重、社會經(jīng)濟(jì)地位和語言智商[VIQ])的潛在混雜因素。

通過加權(quán)分位數(shù)和(WQS)回歸，控制性別、出生體重和平均運(yùn)動，進(jìn)一步評估PBDE濃度與RN的單詞識別或GE之間的關(guān)系。該方法被用來評估四個(gè)高度相關(guān)的PBDE同源物(PBDE 47、99、100和153)和RN的單詞識別(GE)之間的相關(guān)性。WQS可以評估混合物的整體影響，并確定每個(gè)同類個(gè)體對整體影響的貢獻(xiàn)。

結(jié)果：

被試：33名兒童(54%女性;目前的分析包括82%的西班牙裔、12%的非西班牙裔白人、3%的非洲裔美國人、3%的其他)。參與MRI研究的兒童在人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特征或多溴二苯醚暴露方面與較大隊(duì)列中的兒童沒有差異。在rs-fMRI分析中，33名受試者和14名受試者（未參與核磁掃描的）的PBDE濃度和閱讀水平均無差異。參與研究的兒童年齡中位數(shù)為5.0歲。這些參與實(shí)驗(yàn)的兒童的單詞識別能力在單詞識別上處于國內(nèi)兒童的平均范圍內(nèi)(平均值= 95.6;相對于國家標(biāo)準(zhǔn)(平均值= 100;SD = 15)。產(chǎn)前PBDE濃度見表3。這四個(gè)同源基因的濃度顯著相關(guān)(Spearman rs 0.41 - 0.92，所有p < 0.015)，并且這些分析中的兒童的相應(yīng)數(shù)據(jù)與父母隊(duì)列中的兒童之間沒有顯著差異（表1）。

表2 人口學(xué)基本信息和閱讀各項(xiàng)技能測試結(jié)果

閱讀網(wǎng)絡(luò)：其中，平均RN（閱讀網(wǎng)絡(luò)）連通性顯著大于0(t(32) = 9.478, p < .0001)，顯著大于隨機(jī)生成網(wǎng)絡(luò)的平均連通性(t(32) = 4.632, p < .0001)。RN更大的GE(平均值=0.274;SD = 0.042)與更高的詞識別分?jǐn)?shù)存在顯著的相關(guān)關(guān)系(βu = 205.55,t(27) = 2.09, p = .050，圖2)。同時(shí)，RN的GE（全局效率）越大，兒童的平均單詞識別得分越高(該關(guān)系在三個(gè)閾值下結(jié)果均顯著，βu = 233.1, βst = 0.57, CI βst: 0.03, 1.11; t(27) = 2.21, p = .039）。作為對照網(wǎng)絡(luò)，DMN的GE與單詞識別的得分無關(guān)。

圖2 閱讀網(wǎng)絡(luò)的全局效率和詞匯識別分?jǐn)?shù)的相關(guān)

PBDEs 和閱讀能力

在稀疏度值為0.15時(shí)，較高的產(chǎn)前PBDEs水平與較低的RN的調(diào)整后GE相關(guān)（圖3，之所以是調(diào)整后，是因?yàn)檫M(jìn)行了轉(zhuǎn)換，使其正態(tài)，(βu = ?0.001, βst = ?0.55, CIβst: ?1.01, ?0.09; t(30) = ?2.50, p = .02）。說明PBDE濃度升高10ng與全局效率降低0.01有關(guān)。在三個(gè)不同稀疏度的閾值下，得到的結(jié)果是類似的。在調(diào)整了兩個(gè)潛在的異常值之后，這種相關(guān)性仍然顯著。

圖3 較高的產(chǎn)前PBDEs與RN網(wǎng)絡(luò)的全局效率負(fù)相關(guān)

作者利用WQS混合方法，發(fā)現(xiàn)加權(quán)PBDE指數(shù)與RN的全局效率呈負(fù)相關(guān)。暴露指數(shù)每增加1/ 5，可檢測到閱讀網(wǎng)絡(luò)的全局效率減少0.01(95%置信區(qū)間:0.02,0.003)(p = .006)。同源基因47和153對全局效率的變化貢獻(xiàn)最大。PBDE同系物99和100對這種關(guān)聯(lián)的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)(權(quán)重為3%)。

總結(jié)：

該研究結(jié)果表明，在5歲以下的兒童中，存在閱讀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的連接，并且該網(wǎng)絡(luò)的全局效率增加與更好的單詞閱讀能力相關(guān)。同時(shí)，這項(xiàng)初步研究證明，閱讀網(wǎng)絡(luò)的損傷與其產(chǎn)前暴露于PBDEs環(huán)境中是存在顯著關(guān)聯(lián)的，而單詞閱讀能力則與產(chǎn)前PBDE濃度無關(guān)。該發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了在研究閱讀障礙的病因因素時(shí)，檢查產(chǎn)前和早期生活接觸環(huán)境神經(jīng)毒物的重要性，以及識別影響和預(yù)測認(rèn)知和行為結(jié)果的神經(jīng)生物學(xué)標(biāo)記的潛在重要性。

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