急性饮酒对青年人记忆功能相关脑区CBF 及OEF影响的多模态磁共振研究

桑菲，陈军，敖亚雯，张亮，聂鸿雁

作者单位：1.北京大学深圳医院医学影像科，深圳518035；2.武汉大学人民医院放射科，武汉430060；3.华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科，武汉430030

饮酒可通过影响中枢神经系统而影响人的情感和认知[1-2]。大量饮酒对记忆可造成显著的影响，尤其对信息长期储存的传递过程影响较大，可部分或完全阻止记忆的形成[2]，且这种影响更易出现在大量饮酒的年轻人[3]。Nguyen-Louie 等[4]对青年志愿者研究发现，饮酒后志愿者对图片的回忆数量减少，提示酒精会影响显性和隐性的记忆过程。参与记忆功能的相关脑区主要有前额叶皮层、内侧颞叶记忆系统、间脑、边缘系统、小脑等[2,5-6]。研究发现[7]，在饮酒后30 min 内，血液酒精浓度(blood alcohol concentration，BAC)迅速上升，约l～1.5 h 达高峰，之后开始下降，且酒精导致的认知功能损害程度会随BAC的下降而减低，对急性饮酒后的认知功能影响多于饮酒后1～1.5 h内进行。因此本研究中饮酒后的数据采集在饮酒后30 min进行。

本研究利用功能性磁共振成像方法探讨急性饮酒对记忆功能影响的神经机制，研究脑区主要包括左侧额中回皮层、顶叶皮层、枕叶皮层、双侧扣带回、海马、杏仁核及小脑半球等记忆功能相关脑区，通过检测相关脑区饮酒前及饮酒后30 min 脑血流灌注(cerebral blood flow，CBF)和氧摄取分数(oxygen extraction fraction，OEF)，评价脑功能活动变化情况，从而探讨急性饮酒对记忆功能相关脑区影响的可能机制。

1 材料与方法

1.1 研究对象及分组

本研究为前瞻性分析。本研究志愿者纳入标准：18～44 岁健康男、女性，右利手。排除标准：妊娠、近期计划妊娠或哺乳期女性，既往严重酒精过敏史者，既往有手术史者，既往有心血管、神经系统疾病、精神病史者，受试本人及直系亲属有抽烟、酗酒史者，受试前有睡眠剥夺、睡眠障碍等症状者，受试前72 h内食用或饮用含酒精或咖啡因的食物或饮料者，有磁共振检查相关禁忌证者，颅脑MRI 平扫发现异常者。本研究已经武汉大学人民医院医学伦理委员会批准同意，所有志愿者受试前均被详细告知实验流程，自愿参加实验。实验前，所有受试者均签署知情同意书、完整填写磁共振安全审查表。

本研究共收集29 名青年健康志愿者，其中男性15 名，女性14 名，年龄23～36 岁(平均年龄26 岁)，受教育年限为17～20年(平均受教育年限19年)。29名受试者均于5～10 min饮完不同剂量的白酒，期间辅以少量食物以缓解饮酒对食道和胃部造成的刺激和不适。统一用酒为关公坊(42% vol. 500 ml)(湖北关公坊酒业股份有限公司)。

所有志愿者饮酒前及饮酒后30 min分别做一次蒙特利尔认知评估量表(Montreal cognitive assessment scale，MoCA)、数字广度实验(顺背和倒背)和数字符号实验，以分析饮酒前、后志愿者的认知功能及记忆功能改变。对所有志愿者饮酒前及饮酒后30 min 分别做一次多模态MRI 扫描；饮酒后30 min 对志愿者进行采血，以检测血液酒精含量。根据BAC，将实验组数据分为低浓度(血液酒精含量≥40 mg/100 ml，BAC≥0.04%)、中浓度(血液酒精含量≥60 mg/100 ml，BAC≥0.06%)和高浓度(血液酒精含量≥80 mg/100 ml，BAC浓度≥0.08%)三组。

1.2 实验数据采集

所有影像图像采集均在武汉大学人民医院放射科完成，所有颅脑磁共振检查均采用美国GE 公司的3.0 T (Discovery MR 750 Plus，GE Healthcare，Milwaukee，Wisconsin，USA)超导型MRI 扫描仪，扫描使用8通道相控阵头部线圈，配套使用泡沫垫以固定头部。扫描时所有受试者均采取仰卧位、头先进，嘱受试者尽量放松、轻闭双眼、尽量避免思考，嘱受试者尽量保持身体不动。所有检查均在扫描参数相同的情况下进行，所有扫描操作由1名熟练的放射科技师进行。

对受试者饮酒前后均采用多模态MRI扫描，其序列包括：常规横断位T2WI PROPELLER，三维伪连续式动脉自旋标记(three-dimensional pseudo-continuous arterial spin labeling，3D pCASL)和非对称基于自旋回波的回波平面成像(asymmetric spine echo-based echo plane imaging，ASE EPI)。横断位T2WI PROPELLER 序列采用快速自旋回波(fast spin echo，FSE)脉冲序列，TR 5752 ms，TE 93 ms，激励次数1.5，FOV 24.0 cm×24.0 cm，矩阵512×512，层厚5 mm，层 间 距1.5 mm，扫 描 时 间1 min 26 s。3D pCASL 技术采用三维快速自旋回波(3D fast spin echo，3D FSE)序 列 采 集 信 号，TR 4500 ms，TE 10.5 ms，激励次数3，FOV 24.0 cm×24.0 cm，矩阵1024×8，层厚4 mm，层间距0 mm，层数36，标记后延迟时间(post label delay，PLD) 1525 ms，扫描时间4 min 29 s。ASE EPI 成像采用回波平面(echo planar imaging，EPI)序列、非对称基于自旋回波(asymmetric spin-based echo，ASE)脉冲采集信号，TR 4000 ms，TE 77.6 ms，FOV 24.0 cm×24.0 cm，层厚5 mm，层间距0 mm，激励次数2，扫描层数32 层，扫描时间3 min 16 s。

1.3 血液检测

饮酒后30 min，抽取志愿者静脉血约3 ml 于促凝管，血液样本经离心后取血清，使用自动生化分析仪(VITROS51FS，美国强生)检测所抽取血液中酒精浓度。

1.4 图像后处理

由2 名具有丰富磁共振诊断经验的放射科医师进行3D pCASL 和ASE EPI 图像后处理，将3D pCASL和ASE EPI 的原始图像传输至GE AW 4.6 工作站，在Functool 分析软件上进行图像后处理，于工作站上自动生成相应的CBF和OEF图。手动勾画记忆功能相关脑区的感兴趣区(region of interest，ROI)，各ROI 面积约为50～100 mm2，ROI 的选取尽量避开邻近的脑室及脑沟、裂，于每个相关脑区上各选择3个ROI进行测值并记录，求得各脑区所测平均值，并最终求得1名放射科技师所测值的平均值以供统计学分析。

1.5 统计学分析

以饮酒前组作为对照组，饮酒后30 min 组作为实验组，对饮酒前、后记忆功能量表的分值和3D pCASL，ASE EPI 成像数据所测得的CBF 值，OEF 值采用计量资料以± s 表示，利用SPSS 20.0 统计软件进行分析，比较饮酒前、后记忆功能量表的得分采用配对样本t检验，实验组与对照组比较采用配对样本t检验，对饮酒后不同剂量组的比较采用单因素方差分析(One-Way ANOVA)，进一步对不同剂量组之间均数的多重比较采用LSD-t 检验，以P＜0.05 认为差异有统计学意义。

2 结果

根据BAC，将饮酒后30 min 实验组分为低、中和高浓度三组。其中低浓度组10 例，中浓度组10 例，高浓度组9例(表1)。

2.1 饮酒前、后记忆功能量表评价

饮酒前后，志愿者MoCA量表、数字广度顺背、数字广度倒背和数字符号实验的总体方差齐，行配对样本t 检验发现，与饮酒前相比，饮酒后30 min 志愿者MoCA 量 表(t=1.410，P=0.169)、数 字 广 度 顺 背(t=-0.828，P=0.415)、数字广度倒背(t=1.558，P=0.130)和数字符号实验(t=1.105，P=0.279)所得分值差异无显著统计学意义(表2)。

2.2 饮酒前、后记忆功能相关脑区CBF差异

饮酒前后，各记忆功能相关脑区的总体CBF方差齐，行配对样本t 检验发现，饮酒后30 min 与饮酒前相比，左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马、杏仁核平均CBF 增加，而双侧小脑半球平均CBF减低(P＜0.05)(图1，表3)。

对各相关脑区的不同剂量组间CBF 行单因素方差分析，发现不同剂量急性饮酒后，左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马、杏仁核及小脑半球等脑区平均CBF 差异具有统计学意义(P＜0.05)(表4)，后经多重比较LSD-t 检验，发现不同剂量组间平均CBF差异均有统计学意义(P＜0.05)(表5)。饮酒后30 min，轻、中、重度浓度组间平均CBF呈正线性关系(图2)。

表1 饮酒后不同浓度组血液酒精含量(mg/100 ml)Tab.1 BAC values of different concentration groups after drinking(mg/100 ml)

表2 饮酒前后记忆功能量表分值t检验Tab.2 T test of scores of memory function scale before and after drinking

表3 饮酒前与饮酒后30 min脑CBF(ml/100mg/min)，OEF(%)t检验Tab.3 T test of brain CBF(ml/100 mg/min),OEF(%)before and 30 minutes after drinking

2.3 饮酒前、后记忆功能相关脑区OEF差异

饮酒前、后，各记忆功能相关脑区的总体OEF 方差齐，行配对样本t检验发现，与饮酒前相比，饮酒后30 min 左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马平均OEF 减低，而双侧小脑半球平均OEF 增加(P＜0.05)(表3)。对各记忆功能相关脑区的不同剂量组间OEF行单因素方差分析，发现不同剂量急性饮酒后，左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马及小脑半球等脑区平均OEF 差异具有统计学意义(P＜0.05)(表6)，后经多重比较LSD-t 检验，发现不同剂量组间平均OEF 差异均有统计学意义(P＜0.05)(表7)。饮酒后30 min，轻、中、重度浓度组间平均OEF呈负线性关系(图3)。

饮酒前与饮酒后30 min、不同剂量饮酒后，双侧杏仁核平均OEF 差异无统计学意义(P＞0.05)(表3，6)。

3 讨论

3.1 急性饮酒对记忆功能相关脑区CBF影响的分析

ASL 以磁化标记的水质子作为内源性标记物，通过饱和脉冲抑制流入组织内的血液信号，对标记与无标记下采集的图像进行减影处理，获得具有血流依赖对比的灌注加权图像。ASL 成像对组织血流量进行定量评价，反映组织微循环的血流灌注情况，可用于判断神经系统的活力与功能。

研究表明[8]，急性饮酒会影响直接视觉和工作记忆执行能力，且中间背外侧前额叶区域的结构异常与酗酒有关。顺行性遗忘是急性酒精中毒较为常见的后遗症，多出现于饮酒伴有宿醉时，可能是由海马的短时记忆功能被酒精抑制所致。此外，海马与年轻人滥用酒精有关[2]。青年人饮酒后首先会出现记忆和执行功能的损伤，与之对应的是海马和前额叶脑区的结构变化[5,9]。另有文献报道，酒精导致脑损害的靶区主要包括中脑边缘多巴胺(dopamine，DA)系统、丘脑及下丘脑等[6]。其中，中脑边缘DA 系统的投射区域[6]主要有伏隔核、前额皮质、杏仁核和海马。小脑与前额叶功能密切相关，大脑皮层-脑干-小脑间存在环路，此环路与学习、记忆有关[10]。

本研究发现，急性饮酒后30 min，左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马、杏仁核的CBF 明显增加，而双侧小脑半球的CBF 明显减低。左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧海马、扣带回脑血流灌注增加，这与以往研究[3,11]的结论一致，提示这些脑区属于酒精易感区，而这些区域主要参与记忆、决策控制和情感。Vinader-Caerols 等[12]研究发现，饮酒可导致前扣带回皮层和岛叶等脑区的结构性变化，从而导致记忆功能中断。Hoffman 等[13]对不同剂量饮酒后文字记忆的研究发现，与对照组相比，饮酒后受试者的文字记忆力减低，且随着酒精用量的增加，记忆力减低更为明显。不同剂量急性饮酒后，左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马、杏仁核的平均CBF随血液酒精浓度的增加而增加，与Marxen 等[11]的研究结果一致，Marxen 等[11]对50 名健康年轻人的研究发现，饮酒后15 min 内脑灌注随呼气酒精浓度的线性增加而增加，并且脑灌注的增加与呼气酒精浓度密切相关。酒精可以通过直接扩张动脉血管或通过改变脑代谢而间接扩张血管，引起脑血流量增加，通过ASL检测局部脑组织的灌注量，可显示酒精中毒的严重程度，间接反映脑活动的情况，推测其与临床表现的相关关系。

急性饮酒后，双侧小脑半球脑血流量减低，这种结果可能是由于酒精会降低脑血管的扩张储备，而影响脑组织的灌注[14]。饮酒后大、小脑半球出现完全相反的两种灌注信息，是否与其供血血管，即颈内动脉系和椎动脉系的自动调节功能有关，尚有待进一步研究与论证。

3.2 急性饮酒对记忆功能相关脑区OEF影响的分析

MRI 梯度回波采样自旋回波(gradient echo sampling spin echo，GESSE)是近年来在BOLD 效应的基础上研究出的测量OEF值的序列，但是具有只能进行单层扫描、易产生伪影、且易受到磁场不均匀性的影响等不足，为了弥补GESSE 序列的系列缺陷，采用EPI 采集ASE 序列，使用静脉血与周围脑组织的相位差来计算静脉血氧饱和度，间接反映脑组织的OEF变化，只是容易受到气-骨交界区的磁敏感伪影的影响。目前OEF 在脑缺血性疾病、MELAS 等疾病的研究较多[15-16]，但急性饮酒对脑组织氧代谢的影响的相关研究尚未见报道。

图1 饮酒前、饮酒后30 min记忆功能相关脑区CBF差异Fig.1 Difference of CBF in brain regions related to memory function before and 30 minutes after drinking.

图2 饮酒后30 min 不同浓度组的脑CBF (ml/100 mg/min)关系 图3 饮酒后30 min 不同浓度组的脑OEF(%)关系Fig.2 Relationship of brain CBF(ml/100 mg/min)in different concentration groups 30 minutes after drinking.Fig.3 The relationship of brain OEF(%)in different concentration groups 30 minutes after drinking.

OEF 表示脑组织耗氧量占相应脑区动脉血中氧供给的百分比，正常生理条件下，OEF 维持在一个相对稳定的范围内。静息状态下，脑组织的OEF值可以反映神经元活动的基础水平。本研究中，饮酒后30 min 左侧额中回、顶叶、枕叶皮层、双侧扣带回、海马平均OEF 值减低，且不同剂量急性饮酒后，上述脑区平均OEF值随血液酒精浓度增加而减低，提示急性饮酒后脑组织氧摄取减少，局部脑组织氧代谢减低，产生的脱氧血红蛋白减少。这与Wang等[17]研究结果较为一致，Wang等[17]使用PET扫描分析志愿者高剂量饮酒后脑葡萄糖代谢，发现与安慰剂组相比，酒精组全脑葡萄糖代谢减低，且以枕叶皮层减低的程度最为明显。脑组织氧代谢反映了神经元的活性，氧代谢的减少与神经元活性水平的减低以及随之而来的认知功能损伤相关。

脑血流动力学三大参数包括CBF、脑组织氧代谢率(cerebral metabolic rate of oxygen，CMRO2)及OEF，三者之间的关系可以表示为：CMRO2＝OEF×CBF×动脉氧含量。正常生理状态下，脑组织内神经元的氧供给和氧利用维持一定的动态平衡[17]，以维持脑组织的正常功能。当出现某些异常情况则会破坏这种平衡关系，脑血流动力学状态及代谢水平会出现变化[18]，引起脑组织CBF，OEF 的改变，从而使CMRO2保持稳定以保证正常的神经元功能。本研究中，记忆功能相关脑区的平均CBF，OEF值变化呈相反趋势，我们推测可能是由于OEF 随着CBF 的变化而发生变化，以维护脑组织氧供给与代谢的平衡关系。

本团队之前的研究中，以双侧杏仁核为种子点，对慢性嗜酒者静息态下全脑功能连接的研究发现，杏仁核可能参与前额叶-小脑环路的功能调节，且左侧杏仁核功能更易受损[19]。而本研究中，通过对饮酒前、饮酒后30 min 相比及不同剂量组间比较发现，双侧杏仁核平均OEF 差异无统计学意义，可能与杏仁核的复杂功能有关。杏仁核可直接调节情感学习，同时参与情绪的控制、表达和调节，并可促进其他脑区的记忆，由于其功能的多样性，导致其代谢信息较为复杂，难以判断其代谢信息与某单一功能改变的关系；此外，杏仁核邻近颅底骨质，ASE EPI 成像容易受气-骨交界处的磁敏感伪影的影响，导致邻近脑区出现伪影，容易导致后处理图像中所测得数据与实际不符。

表4 饮酒后30 min不同浓度组的脑CBF(ml/100 mg/min)方差分析Tab.4 ANOVA of brain CBF(ml/100mg/min)in different concentration groups 30 minutes after drinking

表5 饮酒后30 min不同浓度组的脑CBF(ml/100 mg/min)LSD-t检验Tab.5 LSD-t test of brain CBF(ml/100 mg/min)in different concentration groups 30 minutes after drinking

表6 饮酒后30 min不同浓度组的脑OEF(%)方差分析Tab.6 ANOVA of brain OEF(%)in different concentration groups 30 minutes after drinking

表7 饮酒后30 min不同浓度组的脑OEF(%)LSD-t检验(P＜0.05)Tab.7 LSD-t test of brain OEF(%)in different concentration groups 30 minutes after drinking(P＜0.05)

3.3 急性饮酒对记忆功能影响的分析

根据记忆保持时间的不同，记忆被分为感觉记忆(又称瞬时记忆)、短时记忆和长时记忆。Perry等[20]的研究发现，急性饮酒可阻止长期记忆的形成，且BAC 越高，对长期记忆形成的影响越大，但是饮酒者仍然能够保持短期记忆，并执行正常活动。本研究中饮酒前后记忆功能量表的测定属于感觉记忆，饮酒前后量表分值差异无统计学意义，提示急性饮酒对感觉记忆的影响不明显。急性饮酒后记忆功能相关脑区CBF 及OEF 的改变，可能提示急性饮酒对短时记忆和(或)长时记忆具有影响。

3.4 结论

3D pCASL 和ASE EPI 能用于综合分析急性饮酒对记忆功能相关脑区CBF 及OEF 的影响，有助于揭示急性饮酒对记忆功能相关脑区影响的作用机制。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。