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[数据分析基础] PNAS:近红外研究:产前农药暴露的青少年的大脑激活情况 [复制链接]

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发表于 2019-9-23 21:25:37 |只看该作者 |倒序浏览
本帖最后由 罗叶双 于 2019-9-23 21:31 编辑

? ???在萨利纳斯母亲和儿童健康评估中心(CHAMACOS),我们报告了产前接触有机磷农药(OP)与较差的认知功能和行为问题之间的一致性关联。然而,几乎没有证据表明OPs如何影响神经动力学的潜在关联。我们使用近红外(fNIRS)来测量95名青少年在执行功能、注意力、社会认知和语言理解任务期间的皮质激活。使用多元回归模型,根据社会人口学特征进行调整,估计了怀孕期间居住环境与OP(有机磷农药)的接近程度与额叶、颞叶和顶叶皮层激活之间的关系。OP暴露与执行功能任务中大脑活动的改变有关。例如,母亲孕期在1公里内的住宅增加了10倍总有机磷农药使用,在认知灵活性任务中双侧前额皮层的大脑激活会减少。我们还发现,产前OP暴露与语言理解任务中大脑激活的性别差异有关。这项关于产前OP暴露的首次功能性神经影像学研究表明,杀虫剂可能影响大脑皮质的激活,这可能是之前报道的OP与认知和行为功能相关的基础。在环境流行病学中使用fNIRs为神经成像技术提供了一种切实可行的研究方法,并加强了我们评估化学暴露对神经发育影响的研究。

关键词:有机磷农药(Organophosphorus pesticides,OPs) ;产前暴露;神经发育;功能神经成像;fNIRS


引言

在美国每年使用8亿磅的农药活性成分,有机磷(OPs)是最常见的应用类杀虫剂。在美国人口中普遍存在暴露在OP农药下的情况,包括孕妇和儿童。主要途径是饮食,包括农药残留在水果和蔬菜。住在靠近农业的和生活工作处于农业环境的个体也通过其他途径暴露于杀虫剂,包括衣服上的残留物和附近田地里的漂浮物。萨利纳斯母亲和儿童健康评估中心(CHAMACOS)的研究是一项纵向研究,位于加利福尼亚州的萨利纳斯山谷,因其农业生产而被称为美国沙拉碗。自1999年以来,我们一直跟踪CHAMACOS项目中的母亲和儿童,调查杀虫剂与儿童生长发育的关系。我们之前测量了在母亲怀孕尿液样本中的二烷基磷酸(DAP)代谢产物,报道了儿童产前有机磷农药暴露(主要是饮食OP暴露)与神经发育结果的关系(包括认知发展较差,注意力问题和孤独症特征,如差的社会认知)。我们还报道了在怀孕期间,在距离母亲家1公里以内的农作物上施用更多的OP(有机磷农药)杀虫剂与较差的智力发育有关,这反映了潜在的农药漂移暴露(意思就是即使不是直接暴露在农药下,农药也会通过其他方式转移到孕妇身体中),但与自闭症特征无关。

产前OP暴露与神经行为结果之间的关联研究表明,OP影响儿童的大脑结构和/或功能。迄今为止,探讨这一假设的唯一神经影像学研究是对40名学龄儿童进行的基于体素的MRI研究:20名高浓度和20名低浓度产前暴露于OP杀虫剂毒死蜱(氯吡硫磷)下的被试。该研究报告了高暴露与低暴露儿童大脑结构的系统性体积差异,见表1。在该表中,我们将使用神经心理学测试的流行病学研究,包括CHAMACOS和其他研究中与产前OP暴露相关的脑区的结构神经成像结果进行了比较(表1,列2)。

表1fNIRS研究的兴趣区域是基于对毒死蜱(氯吡硫磷)暴露儿童的MRI研究中确定的结构,以及OPs和神经发育的流行病学研究



为研究OP对皮质脑激活的影响,并对这些影响进行定位,我们使用功能近红外光谱(fNIRS)对95名青少年CHAMACOS参与者进行了功能神经成像,该技术非常适合于与功能磁共振(fMRI)密切相关的非临床研究环境。我们的主要目的是研究在怀孕期间,母亲接触家附近OP杀虫剂其及与认知灵活性、工作记忆、注意力、社会认知和语言理解任务中的神经活动的关系。




方法

功能神经影像学研究的样本和招募.我们在2009年至2011年招募了参与本研究的被试加入CHAMACOS队列,当时他们9岁。这是CHAMACOS研究的第二次登记(CHAMACOS2或CHAM2登记),其目的是扩大产前登记的队列中现有的(CHAM1)部分,增加人口统计学上相似的儿童。孩子们符合CHAM2的如下招募资格:

1)生于2000年至2002年目前西班牙语或英语;

2)怀孕期间住在Salinas山谷,在孩子9岁仍然居住在那里;

3)怀孕期间有医疗保障;

4)曾接受产前护理;

5)母亲分娩时至少18岁。我们通过小学、图书馆、教堂、食品银行和社区活动招募符合条件的家庭。我们总共为队列中的CHAM2组招募了305名儿童,其中288名儿童在14岁时完成了5年后(2014年至2016年)的研究访问。

2017年,我们从288名积极的CHAM2参与者中招募了一部分人参与这项初步的fNIRS研究。我们这项初步研究的目标参与者人数在80到100人之间。为了优化我们的农药接触测量的精度,根据母亲在孩子9岁时报告的怀孕期间的主要居住地址,我们招募的孩子他们的母亲满足:

1)提供了9岁随访时的可在地图上标出的初次妊娠地址;

2)报告了在她们怀孕的大部分时间里都住在同一个地址吗(本研究的95名参与者中,86人报告她们在怀孕期间没有搬家;9位搬家的母亲平均有87%的怀孕时间是在原住址度过的)。

尽管在数据收集期间,一些本该进行常规16年研究访问的参与者在访问期间被邀请参与研究,但我们主要还是通过电话招募了符合条件的参与者。在所有情况下,我们的研究现场协调员首先描述了fNIRS对青少年父母的研究访问,然后请求允许对青少年的访问。不参与的最常见原因是参与者的电话不通或住在城外;其他原因包括拒绝(n = 7名青少年或他们的母亲拒绝参加)和软禁(n = 2)。当父母和青少年都同意青少年可以参加时,我们安排了一次fNIRS研究访问。家长提供书面许可,青少年(15-16岁)提供书面同意参加。所有的研究活动都得到了加州大学伯克利分校人类受试者保护办公室的批准。我们最终完成了对95名青年的全面fNIRS访问。


功能性神经成像数据的收集:

我们使用fNIRS测量皮质神经活动,这是一种光学神经成像的方法,它表征了事先确定区域的大脑表面的血流动力学变化(即大脑表面的血流动力学变化)。具体来说,我们使用了NIRScout设备,这是一个多功能的神经成像平台,可以定制光导管的位置,以针对大脑特定区域的活动。我们使用基于头围选择的单个大小的帽子(Brain Products)将光导管定位在标准的10-20系统位置。尽管参与者的头部大小发生了变化,但我们对10-20系统位置的帽子大小在空间上进行了调整,这样可以保持我们感兴趣的区域的覆盖的一致性。通道间距离为3厘米。将近红外光谱数据与行为测试同步,监测特定刺激和任务的血流动力学变化。

访问开始时,训练有素的研究人员测量了参与者的头围,选择一个适当大小的帽子,把它放在一个人体头模上,将28个通道(16光源和12探测器)拟合在帽子上固定好(图2和3),旨在优化覆盖住大脑结构的额叶、颞叶和顶叶。图3显示了头皮上的光源和探测器位置,图2显示了通道位置(位于每个源和探测器对之间的中点)以及功能定位团块(稍后将进行描述)。在放置电极帽之前,我们基于之前的产前OP(有机磷农药)暴露神经影像学研究和产前OP暴露的流行病学研究和神经行为的结果选择这些大脑区域(表1,第3列,注意看上文),要求被试完成一个简短的调查(协变量数据收集)。工作人员还为每项神经行为任务提供了一个基于PPT的视觉练习环节,以及如何完成该任务的指导。工作人员随后将帽子戴在受试者头上,进行校准测试,并根据需要调整通道。


图2.参与2009年California Salinas山谷CHAM2研究中,fNIRS通道(n=36)的位置和功能脑区定位的团块(n= 15)。



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