BRAIN:遗传性言语障碍中的背侧语言通路异常

背景：

言语障碍在某些学龄前儿童中普遍存在，但通常，相当一部分的言语障碍会随着儿童语言能力的发展得到解决。但是，最持久和最严重的语言失用症的神经生物学基础仍然难以得到理解。目前成人语音处理的神经解剖学模型提出了两条平行的语言处理通路（即结构上的连接，白质纤维束），一条是背侧通路，这条通路参与声音到运动语言的转换，另一条是腹侧通路，它支持声音/字母到意思的转换。但是，目前这些理论大多是基于假设的，通过数据驱动的方法对这些通路在非典型言语和语言发展中的作用的检验是缺乏的。对此，来自伦敦大学学院的研究者们对一个言语障碍家庭的行为学数据和脑成像数据展开研究。这个家庭中，家长一方和11个孩子表现出儿童语言失用的特征(与FOXP2变异相关的相同的言语障碍)。目前，这一家族疾病的遗传原因仍有待查明。但引起研究关注的是，在这个家庭中，不同成员在各自的言语障碍方面（指具体的运动语言时的障碍，speech disorder）与语言或读写障碍没有系统性的联系。该研究对7名儿童的大脑进行了MRI扫描。该研究发表在BRAIN杂志。

结果：

与正常发育的同龄人相比，这些儿童的左侧颞顶叶区域的灰质大量减少，但在基底节区域没有类似的发现。此外，研究发现，这些儿童与正常发育儿童相比，在双侧弓状束(背侧语言束)存在白质（FA值）的减少，但在额枕下束(腹侧语言束)和初级运动通路中均未发现。这次研究发现，背侧语言通路的破坏是一种新的发育性言语障碍的神经表型，这种表型方式与FOXP2变异相关的言语障碍不同。总的来说，这次研究的数据证实了背侧通路在从听觉感知到发音转换中的早期作用。

关键词：言语障碍；核磁共振（MRI）；遗传；儿童语言失用症；任务态；VBM；DWI；概率追踪

1.背景：

相关研究表明，全球大约5%的学龄儿童有沟通障碍，其影响表现为对儿童的言语表现、语言系统方面或两者兼而有之。语音障碍有许多亚型，但最严重的是儿童言语失用症(childhood apraxia of speech ，CAS)，它会影响儿童言语动作的顺序。虽然CAS很少见，但解开它的神经生物学原因可能会发现对更常见、更轻形式的言语障碍至关重要的大脑网络模式。与成人的获得性语言失用症不同(如卒中后患者)，CAS患者的大脑MRI检测在放射学上是正常的。因此，CAS肯定是由大脑发育的改变引起的，而这些改变是无法通过常规放射学检查检测到的。因此，构成CAS基础的神经生物学通路和大脑网络尚未得到充分的描述。

研究者的目的是，在一个由13个受影响的个体组成的新的两代大家庭中，确定CAS的结构和功能的相关关系。作者通过量表测试了13名家庭成员(2名家长和11名儿童)的言语、口腔运动、语言和认知表型。对7名6 ~ 17岁受影响的兄弟姐妹进行了详细的MRI分析。通过先证者（医学术语，遗传学对家族中最先发现具有某一特定性状或疾病的个体的称谓），作者筛选了三个已知的CAS基因进行突变。最后，本次研究描述了这一大家族的神经表型，以提供对CAS神经生物学的新见解。

2.方法：

2.1 被试

CAS组被试：共13名（两名家长，11名儿童），父亲没有明显的CAS症状，母亲有CAS家族病史，这十一名孩子（3名为女孩）都有不同程度的CAS表型。7名参与MRI实验的儿童平均年龄 = 135 月, SD=45，年龄范围为4-15岁；这些儿童都有一般的非语言认知能力（即非语言认知能力正常），并就读于主流学校。两个孩子是左利手(1名是男性)。

对照组被试：研究者针对参加MRI实验的7个家庭成员的每一个成员，招募了两名年龄和性别匹配的典型发育儿童，以最大限度地获得典型值的代表性分布。对照组(7名女性)平均年龄145个月，SD = 39，Range 5-17岁。除了一名智商处于边缘的女性(智商72)外，所有儿童都在主流学校上学，认知能力正常。四个孩子是左利手(三个男孩)。他们都没有语言问题、神经系统疾病、精神疾病、癫痫或癫痫发作史。

2.2 行为学表现测量

研究者对受CAS影响的家庭成员进行了详细的表型分析，使用标准化的与年龄相适应的评估手段，评估了每个成员的言语、口语运动技能、语言、语音技能、读写能力和认知能力（也包括智力功能，记忆和学习）。详细见表一：

表一语言与认知能力评估表

表一展示的是研究者在研究过程中所使用的评估量表的名称、类型以及版本等信息。

表二 CAS家庭成员CAS诊断标准测试及得分表

表二展示了所有成员在语言能力各方面的得分，是对CAS诊断与语言表现相关的具体测试。

表三 CAS家庭成员认知能力与语言技能测试得分表

表三展示了所有成员在一般认知能力和语言技能测试上的总体得分状况。其中低于80分或低于6分（总分不同的项目）的能力得分属于临床受损范围，并以粗体标出，同时有灰色标记。无法被统计的代表错误太多，无法计分。NT 代表未接受该项测试，*标记代表参加MRI实验的儿童。n/a代表测试不符合该儿童年龄段。

2.3 MRI数据采集

MRI数据是在墨尔本脑研究所3T西门子扫描仪上获得的。在0.9 mm各向同性分辨率下，在AC-PC平面上获得了160层 T1加权MPR年龄图像（RT = 1900 ms,echo time = 2.6 ms, flip angle:9o, matrix size:256 *256）。五名对照组参与者被招募进行平行研究，他们的T1加权扫描分辨率为1毫米（repetition time= 1900 ms, echo time = 2.55 ms, flip angle: 9, matrix size 256*256）.

采用全脑连续回波平面成像(EPI)序列获得120个功能图像（repetition time= 3000 ms, echo time = 30 ms, flip angle: 85o, 44 slices,matrix size: 72 *72,层厚3 mm ），功能磁共振采集的数据是根据作者之前发表的文章中的实验设计进行采集的。参与者通过降噪耳机听到单音节单词和指令提示，在说话的情况下，单词是在听觉提示说话之后呈现的，参与者被要求重复这些单词。在基线条件下，单词是在听指令后呈现的，被试不做任何反应。共有30个单词被呈现在5个说话/基线周期中，每个周期有6个刺激。交互刺激间隔为12秒，单词呈现2.5秒，反应时间为2秒，接着是7.5秒的采集（即被试产出）时间。

DTI图像采集，64个方向，b1值=3000. echo time/repetition time = 110/8300 ms, FOV = 240 * 240 mm,matrix size = 96* 96, 层厚 = 2.5 mm, 60 连续轴向片。

2.4MRI数据分析

功能数据分析：

使用SPM8分析，首先进行了头动矫正，然后进行了时间层矫正，并与个体被试的T1图像进行了coregister（配准），然后利用非线性配准的方法，将每个被试的功能图像配准至MNI标准空间，最后使用8mm的高斯核进行了空间平滑（即T1配准的标准4步预处理，作者对头动部分进行了比较严格的个体控制和精细的矫正与剔除）。

个体GLM建模部分，作者建模了说条件和听条件，将年龄（由于年龄分布比较广泛）和6个方向的头动参数作为协变量进行了回归。使用说>听的对比进行后续的二阶分析。小编认为这是由于CAS表现出的是语言产出上的障碍，因此作者关注的是其言语产出时和对照组的差异，因此将基线设置为听条件，使用说条件减去听条件得到的就是研究者想要的内容了。全脑探索性组间差异使用FWE矫正，p阈值为0.05。作者还基于以往研究和假设，对壳核进行了小体积矫正的分析（5mm的小球，peak 点18,6,15 and 15,3,15）。

同时，为了更好地解释功能性核磁共振成像组间的差异，作者以3mm小球提取了两组在说>听下未激活峰值(即双侧中央前回和后颞上回)区域的参数估计均值（beta值）。同时还以5mm小球提取了CAS家庭成员在这些区域在说>听和听>说两个对比下的激活均值。

全脑组织提取：

利用SPM12内的组织体积函数提取脑灰质和白质总量。

基于体素的形态学分析（VBM）：

使用spm12的segement对白质、灰质和脑脊液（grey matter, white matter and CSF ）进行了分割。

使用TOM8工具生成年龄适当的组织概率地图。这种方法包括同时对齐图像之间的灰质和白质，并从所有参与者生成定制的模板（就是DARTEl的方法）。图像被调制以保持初始体积，使用DARTEL模板归一化到MNI空间，并使用10mm FWHM高斯核进行平滑。将CAS家庭成员和对照组被试的灰质图与年龄、性别和总灰质体积作为协变量进行比较。

同样的，作者基于以往的研究（包括对著名的KE家族的研究，就是发现FOXP2的那个家族）选取了三个区域进行了基于小体积矫正的分析，_x0005_尾状核14, 3, 18) 和壳核 (_x0005_27, 3,2) 以及整个颞上回（提取自the Neuromorphometrics atlas http://www.neuromorphometrics.com) 。全脑差异统计经过FWE矫正（p=0.05，cluster size >10），有先验假设的三个区域使用的是未矫正的p值，p=0.0001.

语言相关的白质纤维束追踪分析：

作者使用MRtrix version 0.2 (Tournier et al., 2012) 在个体空间进行概率性纤维追踪。

弓状束和语言相关的运动束(皮质延髓束)使用位于中央前白质两个位置的种子区进行追踪，这个种子点的选取在作者之前的一篇文章中已经论述过。额枕下束(IFOF)的追踪，作者在枕叶(冠状切面)和两个包体区域(一个在水平面上的极限包膜，一个在冠状面上的额叶)中分别勾画出一个种子区。为了确保弓状束和额枕下束的概追准确性，作者设置了纤维束数目大于40的阈值。为了减少多次比较的次数，作者只追踪了皮质延髓束背侧，因为该束的微观结构异常被发现与创伤性脑损伤后构音障碍和发育性言语障碍有关。然后作者用概追结果，分别制作了二值化的mask，并提取mask中的体素数（Total number of voxels）。

作者使用Group（组别）*Hemisphere（半球）的设计，将年龄作为协变量的ANCOVA (协方差分析）方法分析了CAS（6人纳入）和控制组（14人纳入）在每一条纤维束上表现出的效应。然后进行了事后分析（post hoc analysis），通过spss23使用非参的Mann-Whitney tests （曼-惠特尼U检验，使用于样本量大于20，不符合正态分布的数据，秩和检验），由于没有先验的方向性假设，因此报道了双尾p值。同时，为了检验组间差异时的替代假设和无效假设，作者还进行了Bayesian Mann-Whitney检验，并使用JASP软件(https://jasp-stats.org/)使用缺省的Cauchy先验宽度提取Bayes因子。

局部体积：

使用FSL (https://fsl.fmrib.ox)从尾状核、壳核和苍白球中提取区域体积，使用自动分割方法（手动修正分割误差，在作者之前研究中有具体论述），由于作者的样本年龄范围很广，因此提取的体积用灰质总量的百分比表示。

儿童言语障碍候选基因的直接测序：

候选基因使用来自先证者(患者II-6)的20 g基因组DNA和基因特异性引物(针对其他可请求基因的寡核苷酸)进行扩增，设计参考人类基因转录本(FOXP2: NM_014491)。扩增反应在Veriti热循环仪(应用生物系统)上使用标准程序进行循环。使用BigDyeTM v3.1终止子循环测序试剂盒(Applied Biosystems)按照制造商的说明对所有外显子和侧翼区域进行双向Sanger测序。测序产品使用3730xl DNA分析仪(应用生物系统)进行分析。所有测序色谱图与已发表的cDNA序列进行比较(ensembl genome browser;www.ensembl.org)，使用CodonCode Aligner (CodonCode Corporation, Dedham, MA)检测核苷酸的变化。通过gnomAD (Cambridge,MA)、Exome变体服务器(华盛顿大学，西雅图)和1000个基因组(Wellcome Trust，英国)检测编码变异。

染色体微点阵：

所有13个家族成员的基因组DNA (200ng at 50ng /ml)被混合生成到Infinium HumanOmniExpress-12 v1.0 DNA分析珠片(Illumina)中，按照制造商的说明包含733302个非多态性标记物。数据分析采用Illumina s GenomeStudio v2011.1，分型模块为1.9.4软件。

3.结论

1. FOXP2在先证者(患者II-6)中测序，未发现致病变异。所有13个家族成员的染色体微阵列都排除了包括FOXP2基因组在内的全基因组拷贝数变异。

2. 全脑组织比较未发现显著的组间的差异。两组灰质无组间差异[family mid = 213880, interquartile range（四分位距） (IQR) = 13732;对照组中位= 214 220,IQR = 16 664;Mann-Whitney s U = 48.0, P = 0.97)，白质无组间差异(family mid = 143 182, IQR = 12 954;对照组中位数= 145 340,IQR = 10 459;U = 34.0, P = 0.29)体素。

在FWE矫正（p=0.05）下，CAS家庭组相比对照组无明显的灰质减少。但在使用一个不太严格的阈值(P = 0.0001未校正);(体素)灰质减少最多的位于颞上回/颞平。

3. 在FWE矫正（p=0.05）下，CAS家庭组相比对照组无明显的灰质减少。但在使用一个不太严格的阈值(P = 0.0001未校正);(体素)灰质减少最多的位于颞上回/颞平面，延伸至额上回，图1(团块大小= 114个体素，T = 5.96，峰值坐标60,33,18)，能够在小体积校正中存活(T = 5.0，团块大小= 74个体素，P = 0.009）。

图一 CAS相比对照组灰质显著降低区域（p<0.0001,unc）

4.相比于对照组，CAS组在左扣带皮层（(cluster size = 129 voxels, T =7.17, peak coordinate（8, 12, 29; P = 0.037 with FWE correction）有明显的灰质增加（图2B），同时，其基于先验假设确定的小体积矫正（p<0.0001，unc）的脑区在双侧壳核都发现CAS组相比于对照组有显著的灰质体积提升（图2C）。

图2 CAS组相比对照组灰质体积增加图

5.协方差分析发现，与对照组相比，CAS组左弓状束的直节段（图3E）和前节段（图3D）的FA均有所降低（表四）。而在运动束(图4A、B)和IFOF(图4C)中，家族成员与对照组在FA值上无组间差异。

图4 CAS组与对照组额枕下束和运动束FA值差异图

6. 任务态激活差异，当重复单词时，与对照组相比，CAS家族在中央前回和中央后回的两侧激活度降低，从颞上回延伸至缘上回、楔状回、小脑、丘脑和苍白球。

图五对照组说>听激活图（FWE矫正，p=0.05）

图六 CAS组说>听激活图（p<0.001，未矫正）

图七对照组>CAS组在（说>听对比）下激活图

7.本文亮点：作者基于功能和结构的成像结果，提出双侧背侧通路受损引起言语失用的语言障碍。与以往文献发现的结论不同的是，核磁结果（无论是结构还是功能）都未发现CAS家族在躯体感觉皮层或辅助运动皮层的结构异常或功能异常，因此，作者提出，CAS家族的言语失用症是由于听觉区到运动区的转换异常导致的。

图八基于MRI和fMRI结果拟构的CAS家族双侧背侧网络受损图

注：CBT为皮质延髓束，CST为皮质脊髓束，STG为颞上回，GP为苍白球，PU为壳核，背侧语言通路指弓状束，腹侧语言通路指IFOF（即额枕下束），可以看到腹侧通路区域是未发现结构和功能异常的结果的，而背侧通路在听觉区域发现了功能异常，在皮下区域发现了结构异常。

总结：发育性沟通障碍可能与其皮质区域和白质区域的异常有关。作者的研究为这项假说补充了更广泛的观点，即言语障碍可能起源于皮层下。同时，作者认为背侧语言网络的破坏或延迟成熟也可以解释不那么严重但更常见的言语障碍和言语发育迟缓。作者的研究结果表明，这个家族的言语障碍和语音记忆障碍是由于负责听觉和运动转换的背侧语言网络的非典型发育引起的。

一句话总结：遗传性言语障碍可能是由其背侧语言通路的结构异常与功能异常引起的，这一区域的异常可能是部分不那么严重但更常见的言语障碍和言语发育迟缓的解释性原因

原文：

Dorsal language stream anomalies in an inherited speech disorder

FJ Liégeois, SJ Turner, A Mayes, AF Bonthrone, A Boys… - Brain, 2019 - academic.oup.com