吸烟具有成瘾性,也就是通常意义上的烟草依赖,它已经被世界卫生组织定义为一种精神疾病。由于其往往与心血管疾病、肺部疾病、以及一系列可预防性死亡相关,已成为当前世界最严重的公共卫生问题之一。然而吸烟者低龄化现象尤其值得关注,中国青少年吸烟率呈逐年上升之态。及时准确掌握青少年吸烟情况和变化趋势,是防范青少年吸烟的必要条件。青少年所处阶段非常特殊,其身体、心理以及社会身份均面临转变。在这个关键时期,他们的大脑还处于不断发育和完善过程当中,缺少对自我渴求和情绪的调节,从而变得容易对吸烟上瘾。反过来,青少年时期烟草的使用又可能会导致其发生一系列神经生物学和认知控制方面的变化,致使吸烟者大脑发育轨迹与平日对烟草的依赖程度发生变化,促使他们在成年以后吸烟成瘾。因此,研究青少年时期吸烟与大脑结构功能之间的联系,对于阐明吸烟成瘾的神经生理学机制有着重要的作用,并为其干预和治疗提供有效的理论支持。当前,国内外学者使用各种成像技术手段对吸烟者的大脑结构和功能进行研究,使得我们对吸烟成瘾有了初步认识。然而学界仍然缺少对吸烟成瘾深层机制的统一结论,尤其对处于吸烟行为源头的青少年吸烟的神经生理特性没有明确认识,对于吸烟成瘾的核心问题,即由戒断状态下持续存在的渴求和认知控制能力下降而导致复吸的研究并不多。因此,综合前人研究成果,本论文通过采用多模态磁共振成像技术对青少年吸烟者的大脑神经异常进行研究,所取得的主要研究结果和创新点如下:1.针对基于体素的形态学分析(VBM)本身具有一定局限性,其测量结果有时表现出不一致性,本研究采用皮层厚度测量的手段对青少年吸烟者大脑皮层上的脑区结构进行分析,其相对VBM而言更为精确。研究发现了青少年吸烟者大脑皮层上局部脑区的灰质皮层厚度出现了异常,此外,我们还发现青少年吸烟者背外侧前额叶皮质(DLPFC)和眶额叶皮质(OFC)的皮层厚度分别与尼古丁成瘾水平(FTND)以及吸烟累积量(包年)线性相关。这些大脑皮层上与认知控制相关的脑区(尤其是额叶脑区)的结构异常可能表明青少年吸烟者自我认知控制功能出现了异常,从而使得吸烟者难以抵制对烟草的依赖。2.针对纹状体在成瘾当中的重要作用,先前研究并未发现吸烟者纹状体结构异常,同时作为对青少年吸烟者皮层厚度研究的一个补充,我们的第二个研究工作采用皮层下体积测量的方法对青少年吸烟者的皮层下纹状体进行形态学分析。我们发现了青少年吸烟者大脑皮层下纹状体子区域(尾状核)的体积出现异常,该区域是大脑成瘾网络中奖赏/强化回路的主要组成部分,和奖赏动机有关。结合前面第一个研究结论,我们的发现证实了青少年吸烟者在大脑额叶-纹状体这一与成瘾相关的回路上的两个关键节点的结构均出现了异常。这些异常脑区结构(降低的额叶皮层厚度以及增大的纹状体子区域体积)的发现表明大脑内部认知控制功能与奖赏动机之间的平衡被打破(保护因子出现降低而风险因子出现增大),从而导致吸烟成瘾和复吸。3.针对大脑当中突显网络(SN)是和认知控制信号的分层起始有关,并且通过识别内部和外部的相关刺激来指导个人行为,该网络在成瘾发展过程中起着至关重要的作用,研究采用多模态神经影像学的方法手段(弥散张量成像和静息态功能连接)对青少年吸烟者和非吸烟者大脑突显网络内部的结构和功能特性进行分析。我们发现青少年吸烟者大脑突显网络内部右侧脑岛-前扣带回之间的静息态功能连接(RSFC)以及结构完整性(FA)表现出异常。此外,青少年吸烟者右侧脑岛-前扣带回之间的静息态功能连接(RSFC)还和Stroop字色干扰任务中不一致条件下的反应错误数相关。这些研究发现进一步证实了突显网络在认知控制过程中的重要作用,并为吸烟成瘾的神经机制研究提供了新的研究视角。4.针对戒断对吸烟渴求的作用机制,我们的第四个研究工作采用组内实验设计和局部一致性(ReHo)的方法评估青少年吸烟者分别在12小时吸烟戒断和吸烟满足条件下的大脑功能特性。我们发现青少年吸烟者在戒断状态(相对于满足状态)下大脑额叶-纹状体回路上的脑区以及默认网络(DMN)内的关键节点的ReHo值出现了增大。此外吸烟戒断状态下前扣带回(ACC)和尾状核(caudate)的ReHo值的变化量是和吸烟戒断诱导的主观渴求的变化量正相关。我们当前的研究结果使得我们进一步明白急性吸烟戒断对于自发大脑活动的作用机制,这为吸烟成瘾渴求相关神经机制的研究提供了新的证据。综上所述,吸烟会导致青少年大脑结构和功能出现异常,并出现认知控制方面的缺损,此外戒断状态下吸烟者大脑内部自发功能激活模式的改变又进一步完善了吸烟成瘾理论。