精神分裂癥患者基底節(jié)功能連接的靜息態(tài)fMRI研究

蔣宇超 陳 琳 段明君 陳 曦 楊 宓 鄧佳燕 賴永秀 堯德中 羅 程

精神分裂癥患者基底節(jié)功能連接的靜息態(tài)fMRI研究

蔣宇超 陳 琳 段明君 陳 曦 楊 宓 鄧佳燕 賴永秀 堯德中 羅 程

目的通過功能磁共振(fMRI)技術(shù)，探討精神分裂癥患者靜息狀態(tài)下與基底節(jié)異常連接的腦區(qū)。方法采用3.0T功能磁共振成像技術(shù)檢測15例精神分裂癥患者與12例正常對照組在靜息狀態(tài)下的全腦功能活動。采用功能連接分析對比兩組被試的基底節(jié)(雙側(cè)尾狀核、殼核和蒼白球共6個區(qū)域)與全腦功能連接的差異。結(jié)果與對照組相比，精神分裂癥患者的內(nèi)側(cè)額上回、后扣帶與尾狀核的功能連接上升;左側(cè)額上回、右側(cè)前扣帶與左側(cè)蒼白球功能連接上升;左內(nèi)側(cè)額上回與右側(cè)蒼白球功能連接上升;左側(cè)額上回與左側(cè)殼核功能連接上升。差異均有統(tǒng)計學意義。結(jié)論精神分裂癥患者的基底節(jié)區(qū)域與默認網(wǎng)絡的重要節(jié)點功能連接上升，提示基底節(jié)－默認網(wǎng)絡環(huán)路出現(xiàn)異常，這可能與精神分裂癥的病理機制有關(guān)。

精神分裂癥;基底節(jié);默認網(wǎng)絡;功能磁共振

精神分裂癥是由一種以幻聽、錯覺和自我混亂等癥狀所組成的臨床綜合癥，涉及感知覺、思維、情感和行為等多方面的障礙以及精神活動的不協(xié)調(diào)［1－2］?；坠?jié)接收來自不同大腦皮層的輸入信息，并通過丘腦返回至皮層。該神經(jīng)環(huán)路是基底節(jié)包括運動、認知控制、情緒加工等多種功能的神經(jīng)基礎(chǔ)［3］。目前，在精神分裂癥中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多與基底節(jié)失調(diào)相關(guān)的癥狀，比如認知障礙、運動障礙、情感紊亂和緊張癥［4］。這一現(xiàn)象暗示著基底節(jié)可能有助于理解精神分裂癥的病理生理機制。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者的基底節(jié)出現(xiàn)自發(fā)神經(jīng)活動的改變［5］。還有研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者的基底節(jié)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)體積改變［6－7］。

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)通過探測神經(jīng)元活動時局部脫氧血紅蛋白相對含量的變化，即血氧水平依賴(blood oxygen level dependent，BOLD)信號的改變來推測大腦的神經(jīng)活動。本研究旨在使用fMRI技術(shù)對比精神分裂癥患者與正常對照組的基底節(jié)與全腦的功能連接情況，進而發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者中與基底節(jié)異常連接的腦網(wǎng)絡。

1 對象與方法

1.1 對象為2013年5月－2014年5月成都市精神衛(wèi)生中心精神科的住院患者。均符合《精神障礙診斷與統(tǒng)計手冊(第4版)》(Diagnostic and statistical Manual of Mental Disoders，F(xiàn)ourth edition，DSM－Ⅳ)精神分裂癥診斷標準，均為慢性精神分裂癥患者，并接受第二代抗精神病藥物治療。共15例精神分裂癥患者和12名正常對照組入組。排除標準:有神經(jīng)系統(tǒng)疾病史、腦外傷或物質(zhì)濫用史，有磁共振掃描禁忌。所有被試均同意參加本研究并簽署知情同意書。本研究獲得成都市精神衛(wèi)生中心倫理委員會批準。

1.2 數(shù)據(jù)采集和圖像預處理磁共振圖像采集使用電子科技大學(UESTC)GE 3.0T磁共振成像系統(tǒng)(GE DISCOVERY MR 750，USA)，在標準的頭線圈內(nèi)完成掃描。采用平面回波成像(EPI)序列采集靜息態(tài)功能圖像。掃描參數(shù):2000/30ms(TR/TE)，90°翻轉(zhuǎn)角，矩陣64×64，視野24cm×24cm，35層，層厚4mm，掃描時間8分30秒。整個掃描過程被試保持靜息狀態(tài):閉上雙眼，不要睡著，盡量不思考。

數(shù)據(jù)預處理首先采用MRIcro軟件對圖像數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，考慮到機器穩(wěn)定性和被試適應環(huán)境，棄除前5個時間點。然后使用NIT軟件(http:// www.neuro.uestc.edu.cn/NIT.html)對余下250個時間點的靜息態(tài)數(shù)據(jù)進行預處理，步驟包括:時間校正，頭動校正，空間標準化到標準EPI模板并重采樣為3mm×3mm×3mm大小，以6mm全寬半高(full－width at half maximum，F(xiàn)WHM)進行高斯平滑。然后進行去線性漂移，回歸6個頭動參數(shù)、白質(zhì)和腦脊液信號，以及濾波處理(0.01～0.08Hz)，減少低頻漂移并過濾高頻的生理噪聲。本研究中頭動控制標準為平移＜2mm及旋轉(zhuǎn)角度＜2°。

1.3 基于基底節(jié)網(wǎng)絡的功能連接分析首先，采用AAL模板中的雙側(cè)尾狀核、殼核和蒼白球區(qū)域作為6個感興趣區(qū)域(ROI)，并分別提取出該ROI的平均時間序列與全腦所有體素計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)，再對全腦功能連接的全腦圖進行Fisher－z變換以增加其正態(tài)性。

1.4 統(tǒng)計方法采用SPSS19.0對被試一般資料和臨床評估數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。組間年齡、受教育年限比較采用Mann－Whitney檢驗，性別比例比較采用χ2檢驗。為檢測在靜息狀態(tài)下的精神分裂癥患者和正常對照組基底節(jié)的功能連接的組間差異，將被試年齡、性別和受教育年限控制為協(xié)變量，對兩組被試的基底節(jié)功能連接全腦圖進行體素水平的獨立樣本t檢驗。當每個體素的P＜0.005并且團塊體積＞702mm3(即大于26個體素)時，認為差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05，AlphaSim校正)。

2 結(jié)果

2.1 兩組一般資料比較精神分裂癥組男性12例，女性3例;年齡(49.6±3.1)歲，受教育年限(12.3±2.7)年，病程(22.4±7.6)年;正常對照組男性9名，女性3名;年齡(47.9±5.2)歲，受教育年限(9.3±2.4)年。除受教育年限外，兩組年齡、性別差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。精神分裂癥組陽性和陰性癥狀量表(Positive and Negative Syndrome Scale，PANSS)總評分為(59.4±10.9)分，陽性癥狀、陰性癥狀和一般精神病理評分分別為(9.9 ±3.2)分、(23.1±7.3)分、(26.4±3.2)分。

2.2 功能連接分析基于基底節(jié)的功能連接分析顯示，相較于正常對照組，精神分裂癥患者的內(nèi)側(cè)額上回、后扣帶與尾狀核的功能連接上升;左側(cè)額上回、右側(cè)前扣帶與左側(cè)蒼白球功能連接上升;左內(nèi)側(cè)額上回與右側(cè)蒼白球功能連接上升;左側(cè)額上回與左側(cè)殼核功能連接上升。差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)。未發(fā)現(xiàn)功能連接下降的腦區(qū)。見表1、圖1。

表1 精神分裂癥患者較對照組與基底節(jié)功能連接升高的腦區(qū)

圖1 精神分裂癥患者較對照組與基底節(jié)功能連接升高的腦區(qū)

3 討論

本研究選取基底節(jié)區(qū)域的雙側(cè)尾狀核、殼核和蒼白球共6個作為感興趣區(qū)域，計算其與全腦的功能連接，并比較精神分裂癥患者與正常對照組功能連接的差異。結(jié)果表明:在靜息狀態(tài)下，精神分裂癥患者的額上回、前后扣帶等區(qū)域與基底節(jié)功能連接上升。提示該腦網(wǎng)絡可能存在功能異常。

內(nèi)側(cè)額上回以及前后扣帶均屬于默認網(wǎng)絡。默認網(wǎng)絡學說是Raichle等［8］于2001年提出的一個假說，認為大腦在無任務的清醒、靜息狀態(tài)下就存在有組織的腦活動，其主要區(qū)域包括前額葉內(nèi)側(cè)皮層、后扣帶以及鄰近的楔前葉和角回等腦區(qū)。在靜息狀態(tài)時，楔前葉與后扣帶在調(diào)節(jié)默認網(wǎng)絡內(nèi)在活動中起重要作用，這與其“自參考”相關(guān)的內(nèi)在思考過程中維持自我意識功能一致［9］。研究表明，后扣帶與其鄰近的楔前葉負責不斷從個體自身和周圍世界收集信息，并對這些信息進行分配處理。已有研究表明，默認網(wǎng)絡異常與精神分裂癥的病理生理有關(guān):基于種子點相關(guān)分析表明精神分裂癥患者楔前葉/后扣帶內(nèi)在fMRI信號振蕩發(fā)生改變［10］，顯示精神分裂癥患者默認網(wǎng)絡內(nèi)部連接存在異常［11］?？傮w而言，目前研究表明精神分裂癥的內(nèi)源性紊亂與默認網(wǎng)絡的異常有關(guān)。

近年來，已有文章報道發(fā)現(xiàn)紋狀體－默認網(wǎng)絡環(huán)路的存在［12－13］，Orliac等［14］發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者的紋狀體與默認網(wǎng)絡的功能連接異常，也有研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者左側(cè)殼核和右側(cè)楔前葉的有效連接降低［15］，這些結(jié)果表明默認網(wǎng)絡的抑制可能源于紋狀體的抑制性調(diào)控，進而導致默認網(wǎng)絡對紋狀體反饋降低，從而導致紋狀體－默認網(wǎng)絡環(huán)路的異常。此外，基底節(jié)網(wǎng)絡在決策控制，工作記憶和獎勵加工過程起到重要作用［16－17］。精神分裂癥患者的基底節(jié)與默認網(wǎng)絡的異常連接也提示其認知－情感控制的調(diào)節(jié)和內(nèi)外信息處理加工存在缺陷。

本研究對基底節(jié)進行了功能連接分析，發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者與正常人相比，內(nèi)側(cè)額上回、前后扣帶等區(qū)域與基底節(jié)的功能連接上升，這一異常改變可能與精神分裂癥的病理機制相關(guān)。

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Resting－state functional magnetic resonance imaging study of functional connectivity of basal ganglia in schizophrenia

JIANG Yu－chao1，CHEN Lin1，DUAN Ming－jun1，3，CHEN Xi2，YANG Mi1，4，DENG Jia－yan2，LAI Yong－xiu1，YAO De－zhong1，2，LUO Cheng1，21Key Laboratory for NeuroInformation of Ministry of Education，School of Life Science and Technology，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu610054，China
2Center for Information in Medicine，International Joint Research Center for neuroInformation(Ministry of Science and Technology of China)，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu610054，China
3Department of Psychiatry，The Fourth People＇s Hospital of Chengdu，Chengdu610036，China
4Department of stomatology，The Fourth People＇s Hospital of Chengdu，Chengdu610036，China
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ObjectiveTo explore the difference of functional connectivity of basal ganglia in schizophrenia during a resting state by functional magnetic resoncance imaging(fMRI).Methods3.0T fMRI was used to assess the whole brain activity of 15 schizophrenia patients and 12 health controls.Functional connectivity analysis based on basal ganglia was performed to obtain the significant difference between two groups.ResultsCompared with the health controls，the patients showed significantly increased functional connectivity between media superior frontal gyrus，posterior cingulate and caudate;increased functional connectivity between left superior frontal gyrus，right anterior cingulate and left pallidum;increased functional connectivity between left medial frontal gyrus and right pallidum; increased functional connectivity between left superior frontal gyrus and left putamen.ConclusionThis study discovers increased functional connectivity between basal ganglia and crucial regions of Default Model Network(DMN).The results imply that basal ganglia－DMN loop altered aberrantly，which might be associated with the pathological mechanisms of schizophrenia.

Schizophrneia;Basal ganglia;Default Model Network(DMN);Functional magnetic resoncance imaging(fMRI)

R749.3

A

10.11886/j.issn.1007－3256.2015.06.002

2015－12－07)

國家自然科學基金(81471638，81571759)

610054成都，電子科技大學生命科學與技術(shù)學院，神經(jīng)信息教育部重點實驗室(蔣宇超，陳琳，段明君，楊宓，賴永秀，堯德中，羅程);610054成都，電子科技大學信息醫(yī)學研究中心，神經(jīng)信息國際聯(lián)合研究中心(科技部)(陳曦，鄧佳燕，堯德中，羅程);610036成都市第四人民醫(yī)院精神科(段明君); 610036成都市第四人民醫(yī)院口腔科(楊宓)

羅程，E－mail:chengluo@uestc.edu.cn