基于腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜的首發(fā)‐未服藥抑郁癥白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究

吳華旺，佘生林，鄭偉，吳逢春,3

1.廣州醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院影像科，廣東廣州510370；2.廣州醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院精神科，廣東廣州510370；3.廣東省精神疾病轉(zhuǎn)化醫(yī)學工程技術(shù)研究中心，廣東廣州510370

前言

網(wǎng)絡(luò)兩個基本要素為節(jié)點和邊。在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的過程中，最為關(guān)鍵的一步是如何去定義網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點［1］。在腦網(wǎng)絡(luò)研究中，節(jié)點即為腦區(qū)。理想的節(jié)點應(yīng)為節(jié)點的腦功能同質(zhì)性，其權(quán)衡了節(jié)點之間的異質(zhì)性與空間節(jié)點之間的相互關(guān)系［2］。腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜不僅包含了210 個精細的大腦皮層腦區(qū)與36 個皮層下核團亞區(qū)結(jié)構(gòu)，而且還定量描繪了不同腦區(qū)亞區(qū)的解剖與功能連接的模式，并且對每個亞區(qū)進行細致的功能描述，相比傳統(tǒng)的布羅德曼圖譜精細4～5倍，具有客觀精準的邊界定位［3］。抑郁癥（Major Depressive Disorder,MDD）的腦網(wǎng)絡(luò)研究目前尚未取得一致性的結(jié)果。在全局網(wǎng)絡(luò)屬性分析上，有研究發(fā)現(xiàn)小世界屬性在MDD 患者組與健康對照組存在統(tǒng)計學上的組間差異［4‐6］，而在較大樣本的研究中并沒有發(fā)現(xiàn)小世界屬性存在組間差異［7‐8］。MDD 腦網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果除了受到藥物、病程等干擾因素影響之外，其中最關(guān)鍵的因素可能是在構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)時采用了粗糙的解剖圖譜去定義網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。因此，本研究目的是采用精細的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜定義腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，去考察首發(fā)‐未服藥MDD 是否存在腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性的異常?；谝酝殴舱癯上裨诰植拷Y(jié)構(gòu)、功能以及腦網(wǎng)絡(luò)水平上的結(jié)果，我們假設(shè)在此精細的腦網(wǎng)絡(luò)圖譜上，MDD 在腦網(wǎng)絡(luò)水平上發(fā)生了異常改變。

1 資料與方法

1.1 研究對象

本研究19 例MDD 患者（MDD 患者組）和30 例健康對照者（健康對照組）均在廣州醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院收集。MDD的臨床診斷由精神科醫(yī)師根據(jù)精神疾病的診斷和統(tǒng)計手冊臨床結(jié)構(gòu)式訪談（the Structured Clinical Interview of the DSM‐IV, SCID）病人版納入，符合DSM‐IV關(guān)于MDD的診斷標準，排除與其他精神疾病的共病診斷，首次抑郁發(fā)作且從未服用任何抗抑郁藥物。MDD患者的抑郁嚴重程度采用漢密爾頓抑郁量表評分24 項（the 24‐item Hamilton Rating Scale for Depression,HAMD）。健康對照組采用SCID 非病人版進行篩查，排除了其目前及既往無DSM‐IV 軸I 的精神疾病診斷，且兩系三代無精神疾病的家族史。本研究經(jīng)過廣州醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院倫理委員會同意開展，所有被試均經(jīng)過詳細解說本研究方案并且簽署書面的知情同意書。被試的臨床資料見表1。

表1 MDD組與健康對照組臨床資料比較Tab.1 Demographic and clinical data of major depression disorders(MDD)group and healthy control(HC)group

1.2 擴散及結(jié)構(gòu)磁共振數(shù)據(jù)采集

磁共振數(shù)據(jù)的采集在廣州醫(yī)科大學附屬腦科醫(yī)院的飛利浦3.0 T磁共振掃描儀上完成。擴散張量成像的數(shù)據(jù)采集使用單次激發(fā)自旋回波‐平面回波序列。掃描參數(shù)如下：重復時間=10 067 ms，回波時間=92 ms，翻轉(zhuǎn)角=900，視野=（256×256）mm2，掃描矩陣=128×128，B0 采集一次，B 值1 000 s/mm2，在32 個非共線方向上施加擴散敏感梯度場，層厚2 mm，無間隔連續(xù)掃描，共掃描75 層，體素大小為（2×2×2）mm3。同時采集高分辨率的T1結(jié)構(gòu)磁共振數(shù)據(jù)用于DTI 數(shù)據(jù)的配準。掃描序列及參數(shù)如下：三維T1加權(quán)的快速場回波序列；重復時間=8.2 ms；回波時間=3.7 ms；反轉(zhuǎn)時 間=1 100 ms；反轉(zhuǎn)角=7°；視野=（256×256）mm2；采集矩陣=256×256；層厚=1 mm，無間隔掃描；體素大小=（1×1×1）mm3；矢狀位掃描，共188層。

1.3 擴散磁共振數(shù)據(jù)預處理及網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

所有DTI 數(shù)據(jù)預處理在PANDA 工具包上完成［9］，包括：（1）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；（2）裁剪圖像；（3）剝頭皮并得到全腦的MASK；（4）頭動和渦流校正；（5）張量估算：對校正之后的圖像中每個體素進行張量重建，計算出每個體素的各向異性分數(shù)（Fractional Anisotropy, FA）；（6）全腦纖維束追蹤，采用Trackvis軟件的FACT 算法［10］進行確定性纖維追蹤出全腦的白質(zhì)纖維束，纖維束追蹤的終止條件為：兩個相鄰體素的特征向量角度小于45°，F(xiàn)A值小于0.2。

腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜將整個大腦半球分割成246 個腦區(qū)（每側(cè)大腦半球各123個腦區(qū)），每一個腦區(qū)為腦網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點。每一個腦區(qū)與全腦其他腦區(qū)進行確定性的纖維追蹤，假如兩個腦區(qū)之間連接的纖維束大于等于3，我們便認為其存在結(jié)構(gòu)連接［11‐13］。然后得到每個個體的246×246 大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連接矩陣。

1.4 腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分析

對節(jié)點i和節(jié)點j之間纖維數(shù)的連接大于等于3，則連接矩陣在（i,j）元素的值eij=1；否則，eij=0。對于每一個被試，我們得到一個二值的246×246 連接矩陣。最后采用圖論的方法分別計算每個被試腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性，其中包括全局網(wǎng)絡(luò)屬性的聚群系數(shù)、最短路徑長度和小世界屬性，網(wǎng)絡(luò)效率和局部節(jié)點屬性的節(jié)點度、節(jié)點介數(shù)、節(jié)點效率。所有的網(wǎng)絡(luò)分析部分在GRETNA軟件包上完成［14］。最短路徑長度是描述網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常重要的一個參數(shù)，它度量的是網(wǎng)絡(luò)的全局傳輸能力。網(wǎng)絡(luò)的最短路徑長度表示的是網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點對的最短路徑（最少邊數(shù)）的平均值。聚群系數(shù)是描述網(wǎng)絡(luò)局部特征的重要參數(shù)，表示網(wǎng)絡(luò)中某一個節(jié)點i的鄰居之間相互成為鄰居的可能性，它度量的是網(wǎng)絡(luò)局部信息的傳遞能力。其中某一個節(jié)點i的聚群系數(shù)Ci的值等于它的鄰居中實際存在的連邊的數(shù)目（ei）除以最多可能存在的邊數(shù)的比值。小世界網(wǎng)絡(luò)是一種介于規(guī)則網(wǎng)絡(luò)和隨機網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)，與隨機網(wǎng)絡(luò)相比，它具有較大的聚群系數(shù)（γ=Creal/Crandom＞＞1，其中real表示真實網(wǎng)絡(luò)，random 表示隨機網(wǎng)絡(luò)）和近似的最短路徑（λ=Lreal/Lrandom～1）。在滿足以上兩個指標的同時，小世界標量δ=γ/λ用于度量小世界特性（δ＞1），其值越大，說明小世界屬性越強。網(wǎng)絡(luò)的效率反映的是網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸?shù)哪芰Γㄈ中蔈glob和局部效率Eloc。節(jié)點度表示與該節(jié)點直接相連接節(jié)點的數(shù)目或節(jié)點相連的邊數(shù)，其衡量的是單個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的重要性。節(jié)點介數(shù)是每個節(jié)點對其它所有點對之間最短路徑的貢獻，其反映了相應(yīng)節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中的作用和影響力。節(jié)點效率為節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞的能力。

1.5 統(tǒng)計學分析

1.5.1 全局和局部結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)屬性為了確定腦網(wǎng)絡(luò)全局網(wǎng)絡(luò)屬性和局部節(jié)點屬性是否存在顯著的組間差異，采用非參數(shù)置換檢驗并且將性別、年齡作為協(xié)變量進行多元線性回歸，以排除每個腦網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性中性別、年齡的干擾因素，置換次數(shù)為10 000次。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

1.5.2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的連接分析采用基于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計（Network‐Based Statistic, NBS）［15］方法去評定MDD患者組與健康對照組的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中解剖連接的異常。首先，在每一條邊上，進行兩組間的雙樣本t檢驗，以確定那些結(jié)構(gòu)連接存在差異，閾值設(shè)置為P＜0.05（未校正）。這將得到在此閾值上的最大可能存在解剖連接矩陣的邊或子網(wǎng)絡(luò)。然后對在此基礎(chǔ)之上得到的閾上解剖連接或子網(wǎng)絡(luò)進行非參數(shù)置換檢驗，最后確定那些連接或子網(wǎng)絡(luò)存在異常，置換次數(shù)10 000次。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

1.5.3 結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)指標與臨床資料的相關(guān)分析對于那些具有統(tǒng)計學差異的腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的拓撲屬性，進一步分析這些指標與MDD 患者的臨床指標（HAMD 評分和病程）之間的關(guān)系，并將性別、年齡作為協(xié)變量進行多元線性回歸分析，以排除性別和年齡的干擾因素。

2 結(jié)果

MDD患者組和健康對照組的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都表現(xiàn)出小世界屬性，即具有和相應(yīng)隨機網(wǎng)絡(luò)相近的平均最短路徑和較大的聚群系數(shù)。網(wǎng)絡(luò)的全局屬性，如最短路徑長度、聚群系數(shù)、標準化最短路徑長度、標準化聚群系數(shù)、小世界標量以及網(wǎng)絡(luò)效率在兩組之間無統(tǒng)計學差異（P＞0.05），見表2。網(wǎng)絡(luò)的局部屬性，如節(jié)點度、節(jié)點介數(shù)以及節(jié)點效率在兩組之間存在統(tǒng)計學差異（P＜0.05，未校正），主要位于雙側(cè)海馬旁回、雙側(cè)基底節(jié)、雙側(cè)頂下小葉、左側(cè)中央后回、左側(cè)中央旁小葉、右側(cè)顳中回、右側(cè)頂上小葉、右側(cè)島葉、右側(cè)枕葉皮層腹中部、右側(cè)扣帶回以及右側(cè)丘腦（圖1～圖3）。在NBS 的分析中，沒有發(fā)現(xiàn)MDD 患者組與正常對照組存在組間差異連接的邊或子網(wǎng)絡(luò)。進一步的相關(guān)分析結(jié)果表明右側(cè)頂上小葉、右側(cè)島葉的節(jié)點介數(shù)與病程呈正相關(guān)，右側(cè)丘腦、左側(cè)海馬旁回的節(jié)點介數(shù)、左側(cè)海馬旁回節(jié)、右側(cè)頂下小葉的節(jié)點度和HAMD評分呈正相關(guān)（圖4）。

表2 抑郁癥患者組與健康對照組在全局網(wǎng)絡(luò)屬性上的比較Tab.2 Comparison of global network properties between MDD group and HC group

圖1 MDD患者組與健康對照組節(jié)點度的差異分布圖Fig.1 Distribution of nodal degree differences between MDD group and HC group

圖2 MDD患者組與健康對照組節(jié)點介數(shù)的差異分布圖Fig.2 Distribution of node betweenness differences between MDD group and HC group

圖3 MDD患者組與健康對照組節(jié)點效率的差異分布圖Fig.3 Distribution of nodal efficiency differences between MDD group and HC group

圖4 MDD患者組異常節(jié)點屬性與臨床資料的相關(guān)圖Fig.4 Correlation between abnormal nodal properties and clinical data in MDD group

3 討論

本研究采用基于面向腦網(wǎng)絡(luò)計算的新的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜、擴散張量磁共振成像、確定性纖維追蹤以及基于圖論的方法，考察了首發(fā)‐未服藥MDD患者的白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)改變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，MDD 患者組和健康對照組的腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)均存在小世界屬性，但在全局網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性以及網(wǎng)絡(luò)的連接上未發(fā)現(xiàn)組間差異，而在局部節(jié)點網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性上具有顯著差異，這些差異部位主要位于雙側(cè)海馬旁回、雙側(cè)基底節(jié)、雙側(cè)頂下小葉、左側(cè)中央后回、左側(cè)中央旁小葉、右側(cè)顳中回、右側(cè)頂上小葉、右側(cè)島葉、右側(cè)枕葉皮層腹中部、右側(cè)扣帶回以及右側(cè)丘腦。進一步的相關(guān)分析結(jié)果表明MDD 患者在右側(cè)頂上小葉、右側(cè)島葉的節(jié)點介數(shù)與病程呈正相關(guān)，右側(cè)丘腦、左側(cè)海馬旁回的節(jié)點介數(shù)，左側(cè)海馬旁回、右側(cè)頂下小葉的節(jié)點度和HAMD評分呈正相關(guān)。

人腦是世界上最復雜的系統(tǒng)之一，包含各種不同的腦區(qū)以及他們之間相互的解剖或功能連接。在健康人群中，該系統(tǒng)不管在功能磁共振成像還是結(jié)構(gòu)磁共振成像的腦網(wǎng)絡(luò)研究中均發(fā)現(xiàn)存在小世界屬性，即與隨機網(wǎng)絡(luò)相比，它具有較短的路徑長度、較高的聚群系數(shù)。本研究同樣發(fā)現(xiàn)在MDD 患者組和健康對照組中均存在小世界屬性，但并沒有發(fā)現(xiàn)以上指標及全腦的連接邊存在組間差異。這與以往MDD 白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的大部分研究結(jié)果相一致［7‐8］。但也有報道MDD 的腦網(wǎng)絡(luò)的小世界屬性受到了破壞［4‐6］。我們認為其可能的原因如下：首先，來自于樣本本身的原因，MDD 是一類異質(zhì)性較強的情緒障礙性精神疾病，藥物和病程是影響結(jié)果最重要的兩個因素，在研究中采用的是首發(fā)‐未服藥MDD 患者，病程在兩年以內(nèi)，在理論上受到更長的病程，藥物的長期不利的影響，MDD大腦更趨于隨機網(wǎng)絡(luò)，縱向的研究有望進一步去驗證此結(jié)果；其次，來自腦網(wǎng)絡(luò)計算方法學的因素，如不同的節(jié)點或邊的定義對腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的影響［16］，本研究采用精細的腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜去定義腦網(wǎng)絡(luò)計算的節(jié)點，理論上更加精細且準確，更加有利于挖掘MDD 網(wǎng)絡(luò)的異常模式；最后，MDD 在不同的病程中表現(xiàn)出不同的異常全局腦網(wǎng)絡(luò)模式，在病程的早期有可能受到疾病的影響較少，隨著病程的延長，其不利的影響越來越大，更趨于隨機網(wǎng)絡(luò)。今后采集不同病程的數(shù)據(jù)有望解答此問題。

MDD的局部節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)屬性，如度、介數(shù)或效率受到了破壞，主要發(fā)生于雙側(cè)海馬旁回、雙側(cè)頂下小葉、右側(cè)頂上小葉、雙側(cè)基底節(jié)、左側(cè)中央后回、左側(cè)中央旁小葉、右側(cè)顳中回、右側(cè)島葉、右側(cè)枕葉皮層腹中部、右側(cè)扣帶回以及右側(cè)丘腦。海馬旁回參與許多重要的認知功能，如長程記憶、工作記憶以及知覺。既往對于MDD 的結(jié)構(gòu)磁共振成像的研究發(fā)現(xiàn)MDD 患者的雙側(cè)海馬旁回的體積異常［17］。對于首發(fā)‐未服藥MDD 患者的結(jié)構(gòu)或功能網(wǎng)絡(luò)研究亦發(fā)現(xiàn)海馬旁回存在局部網(wǎng)絡(luò)屬性異常［4,6］，本研究與之前報告相一致，而且發(fā)現(xiàn)了其亞區(qū)存在異常，但其具體的神經(jīng)機制有待于進一步考察。頂葉的聯(lián)合皮層由頂間溝分為頂上小葉和頂下小葉兩部分，頂下小葉在視覺、聽覺和運動介導的軀體感覺信息發(fā)揮著關(guān)鍵的作用，而且為默認網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點。而頂上小葉在軀體感覺與視覺運動的整合、運動學習、空間知覺、心理旋轉(zhuǎn)以及記憶等起著重要的作用。既往研究表明MDD 患者不僅在頂下小葉的局部自發(fā)的神經(jīng)元活動異常［18‐19］，而且其功能連接中同樣發(fā)生異常［20‐21］。目前還未發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的水平上MDD 患者的頂下小葉發(fā)生改變。具有自殺企圖的MDD 患者在右側(cè)頂上小葉磁化傳遞率降低［22］，右側(cè)頂下小葉在MDD中的短程功能連接密度降低［20］，對于首發(fā)‐未服藥MDD 的個體結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)同樣發(fā)現(xiàn)右側(cè)頂下小葉的局部節(jié)點效率降低［4］。早期的磁共振波譜學及形態(tài)學研究均發(fā)現(xiàn)MDD 患者的基底節(jié)存在代謝和結(jié)構(gòu)上的異常［23‐24］，而且靜息態(tài)的功能磁共振研究發(fā)現(xiàn)，MDD 患者在基底節(jié)的低頻振幅增加［25］。中央后回屬感覺運動網(wǎng)絡(luò)的重要腦區(qū)，吸煙使MDD 患者的左側(cè)中央后回的皮層厚度更加變?。?6］。MDD 患者的左側(cè)中央旁小葉局部網(wǎng)絡(luò)屬性異常，與以往的結(jié)構(gòu)磁共振發(fā)現(xiàn)灰質(zhì)體積增加［27］，皮層厚度增厚［28］相一致。右側(cè)顳中回、右側(cè)島葉同屬于聽覺網(wǎng)絡(luò)，默認網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)。局部自發(fā)神經(jīng)元活動研究發(fā)現(xiàn)，MDD 患者在右側(cè)顳中回的比例低頻振幅增高［29］，右側(cè)島葉和全腦的功能連接存在異常［30］。枕葉皮層的MDD 研究相對較少，腦磁圖的源分析發(fā)現(xiàn)右側(cè)枕葉與MDD 發(fā)生有非常大的關(guān)系［31］，靜息態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)MDD 患者在右側(cè)枕葉的低頻振幅降低，可能與小腦的功能連接異常有關(guān)系［25］。右側(cè)前扣帶回在MDD患者中存在結(jié)構(gòu)或功能上的異常［32‐36］，且在白質(zhì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上存在異常［7‐8］。有研究表明MDD 與額葉‐紋狀體‐丘腦‐皮層的神經(jīng)環(huán)路的異常有關(guān)，而且丘腦在其中發(fā)生重要作用［37］。我們的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大腦的多個腦區(qū)的精細亞區(qū)存在網(wǎng)絡(luò)屬性的增高或降低，與文獻報道的結(jié)構(gòu)或功能磁共振結(jié)果相一致，說明這些腦區(qū)在MDD 發(fā)生的神經(jīng)生物學機制中起著雙向的調(diào)節(jié)作用，即相互協(xié)同或拮抗作用。

相關(guān)分析的結(jié)果發(fā)現(xiàn)MDD 患者的右側(cè)頂上小葉、右側(cè)島葉的節(jié)點介數(shù)降低與病程呈正相關(guān)，右側(cè)丘腦節(jié)點介數(shù)降低，左側(cè)海馬旁回的節(jié)點介數(shù)增加，左側(cè)海馬旁回，右側(cè)頂下小葉的節(jié)點度增高和HAMD 評分呈正相關(guān)。這些節(jié)點屬性降低或增高的相關(guān)性結(jié)果更進一步說明這些腦區(qū)對于MDD 的發(fā)生存在雙向調(diào)節(jié)作用。

本研究尚存在一些不足或局限性需要我們解決。首先，我們構(gòu)建的結(jié)構(gòu)連接的腦網(wǎng)絡(luò)是基于確定性纖維追蹤的算法進行構(gòu)建的連接，由于追蹤算法的局限性，對于纖維交叉部分的纖維便會停止追蹤，會降低計算連接的敏感性，下一步我們將采用概率的纖維追蹤有望解決此問題；其次，我們只對病程在兩年以內(nèi)的MDD 患者進行研究，病程對于腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)果的影響目前并不清楚，今后將采集不同病程的MDD數(shù)據(jù)有望解決此問題；最后，我們目前采用的首發(fā)‐未服藥的樣本較少，有可能統(tǒng)計效率不夠，今后將在大樣本上進一步的去驗證本結(jié)果。