基于彌散張量成像的抑郁癥生物學亞型研究

陳熊鷹，朱 樺，吳 航，程 健，周晶晶，馮 媛，劉 瑞，王 赟，張志芳，豐 雷，周 媛，王 剛*

（1.首都醫(yī)科大學附屬北京安定醫(yī)院，國家精神心理疾病臨床醫(yī)學研究中心&精神疾病診斷與治療北京市重點實驗室，北京 100088；2.北京航空航天大學生物與醫(yī)學工程學院，北京 100191；3.北京大數(shù)據(jù)精準醫(yī)療高精尖創(chuàng)新中心，北京 100191；4.中國科學院心理研究所，北京 100101；5.中國科學院大學心理學系，北京 100049 *通信作者：王 剛，E-mail：gangwangdoc@ccmu.edu.cn）

抑郁癥是一種以腦組織連接紊亂為特征的精神疾病，其病因復雜且臨床表現(xiàn)異質(zhì)性高，給診斷和治療帶來了巨大的挑戰(zhàn)［1］。然而，現(xiàn)有的基于臨床診斷的群體水平組間差異研究忽略了個體之間的生物學異質(zhì)性［2-3］。神經(jīng)影像技術(shù)為研究抑郁癥的生物學異質(zhì)性提供了新視角［4-5］。彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）技術(shù)和各向異性分數(shù)（fractional anisotropy，F(xiàn)A）已廣泛應(yīng)用于大腦白質(zhì)研究，F(xiàn)A指標的變化可反映白質(zhì)纖維束的生理特征受損情況［6-7］?，F(xiàn)階段關(guān)于抑郁癥患者腦白質(zhì)研究的結(jié)論并不一致。有研究表明，抑郁癥患者在多個腦區(qū)中存在FA 值普遍降低［8］，也有研究未發(fā)現(xiàn)患者與健康對照組之間的差異［9］。這些研究結(jié)果的差異可能涉及多方面原因［10］，包括技術(shù)、樣本和方法學等，生物學異質(zhì)性也是其重要的影響因素之一［11-12］。

隨著神經(jīng)科學和生物學等領(lǐng)域的不斷發(fā)展以及計算能力的提升，越來越多的研究開始關(guān)注并應(yīng)用基于個體生物特征的亞型分析方法。生物學亞型分析是一種根據(jù)個體神經(jīng)生物特征的相似性和差異性對人群進行亞型劃分的新方法。在抑郁癥的研究中，基于功能磁共振成像的亞型分析已經(jīng)取得了一些進展［13-14］。例如，有研究使用靜息態(tài)功能連接將抑郁癥劃分為四個亞型，這些亞型的患者在臨床癥狀和對經(jīng)顱磁刺激的治療反應(yīng)方面均存在差異［15］。另有研究聚焦于默認網(wǎng)絡(luò)，也發(fā)現(xiàn)了具有不同功能連接模式的抑郁癥亞型［16］。這些研究表明，個體的神經(jīng)生物學信息可以為臨床提供更多有價值的啟示。相比于功能研究，目前基于結(jié)構(gòu)磁共振的抑郁癥亞型探索還相對有限。因此，本研究利用DTI 和半監(jiān)督學習方法劃分抑郁癥亞型，以期從生物學亞型的角度為抑郁癥的精準診療提供參考。

1 對象與方法

1.1 對象

納入2017 年9 月-2021 年8 月于北京安定醫(yī)院就診的抑郁癥患者為研究對象。入組標準：①年齡18～65 歲，性別不限，漢族，右利手；②小學以上受教育程度，能夠理解量表內(nèi)容；③符合《精神障礙診斷與統(tǒng)計手冊（第4 版）》（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，fourth edition，DSM-IV）抑郁癥診斷標準；④本次發(fā)作未接受抗抑郁藥系統(tǒng)治療或近14 天累計使用抗抑郁藥治療不超過7 天；⑤漢密爾頓抑郁量表17 項版（Hamilton Depression Scale-17 item，HAMD-17）總評分≥14分；⑥體內(nèi)無金屬植入物或電子設(shè)備等核磁掃描禁忌。排除標準：①既往有明確躁狂或輕躁狂發(fā)作；②既往或目前符合其他精神障礙診斷標準，如雙相情感障礙、精神分裂癥、分裂情感性精神障礙等；③有酒精或藥物濫用史、急性中毒史的患者；④目前存在嚴重自殺風險（HAMD-17自殺風險條目評分≥3分）的患者；⑤患有嚴重的軀體疾??；⑥妊娠期或哺乳期女性。符合入組標準且不符合排除標準的抑郁癥患者共127例。

表1 患者組與健康對照組基本資料Table 1 Demographic and clinical information between the patient group and the healthy control group

同期在醫(yī)院附近社區(qū)通過廣告招募與患者性別和年齡相匹配的健康人群作為對照組。入組標準：①年齡18～65 歲，性別不限，漢族，右利手；②小學以上受教育程度，能理解量表內(nèi)容；③體內(nèi)無金屬植入物或電子設(shè)備等核磁掃描禁忌。排除標準：①既往或目前符合DSM-IV任何精神障礙診斷標準；②有精神疾病家屬史；③有酒精或藥物濫用史、急性中毒史；④患有嚴重的軀體疾病；⑤妊娠或哺乳期婦女。符合入組標準且不符合排除標準共80 例。本研究通過北京安定醫(yī)院人類研究與倫理委員會批準［倫理審批號：（2017）科研第（24）號］。所有受試者均簽署知情同意書。

1.2 評定工具

采用自編調(diào)查表收集受試者的基本資料，包括年齡、性別、受教育年限和病程。

HAMD-17為他評量表，共17個條目，其中大部分條目采用0～4 分5 級評分，少量條目采用0～2 分3 級評分，總評分越高表明抑郁癥狀越嚴重。該量表中文版Cronbach’s α系數(shù)＞0.70［17］。

16 項抑郁癥狀快速自評量表（16-item Quick Inventory of Depressive Symptoms Self-Report Scale，QIDS-SR16）為自評量表，共16 個條目，采用0～3 分4 級評分，總評分越高表明抑郁癥狀越嚴重。該量表中文版Cronbach’s α系數(shù)約為0.80［18］。

患者健康問卷抑郁量表（Patient Health Questionnaire-9，PHQ-9）為自評量表，共9 個條目，采用0～3 分4 級評分，總評分越高表明抑郁癥狀越嚴重。該量表中文版Cronbach’s α系數(shù)＞0.80［17，19］。

1.3 評定方法

由通過量表一致性培訓和考核的專業(yè)精神科醫(yī)師使用簡明國際神經(jīng)精神訪談中文版（Mini-International Neuropsychiatric Interview，MINI 5.0.0）對就診者做出診斷，診斷明確后入組。為避免環(huán)境干擾，所有評估均在測評室內(nèi)完成?；颊咴谌虢M時和抗抑郁藥物治療12 周后完成HAMD-17、QIDS-SR16 和PHQ-9 評定。健康對照組在入組時完成QIDS-SR16 和PHQ-9 評定。受試者在理解主試指導語后自行完成QIDS-SR16 和PHQ-9 評定。量表評定耗時20～40 min。

1.4 影像數(shù)據(jù)采集

磁共振數(shù)據(jù)在北京安定醫(yī)院影像科完成采集，使用德國西門子3.0 T Prisma 磁共振儀采集T1結(jié)構(gòu)像和彌散加權(quán)圖像（diffusion weighted imaging，DWI）。T1結(jié)構(gòu)像：使用3D梯度回波成像（Three-dimensional magnetization-prepared rapid gradient-echo imaging，3D-MPRAGE）序列進行矢狀位掃描。TR（重復時間）=2 530 ms，TE（回波時間）=1.85 ms，層數(shù)=192層，層厚=1 mm，F(xiàn)OV（視野）=256 mm×256 mm，矩陣=256×256，翻轉(zhuǎn)角=9°。

DWI 圖像：采用單次回波平面成像（echo planar imaging，EPI）序列進行軸位掃描。TR（重復時間）=9 200 ms，TE（回波時間）=78 ms，層數(shù)75 層，層厚2 mm，無間隔，F(xiàn)OV（視野）=224 mm×224 mm，翻轉(zhuǎn)角=90°；2次重復掃描，30個b=1 000 s/mm2的彌散加權(quán)方向的圖像，6個b=0 s/mm2的無彌散加權(quán)方向的圖像。

1.5 影像數(shù)據(jù)分析

采用FMRIB Software Library（FSL v6.0.5.1）軟件（http：//fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）對DWI 數(shù)據(jù)進行處理。預(yù)處理包括：去除非腦組織、頭動和渦流矯正、FA 指標計算。將所有受試者的FA 圖像非線性配準到FMRIB58_FA 標準空間，得到平均FA圖像，使用纖維束追蹤空間統(tǒng)計（Tract-based spatial statistics，TBSS）方法以0.2 為閾值對其骨架化。然后，將所有受試者的FA 圖像投射到該骨架上，生成每個受試者的FA 圖像骨架。完成上述步驟后，根據(jù)約翰霍普金斯大學（Johns Hopkins University，JHU）腦白質(zhì)概率圖譜［20］提取48 個纖維束標簽的FA平均值，并進行Z分數(shù)標準化。采用回歸分析，將排除性別、年齡、受教育年限影響后的FA值作為下一步生物學亞型分析的特征。

1.6 生物亞型分析

采用半監(jiān)督學習算法-HYDRA（Heterogeneity through discriminative analysis）劃分亞型［21］。該方法基于患者組與健康對照組整體指標的差異，將患者組劃分為不同數(shù)量的同質(zhì)亞組。在本研究中，依據(jù)患者組和健康對照組在48條纖維束上FA 值形成的數(shù)據(jù)分布差異性，將表現(xiàn)出相似差異性的患者聚類為同質(zhì)的亞型。預(yù)先假定存在2～5 種亞型，通過十折交叉驗證計算調(diào)整蘭德系數(shù)（Adjusted Rand index，ARI），將ARI 作為衡量劃分不同數(shù)量亞型的穩(wěn)定性指標。具體做法：每次選擇90%的樣本進行聚類，計算十次不同的樣本選擇方式中各樣本是否被連續(xù)劃分到某一個亞型。選擇ARI最高的亞型數(shù)量作為劃分結(jié)果。按照Kaczkurkin 等［22］使用的方式進行置換檢驗，以評估劃分亞型的泛化性能。將健康對照組的50%作為偽病人，剩下50%仍作為健康對照組，通過上述流程計算ARI構(gòu)建零分布，同時將抑郁癥患者的50%作為患者組，與50%的健康對照組構(gòu)建ARI的實際分布，比較實際分布與零分布的差異，差異越大則認為模型的泛化性能越好。參照與本研究樣本量相近的研究，本研究選擇進行100 次置換檢驗［14］。

1.7 統(tǒng)計方法

使用R 4.1.3 進行統(tǒng)計分析。符合正態(tài)分布的計量資料以（±s）表示，兩組比較采用獨立樣本t 檢驗，三組比較采用單因素方差分析；不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)以［M（Q1～Q3）］表示，組間比較采用Mann-Whitney U檢驗。計數(shù)資料以［n（%）］表示，使用χ2檢驗進行組間比較。P＜0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

對于全腦纖維束的FA 值，首先使用獨立樣本t檢驗比較健康對照組與患者組之間的差異并進行FDR 校正。再基于亞型分析結(jié)果，通過方差分析比較健康對照組與不同亞型患者組的差異并進行FDR 校正。對存在差異的纖維束進行事后檢驗并通過Turkey 檢驗進行校正，統(tǒng)計顯著性水平設(shè)定為校正后P＜0.01。

使用線性混合效應(yīng)模型評估不同亞型患者組的療效，將HAMD-17 總評分作為因變量，性別、年齡和受教育年限作為協(xié)變量，分析組別（亞型Ⅰ、亞型Ⅱ）和時間（基線和治療12周后）的主效應(yīng)和交互效應(yīng)，將受試者作為隨機截距加入模型。

2 結(jié) 果

2.1 患者組與健康對照組基本資料

基線時，患者組與健康對照組的受教育年限、PHQ-9 總評分以及QIDS-SR16 總評分差異均有統(tǒng)計學意義（P均＜0.05），年齡和性別差異均無統(tǒng)計學意義（P均＞0.05）。見表1。

2.2 不同亞型的抑郁癥患者基本資料比較

將抑郁癥患者劃分為2、3、4、5 種亞型時，ARI分別為0.64、0.51、0.44、0.36。當劃分為兩種亞型時，ARI最大，且置換檢驗后與零分布差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。故將患者劃分為兩種亞型：亞型I（n=76）和亞型II（n=51）。

亞型I 患者組和亞型II 患者組的年齡、性別、受教育年限、PHQ-9 總評分、QIDS-SR16 總評分、HAMD-17 總評分以及病程，差異均無統(tǒng)計學意義（P均＞0.05）。對不同亞型患者組HAMD-17總評分進行分析，存在時間主效應(yīng)（F=12.930，P＜0.01）以及組別和時間的交互效應(yīng)（F=4.288，P＜0.05）。事后檢驗顯示，兩種亞型的患者HAMD-17 總評分在治療后均降低（P＜0.05），治療12 周后，亞型Ⅰ患者組HAMD-17 總評分低于亞型Ⅱ患者組（t=2.410，P＜0.05）。見表2。

表2 不同亞型的抑郁癥患者基本資料比較Table 2 Comparison of demographic and clinical information among different subtypes of patients

2.3 抑郁癥患者及各亞型組與健康對照組FA 值比較

患者組共有11 條纖維束的FA 值低于健康對照組（P＜0.01，F(xiàn)DR 校正），包括雙側(cè)內(nèi)囊豆狀核后部、雙側(cè)前放射冠、左側(cè)上放射冠、雙側(cè)后放射冠、雙側(cè)丘腦后放射冠、右側(cè)上縱束以及右側(cè)上額枕束。見圖1A。

圖1 患者組及各亞型組與健康對照組纖維束FA值比較Figure 1 Comparison of FA values among the patient group，subtypes，and the healthy control group

對不同亞型的患者組和健康對照組進行方差分析，結(jié)果顯示，三組除穹窿、左側(cè)內(nèi)側(cè)丘系、左側(cè)鉤束、左側(cè)胼胝體神經(jīng)氈外的44 條纖維束FA 值的差異均有統(tǒng)計學意義（P＜0.01，F(xiàn)DR校正）。

事后檢驗顯示，亞型I 患者組共有35 條纖維束的FA 值低于健康對照組（P＜0.01，F(xiàn)DR 校正），包括小腦中腳、胼胝體膝部、體部、壓部、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束、右側(cè)小腦下腳、雙側(cè)大腦腳、雙側(cè)內(nèi)囊前肢、雙側(cè)內(nèi)囊后肢、雙側(cè)內(nèi)囊豆狀核后部、雙側(cè)前放射冠、雙側(cè)上放射冠、雙側(cè)后放射冠、雙側(cè)丘腦后放射冠、雙側(cè)下縱束及下額枕束、雙側(cè)外囊、雙側(cè)扣帶回、左側(cè)海馬、雙側(cè)終紋、雙側(cè)上縱束、雙側(cè)上額枕束、右側(cè)鉤束。見圖1B。

亞型II 患者組共有3 條纖維束的FA 值高于健康對照組（P＜0.01，F(xiàn)DR 校正），包括小腦中腳、左側(cè)小腦上腳和左側(cè)大腦腳。見圖1C。

對兩種亞型的患者進行比較，除穹窿、左側(cè)內(nèi)側(cè)丘系、雙側(cè)鉤束外和左側(cè)胼胝體神經(jīng)氈之外，亞型II 患者組其他43 條纖維束FA 值均高于亞型I患者組（P＜0.01，F(xiàn)DR校正）。見圖1D。

3 討 論

本研究結(jié)合DTI 技術(shù)和機器學習方法，將抑郁癥患者劃分為兩種具有不同白質(zhì)損傷模式的生物學亞型。其中，亞型I 表現(xiàn)為廣泛腦區(qū)的纖維束FA值降低，亞型II 表現(xiàn)為少數(shù)腦區(qū)的纖維束FA 值升高。盡管兩種亞型患者組人口學資料和基線期抑郁癥狀嚴重程度差異無統(tǒng)計學意義，但二者對急性期抗抑郁藥物治療的應(yīng)答程度有所不同。

抑郁癥腦影像學研究結(jié)果的可重復性受眾多因素的影響，如不同的研究設(shè)計、樣本量差異以及臨床異質(zhì)性等［23-25］。亞型分析有助于發(fā)現(xiàn)相同臨床診斷標簽下的不同生物學病理機制。本研究將抑郁癥患者與健康對照組進行比較，結(jié)果顯示，在內(nèi)囊、上額枕束、放射冠等一系列纖維束上，抑郁癥患者的FA 值更低，與既往部分研究的結(jié)論一致［8，26］。van Velzen 等［6］對ENIGMA 的公開數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果表明，成年抑郁癥患者存在大面積的纖維束FA值降低。但也有研究報道了不同的、甚至相反的結(jié)果［27-28］。本研究將患者劃分為兩個亞型，亞型I患者組以在更為廣泛的腦區(qū)中表現(xiàn)出纖維束FA 值降低為特征，這與ENIGMA 大樣本研究結(jié)果的相似性更高，提示該亞型的抑郁癥患者可能存在更嚴重的纖維束損傷和結(jié)構(gòu)異常，推測可能與早期神經(jīng)發(fā)育障礙、遺傳因素、慢性炎癥等機制相關(guān)。同時，這些受損部位與其他嚴重精神障礙（精神分裂癥、雙相情感障礙等）患者的白質(zhì)損傷模式存在重合，如都存在扣帶回、前放射冠、胼胝體體部和穹窿等部位的FA 值降低［9］，提示這些受損腦區(qū)可能與更復雜的癥狀以及疾病的慢性遷延有關(guān)。而亞型II患者組大部分纖維束的FA 值相比于健康對照組沒有改變，甚至少數(shù)纖維束的FA值更高，提示亞型II可能不具有以白質(zhì)損傷為核心的生物學特征。

既往研究顯示，不同生物學基礎(chǔ)的抑郁癥患者在臨床癥狀、治療反應(yīng)等方面存在巨大差異［29］。本研究中，兩種亞型的抑郁癥患者也表現(xiàn)出不同程度的治療應(yīng)答。雖然不同亞型的患者組基線期抑郁癥狀嚴重程度差異無統(tǒng)計學意義，但推測可能在認知功能等其他維度上存在表型差異。Liang 等［30］的一項結(jié)構(gòu)磁共振研究將抑郁癥劃分為三種亞型，雖然不同亞型患者的臨床癥狀差異均無統(tǒng)計學意義，但在注意和記憶等認知維度上，患者表現(xiàn)出不同的認知缺陷模式，這提示在研究中開展多維度表型測量的重要性。一些研究顯示，基線期右側(cè)上縱束、右側(cè)皮質(zhì)脊髓束以及扣帶回的FA 值越大，抗抑郁藥物的療效更好［31-32］，終紋的FA 值與療效呈負相關(guān)［31］，本研究結(jié)果與之不一致，本研究認為，研究生物表現(xiàn)更同質(zhì)的亞型患者組能夠更好地反映治療與生物標志物之間的真實關(guān)聯(lián)。后續(xù)研究可以利用公共數(shù)據(jù)對此加以驗證。此外，還有研究表明，未服用抗抑郁藥物的患者其扣帶回、右側(cè)下縱束及下額枕束、外囊和穹隆的FA 值低于健康對照組，而服用SSRIs類藥物的患者未觀察到這種差異［6］，基于這些結(jié)果，推測抗抑郁藥物的療效可能與修復抑郁癥患者的白質(zhì)損傷有關(guān)。在本研究中，亞型I 患者組表現(xiàn)出更好的治療反應(yīng)，可能是因為在接受抗抑郁藥物治療后，其受損的白質(zhì)纖維得到了一定程度的修復，從而改善了臨床癥狀，但這些推測同樣還需要后續(xù)研究的驗證。

綜上所述，本研究為解析抑郁癥這一復雜疾病的生物學異質(zhì)性提供了新的證據(jù)，為臨床的精準治療提供了新的方向，未來的治療策略可以考慮針對不同亞型采取個體化的干預(yù)措施。本研究局限性：①納入的部分患者曾經(jīng)服用過抗抑郁藥物，但由于樣本量的限制本研究未加以嚴格區(qū)分，后續(xù)研究應(yīng)將藥物因素納入考量；②本研究只采用了FA 指標，未來可以融合多模態(tài)指標深度挖掘抑郁癥的生物異質(zhì)性；③亞型分析的穩(wěn)定性和泛化性還有待在大樣本研究中進行獨立驗證。