精神分裂癥海馬前后亞區結構改變的磁共振成像研究

郭攀飛，李欣蔚，李淑宇*

作者單位：1.北京航空航天大學生物與醫學工程學院，北京 100083 2.北京航空航天大學生物醫學工程高精尖創新中心，北京 100083

精神分裂癥是一種慢性重性精神疾病，影響全球數百萬人，患者常常出現幻覺、妄想、認知障礙等臨床癥狀[1]。磁共振成像作為一種非侵入性檢查手段，已被廣泛應用于研究精神分裂癥患者大腦的結構和功能變化。多項證據表明，精神分裂癥的病理生理機制與海馬的結構和功能異常有關，海馬萎縮是精神分裂癥患者中發現的結構異常之一[2-3]。

研究表明，海馬是非勻質結構，沿其長軸，功能、神經元數量出現分化[4-5]。其中，前海馬與情感、信息編碼等有關，后海馬則在空間記憶、信息檢索等過程中有重要作用[5-6]。目前，關于精神分裂癥對前、后海馬體積影響的研究結論仍存在爭議，一些研究認為精神分裂癥患者僅僅海馬前部出現萎縮[7-8]，另有一些研究支持精神分裂癥患者海馬萎縮僅發生在后部[9]，還有研究表明海馬萎縮具有擴散性，且僅僅在整體層面上表現萎縮[10]。究其原因，可能是這些研究所采用的樣本數據通常較少(患者樣本量小于40)，劃分前、后海馬的標準不一致，并且相關行為學認知得分的種類有限，這限制了對于精神分裂癥對海馬體積的影響，以及海馬體積與相關認知行為學得分關系的理解。因此，本研究采用更大樣本量的腦結構核磁圖像及更多種類的行為認知數據，探索精神分裂癥對海馬體積及行為認知表現的影響機制。研究精神分裂癥患者前、后海馬體積的變化，以及分析海馬體積與行為認知得分的相關性，能夠為理解精神分裂癥患者認知障礙病理生理機制提供新的依據。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究所用數據來自新墨西哥大學生物醫學研究中心(Center for Biomedical Research Excellence (COBRE)(http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/retro/cobre.html)免費公開數據庫，其中包括72例精神分裂癥患者(患病組)和74名健康者(對照組)，兩組的年齡范圍為18～65歲。每個被試都根據新墨西哥大學人類研究保護辦公室的規定獲得了知情同意書，詳細的實驗流程見http://cobre.mrn.org/網站。本研究依據精神疾病診斷與統計手冊 (The Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM)障礙的臨床訪談量表(structured clinical interview for DSM disorders，SCID)對受試者進行臨床診斷，排除了采集數據前12個月中有被診斷為神經系統疾病、智力遲鈍、嚴重頭部外傷、藥物濫用或依賴的受試者。同時，采用MATRICS認知評估量表(MATRICS consensus cognitive battery，MCCB)獲得8項認知得分[11]，包括處理速度、注意力/警覺性、工作記憶、言語學習、視覺學習、推理/問題解決和社會認知以及多個認知域的綜合得分。對照組和患病組的年齡、性別比例無顯著差異，患病組的認知得分均顯著小于對照組(見表1)。

1.2 數據采集

表1 精神分裂癥組和健康對照組的人口統計學特性和認知得分Tab.1 Demographic characteristics and cognitive scores of schizophrenia patients and healthy controls

表2 精神分裂癥組和健康對照組的顱內總體積、灰質體積、兩側海馬、前海馬、后海馬體積比較(mm3)Tab.2 Comparison of total intracranial volume, gray matter volume, bilaterally hippocampal, anterior hippocampal, and posterior hippocampal volumes of the patients and controls (mm3)

所有被試者均采用西門子Tim-Trio 3.0 T成像設備采集結構MRI全腦圖像。結構MRI通過多回波MPRAGE序列獲取，掃描參數為：FOV=256 mm×256 mm，矩陣大小=256×256×176，體素大小=1 mm×1 mm×1 mm，FA=7°，回波數量=5，重復時間TR=2530 ms，回波時間TE=1.64、3.5、5.36、7.22、9.08 ms，反轉時間TI=900 ms，掃描時間=6 min。

1.3 數據預處理

本試驗基于SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)軟件，利用CAT12(http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/)工具包，在Matlab 2014平臺下對結構MRI圖像進行預處理。CAT12中對數據的預處理主要分為以下步驟：(1)分割，通過自適應最大后驗技術和部分容積效應估計算法，利用自帶的組織概率圖，將原始圖像分為灰質、白質、腦脊液；(2)空間標準化，基于微分同胚模型的DARTEL (Diffeomorphic Anatomical Registration Through Exponentiated Lie)算法，將圖像標準化到蒙特利爾神經病學研究所(montreal neurological institute，MNI)空間，其中，標準化過程中所用的MNI空間模板是基于來自IXI(Information eXtraction from Images)數據集(http://www.braindevelopment.org)中的555名健康被試制作的；(3)調制，由于配準過程中某些部位會被壓縮或者擴大，因此利用配準的參數對分割后的灰質圖像進行調制，將每個體素與標準化過程中得到的變形場的雅可比行列式相乘，使得灰質的總體積與原始空間相同。調制后圖像中每個體素的值代表了該處的相對灰質體積。由于平滑過程使得每個體素的值被鄰域的加權平均值所替代，為了避免平滑帶來的前、后海馬區域間混雜效應，本研究中海馬體積的計算是在未平滑的圖像上進行的。考慮到不同被試大腦尺寸給結果數據帶來的影響，最后所得圖像均用顱內總體積(灰質體積+白質體積+腦脊液體積)進行歸一化(每個被試所得圖像中單個體素的值=歸一化前未平滑圖像中對應體素的值除以該被試的顱內總體積)。

圖1 海馬的前、后分割Fig. 1 View of the anterior (white) and posterior (black) division of the hippocampus.

1.4 前、后海馬分割

圖2 兩側海馬、前海馬、后海馬體積的組間比較(*代表P＜0.05；**代表P＜0.01，P值為FDR校正后的統計值)Fig. 2 Comparison of bilaterally hippocampal, anterior hippocampal and posterior hippocampal volumes between patients and controls (*represents P＜0.05, **represents P＜0.01, P values are FDR-corrected).

本研究采用基于MNI空間坐標分割的方法來劃分海馬，海馬的分割來自于人腦自動解剖標記分區(automated anatomical labeling，AAL)模板[13]。首先，從維克森林大學開發的WFU_Pickatlas工具包[14]提供的結構圖譜中提取出左、右海馬。隨后，根據MNI空間中海馬鉤頂的位置，將海馬進一步劃分為前海馬(-2～-18)和后海馬(-24～-42)[4，15]。為了避免計算前、后海馬體積時可能存在的相鄰區域間干擾效應，本研究在兩個區域相鄰端各自去除了2 mm層厚的冠狀面層。海馬前、后分割結果如圖1。

圖3 患病組海馬體積與行為認知得分的顯著相關性Fig. 3 Significant correlations between hippocampal volumes and cognitive scores in patients.

1.5 數據分析

本研究中，數據的統計分析在SPSS 19.0中進行，所有的統計檢驗都使用雙側檢驗。對于人口統計學數據、MCCB認知得分，使用兩獨立樣本t檢驗和卡方檢驗(僅對于性別)檢測對照組和患病組的組間差異，并進行FDR校正。對于顱內總體積、灰質體積、海馬、前海馬、后海馬體積，用一般線性模型中的單變量分析方法進行組間比較，以年齡和性別作為協變量，并進行FDR校正。FDR校正后顯著性閾值設定為P＜0.05。

同時，還分別在患病組、對照組中將海馬、前海馬、后海馬體積與各項認知得分進行線性回歸分析，以體積值作為自變量，認知得分值作為因變量，并加入性別和年齡作為混雜因素去除其影響。由于在圖像預處理部分已經考慮到了大腦尺寸的差異性，所以顱內總體積沒有放入回歸模型中。顯著性閾值設定為P＜0.05。

2 結果

2.1 海馬體積分析

對患病組和對照組顱內總體積、灰質體積、兩側海馬、前海馬、后海馬體積對比分析結果進行描述，見表2。其中，顱內總體積、灰質體積組間差異無統計學意義。進行顱內總體積校正后，患病組兩側海馬、前海馬、后海馬體積均顯著小于對照組。圖2顯示了兩側海馬、前海馬、后海馬體積的組間比較結果。

2.2 海馬體積與行為認知得分的關系

在患病組中觀察到，兩側后海馬體積與言語學習得分呈顯著正相關(左側：r=0.014，P=0.046；右側：r=0.015，P=0.027)，右側海馬總體積以及前海馬體積與推理/問題解決能力得分呈顯著正相關(總：r=0.011，P=0.036；前部：r=0.024，P=0.030)。在對照組中，沒有觀察到海馬、前海馬、后海馬體積與認知得分之間存在顯著的相關性。見圖3。

3 討論

3.1 本研究的主要發現

不同于以往精神分裂癥對前后海馬體積影響的研究結果(一些研究支持僅前海馬萎縮，一些研究支持僅后海馬萎縮，也有些研究支持海馬僅在整體層面上表現出萎縮)，本研究觀察到患病組兩側海馬、前海馬、后海馬體積均顯著小于對照組，這種差異可能是由于本研究的樣本量、納入標準、不同的分析方法及設備的差異造成的。此外，本研究在患病組發現兩側后海馬體積與言語學習得分呈正相關，右側前海馬體積與推理/問題解決能力得分正相關。

3.2 兩側海馬、前海馬、后海馬體積的組間差異

海馬萎縮是精神分裂癥患者常見的結構異常，本研究發現，精神分裂癥患者兩側海馬、前海馬、后海馬體積均顯著小于對照組。研究表明，前海馬在記憶編碼時激活，后海馬在記憶檢索時激活[6]。本研究的發現提示精神分裂癥患者記憶、學習能力受損可能是由于海馬的整體萎縮引起的。

本研究結論證實精神分裂癥患者海馬體積的萎縮是擴散性的，并且不僅僅局限于前部或者后部，這與之前研究發現精神分裂癥患者海馬各個亞區體積萎縮的結論是一致的[16-18]。Ho等[16]將海馬分為7個亞區：海馬角1～4區(cornu ammonis 1～4，CA1～CA4)、顆粒細胞層(granule cell layer)、分子層(molecular layer)、下托(subiculum)，發現精神分裂癥患者海馬的萎縮早期發生在海馬角1區，隨著時間的推進，延伸到全部海馬亞區。基于FreeSurfer軟件，Haukvik等[17]比較了210個精神分裂癥患者和300個正常被試的海馬亞區體積，發現精神分裂癥患者兩側海馬角2/3區、海馬角4區/齒狀回、前下托、下托以及右側海馬角1區體積顯著小于正常被試；Mathew等[18]在219例精神分裂癥患者和337名正常被試中發現，精神分裂癥患者相較正常對照組，兩側海馬的5個亞區(海馬角1區、海馬角2/3區、海馬角4區/齒狀回、前下托、下托)的體積均顯著減小。在這些研究中，選取樣本量較大，且將海馬劃分為多個海馬亞區，有助于檢測到精神分裂癥對海馬局部體積的影響。雖然上述研究未關注精神分裂癥對前、后海馬體積的影響，但提示了精神分裂癥患者海馬體積的減小是海馬整體出現萎縮所致。本文的研究結論與這些研究保持一致，這也在一定程度上論證了文中對海馬前后分割方法的有效性以及本文結論的可靠性。

目前，海馬的前后分割方法主要有基于前后海馬功能連接的劃分[19-20]、基于前后海馬解剖結構的劃分[9-10]。針對本文所用的結構磁共振圖像，筆者基于解剖結構的方法對海馬進行劃分，該劃分方法又大體分為3種[4]：基于標志物的劃分、基于坐標的劃分、基于百分比的劃分。但是，在基于標志物的劃分方法中，前后海馬的邊界在標準解剖圖像(分辨率為1 mm3)上很難識別，容易引起分割精度的下降。基于百分比的劃分方法中，對于前后海馬在海馬整體中的占比目前仍存在許多不同結論。鑒于此，本文中所采用的分割策略是基于坐標的劃分，將海馬鉤頂在MNI152模板或其他神經解剖圖集上的坐標值作為分割標準。海馬鉤頂是一個獨特的、容易識別的標志，也是海馬體積測量時的主流標準，在定義海馬頭部時，大多數分割協議使用或近似鉤頂的位置[4]。同時，為了避免計算前、后海馬體積時可能存在的相鄰區域間干擾效應，本研究在對海馬進行分割時，還在兩個區域相鄰端各自去除了2 mm層厚的冠狀面層。目前，雖然未見該方法用于精神分裂癥領域海馬的體積研究，但其已在其他研究領域得到成功應用[15，21]，這也進一步論證了該方法的有效性和合理性。

關于精神分裂癥對前、后海馬體積的影響，目前仍存在爭議。Schobel等[7]將海馬分為前、后兩部分后，發現患病組前海馬體積顯著小于正常對照組，Falkai等[8]基于尸體解剖學研究，發現精神分裂癥患者僅僅在海馬前部出現少突膠質細胞和神經元數量的減少。但是，Rametti等[9]基于形態學的分析方法發現，相較于正常人組，精神分裂癥患者后部海馬體積顯著較小。而Weiss等[10]發現，雖然精神分裂癥患者海馬整體體積較正常人要小，但是前、后海馬的體積與正常人無顯著差異。不過，這些研究所采用的樣本數據通常較少，且前、后海馬分區方法不一致。因此，本文采用更大量的樣本數據進行組間比較分析，并選取更可靠的海馬前后分割方法，使得數據分析結果具有更高的可靠性，針對這一存在爭議的研究做出了進一步的補充。

3.3 海馬體積與行為學認知得分的相關性

在患病組，觀察到兩側后海馬體積與言語學習得分呈顯著正相關。研究表明，精神分裂癥患者海馬體積的大小與言語學習能力呈正相關[22]。通過元分析的方法，Antoniades等[23]也在精神分裂癥患者中發現兩側海馬體積與言語學習能力呈正相關，而在健康被試中并沒有觀察到海馬體積與言語學習能力的相關性。本研究結果與以上研究結論保持一致，并且提示該相關性在海馬后部更顯著，這個結果可能是由于后海馬與細節記憶能力有關[24]，而后海馬體積萎縮使得人腦記憶能力下降，從而最終導致患者言語學習得分顯著小于對照組。

在患病組，還觀察到右側海馬總體積以及前海馬體積與推理/問題解決能力得分呈顯著正相關。研究表明，推理過程依賴于海馬對離散事件的編碼機制[25]，而前海馬與信息編碼能力有關[6]。本研究的結論與以上研究結果保持一致，并且提示精神分裂癥患者推理/問題解決能力的下降，可能是前海馬，特別是右側前海馬體積萎縮的緣故。

3.4 本研究優點和局限性

本研究納入大量的樣本數據和行為認知得分種類，以及采用更可靠的前、后海馬分區方法，增強了精神分裂癥對海馬體積影響研究結論的可靠性。此外，還分析了更多行為學認知得分與海馬體積的相關性，有利于進一步探索精神分裂癥患者認知障礙病理生理機制。本文的局限性在于由于采用的樣本中女性數據較少，所以本研究并沒有對精神分裂癥對于男性、女性海馬體積的影響分別進行分析，而研究表明，男性、女性的海馬結構是有差異的[15]，未來的研究需要獲取更多的女性樣本數據來探索精神分裂癥對男、女海馬結構影響的差異。

總之，本研究結果提示，精神分裂癥患者海馬體積萎縮是整體的萎縮，包括前部和后部都出現萎縮，并且精神分裂癥患者后海馬體積與言語學習能力呈正相關，右側前海馬體積與推理/問題解決能力正相關。本研究能夠為海馬前、后結構性缺陷的假設，以及有關認知損傷的病理機制提供理論依據。