基于腦網絡組圖譜的首發‐未服藥抑郁癥白質結構網絡研究

吳華旺，佘生林，鄭偉，吳逢春,3

1.廣州醫科大學附屬腦科醫院影像科，廣東廣州510370；2.廣州醫科大學附屬腦科醫院精神科，廣東廣州510370；3.廣東省精神疾病轉化醫學工程技術研究中心，廣東廣州510370

前言

網絡兩個基本要素為節點和邊。在網絡構建的過程中，最為關鍵的一步是如何去定義網絡的節點［1］。在腦網絡研究中，節點即為腦區。理想的節點應為節點的腦功能同質性，其權衡了節點之間的異質性與空間節點之間的相互關系［2］。腦網絡組圖譜不僅包含了210 個精細的大腦皮層腦區與36 個皮層下核團亞區結構，而且還定量描繪了不同腦區亞區的解剖與功能連接的模式，并且對每個亞區進行細致的功能描述，相比傳統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）的腦網絡研究目前尚未取得一致性的結果。在全局網絡屬性分析上，有研究發現小世界屬性在MDD 患者組與健康對照組存在統計學上的組間差異［4‐6］，而在較大樣本的研究中并沒有發現小世界屬性存在組間差異［7‐8］。MDD 腦網絡的結果除了受到藥物、病程等干擾因素影響之外，其中最關鍵的因素可能是在構建腦網絡時采用了粗糙的解剖圖譜去定義網絡的節點。因此，本研究目的是采用精細的腦網絡組圖譜定義腦網絡的節點，去考察首發‐未服藥MDD 是否存在腦白質結構網絡拓撲屬性的異常。基于以往磁共振成像在局部結構、功能以及腦網絡水平上的結果，我們假設在此精細的腦網絡圖譜上，MDD 在腦網絡水平上發生了異常改變。

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）均在廣州醫科大學附屬腦科醫院收集。MDD的臨床診斷由精神科醫師根據精神疾病的診斷和統計手冊臨床結構式訪談（the Structured Clinical Interview of the DSM‐IV, SCID）病人版納入，符合DSM‐IV關于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。本研究經過廣州醫科大學附屬腦科醫院倫理委員會同意開展，所有被試均經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 擴散及結構磁共振數據采集

磁共振數據的采集在廣州醫科大學附屬腦科醫院的飛利浦3.0 T磁共振掃描儀上完成。擴散張量成像的數據采集使用單次激發自旋回波‐平面回波序列。掃描參數如下：重復時間=10 067 ms，回波時間=92 ms，翻轉角=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結構磁共振數據用于DTI 數據的配準。掃描序列及參數如下：三維T1加權的快速場回波序列；重復時間=8.2 ms；回波時間=3.7 ms；反轉時 間=1 100 ms；反轉角=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 擴散磁共振數據預處理及網絡構建

所有DTI 數據預處理在PANDA 工具包上完成［9］，包括：（1）數據格式轉換；（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（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°，FA值小于0.2。

腦網絡組圖譜將整個大腦半球分割成246 個腦區（每側大腦半球各123個腦區），每一個腦區為腦網絡中的一個節點。每一個腦區與全腦其他腦區進行確定性的纖維追蹤，假如兩個腦區之間連接的纖維束大于等于3，我們便認為其存在結構連接［11‐13］。然后得到每個個體的246×246 大腦白質結構網絡的連接矩陣。

1.4 腦白質結構網絡分析

對節點i和節點j之間纖維數的連接大于等于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結構網絡的拓撲屬性，其中包括全局網絡屬性的聚群系數、最短路徑長度和小世界屬性，網絡效率和局部節點屬性的節點度、節點介數、節點效率。所有的網絡分析部分在GRETNA軟件包上完成［14］。最短路徑長度是描述網絡內部結構非常重要的一個參數，它度量的是網絡的全局傳輸能力。網絡的最短路徑長度表示的是網絡中任意兩個節點對的最短路徑（最少邊數）的平均值。聚群系數是描述網絡局部特征的重要參數，表示網絡中某一個節點i的鄰居之間相互成為鄰居的可能性，它度量的是網絡局部信息的傳遞能力。其中某一個節點i的聚群系數Ci的值等于它的鄰居中實際存在的連邊的數目（ei）除以最多可能存在的邊數的比值。小世界網絡是一種介于規則網絡和隨機網絡之間的網絡，與隨機網絡相比，它具有較大的聚群系數（γ=Creal/Crandom＞＞1，其中real表示真實網絡，random 表示隨機網絡）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。網絡的效率反映的是網絡的信息傳輸的能力，包括全局效率Eglob和局部效率Eloc。節點度表示與該節點直接相連接節點的數目或節點相連的邊數，其衡量的是單個節點在網絡中的重要性。節點介數是每個節點對其它所有點對之間最短路徑的貢獻，其反映了相應節點在整個網絡中的作用和影響力。節點效率為節點在網絡中的信息傳遞的能力。

1.5 統計學分析

1.5.1 全局和局部結構網絡屬性為了確定腦網絡全局網絡屬性和局部節點屬性是否存在顯著的組間差異，采用非參數置換檢驗并且將性別、年齡作為協變量進行多元線性回歸，以排除每個腦網絡拓撲屬性中性別、年齡的干擾因素，置換次數為10 000次。P＜0.05為差異有統計學意義。

1.5.2 結構網絡的連接分析采用基于網絡的統計（Network‐Based Statistic, NBS）［15］方法去評定MDD患者組與健康對照組的腦白質結構網絡中解剖連接的異常。首先，在每一條邊上，進行兩組間的雙樣本t檢驗，以確定那些結構連接存在差異，閾值設置為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絡。然后對在此基礎之上得到的閾上解剖連接或子網絡進行非參數置換檢驗，最后確定那些連接或子網絡存在異常，置換次數10 000次。P＜0.05為差異有統計學意義。

1.5.3 結構網絡指標與臨床資料的相關分析對于那些具有統計學差異的腦結構網絡的拓撲屬性，進一步分析這些指標與MDD 患者的臨床指標（HAMD 評分和病程）之間的關系，并將性別、年齡作為協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 結果

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

表2 抑郁癥患者組與健康對照組在全局網絡屬性上的比較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點介數的差異分布圖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患者組異常節點屬性與臨床資料的相關圖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絡計算的新的腦網絡組圖譜、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‐未服藥MDD患者的白質結構網絡改變。結果發現，MDD 患者組和健康對照組的腦白質結構網絡均存在小世界屬性，但在全局網絡拓撲屬性以及網絡的連接上未發現組間差異，而在局部節點網絡拓撲屬性上具有顯著差異，這些差異部位主要位于雙側海馬旁回、雙側基底節、雙側頂下小葉、左側中央后回、左側中央旁小葉、右側顳中回、右側頂上小葉、右側島葉、右側枕葉皮層腹中部、右側扣帶回以及右側丘腦。進一步的相關分析結果表明MDD 患者在右側頂上小葉、右側島葉的節點介數與病程呈正相關，右側丘腦、左側海馬旁回的節點介數，左側海馬旁回、右側頂下小葉的節點度和HAMD評分呈正相關。

人腦是世界上最復雜的系統之一，包含各種不同的腦區以及他們之間相互的解剖或功能連接。在健康人群中，該系統不管在功能磁共振成像還是結構磁共振成像的腦網絡研究中均發現存在小世界屬性，即與隨機網絡相比，它具有較短的路徑長度、較高的聚群系數。本研究同樣發現在MDD 患者組和健康對照組中均存在小世界屬性，但并沒有發現以上指標及全腦的連接邊存在組間差異。這與以往MDD 白質結構網絡的大部分研究結果相一致［7‐8］。但也有報道MDD 的腦網絡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 是一類異質性較強的情緒障礙性精神疾病，藥物和病程是影響結果最重要的兩個因素，在研究中采用的是首發‐未服藥MDD 患者，病程在兩年以內，在理論上受到更長的病程，藥物的長期不利的影響，MDD大腦更趨于隨機網絡，縱向的研究有望進一步去驗證此結果；其次，來自腦網絡計算方法學的因素，如不同的節點或邊的定義對腦網絡結果的影響［16］，本研究采用精細的腦網絡組圖譜去定義腦網絡計算的節點，理論上更加精細且準確，更加有利于挖掘MDD 網絡的異常模式；最后，MDD 在不同的病程中表現出不同的異常全局腦網絡模式，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，更趨于隨機網絡。今后采集不同病程的數據有望解答此問題。

MDD的局部節點的網絡屬性，如度、介數或效率受到了破壞，主要發生于雙側海馬旁回、雙側頂下小葉、右側頂上小葉、雙側基底節、左側中央后回、左側中央旁小葉、右側顳中回、右側島葉、右側枕葉皮層腹中部、右側扣帶回以及右側丘腦。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 的結構磁共振成像的研究發現MDD 患者的雙側海馬旁回的體積異常［17］。對于首發‐未服藥MDD 患者的結構或功能網絡研究亦發現海馬旁回存在局部網絡屬性異常［4,6］，本研究與之前報告相一致，而且發現了其亞區存在異常，但其具體的神經機制有待于進一步考察。頂葉的聯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揮著關鍵的作用，而且為默認網絡的重要節點。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的神經元活動異常［18‐19］，而且其功能連接中同樣發生異常［20‐21］。目前還未發現在網絡的水平上MDD 患者的頂下小葉發生改變。具有自殺企圖的MDD 患者在右側頂上小葉磁化傳遞率降低［22］，右側頂下小葉在MDD中的短程功能連接密度降低［20］，對于首發‐未服藥MDD 的個體結構網絡同樣發現右側頂下小葉的局部節點效率降低［4］。早期的磁共振波譜學及形態學研究均發現MDD 患者的基底節存在代謝和結構上的異常［23‐24］，而且靜息態的功能磁共振研究發現，MDD 患者在基底節的低頻振幅增加［25］。中央后回屬感覺運動網絡的重要腦區，吸煙使MDD 患者的左側中央后回的皮層厚度更加變薄［26］。MDD 患者的左側中央旁小葉局部網絡屬性異常，與以往的結構磁共振發現灰質體積增加［27］，皮層厚度增厚［28］相一致。右側顳中回、右側島葉同屬于聽覺網絡，默認網絡和突顯網絡。局部自發神經元活動研究發現，MDD 患者在右側顳中回的比例低頻振幅增高［29］，右側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，腦磁圖的源分析發現右側枕葉與MDD 發生有非常大的關系［31］，靜息態的研究發現MDD 患者在右側枕葉的低頻振幅降低，可能與小腦的功能連接異常有關系［25］。右側前扣帶回在MDD患者中存在結構或功能上的異常［32‐36］，且在白質結構網絡上存在異常［7‐8］。有研究表明MDD 與額葉‐紋狀體‐丘腦‐皮層的神經環路的異常有關，而且丘腦在其中發生重要作用［37］。我們的研究結果發現在大腦的多個腦區的精細亞區存在網絡屬性的增高或降低，與文獻報道的結構或功能磁共振結果相一致，說明這些腦區在MDD 發生的神經生物學機制中起著雙向的調節作用，即相互協同或拮抗作用。

相關分析的結果發現MDD 患者的右側頂上小葉、右側島葉的節點介數降低與病程呈正相關，右側丘腦節點介數降低，左側海馬旁回的節點介數增加，左側海馬旁回，右側頂下小葉的節點度增高和HAMD 評分呈正相關。這些節點屬性降低或增高的相關性結果更進一步說明這些腦區對于MDD 的發生存在雙向調節作用。

本研究尚存在一些不足或局限性需要我們解決。首先，我們構建的結構連接的腦網絡是基于確定性纖維追蹤的算法進行構建的連接，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的MDD 患者進行研究，病程對于腦網絡結果的影響目前并不清楚，今后將采集不同病程的MDD數據有望解決此問題；最后，我們目前采用的首發‐未服藥的樣本較少，有可能統計效率不夠，今后將在大樣本上進一步的去驗證本結果。