首发未服药精神分裂症脑弥散张量成像基于纤维束示踪的空间统计分析☆

李雷俊范玉华吴文涛邹艳康庄郑俩荣国效峰张晋碚赵靖平魏钦令

目前越来越多的研究支持精神分裂症患者存在脑区连接异常(dysconnecticity)[1]，而脑白质神经纤维的改变可能是其根本病理改变[2]。磁共振弥散张量成像(magnetic resonance diffusion tensor imaging，MR-DTI)研究为此提供了重要活体证据[1-3]，发现精神分裂症患者额叶、丘脑、内囊等多个脑区存在脑白质改变。各向异性分数(fractional anisotropy，FA)是既往研究最常用的分析指标，但研究表明，平均弥散参数(mean diffusivity，MD)、轴向弥散参数(axial diffusivity，AD)和径向弥散参数(radial diffusivity components，RD)能够从其他角度反映脑白质纤维束的完整性以及连接性能，近期被越来越多地用于相关研究[3-4]。以往多采用感兴趣区(region of interest，ROI)方法和基于体素的形态学分析(voxel based morphometry，VBM)方法进行研究。但前者需要有假说作为基础，且ROI的放置存在主观性，只对大脑做粗略分区，不一定完全将目标纤维连接包含在内，所以这将忽略一些真正存在差异的脑区或较小的脑区；而后者存在算法困难，标准化误差大和高斯平滑不统一的问题。基于纤维束的空间统计分析(tract-based spatial statistics，TBSS)可以克服上述2种方法的局限性[4]。因此，本研究即采用TBSS方法对较大样本的精神分裂症患者脑白质纤维束多个指标进行分析，为其神经发生机制提供进一步的实验证据。

1 对象与方法

1.1 研究对象 患者组均为来自中山大学附属第三医院精神科住院的精神分裂症患者。纳入标准：符合《中国精神障碍分类与诊断标准第三版》(Chinese Classification and Diagnostic Criteria of Mental Disorders，CCMD-3)诊断标准；首次发病，未接受系统精神药物或心理治疗；经爱丁堡优势手调查问卷(Edinburgh Handedness Inventory)评估为右利手；年龄18～45岁；受教育年限≥9年；患者及监护人理解研究内容，愿意参加并能够完成整个实验，签署知情同意书。排除标准：存在严重器质性疾病；有精神活性物质滥用史；曾接受电休克治疗。入组患者40例，其中男25例，女15例；年龄18～38岁，平均(24.63±6.25)岁；受教育年限9～16年，平均(11.85±2.50)年；病程5～106周，平均(28.38±33.07)周；阳性和阴性症状量表(Positive and negative syndrome scale，PANSS)评分总分61～93分，平均(75.2±8.79)分。

对照组为通过广告方式从当地社区招募(均为汉族，不支付费用)。纳入标准：身体健康，本人及其一级、二级亲属无精神病史；经爱丁堡优势手调查问卷评估为右利手；年龄18～45岁；受教育年限≥9年；理解研究内容，愿意参加并能够完成整个实验，并签署知情同意书。排除标准同患者组。共入组68名，其中男39名，女29名；年龄18～43岁，平均(25.37±5.7)岁；受教育年限9～18年，平均(12.83±2.82)年。

患者组和对照组性别(χ2=0.276，P=0.599)、年龄(F=1.528，P=0.220)和受教育年限(F=1.700，P=0.186)的差异均无统计学意义。

本研究符合《赫尔辛基宣言》，并被中山大学附属第三医院临床研究伦理委员会批准。

1.2 研究方法

1.2.1 图像采集与分析 图像通过美国通用电气医疗系统磁共振仪获取(1.5-T GE Signa Twinspeed)。弥散加权成像通过单次激发回波轴向平面像(echo planar imaging，EPI)获得。扩散敏感梯度方向15个，弥散敏感系数b=1000s/mm2。同时获取非弥散加权图像(b=0)。每一梯度方向扫描35个连续轴向层面，无间隔扫描，采集参数如下：重复时间=11000ms；回波时间=74.7ms；矩阵=128×128；视野=240mm×240mm；层厚=4mm；层间隔=0mm。

弥散数据通过FSL软件(University of Oxford,UK)的弥散工具进行分析。得到FA、MD、AD(L1)和RD(L2 and L3)。

1.3 统计学方法 应用FSL软件中的TBSS程序对FA、MD、L1、L2和L3进行体素统计分析。

对患者组和对照组的上述张量参数图进行独立样本t检验。应用TFCE(Threshold-Free Cluster Enhancement)方法进行统计推断，FWE(Family-wise error)校正后，只有P值可被接受(P＜0.05)的体素集合被认为有统计学意义。

基于JHU ICBM-DTI-81图集(JHU ICBMDTI-81,Johns Hopkins University)，确认上述白质纤维束(与既往已经出版的人脑纤维成像报告一致)。

2 结果

TBSS分析的独立样本t检验显示，患者组L2、L3大于对照组(P＜0.05，FEW校正后)，如图1所示，存在差异的脑区主要包括：双侧部分胼胝体膝部(the genu of the corpus callosum，cc；MNI 14,29,15和 MNI-12,26,19)、双 侧 放射 冠 前肢(anterior branches of the corona radiate，acr；MNI+/-16,25,25)，以及左侧放射冠向前额叶的投射(left prefrontal projections of the corona radiate，lpfcr；MNI-16,28,37)、左侧部分前丘脑辐射(left parts of the anterior thalamic radiation，latr；MNI-26,22,20)和分散的左侧钩状束前部多个部位(discrete anterior portions of the left uncinate fasciculus，luf；MNI-23,27,-8)。经过FEW校正，在FA、MD和L1参数图中未发现差异具有统计学意义的体素集(P＞0.05)。

3 讨论

图1 脑弥散张量成像图

MR-DTI技术通过计算张量来分析脑白质水分子的弥散特征，主要包括2方面的特征，一是弥散的强度，主要参数为平均弥散参数(MD)，另一方面的特征是弥散的方向性，主要弥散参数为轴向弥散(AD)和径向弥散(RD)。各向异性分数(FA)主要反映在不同方向上弥散强度的不同。MD主要反映弥散运动的快慢而忽略弥散各向异性，可以消除各向异性弥散的影响而全面评价脑白质组织某一体素或区域的弥散强度。平均弥散系数能更全面地反映弥散运动的快慢。因此，MD只表示弥散强度，而与弥散的方向无关。MD越大，组织内所含自由水分子越多。FA值在粗大白质纤维束最高(最大理论值为1)，在灰质较低，在脑脊液接近于0。脑白质FA值受很多因素的影响，如髓鞘化、轴突密度、轴突膜完整性和轴突直径等。AD代表与轴突方向平行的水分子弥散，RD代表与轴突长轴成对角平面弥散的平均值，2者可以较敏感地区分脑白质脱髓鞘、髓鞘再生及轴索损伤等。

本研究发现精神分裂症患者在双侧部分胼胝体膝部RD值较对照组升高。既往研究和综述分析表明[5-6]，精神分裂症患者认知功能障碍更多依靠脑网络的整体连接作用实现，但认知功能的部分表现也具有模块化和区域化特征，左侧勾束和扣带回、颞叶、海马旁回、前额叶、胼胝体等的连接异常均可能引起部分认知功能的改变。胼胝体的主要功能是连接左右两侧大脑的运动、感觉区，与感觉、记忆、学习、运动等功能相关，是两侧大脑半球认知活动的联系通道，胼胝体损伤会导致两侧大脑半球连接异常，从而引起一系列症状[7]。胼胝体膝部是左右前额叶的主要联系纤维束，与额叶功能联系密切。研究表明，前额叶的损害与精神分裂症患者的阴性症状、认知功能损害显著相关[8]，本研究发现精神分裂症患者双侧胼胝体膝部RD值较对照组升高，提示胼胝体膝部纤维可能存在髓鞘化异常或脱髓鞘改变，这可能导致左右两侧大脑半球连接异常。本研究支持精神分裂症患者存在左右大脑信息传递和整合功能障碍的假说，胼胝体膝部纤维异常可能参与精神分裂症患者认知功能障碍的发生。

本研究也发现精神分裂症患者在双侧放射冠前肢、左侧放射冠向前额叶的投射、左侧部分前丘脑辐射和分散的左侧钩状束前部多个部位等多个脑区的RD值较对照组升高。而放射冠前肢和向前额叶的投射是额叶和其它脑区的连接纤维，前丘脑辐射是丘脑和前额叶的联系纤维，钩状束是额叶与颞叶之间最大的联系纤维束，不仅参与认知功能，也可能与幻听、记忆障碍等有关[9-10]。本研究结果提示精神分裂症患者额叶与其它脑区之间的联系纤维存在髓鞘化异常或脱髓鞘改变的可能，支持精神分裂症患者额叶与其它脑区之间存在连接功能障碍的学说。

本研究发现2组间上述脑区的FA值、MD值和AD值无统计学差异。FA值能在一定程度上反映脑白质的完整性，但FA值与AD和RD的比率相关，当AD和RD在同一趋向变化时，FA便很难反映出AD或RD变化所提示的脑白质变化[11]，因此不能区分轴突和髓鞘的改变，而AD和RD可以较敏感地区分脑白质脱髓鞘、髓鞘再生和轴索损伤等，髓鞘化作用会引起RD降低，轴突的修剪则主要引起AD降低[12-13]。因此，本研究提示，结合AD、RD、FA等多个指标，更能可靠地分析精神分裂症患者脑白质纤维束的变化。既往研究显示精神分裂症患者脑白质RD升高，而这种变化伴或不伴有FA降低[14]。本研究发现上述脑区的FA值无显著性变化，这与部分研究者的结果一致：孔祥娟等[15]进行首发和慢性精神分裂症的弥散张量成像研究，发现仅慢性精神分裂症患者的胼胝体膝部FA值较正常对照组降低，而首发精神分裂症患者脑区的FA值没有显著降低，作者认为原因可能是精神分裂症的脑白质完整性变化是一个慢性化的过程；对正常人的研究也发现，随着年龄的增长和老化，FA值也呈现显著下降[16]。本文也同意此观点。对精神分裂症患者AD值研究结果的分歧较大，有报道AD值升高[17]或降低[18]，而本研究未发现AD值的变化，这一差异的原因可能在于研究对象的不一致以及发生脑区的不同，也可能是目标脑区脑白质纤维的轴突修剪并无明显的可观测到的异常。这也与精神分裂症异常脑连接的学说一致，即不同脑区可能有不同的脑连接异常改变[1]。

本研究以较大样本的首发未服药精神分裂症患者为研究对象，排除抗精神病药物治疗可能带来的影响，同时采用TBSS方法进行统计分析，避免了ROI和VBM方法存在的标准化和高斯平滑等带来的误差，使研究结果更精确。研究结果也提示精神分裂症患者存在左右大脑半球之间以及额叶与其他脑区的连接功能障碍。这与部分研究结果一致，但也存在一些不一致性。其原因可能为研究样本量仍然不足，干扰因素无法完全控制(如因研究条件所限的病例亚型的选择、病程长短的控制、患者的配合程度等)，TBSS本身存在的只适合于检测较大纤维束、提取算法的局限性，以及方法本身可能产生假阴性结果等，这有待将来的多中心合作研究以及采用更加精确的检测方法进一步研究。

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