秦紅娜,王思佳,肖曉嘯,陳亞媛,秦文,梁猛

在包括精神分裂癥在內(nèi)的各種神經(jīng)與精神疾病的診斷與病理機(jī)制研究中,靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)應(yīng)用廣泛[1-3]。利用rs-fMRI的腦影像數(shù)據(jù),可構(gòu)建腦功能復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)及提取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo),并在此基礎(chǔ)上理解腦網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行模式及其在人類(lèi)行為、認(rèn)知加工等過(guò)程中的作用,進(jìn)而深入理解神經(jīng)與精神疾病的腦異常[4]。

以往多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn),正常被試的腦網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出“小世界”屬性[5],而精神分裂癥患者的腦網(wǎng)絡(luò)則表現(xiàn)出“小世界”屬性的異常。例如,Salvador等[6]首先利用自動(dòng)解剖標(biāo)記(automated anatomical labelling,AAL)模板[7-8]將大腦分成90個(gè)區(qū)域,然后計(jì)算了不同腦區(qū)之間rs-fMRI信號(hào)的偏相關(guān)系數(shù)及其統(tǒng)計(jì)顯著性,從而構(gòu)建了一個(gè)腦功能復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)腦功能網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),這些正常受試者的腦網(wǎng)絡(luò)具有“小世界”屬性、較高的網(wǎng)絡(luò)效率、優(yōu)化的連接結(jié)構(gòu)以及較高的拓?fù)浞€(wěn)定性。Liu等[9]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者腦功能網(wǎng)絡(luò)的聚類(lèi)系數(shù)降低而最短路徑長(zhǎng)度變長(zhǎng),導(dǎo)致其“小世界” 屬性顯著降低,提示精神分裂癥患者的腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)惡化,信息交換出現(xiàn)紊亂,從而支持了精神分裂癥患者腦功能網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的失整合。所有這些針對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究均建立在所構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,而網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)(腦區(qū))和邊(連接)的定義是構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)核心要素,其對(duì)所構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能會(huì)產(chǎn)生影響[10]。事實(shí)上,Liang等[11]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)雖然采用不同網(wǎng)絡(luò)連接的定義方式所構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)都具有穩(wěn)定的“小世界”屬性,但其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詤?shù)卻存在著顯著的差異。而且,采用不同成像技術(shù)如腦電圖、腦磁圖、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)所獲取的腦神經(jīng)活動(dòng)信號(hào)構(gòu)建腦功能網(wǎng)絡(luò)對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生影響[12]。然而,定義網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(即腦區(qū)劃分)時(shí)所采用的空間尺度是否會(huì)對(duì)所構(gòu)建的腦功能網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及對(duì)精神分裂癥患者腦功能網(wǎng)絡(luò)的“小世界”拓?fù)鋵傩援惓５臋z測(cè)產(chǎn)生影響尚不清楚。因此,本研究基于先驗(yàn)?zāi)X圖譜,對(duì)精神分裂癥患者和正常對(duì)照的rs-fMRI圖像進(jìn)行了三個(gè)不同空間尺度的腦區(qū)劃分(尺度1:272個(gè)腦區(qū);尺度2:53個(gè)腦區(qū);尺度3:17個(gè)腦區(qū)),針對(duì)每一尺度計(jì)算腦區(qū)間功能連接,從而構(gòu)建出三個(gè)不同尺度的腦功能網(wǎng)絡(luò)。對(duì)各尺度下的腦網(wǎng)絡(luò)分別計(jì)算小世界屬性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo),并針對(duì)每組被試比較不同尺度之間各項(xiàng)小世界屬性相關(guān)指標(biāo)的差異,以及針對(duì)各尺度下的每項(xiàng)指標(biāo)比較精神分裂癥患者與正常對(duì)照之間的差異。

材料與方法

1．病例資料

本研究招募了精神分裂癥患者103例,男54例,女49例,年齡34.0±9.4歲。納入標(biāo)準(zhǔn):①符合《精神障礙診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè)第四版》(diagnostic and statistical manual of mental disorders,DSM-IV)關(guān)于精神分裂癥的診斷標(biāo)準(zhǔn);②漢族,右利手;③年齡14～66歲;④患者或家屬知情并簽署同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn):①有磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)檢測(cè)禁忌者;②符合DSM-IV關(guān)于其他精神障礙的診斷;③應(yīng)用精神活性藥物和藥物依賴(lài)者;④有嚴(yán)重軀體疾病史及腦器質(zhì)性疾病者;⑤妊娠或哺乳期婦女或計(jì)劃妊娠者。

同期招募了110名健康志愿者作為對(duì)照組,男45名,女65名,年齡33.7±11.0歲。入組標(biāo)準(zhǔn):①本人無(wú)任何精神疾病史,兩系三代內(nèi)無(wú)精神疾病患者;②年齡14～66歲;③漢族,右利手。排除標(biāo)準(zhǔn)同患者組。

本研究已獲天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。所有受試者充分了解研究程序并簽署知情同意書(shū)。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集及預(yù)處理

頭顱影像學(xué)數(shù)據(jù)采集:采用GE 3T 磁共振掃描儀,正交頭顱線(xiàn)圈。掃描時(shí)受試者平臥,頭部固定。rs-fMRI掃描時(shí)受試者保持閉眼狀態(tài)。掃描參數(shù)如下:TR 2000 ms,TE 45 ms,翻轉(zhuǎn)角90°,視野200 mm×200 mm,矩陣大小64×64,層厚4 mm,層間距0.5 mm。腦3D結(jié)構(gòu)像掃描參數(shù)為:TR 8.2 ms,TE 3.2 ms,FOV 256 mm×256 mm,矩陣大小256×256,FA 12°。

數(shù)據(jù)預(yù)處理:采用腦影像標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算平臺(tái)DPABI軟件包[13],在Matlab 2012b平臺(tái)上對(duì)每名受試者的腦影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,步驟如下:①刪除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn);②層間時(shí)間校正;③頭動(dòng)校正;④回歸干擾因素(腦脊液信號(hào)、白質(zhì)信號(hào)、全腦均值信號(hào)、Jenkinson逐幀位移、Friston24頭動(dòng)參數(shù));⑤帶通濾波(0.01

3．不同尺度下腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及拓?fù)鋵傩苑治?/h3>

不同尺度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義:為構(gòu)建不同尺度下的全腦功能網(wǎng)絡(luò),筆者首先對(duì)全腦進(jìn)行了不同尺度的腦區(qū)分割來(lái)定義不同尺度下的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。由于腦網(wǎng)絡(luò)組圖譜(brainnetome atlas,BN)對(duì)大腦進(jìn)行了較為精細(xì)的腦區(qū)劃分[14],但不包含小腦,因此,筆者聯(lián)合使用了BN模板和AAL模板中的小腦部分將全腦進(jìn)行腦區(qū)劃分,再通過(guò)腦區(qū)合并,分別構(gòu)建了腦區(qū)數(shù)為272、53、17三個(gè)不同尺度的全腦網(wǎng)絡(luò)。272個(gè)腦區(qū)包括BN的246個(gè)大腦分區(qū)(包含210個(gè)皮質(zhì)區(qū)域和36個(gè)皮質(zhì)下區(qū)域)及AAL[8-9]模板包含的26個(gè)小腦分區(qū)。再基于解剖關(guān)系將272個(gè)腦區(qū)進(jìn)行逐級(jí)合并,進(jìn)而形成全腦53個(gè)腦區(qū)的劃分以及全腦17個(gè)腦區(qū)的劃分。其中,53個(gè)腦區(qū)劃分由左、右大腦半球各24個(gè)腦區(qū)和小腦的5個(gè)腦區(qū)組成,而17個(gè)腦區(qū)劃分由左、右大腦半球各7個(gè)大的分區(qū)和小腦的3個(gè)大腦區(qū)組成。各尺度下的腦區(qū)劃分如圖1所示。

圖1 不同尺度的腦區(qū)劃分。從上至下依次為尺度1、尺度2、尺度3。

不同尺度的腦功能網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建:分別針對(duì)每個(gè)尺度,對(duì)該尺度下每個(gè)腦區(qū)內(nèi)所有體素的fMRI信號(hào)時(shí)間序列取平均值得到每個(gè)腦區(qū)的平均時(shí)間序列,計(jì)算任意兩個(gè)腦區(qū)平均時(shí)間序列之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù),再經(jīng)過(guò)Fisher r-to-Z變換得到更符合正態(tài)分布的z值,作為兩個(gè)腦區(qū)間的功能連接度量,從而獲得功能連接矩陣。腦網(wǎng)絡(luò)中邊的數(shù)目(即任意兩腦區(qū)間是否存在顯著連接)由網(wǎng)絡(luò)稀疏度閾值來(lái)確定,進(jìn)而將功能連接矩陣轉(zhuǎn)換為二值矩陣。為確保網(wǎng)絡(luò)處于全連通狀態(tài),從而更好地度量網(wǎng)絡(luò)的全局信息傳遞能力,本研究設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)稀疏度閾值為0.15,0.20,0.25,0.30,0.35,0.40,0.45,0.50(步長(zhǎng)為0.05)。對(duì)每一網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo)的計(jì)算采用所有閾值對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值所構(gòu)成的曲線(xiàn)下面積來(lái)度量。

基于上述方法,本研究計(jì)算了每個(gè)尺度下的腦網(wǎng)絡(luò)與小世界屬性有關(guān)的5個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo):小世界屬性(σ)、聚類(lèi)系數(shù)(CP)、最短路徑長(zhǎng)度(LP)、標(biāo)椎化聚類(lèi)系數(shù)(γ)和標(biāo)準(zhǔn)化最短路徑長(zhǎng)度(λ)。指標(biāo)的具體計(jì)算通過(guò)MATLAB平臺(tái)下的GRETNA軟件[15]完成。

4．統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

因三組數(shù)據(jù)均屬于正態(tài)分布,選取單因素重復(fù)測(cè)量方差分析方法,比較每個(gè)腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo)在三個(gè)尺度下的計(jì)算結(jié)果的差異(P<0.05)。因總體方差性檢驗(yàn)不齊,采用Games-Howell方法進(jìn)行事后檢驗(yàn)多重比較校正,對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo)比較任意兩個(gè)尺度之間的差異,以P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

分別針對(duì)每一尺度下所計(jì)算的每個(gè)腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo),以年齡和性別為協(xié)變量,采用一般線(xiàn)性模型進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn),比較精神分裂癥患者和健康對(duì)照組之間的差異。由于進(jìn)行了多個(gè)尺度多個(gè)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo)的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),對(duì)統(tǒng)計(jì)顯著性進(jìn)行FDR校正,閾值設(shè)置為q<0.05。

結(jié) 果

1．患者組、對(duì)照組的不同尺度間腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘牟町?/h3>

不論是患者組還是對(duì)照組,不同尺度條件下所構(gòu)建的腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵傩圆町惥哂薪y(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1、圖2)。隨著腦網(wǎng)絡(luò)尺度的增大,兩組的聚類(lèi)系數(shù)都呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),而最短路徑長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)化聚類(lèi)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化最短路徑長(zhǎng)度和小世界屬性呈現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)(表1、圖2)。

表1 患者組與對(duì)照組不同尺度下腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩詼y(cè)量值及其不同尺度間方差分析結(jié)果

圖2 患者組與對(duì)照組腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘牟煌叨乳g方差分析事后檢驗(yàn)結(jié)果。圖中差異值表示任意腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩栽诓煌叨乳g兩兩比較的均值差,error bar表示標(biāo)準(zhǔn)誤。* 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)。

為驗(yàn)證各尺度下所構(gòu)建的正常對(duì)照組和患者組的腦網(wǎng)絡(luò)是否具有小世界屬性,特計(jì)算不同尺度各稀疏度下腦網(wǎng)絡(luò)小世界屬性數(shù)值情況。結(jié)果顯示:單個(gè)尺度下對(duì)照組與患者組的σ數(shù)值均大于1(圖3)。

圖3 不同尺度下患者組和對(duì)照組各稀疏度下的腦網(wǎng)絡(luò)小世界屬性(σ)。a)患者組;b)對(duì)照組。圖中的error bar表示標(biāo)準(zhǔn)差。

2．不同尺度下患者組與對(duì)照組之間腦網(wǎng)絡(luò)小世界拓?fù)鋵傩缘牟町?/h3>

尺度1下(全腦劃分為272個(gè)腦區(qū)),患者組腦網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)系數(shù)、最短路徑長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)化聚類(lèi)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化最短路徑長(zhǎng)度、小世界屬性均低于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05);尺度2和尺度3下(全腦分別劃分為53、17個(gè)腦區(qū)),腦網(wǎng)絡(luò)小世界拓?fù)鋵傩愿鲄?shù)患者組與對(duì)照組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05,表2)。

表2 不同尺度下患者組與對(duì)照組的腦網(wǎng)絡(luò)小世界拓?fù)鋵傩缘谋容^

討 論

人腦被認(rèn)為是自然界最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一,腦網(wǎng)絡(luò)的小世界拓?fù)鋵傩允菍?shí)現(xiàn)不同腦區(qū)之間快速信息交換與整合的基礎(chǔ)之一,可使腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息的傳遞與處理能夠低能耗且高效地進(jìn)行[16]。小世界網(wǎng)絡(luò)介于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)與規(guī)則網(wǎng)絡(luò)之間,以較短的平均路徑長(zhǎng)度(λ)和較高的聚類(lèi)系數(shù)(γ)為特征。若σ=γ/λ>1時(shí),則認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)有小世界屬性[17-18]。本研究顯示,不管是健康對(duì)照組還是精神分裂癥患者組,以及不論是哪個(gè)尺度下,其σ值在各稀疏度閾值下均大于1,表明腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都具有小世界屬性,這和既往研究一致[19-20]。

通過(guò)對(duì)每組內(nèi)不同尺度下腦網(wǎng)絡(luò)小世界相關(guān)屬性的比較分析,發(fā)現(xiàn)腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘亩攘颗c定義腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)所采用的空間尺度緊密相關(guān)。具體表現(xiàn)為隨著腦網(wǎng)絡(luò)尺度的增大,兩組對(duì)象的聚類(lèi)系數(shù)呈現(xiàn)為先升高后降低的趨勢(shì),而其余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩?最短路徑長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)化聚類(lèi)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化最短路徑長(zhǎng)度、小世界屬性)均呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)隨著腦網(wǎng)絡(luò)尺度的增大,精神分裂癥患者與健康對(duì)照組的拓?fù)鋵傩在呌谝恢?說(shuō)明空間尺度對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩源嬖诤艽蟮挠绊憽?/p>

通過(guò)對(duì)每一尺度下患者組及對(duì)照組之間腦網(wǎng)絡(luò)小世界相關(guān)屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)僅在尺度1下(全腦劃分為272個(gè)腦區(qū)),兩組之間的腦網(wǎng)絡(luò)聚類(lèi)系數(shù)、最短路徑長(zhǎng)度、標(biāo)準(zhǔn)化聚類(lèi)系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化最短路徑長(zhǎng)度和小世界屬性表現(xiàn)出顯著差異,且均表現(xiàn)為患者組低于對(duì)照組,而在尺度2和尺度3條件下,患者組所有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩耘c對(duì)照組相比差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。這一結(jié)果說(shuō)明精神分裂癥患者的腦網(wǎng)絡(luò)小世界拓?fù)鋵傩缘漠惓z測(cè)與腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義的空間尺度也存在緊密關(guān)聯(lián),僅在尺度1下(即腦區(qū)劃分較為精細(xì)時(shí)),精神分裂癥患者腦網(wǎng)絡(luò)小世界拓?fù)鋵傩缘漠惓２旁饺菀妆话l(fā)現(xiàn),提示精神分裂癥腦網(wǎng)絡(luò)異常主要體現(xiàn)在較為精細(xì)的腦區(qū)劃分上,過(guò)大的空間尺度會(huì)掩蓋患者腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘漠惓！?/p>

綜上,本研究結(jié)果表明,腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(即腦區(qū)劃分)定義的空間尺度會(huì)導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)小世界拓?fù)鋵傩跃唧w度量的變化,而且這一變化會(huì)進(jìn)一步影響精神分裂癥患者腦網(wǎng)絡(luò)“小世界”拓?fù)鋵傩援惓５臋z測(cè)敏感性。這一研究結(jié)果提示,在涉及到腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩缘难芯恐?腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定義時(shí)所采用的空間尺度是不可忽視的一項(xiàng)重要影響因素,從多個(gè)空間尺度去考察疾病條件下的腦網(wǎng)絡(luò)異常對(duì)理解其病理機(jī)制也具有重要意義。

本研究仍存在一些不足:受限于腦區(qū)模板,本研究所采用的腦網(wǎng)絡(luò)空間尺度較少,跨度較大,因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩耘c節(jié)點(diǎn)定義尺度之間的關(guān)系刻畫(huà)能力有限,且本研究?jī)H考察了小世界屬性相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵傩灾笜?biāo),后期希望能通過(guò)模板的細(xì)化,構(gòu)建更多的空間尺度,并關(guān)注小世界以外的其他拓?fù)鋵傩灾笜?biāo),從而將腦區(qū)劃分空間尺度對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行更加全面系統(tǒng)的研究。