基于静息态功能磁共振成像技术对于抗药性抑郁病人半球间协调性下降的研究

Introduction
尽管多年来抗抑郁药的开发进展迅速，但仍然有大约三分之一的抑郁症患者仍然对标准的抗抑郁药物没有反应。对一系列标准疗法没有反应的患者被归类为治疗耐药抑郁（TRD，treatment-resistant depression），而那些对标准治疗有明显反应的人被归类为治疗敏感抑郁（TSD，treatment-sensitive depression）。到目前为止，TRD的治疗仍然困扰着广大医生朋友，要克服这一挑战，就必须对重度抑郁（MDD， major depressive disorder）进行更有效的治疗。这也就意味着需要对MDD的发病机理有更好的把握。因此，人们使用成像技术去探索重度抑郁症患者脑结构和功能上的改变。一些列的PET以及fMRI的研究已经收集到足够的证据去证明MDD患者皮质边缘回路中许多脑区发现面积相对较大的局部变化，而脑电研究还证明了MDD患者前额叶α不对称。关于MDD的结果，我们可以用于对TRD的情况做出预判。有几项研究表明，积极情绪与左额区的相对活动有关，而消极情绪则与右额区相对活动有关。因此，额半球在脑电活动上的差异可能是抑郁症患者的一种特征性表现。此外，MDD被越来越多地被定义为一种大脑不独立的紊乱的精神疾病。因此推测边缘皮层网络的异常在MDD的发病机制中起着关键作用。这一推测在一些功能连接（FC）研究结果中获得支持：有研究发现MDD病人多伴随眶额皮质-前叶耦合[11]和前扣带回皮质（ACC）-多体丘脑耦合的改变，也有研究表明，前额叶区和颞缘区的双侧改变。然而，从来没有一项研究直接探索TRD相关的改变在大脑半球之间的功能半球间协调。
功能一致性，即每个大脑半球的同伦区域之间自发活动模式的同步性，是大脑内在功能结构最突出的方面之一。大脑一半球与另一半球相对应的位置之间的相关程度反映了为潜在连贯的认知和行为而整合大脑功能所以存在的半球间交流的重要性。正如上面所说，绝大多数基于任务和静息状态的fMRI(R-fMRI)在MDD中的研究都表明受影响的脑区是双半球的。 以前，通过使用3T西门子版扫描仪，我们发现一期的未经过药物治疗的MDD病人的同位静息状态FC结果存在差异。基于这些发现，同位静止状态FC研究可能会被用来研究区域功能的改变，以确定是否可以使用功能同位异性的变化将TRD与TSD和HS或TSD与HS区分。
由于TRD和TSD患者对抗抑郁药的反应不同，这表明抑郁症的两种亚型在神经水平上有所不同。在一项基于种子点的FC研究中，TRD病人的FC在丘脑皮质回路中呈现异常，而非治疗耐药性抑郁症在边缘-纹状体-扁平-丘脑回路中FC广泛下降。最近，Cohe-Reho方法，我们检测了两种亚型在小脑区域改变中的差异，这些数据进一步支持了MDD的两个亚型在神经水平上的差异。然而，是否抑郁的两种亚型在半球间的协调上有所不同仍然是不清楚的。
 为了确定两种类型的抑郁症患者之间以及抑郁症患者和健康受试者之间的半球间协调是否有任何差异，我们计算了数据的体素镜像同位素连接(V MHC)值（这批数据先前在别的文献中使用过）。 VMHC是一种直接比较半球间静息状态FC的新方法，已被用于研究不同的精神状态。VMHC量化了一个半球的每个体素与另一个半球的镜像体素之间的静息状态FC。 基于以下事实：（1）TRD或TSD患者对抗抑郁药的反应不同；（2）这两组患者在不同的脑回路中都有中断，我们假设两个患者组在不同的脑区表现出降低的VMHC。 鉴于额叶功能障碍与MDD有关，我们预计额叶将呈现很明显的差异。 除此以外，我们还假设检测到的VMHC变化可以作为生物标志物来分离TRD患者与TSD患者和健康受试者(HS)。
这项研究有两个目的：（1）通过使用VMHC的方式来探讨这两种亚型在半球间协调上的差异。（2）确定半球间协调的差异是否可用作区分TRD与TSD和健康受试者（HS）生物标志物。
 
Methods&Results
本研究从湘雅第二医院心理健康研究所、中南大学湖南省精神病学和心理健康重点实验室收集了24例TRD患者，31例首发未经治疗的MDD患者。这55例病人中的27名女性中有13名产妇，她们都没有产后抑郁的症状。这13名产妇中有6名TRD病人，7名首发MDD病人。患者的纳入标准为：（1）通过DSM-IV (SCID)诊断为抑郁症；（2)年龄在18-50岁内；(3)右利手；(4）HRSD评分大于等于18。所有TRD患者均处于治疗耐药状态，治疗耐药抑郁就是指对至少两种足量足疗程的抗抑郁药治疗没有反应（每次试验至少6周）。无反应是指在最小剂量为150毫克/天的丙咪嗪治疗6周后，17-item汉密尔顿抑郁量表(HRSD)减少了小于50%。又因为大多数抗抑郁药有12小时到24小时半衰期(除氟西汀)，所以TRD患者MRI扫描前有一周的无药期。未经治疗的患者会在MRI扫描后6周后服用最小剂量为150毫克/天的丙咪嗪。表S1和S2显示了TRD患者的详细治疗和其他临床特征。治疗有反应被定义为治疗后HRSD评分降低大于50%。只有在6周治疗后表现出有反应的患者作为TSD患者参加了这项研究。
然后收集20名年龄、性别和文化程度与病人群体相匹配的正常人。病人和正常人都遵从的排除标准如下：（1)有任何神经疾病、其他医疗疾病或精神疾病史，如精神分裂症、双向情感障碍或由物质引起的情绪障碍；(2）任何目前的轴I共患疾病，如焦虑症，酒精或药物依赖；（3）任何严重的II轴人格障碍或智力低下；（4）任何MRI的禁忌症。该研究得到了湘雅第二医院伦理委员会的批准。向所有参与者提供了有关程序的信息，并签署了知情同意文件。
 
Image Acquisition
参与者被指示一动不动地躺着，闭上眼睛，保持清醒。
 
Data Preprocessing
使用DPARSF和REST 做了：

1. 去除前10个时间点
2. 时间层矫正
3. 头动矫正（ 由于头动过大，四名受试者(1个TRD、2个TSD和1个HS)的数据被排除外。）
4. 空间标准化
5. 平滑（高斯平滑核选取8mm）
6. 去线性漂移
7. 回归协变量（回归参数为：Friston 6，白质信号，全脑信号）
8. 滤波段选的是 0.01-0.08Hz

由于治疗无反应，7名TSD患者的数据被丢弃。 最终参与者包括23名TRD患者、22名TSD患者和19名HS患者。
 
Data Processing
首先计算VMHC，VMHC简单来说就是计算一脑半球的一个体素与其在另一体素对应位置的体素间得皮尔逊相关值。计算VMHC前先把所有标准化的T1图像产生一个平均标准化的T1图像,然后使用非线性回归标准化每一个大脑到对称的模板,将对称大脑模板转换为标准化的功能数据,功能连接强度为对应体素时间序列的Pearson相关系数,再经Fisher-Z转换相关值,最终得到的值我们称为为zVMHC值，也是我们本研究中使用的指标。
用三组被试zVMHC的结果做ANOVA分析得到一张F图，对这张F图做GRF多重比较校正（p<0.005），结果见图1的第一张图。然后三组间两两组合做双样本T检验，一共得到三张T图，对这3张T图分别做GRF多重比较校正（p<0.005），结果见图1的第二、三、四张图。以上研究结果还展现在表2。在每次做统计时，由于少量的头部运动会影响静息状态的FC结果，研究将将FD数据作为协变量回归掉。
如图1和表2所示，在整个小脑、额叶、颞叶、顶叶、枕叶和皮质下观察到TRD和TSD在VMHC值上的显著差异。 与TSD组相比，TRD组在跟骨皮质、梭形回、海马、颞上回、中摆和中央前回的VMHC值明显降低。 TRD组与HS组相比，跟骨皮层的VMHC值较低。TSD组和HS组在任何脑区的VMHC值无显着性差异。 Figure 1. 统计图显示各组间不同脑区的VMHC差异。 Red denotes VMHC differences in the ANOVA analyses and the yellow/red color bar indicates the F value from the ANOVA analyses. Blue denotes lower VMHC and the green/blue color bars indicate the T value from post hoc analysis between compared groups. Of note, the two-sample t-test results within a mask showed significant group differences in the ANOVA analysis. VMHC = voxel-mirrored homotopic connectivity, TRD = treatment-resistant depression,TSD = treatment-sensitive depression, HS = healthy subjects.
   
由表2可知各组间差异呈现情况，将TRD和TSD组以及TRD和HS组表现出显著差异的脑区分别被设计为mask（得到多张mask），观察发现TRD和TSD组以及TRD和HS组都有差异的脑区为calcarine cortex，所以研究得到了 calcarine cortex交集的一张mask。 在mask内以组为单位计算该脑区zVMHC的平均值，得到如下条形图： 由条形图可知，三组间zVMHC的平均值差异明显，所以就怀疑其是否可以使用zVMHC在calcarine cortex的平均值为区分TSD和TRD、TRD与HS、TSD与HS的生物标记物，因此做了ROC曲线来判断，情况如下（见图5和表4）：   由结果可见A、B折线下的面积较大，这也就说明TRD与TSD和TRD与HS的VMHC的差异较大，因此可以使用VMHC来做分类。
 
如上所述，与TSD组和HS组相比，跟骨皮层在TRD组中表现出较低的VMHC值。我们将两个半球的跟骨皮层当作两个ROI，分别以这两个ROI为种子点计算了基于中西点的全脑FC。
首先使用每个种子点的每组zFC的结果做单样本T检验得到六张T图，对这六张T图分别做GRF多重比较校正（p<0.005），得到的差异结果以种子点为单位做并集mask，最终得到两张对应两个种子点的并集mask。用三组被试的基于两个种子点zFC结果分别做ANOVA分析（加的mask是对应种子点单样本T检验差异结果的并集mask）得到两张张F图，对这两张F图分别做GRF多重比较校正（p<0.005），结果见图2和图3的第一张图。然后每个种子点的三组间两两组合做双样本T检验（加的mask是对应种子点单样本T检验差异结果的并集mask），一共得到六张T图，对这6张T图分别做GRF多重比较校正（p<0.005），结果见图2和图3的第二、三、四张图。以上研究结果还展现在表3。在每次做统计时，由于少量的头部运动会影响静息状态的FC结果，研究将将FD数据作为协变量回归掉。
在后知觉区和运动区(如颞中回、枕中回、中央前回和小脑)与少数皮质下区域（如丘脑)表现出FC的改变。     FC = functional connectivity; MNI = Montreal Neurological Institute;TRD = treatment-resistant depression; TSD = treatment-sensitive depression;HS = healthy subjects; R = right; L = left.
最后，为了检查VMHC与临床变量如HRSD评分和疾病持续时间的相关性，分别计算每个抑郁组的临床数据和其相对应组的VMHC值基于体素的相关性。结果如下： 结果表明， 通过基于体素的相关分析，在任何脑区的VMHC与每个患者组和合并患者组的HRSD评分之间没有相关性。VMHC与年龄、受教育程度、总体疾病持续时间或当前疾病持续时间没有相关性。
 
Conclusions
结果：与TSD组相比，TRD组的跟骨皮层，梭形回，海马，颞上回，中扣带和中央前回的VMHC值显着降低。 相对于HS组，在跟骨皮层的TRD组中也观察到了较低的VMHC值。 而与HS组相比的TSD组在任何大脑区域的VMHC值均无显着变化。 ROC曲线分析显示，跟骨皮层中的VMHC值具有区分功能，可将TRD患者与TSD患者以及HS组的参与者区分开。