應用功能磁共振成像(fMRI)低頻振幅(ALFF)方法研究重性抑郁癥(MDD)靜息狀態下腦活動。本研究利用GE公司生產的Signa3.0TMRI對MDD組(13人)和正常對照(HC)組(14人)均做靜息態fMRI掃描。應用雙樣本t檢驗計算并對比兩組ALFF改變的腦區。結果發現靜息狀態下,MDD組患者右內側前額葉ALFF值較HC組增高,差異有統計學意義(P<0.001);MDD組患者左側頂葉ALFF值較HC組減少,差異有統計學意義(P<0.001)。由此可以得知MDD患者靜息態下右內側前額葉及左側頂葉腦功能區ALFF值產生顯著變化。
引用本文: 邱海棠, 劉海霞, 賀倩, 蒙華慶, 傅一笑, 杜蓮, 邱田, 羅慶華. 重性抑郁癥的靜息態功能磁共振成像低頻振幅研究. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 97-102. doi: 10.7507/1001-5515.20140019 復制
引言
抑郁癥是一種具有高患病率、高復發率、高自殺率和高致殘率的重性精神疾病,以顯著而持久的心境低落為主要特征,嚴重危害人類的身心健康,帶來極大的社會及經濟負擔[1]。目前抑郁癥的發病機制尚不清楚,一直以來精神病學、心理學、神經解剖學、神經生物學、分子生物學等各領域研究者都致力于抑郁癥的病因研究,但大量的研究并未找到明確的致病因素,近年來,隨著神經影像技術的飛速發展,對抑郁癥患者腦功能的研究方興未艾[2],基于影像學生物信息學探索抑郁癥的發病機制成為腦科學研究關注的焦點。
功能磁共振以非侵入性腦功能檢測方法,高時空分辨率實時顯示出大腦特定局部區域的功能活動情況[3]。目前越來越多的關注集中于考察大腦在安靜休息時的“靜息”狀態下,血氧等級相關(blood oxygen level-dependent,BOLD)信號的自發調節功能活動情況[4-5]。其研究對象在掃描時不執行任何任務也盡可能的保持清醒、不動,以避免思考時個體差異的影響和頭動等混雜因素干擾,已用于精神分裂癥、帕金森病等多種神經精神疾病的研究[6-7]。近來的研究表明,由于抑郁癥的癥狀也具有一定的持續性和普遍性,用靜息態功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術來研究抑郁癥是一項很有前景的方法,通過這種研究可以幫助臨床診斷與治療。目前已有靜息態磁共振研究采用功能聯結的方法,發現抑郁發作和前扣帶回、背內側丘腦聯結減弱有關[8]。
Biswal和他的同事們首先報道了在休息時自發的低頻率(0.01~0.08 Hz)的波動在左右腦初級運動皮層間的高度同步。近來已經有一些研究將低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)用于對功能性精神障礙的機制探討及臨床研究[9-10],但尚未發現用于重性抑郁癥的研究。本研究在靜息狀態下采用ALFF方法研究重性抑郁癥患者腦部自發性神經活動的情況,觀察其與對照組比較是否存在明顯差異,探討其可能的發病機制。
1 材料與方法
1.1 研究對象
1.1.1 重性抑郁癥(major depressive disorder,MDD)組
本實驗的受試者來自于重慶醫科大學附屬第一醫院精神科住院部,共募集了MDD患者13例。
納入標準: ① 診斷標準:符合美國精神障礙診斷與統計學手冊第四版(DSM--Ⅳ)重性抑郁癥的診斷標準; ② 年齡18~55周歲,性別不限;③ 24項漢密爾頓抑郁量表(Hamilton depression scale,HAMD)總分>35分;④ 1個月內未經任何抗精神病藥物、調節情緒藥物及電休克、經顱磁刺激等物理治療。
排除標準:① 既往和目前患有嚴重心、肝、腎等軀體疾病;② 酒精、藥物或者存在其他精神活性物質濫用者;③ 孕婦及哺乳期婦女;④ 繼發性抑郁癥(如精神分裂癥后抑郁等)。
1.1.2 正常對照(health control,HC)組
募集14名健康對照。
入組標準:① 年齡18~55周歲,性別不限;② HAMD評分<8 分。
排除標準:① 既往和目前患有嚴重心、肝、腎等軀體疾病;② 酒精、藥物或者存在其他精神活性物質濫用者;③ 孕婦及哺乳期婦女;④ 既往有神經精神疾病史;⑤ 有精神疾病家族史。
兩組的所有被試均為漢族,右利手。要求被試體內無金屬植入物,無磁共振檢查禁忌癥,常用結構磁共振檢查未發現明顯的腦結構異常。
實驗前告知其實驗的目的、方法以及可能存在的不適和風險,所有受試者簽署參與實驗的知情同意書,該研究經重慶醫科大學倫理委員會審核通過。
1.2 方法
1.2.1 量表評定
由兩位經過評定量表系統培訓的,主治級別以上的精神科醫生對研究對象的一般資料,包括姓名、性別、年齡、受教育年限進行收集;并運用HAMD對重性抑郁癥患者及正常對照者進行臨床癥狀評估。
兩組之間性年齡、受教育年限差異無統計學意義(P>0.05);兩組HAMD評分,MDD組得分高于HC組,差異有統計學意義(P<0.001) (見表 1)。

1.2.2 圖像采集
磁共振圖像數據采集在重慶醫科大學附屬第一醫院放射科磁共振室完成,操作由1名不知研究對象情況的技術熟練的放射科醫生擔任。均使用GE(General Electric,Waukesha,Wis)公司生產的Signa 3.0T 磁共振成像系統,鳥籠狀頭部8通道線圈。
1.2.3 MRI 定位相及靜息態fMRI 掃描參數
受試者的頭部用海綿墊固定,帶上隔音耳塞。掃描時不添加任何認知任務刺激,受試者仰臥閉眼,囑其盡量不做任何思考,但需保持清醒,并保持全身不動。常規三平面定位后,采用梯度回波-回波平面成像(gradient-recalled echo-planar imaging,GRE-EPI)序列采集,以前后聯合連線作為掃描基線,行斜軸位掃描,掃描范圍從被試者顱頂至枕骨大孔。TR=2 000 (ms),TE=30 (ms),FOV=240 (mm)×240 (mm),矩陣=64×64,翻轉角=90°,連續掃描30層,層厚=5 mm,無間隙,掃描時間6 ′50 ″。
1.3 數據處理
使用DPARSF軟件對功能磁共振信號進行預處理(http://restin}fmri.sourcesforge.net)。數據預處理的方法在許多研究中已經詳細描述[
1.4 統計學分析
使用REST軟件進行靜息態fMRI的ALFF分析。將預處理后的數據采用線性回歸方法去除其線性趨勢,提取0.01~0.08 Hz的ALFF值[9],在進行t檢驗時采用經減一處理的ALFF值,將結果疊加到MINI坐標的Ch2bet模板以便于讀取。重性抑郁組和對照組組間ALFF差異采用雙樣本t檢驗,將結果進行FDR校正后,統計閾值取為P<0.001為差異有統計學意義。
2 結果
利用XjView軟件確定對應MNI坐標上有統計意義腦區的具體解剖位置。
2.1 MDD和HC組單樣本t檢驗結果
2.1.1 MDD組單樣本t檢驗結果
結果顯示,MDD組雙側大腦多個區域ALFF均有改變,如圖 1所示。

2.1.2 HC組單樣本t檢驗結果
結果顯示,HC組雙側大腦多個區域ALFF均有改變,如圖 2所示。

2.2 MDD和HC組雙樣本t檢驗
結果顯示,MDD組ALFF值升高的區域位于右內側前額葉;而HC組ALFF值高于MDD組的區域位于左側頂葉(P<0.001)(見表 2、圖 3~4)。


根據MNI空間坐標中示出的切片(暖色說明ALFF值高于比較的地區)
Figure3. Group-comparisonSlice coordinates according to MNI space are shown in the upper of the slices. (Warm colors illustrate the regions whose ALFF values higher than the comparison)

(a)紅色標注的區域即MDD >HC對照的區域; (b)藍色標注的區域即HC>MDD的區域
Figure4. ALFF alteration of between group comparison(a) warm colors illustrate the regions whose ALFF values higher than the comparison; (b) cool colors illustrate the regions whose ALFF values loweer than the comparison
3 討論
ALFF是一種數據驅動的方法,通過各體素觀察腦部信號強度的時間序列,然后進行傅里葉轉換及統計運算,得到BLOD信號變化的強度,從能量角度反映大腦各區域在靜息狀態下自發活動水平的高低[12],在本研究中通過血氧依賴的靜息態磁共振及ALFF的分析方法,確定了重性抑郁癥及健康對照組間大腦區域BOLD低頻振幅活動的差異。相對于健康對照組,重性抑郁組ALFF升高的區域主要在右內側前額葉,這一對照研究的結果和早期的一些研究一脈相承。
越來越多的研究表明前額葉參與自省、情緒加工、獎懲、沖動控制[13],與人腦對情緒的整合有關[14-15]。已經有文獻報道,抑郁癥患者存在廣泛的額葉微結構異常[16-18]。既往也有大量對抑郁癥腦結構的研究表明,無論在結構及功能的水平上抑郁癥額葉都有著明顯的改變,包括灰質體積下降和新陳代謝增加[19]。大量的研究都表明,在抑郁癥中大腦的前額葉在處理負性情緒和行為時明顯活動增強,這與靜息態下的研究發現抑郁癥患者前額中部代謝增強的結果是一致的[20]。如Yao等[21]觀察抑郁癥患者局部一致性的改變,就發現患者額葉的局部一致性增強。Hamilton等[22]有相似的發現,且觀察到內側前額葉和腹側前扣帶功能連接升高。這些發現與結構的研究結果不謀而合,一些研究提示在額葉某些區域存在腦白質纖維受損,有人提出了白質的損傷使得與情緒調節相關的神經環路遭到破壞,從而促使抑郁癥發生的假說[23-25]。結構和功能的研究都指向一個結果--前額葉結構和功能的異常是抑郁癥發病的重要因素之一。但已有的研究結果并不一致,如Seidel等[26]的研究發現抑郁癥患者與健康人相比,其額葉、顳葉和頂葉功能區的激活是降低的,這些不一致可能與使用不同的統計、校正方法,對實驗的質量控制、納入標準不一致有關。本研究采用的是重性抑郁癥這一特殊群體,采用嚴格校正,得到的腦功能更為突出和有意義的改變區域,也包括額葉的改變,印證了額葉在抑郁癥的發生發展中可能起到重要作用的觀點。
值得一提的是既往大量研究都發現了抑郁癥患者默認網絡的異常,Raichle等[27]研究發現人腦在靜息態下存在穩定的負激活區域,稱之為默認網絡(default model network DMN),并認為其功能活動與情感過程有關。Wu等[28]的研究表明難治性患者的默認網絡連接增強,而在我們的研究中并未看到此種異常的表現,可能與本次的研究對象是重性抑郁癥,且實驗樣本量較小有關,這可能會導致本實驗的統計效力降低,目前本研究組正在努力擴大樣本量,提高統計效力,同時也可能與本次試驗為了取得更為可靠的研究結果,采用了比較嚴格的校正方式有關。
本研究結果還發現,MDD患者頂葉包括左側頂下小葉和中央后回ALFF 減少,這在既往的研究中報道較少。頂下小葉,即頂后皮層(posterior parietal cortex,PPC),是整合感覺和運動的區域,與維持空間感和本體感覺有關[14]。研究表明,抑郁癥患者情緒管理的失調及認知模式的偏差均為導致情緒低落的重要因素[29]。結合上面的研究結果我們知道,抑郁癥患者以及處于負性情緒的正常人前額中部代謝均增強[30]。這一現象是否可以解釋為抑郁癥的代償機制或者剝奪機制,即由于頂葉功能缺陷,功能轉移到相對完整的其他環路上,還是由于其他區域活動異常增強,剝奪了頂葉的活動和功能,可以在首發抑郁癥患者的腦功能活動及跟蹤研究中去深入了解。
綜上所述,本研究結果顯示MDD患者靜息態下腦功能區ALFF值發生顯著變化。本研究結果在一定程度上探討了抑郁癥發生的病理生理機制,同時說明ALFF值可以作為一種研究手段來檢測腦功能障礙的異常變化。在進一步研究中擬將ALFF值與臨床治療的變化結合起來,進行縱向的隨訪研究,觀察疾病進展和轉歸時大腦內的持續變化過程,分析重性抑郁癥患者臨床表現和影像學數據的相關性;還可通過比較不同措施治療后大腦神經基礎的功能變化異同,進一步揭示抑郁癥患者腦內功能性異常的改變與抑郁癥的嚴重程度、治療反應及預后的相關性。
引言
抑郁癥是一種具有高患病率、高復發率、高自殺率和高致殘率的重性精神疾病,以顯著而持久的心境低落為主要特征,嚴重危害人類的身心健康,帶來極大的社會及經濟負擔[1]。目前抑郁癥的發病機制尚不清楚,一直以來精神病學、心理學、神經解剖學、神經生物學、分子生物學等各領域研究者都致力于抑郁癥的病因研究,但大量的研究并未找到明確的致病因素,近年來,隨著神經影像技術的飛速發展,對抑郁癥患者腦功能的研究方興未艾[2],基于影像學生物信息學探索抑郁癥的發病機制成為腦科學研究關注的焦點。
功能磁共振以非侵入性腦功能檢測方法,高時空分辨率實時顯示出大腦特定局部區域的功能活動情況[3]。目前越來越多的關注集中于考察大腦在安靜休息時的“靜息”狀態下,血氧等級相關(blood oxygen level-dependent,BOLD)信號的自發調節功能活動情況[4-5]。其研究對象在掃描時不執行任何任務也盡可能的保持清醒、不動,以避免思考時個體差異的影響和頭動等混雜因素干擾,已用于精神分裂癥、帕金森病等多種神經精神疾病的研究[6-7]。近來的研究表明,由于抑郁癥的癥狀也具有一定的持續性和普遍性,用靜息態功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)技術來研究抑郁癥是一項很有前景的方法,通過這種研究可以幫助臨床診斷與治療。目前已有靜息態磁共振研究采用功能聯結的方法,發現抑郁發作和前扣帶回、背內側丘腦聯結減弱有關[8]。
Biswal和他的同事們首先報道了在休息時自發的低頻率(0.01~0.08 Hz)的波動在左右腦初級運動皮層間的高度同步。近來已經有一些研究將低頻振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)用于對功能性精神障礙的機制探討及臨床研究[9-10],但尚未發現用于重性抑郁癥的研究。本研究在靜息狀態下采用ALFF方法研究重性抑郁癥患者腦部自發性神經活動的情況,觀察其與對照組比較是否存在明顯差異,探討其可能的發病機制。
1 材料與方法
1.1 研究對象
1.1.1 重性抑郁癥(major depressive disorder,MDD)組
本實驗的受試者來自于重慶醫科大學附屬第一醫院精神科住院部,共募集了MDD患者13例。
納入標準: ① 診斷標準:符合美國精神障礙診斷與統計學手冊第四版(DSM--Ⅳ)重性抑郁癥的診斷標準; ② 年齡18~55周歲,性別不限;③ 24項漢密爾頓抑郁量表(Hamilton depression scale,HAMD)總分>35分;④ 1個月內未經任何抗精神病藥物、調節情緒藥物及電休克、經顱磁刺激等物理治療。
排除標準:① 既往和目前患有嚴重心、肝、腎等軀體疾病;② 酒精、藥物或者存在其他精神活性物質濫用者;③ 孕婦及哺乳期婦女;④ 繼發性抑郁癥(如精神分裂癥后抑郁等)。
1.1.2 正常對照(health control,HC)組
募集14名健康對照。
入組標準:① 年齡18~55周歲,性別不限;② HAMD評分<8 分。
排除標準:① 既往和目前患有嚴重心、肝、腎等軀體疾病;② 酒精、藥物或者存在其他精神活性物質濫用者;③ 孕婦及哺乳期婦女;④ 既往有神經精神疾病史;⑤ 有精神疾病家族史。
兩組的所有被試均為漢族,右利手。要求被試體內無金屬植入物,無磁共振檢查禁忌癥,常用結構磁共振檢查未發現明顯的腦結構異常。
實驗前告知其實驗的目的、方法以及可能存在的不適和風險,所有受試者簽署參與實驗的知情同意書,該研究經重慶醫科大學倫理委員會審核通過。
1.2 方法
1.2.1 量表評定
由兩位經過評定量表系統培訓的,主治級別以上的精神科醫生對研究對象的一般資料,包括姓名、性別、年齡、受教育年限進行收集;并運用HAMD對重性抑郁癥患者及正常對照者進行臨床癥狀評估。
兩組之間性年齡、受教育年限差異無統計學意義(P>0.05);兩組HAMD評分,MDD組得分高于HC組,差異有統計學意義(P<0.001) (見表 1)。

1.2.2 圖像采集
磁共振圖像數據采集在重慶醫科大學附屬第一醫院放射科磁共振室完成,操作由1名不知研究對象情況的技術熟練的放射科醫生擔任。均使用GE(General Electric,Waukesha,Wis)公司生產的Signa 3.0T 磁共振成像系統,鳥籠狀頭部8通道線圈。
1.2.3 MRI 定位相及靜息態fMRI 掃描參數
受試者的頭部用海綿墊固定,帶上隔音耳塞。掃描時不添加任何認知任務刺激,受試者仰臥閉眼,囑其盡量不做任何思考,但需保持清醒,并保持全身不動。常規三平面定位后,采用梯度回波-回波平面成像(gradient-recalled echo-planar imaging,GRE-EPI)序列采集,以前后聯合連線作為掃描基線,行斜軸位掃描,掃描范圍從被試者顱頂至枕骨大孔。TR=2 000 (ms),TE=30 (ms),FOV=240 (mm)×240 (mm),矩陣=64×64,翻轉角=90°,連續掃描30層,層厚=5 mm,無間隙,掃描時間6 ′50 ″。
1.3 數據處理
使用DPARSF軟件對功能磁共振信號進行預處理(http://restin}fmri.sourcesforge.net)。數據預處理的方法在許多研究中已經詳細描述[
1.4 統計學分析
使用REST軟件進行靜息態fMRI的ALFF分析。將預處理后的數據采用線性回歸方法去除其線性趨勢,提取0.01~0.08 Hz的ALFF值[9],在進行t檢驗時采用經減一處理的ALFF值,將結果疊加到MINI坐標的Ch2bet模板以便于讀取。重性抑郁組和對照組組間ALFF差異采用雙樣本t檢驗,將結果進行FDR校正后,統計閾值取為P<0.001為差異有統計學意義。
2 結果
利用XjView軟件確定對應MNI坐標上有統計意義腦區的具體解剖位置。
2.1 MDD和HC組單樣本t檢驗結果
2.1.1 MDD組單樣本t檢驗結果
結果顯示,MDD組雙側大腦多個區域ALFF均有改變,如圖 1所示。

2.1.2 HC組單樣本t檢驗結果
結果顯示,HC組雙側大腦多個區域ALFF均有改變,如圖 2所示。

2.2 MDD和HC組雙樣本t檢驗
結果顯示,MDD組ALFF值升高的區域位于右內側前額葉;而HC組ALFF值高于MDD組的區域位于左側頂葉(P<0.001)(見表 2、圖 3~4)。


根據MNI空間坐標中示出的切片(暖色說明ALFF值高于比較的地區)
Figure3. Group-comparisonSlice coordinates according to MNI space are shown in the upper of the slices. (Warm colors illustrate the regions whose ALFF values higher than the comparison)

(a)紅色標注的區域即MDD >HC對照的區域; (b)藍色標注的區域即HC>MDD的區域
Figure4. ALFF alteration of between group comparison(a) warm colors illustrate the regions whose ALFF values higher than the comparison; (b) cool colors illustrate the regions whose ALFF values loweer than the comparison
3 討論
ALFF是一種數據驅動的方法,通過各體素觀察腦部信號強度的時間序列,然后進行傅里葉轉換及統計運算,得到BLOD信號變化的強度,從能量角度反映大腦各區域在靜息狀態下自發活動水平的高低[12],在本研究中通過血氧依賴的靜息態磁共振及ALFF的分析方法,確定了重性抑郁癥及健康對照組間大腦區域BOLD低頻振幅活動的差異。相對于健康對照組,重性抑郁組ALFF升高的區域主要在右內側前額葉,這一對照研究的結果和早期的一些研究一脈相承。
越來越多的研究表明前額葉參與自省、情緒加工、獎懲、沖動控制[13],與人腦對情緒的整合有關[14-15]。已經有文獻報道,抑郁癥患者存在廣泛的額葉微結構異常[16-18]。既往也有大量對抑郁癥腦結構的研究表明,無論在結構及功能的水平上抑郁癥額葉都有著明顯的改變,包括灰質體積下降和新陳代謝增加[19]。大量的研究都表明,在抑郁癥中大腦的前額葉在處理負性情緒和行為時明顯活動增強,這與靜息態下的研究發現抑郁癥患者前額中部代謝增強的結果是一致的[20]。如Yao等[21]觀察抑郁癥患者局部一致性的改變,就發現患者額葉的局部一致性增強。Hamilton等[22]有相似的發現,且觀察到內側前額葉和腹側前扣帶功能連接升高。這些發現與結構的研究結果不謀而合,一些研究提示在額葉某些區域存在腦白質纖維受損,有人提出了白質的損傷使得與情緒調節相關的神經環路遭到破壞,從而促使抑郁癥發生的假說[23-25]。結構和功能的研究都指向一個結果--前額葉結構和功能的異常是抑郁癥發病的重要因素之一。但已有的研究結果并不一致,如Seidel等[26]的研究發現抑郁癥患者與健康人相比,其額葉、顳葉和頂葉功能區的激活是降低的,這些不一致可能與使用不同的統計、校正方法,對實驗的質量控制、納入標準不一致有關。本研究采用的是重性抑郁癥這一特殊群體,采用嚴格校正,得到的腦功能更為突出和有意義的改變區域,也包括額葉的改變,印證了額葉在抑郁癥的發生發展中可能起到重要作用的觀點。
值得一提的是既往大量研究都發現了抑郁癥患者默認網絡的異常,Raichle等[27]研究發現人腦在靜息態下存在穩定的負激活區域,稱之為默認網絡(default model network DMN),并認為其功能活動與情感過程有關。Wu等[28]的研究表明難治性患者的默認網絡連接增強,而在我們的研究中并未看到此種異常的表現,可能與本次的研究對象是重性抑郁癥,且實驗樣本量較小有關,這可能會導致本實驗的統計效力降低,目前本研究組正在努力擴大樣本量,提高統計效力,同時也可能與本次試驗為了取得更為可靠的研究結果,采用了比較嚴格的校正方式有關。
本研究結果還發現,MDD患者頂葉包括左側頂下小葉和中央后回ALFF 減少,這在既往的研究中報道較少。頂下小葉,即頂后皮層(posterior parietal cortex,PPC),是整合感覺和運動的區域,與維持空間感和本體感覺有關[14]。研究表明,抑郁癥患者情緒管理的失調及認知模式的偏差均為導致情緒低落的重要因素[29]。結合上面的研究結果我們知道,抑郁癥患者以及處于負性情緒的正常人前額中部代謝均增強[30]。這一現象是否可以解釋為抑郁癥的代償機制或者剝奪機制,即由于頂葉功能缺陷,功能轉移到相對完整的其他環路上,還是由于其他區域活動異常增強,剝奪了頂葉的活動和功能,可以在首發抑郁癥患者的腦功能活動及跟蹤研究中去深入了解。
綜上所述,本研究結果顯示MDD患者靜息態下腦功能區ALFF值發生顯著變化。本研究結果在一定程度上探討了抑郁癥發生的病理生理機制,同時說明ALFF值可以作為一種研究手段來檢測腦功能障礙的異常變化。在進一步研究中擬將ALFF值與臨床治療的變化結合起來,進行縱向的隨訪研究,觀察疾病進展和轉歸時大腦內的持續變化過程,分析重性抑郁癥患者臨床表現和影像學數據的相關性;還可通過比較不同措施治療后大腦神經基礎的功能變化異同,進一步揭示抑郁癥患者腦內功能性異常的改變與抑郁癥的嚴重程度、治療反應及預后的相關性。