本文旨在探索首發未用藥狀態下，抗精神病藥物治療不同反應的精神分裂癥患者白質參數是否存在不同模式的改變。采集 60 例首發未用藥精神分裂癥患者（藥物治療有效者 39 例，難治者 21 例）與 69 例年齡、性別匹配的健康對照的磁共振彌散張量成像（DTI）數據，運用 FSL 軟件進行數據處理，提取反映白質微結構完整性的參數并進行確定性的纖維追蹤，并基于纖維追蹤的結果構建網絡矩陣，通過方差分析比較三組間白質參數及白質連接網絡拓撲屬性的差異。結果發現相比于健康對照，藥物治療有效組白質異常主要表現在丘腦前輻射、胼胝體壓部、扣帶束和上縱束，而藥物難治組白質異常主要分布在丘腦前輻射、扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束。藥物難治組在丘腦前輻射表現出比藥物治療有效組更嚴重的白質異常。此外，三組被試之間白質連接網絡拓撲屬性差異無統計學意義。支持向量機（SVM）的結果顯示兩個患者亞組之間分類的準確度為 63.37%（P = 0.04）。該研究表明精神分裂癥抗精神病藥物治療不同反應者存在不同模式的白質微結構完整性損傷，這對基線未用藥狀態下區分和治療不同反應患者、改善患者預后具有指導作用。
引用本文： 曾嘉欣, 張文靜, 付桂, 肖媛, 唐碧秋, 姚驪, 呂粟. 基于彌散張量成像對精神分裂癥藥物治療不同反應者的研究. 生物醫學工程學雜志, 2020, 37(3): 480-486. doi: 10.7507/1001-5515.201905062 復制
引言
精神分裂癥是一種高致殘性的慢性精神障礙。全球范圍內，精神分裂癥的患病率約為 1%[1]。目前針對精神分裂癥患者最主要的治療方式為抗精神病藥物治療，但是約 1/3 的患者經過常規抗精神病藥物治療后沒有好轉[2]。在當前臨床環境下，精神分裂癥患者通常是在經過至少 6 周的常規抗精神病藥物治療無效后，才會選擇其他的治療方式，這可能會造成藥物導致的副作用如代謝癥候群等[3]。因此，探索精神分裂癥患者抗精神病藥物治療不同療效的神經生物學機制，對早期識別和治療藥物難治性精神分裂癥，改善患者的預后有潛在的指導作用。
越來越多的研究指向精神分裂癥是一種連接異常的精神障礙，并且有關精神分裂癥神經影像的結果也提示白質的異常改變可能是連接異常的核心[4-5]。近年來，彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）在精神障礙領域得到廣泛的應用[6]，它不僅可以無創地進行活體大腦白質纖維示蹤，并且可以提供反映白質微結構完整性的參數如各向異性分數（fractional anisotropy，FA）、平均彌散參數（mean diffusivity，MD）、軸向彌散參數（axial diffusivity，AD）和徑向彌散參數（radial diffusivity，RD）。目前有關 DTI 的研究表明，精神分裂癥不僅涉及局部白質微結構完整性的異常，還可能累積全腦，表現出網絡拓撲屬性的改變[7]。
目前對于難治性精神分裂癥患者與治療有效者影像學的研究大多是關于腦灰質結構和腦功能的研究[8]，對于白質的研究比較缺乏，而后者可以補充該領域的影像學發現，完善與藥物治療不同反應密切相關的影像學機制的研究。現存針對藥物治療療效的研究多是集中于藥物治療后的橫斷面研究，雖然有文獻報道藥物難治性精神分裂癥患者與治療有效者之間存在白質微結構完整性的差異[9]，但納入的樣本為慢性用藥的患者，會受到藥物和病程等混雜因素的影響。過去的研究表明，首發未用藥精神分裂癥患者會伴隨病程出現白質進展性的變化[10]，并且在經過 6 周短期抗精神病藥物治療后，扣帶束等纖維會有 FA 的降低[11-12]，而慢性用藥患者也會表現出白質體積的降低[13]。
綜上所述，首發未用藥狀態下，藥物難治性精神分裂癥患者與治療有效者之間是否存在白質微結構完整性及網絡屬性的差異仍然未知。因此，對于首發未用藥狀態下藥物治療反應的研究，有助于發現用藥前難治性精神分裂癥患者及治療有效者之間是否存在不同模式的白質異常，以便更好地指導治療，改善患者預后。
本文通過納入首發未用藥精神分裂癥患者，并采集 DTI 和臨床癥狀評分，用藥后對其進行為期一年的隨訪，旨在觀察不同治療反應的精神分裂癥患者在首發未用藥狀態下與健康對照的白質微結構完整性及白質連接網絡拓撲屬性的差異，并探索能否基于白質結構對其進行個體化的預后預測。
1 材料與方法
1.1 研究對象
本研究納入 2006 年 1 月—2016 年 6 月經四川大學華西醫院篩選入組的首發精神分裂癥患者 60 例，其中男性 25 例，女性 35 例，平均年齡 24.25 歲。所有患者均符合美國精神障礙診斷與統計手冊第四版（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM-Ⅳ）精神分裂癥診斷標準，并通過陽性和陰性癥狀量表（Positive and Negative Syndrome Scale，PANSS）和功能大體評定量表（Global Assessment of Functioning，GAF）進行臨床癥狀嚴重程度的評估。所有患者均在確診后即給予二代抗精神病藥物進行治療并隨訪，一年后再次進行 PANSS 評估。所有健康對照均通過海報方式從當地招募，其中男性 29 例，女性 40 例，平均年齡 24.52 歲，被試本人及其一級親屬無精神病史。患者及健康對照的排除標準包括：① 磁共振檢查禁忌癥；② 神經系統疾病或既往頭部外傷史；③ 物質或者酒精依賴和濫用；④ 嚴重的系統性疾病，如肝硬化或心血管疾病等。該研究通過了四川大學華西醫院倫理委員會的批準，并在檢查前得到了所有被試及家屬的知情并簽署了知情同意書。
1.2 治療療效的定義
對于精神分裂癥患者藥物治療療效的定義，采用 Leucht 等[14]推薦的方法，即 PANSS 變化百分率 
，我們定義治療有效者為 d ≥ 50%，難治性精神分裂癥患者為 d < 50%。
1.3 影像數據采集及處理
1.3.1 圖像采集
所有被試均在 GE EXCITE 3.0T 磁共振儀上進行掃描，選用 8 通道相控陣頭部線圈。DTI 圖像通過自旋回波 EPI 序列進行采集，具體參數如下：TR = 1 000 ms，TE = 70 ms，翻轉角（Flip angle） = 12°，層厚 = 3 mm，FOV = 240 mm × 240 mm，矩陣 = 128 × 128，每個 DTI 數據集包括 15 個擴散方向的圖像（B = 1000 s/mm2）和一個非擴散方向的圖像（B = 0 s/mm2）。三維高分辨 T1 加權成像（3D T1）通過毀損梯度回波序列采集（TR = 8.528 ms，TE = 3.4 ms，翻轉角 = 12°，體素大小 = 0.47 mm × 0.47 mm × 1 mm，FOV = 240 mm × 240 mm）。
1.3.2 數據處理
原始 DICOM 數據通過 MRICron 軟件轉化為 NIFTI 數據格式，通過 FSL（https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）的 FDT 工具箱對數據進行預處理，包括頭動及渦流校正，剔除腦組織以外的結構。我們借助于 3D T1 圖形對 DTI 數據進行標準化和分割，并將所有個體的圖像配準到 MNI152 標準空間，并對每個被試標準化及分割后的 FA 等圖像質量進行檢查和評價[15]，排除分割效果較差的圖像，而本文所有的數據均符合數據質量的檢查。然后對個體的 FA 進行平均，生成組平均 FA 圖，進行骨架化處理，得到骨架化的 FA 圖。最后分別將三組被試所有個體的 FA、MD、AD 和 RD 值投影到各組平均骨架上，進行統計分析。
基于上述的預處理圖像，利用擴散磁共振數據流水線處理軟件 PANDA 軟件（https://www.nitrc.org/projects/panda/），對每一組被試的白質進行確定性的纖維追蹤，以腦灰質自動解剖標記的圖集（Anatomical Automatic Labeling，AAL）定義的 90 個腦區為網絡“節點”，“邊”的定義為節點間的纖維連接數量，得到白質連接矩陣，并基于白質連接矩陣構建網絡[16]。利用基于圖論的網絡連接分析軟件（GRaph thEoreTical Network Analysis toolbox，Gretna，https://www.nitrc.org/projects/gretna/）對矩陣進行分析，網絡類型設置為加權型，網絡矩陣閾值參照文獻[7]按照如下標準進行選擇：① 每個閾值下平均節點度（節點度是連接到該節點的連接數）大于 2 × log（90）；② 所有被試網絡的小世界性均大于 1.1。最終網絡矩陣閾值設定為 0.11～0.15，間隔 0.01，共計 6 個閾值。計算全局和節點水平的網絡屬性。全局網絡屬性參數包括：平均聚類系數（mean clustering coefficient，Cp）、特征路徑長度（characteristic path length，Lp）、標準化特征路徑長度（γ）、標準化最短路徑長度（λ）、小世界性（σ）；節點網絡屬性參數包括：節點效率（nodal efficiency）、節點介數（nodal betweenness）和節點度（nodal degree）。
1.4 支持向量機分析
利用神經影像模式識別工具箱（PRoNTo）軟件（http://www.mlnl.cs.ucl.ac.uk/pronto/prtsoftware.html），分別對精神分裂癥患者和健康對照，以及兩組藥物治療不同反應的患者進行個體化的分類。采用支持向量機（support vector machine，SVM）的方法，提取三組間有差異的白質纖維完整性參數為分類特征，并對上述被試進行個體化區分，通過留一法（leave one out）進行交叉驗證。個體化分類的指標采用準確度和敏感度進行評價。
1.5 統計分析
采用 SPSS 軟件（版本 24.0，https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software）進行人口學資料的統計分析，連續變量采用方差分析，分類變量采用 χ2 檢驗，P < 0.05 被認為差異有統計學意義。
通過 FSL randomize 對不同的彌散參數圖進行基于纖維束的空間統計分析（tract-based spatial statistics，TBSS），并應用無閾值聚類增強（threshold-free cluster enhancement，TFCE）方法進行三組比較，并通過族系誤差率（family-wise error rate，FWE）的方法進行多重比較校正，顯著性水平設置為 P < 0.05，簇群（cluster）大小設置為連續 50 個以上的體素集合區。利用 JHU ICBM-DTI-81 模板提取三組間有差異的纖維束。為便于探索白質異常與臨床評分的相關性，我們將顯著差異區域中連續 50 個以上體素集合區的白質參數（FA、MD、AD 和 RD）值提取出來[17]，并將該纖維束的白質參數與精神分裂癥患者臨床癥狀評分做偏相關，以年齡和性別作為協變量（結果未校正）。
通過 Gretna 自帶的統計軟件，對三組被試之間白質連接網絡拓撲屬性進行方差分析。
個體化分類的準確度及敏感度通過 PRoNTo 軟件內的置換檢驗（permutation test）來判斷其統計學上的顯著性，置換次數為 1 000 次，以 P < 0.001 為差異有統計學意義。
2 結果
如表 1 所示，藥物治療有效組、藥物難治組和健康對照組在年齡、性別和教育年限上均無明顯差異。首發未用藥狀態下，藥物治療有效組和難治組在臨床癥狀評分上也無顯著差異。而用藥后 1 年隨訪時，藥物難治組 PANSS 總分及各項評分均顯著高于藥物治療有效組。
表1
人口學及臨床資料
Table1.
Demographical and clinical information
如圖 1 所示，相比于健康對照，藥物治療有效組在左側丘腦前輻射，胼胝體壓部，雙側扣帶束，雙側外囊，右側前、后冠狀輻射表現出 FA 降低；在胼胝體壓部、左側扣帶束、右側上縱束表現出 RD 增高。而難治性精神分裂癥患者相比于健康對照，在左側丘腦前輻射、左側扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束表現出 FA 降低，無顯著 RD 改變。藥物難治組相比于藥物治療有效組，表現出左側丘腦前輻射 FA 降低。兩組患者相比于健康對照，在 MD 和 AD 上無顯著差異，且兩組患者組間在 MD、AD 和 RD 上未見明顯差異。上述結果均經過 FWE 校正（P < 0.05）。
圖1
三組受試者組間白質參數的差異
a. 藥物治療有效組患者相對于健康對照組降低的 FA；b. 藥物難治組患者相對于健康對照降低的 FA；c. 藥物治療有效組患者相對于藥物難治組患者增加的 FA；d. 藥物治療有效組相對于健康對照組增高的 RD。紅-黃色標記為 FA（圖 a，b，c），藍-綠標記為 RD（圖 d），彩色條顯示組間差異的相應纖維體素經過 FWE 校正以后的 1－
a. reduced FA in treatment-responsive patients relative to healthy controls; b. reduced FA in treatment-resistant patients relative to healthy controls; c. increased FA in treatment-responsive patients relative to treatment-resistant patients; d. increased RD in treatment-responsive patients relative to healthy controls. Red-yellow labels indicate FA (Fig a, b and c), blue-green labels indicate RD (Fig d), and color-bar indicates 1-
偏相關結果分析顯示，在藥物治療有效組，右側扣帶束 FA 與 PANSS 總評分成負相關（r = ?0.37，P = 0.025），而右側上縱束的 RD 與 PANSS 總評分成正相關（r = 0.33，P = 0.045）。在難治性精神分裂癥患者組，腦橋交叉纖維束的 FA 與 GAF 成正相關（r = 0.60，P = 0.007），與 PANSS 陰性癥狀成負相關（r = ?0.50，P = 0.033）。具體信息見圖 2。
圖2
精神分裂癥患者白質異常與臨床表現的相關性
Figure2.
Correlation between white matter abnormalities and clinical assessment in schizophrenia
網絡拓撲屬性的結果顯示，健康對照、藥物治療有效者和難治者均表現出σ > 1、γ > 1 和λ ≈ 1 的小世界屬性。但是由表 2 可見，三組被試白質連接網絡拓撲屬性對應閾值下曲線下面積之間差異無統計學意義，節點水平的拓撲屬性在三組受試者間也無顯著差異。
表2
不同被試組網絡和節點拓撲屬性曲線下面積（
）比較
Table2.
Area under curve (
) comparisons of network and nodal topological properties between groups
SVM 的分類結果表明，患者與正常人之間分類的準確度為 61.16%（敏感度 60.00%，特異度 62.32%，P = 0.02），兩組患者之間分類的準確度為 63.37%（敏感度 52.38%，特異度 74.36%，P = 0.04）。
3 討論
本研究結果顯示，相比于健康對照，藥物治療有效組白質異常主要分布在丘腦前輻射、扣帶束、胼胝體壓部和上縱束；而藥物難治性精神分裂癥患者的白質異常主要集中在丘腦前輻射、扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束。藥物難治性精神分裂癥患者比藥物治療有效組表現出丘腦前輻射 FA 的降低，并且兩組患者白質異常與臨床癥狀之間存在相關性。這些結果提示，首發未用藥狀態下，藥物治療不同反應的患者存在不同模式的白質改變，為精神分裂癥患者針對性的治療提供了重要參考。
值得注意的是，我們的研究結果發現，相比于健康對照，藥物難治組和治療有效組表現出不同的白質微結構完整性差異，并且藥物難治組相對治療有效組表現出丘腦前輻射更低的 FA。難治性精神分裂癥一直以來都是研究的熱點，許多研究致力于揭示藥物治療不同反應者的神經生物學機制。有假說認為難治性精神分裂癥患者與治療有效者之間存在完全不同的病理生理機制[8]。這一假說也在有關神經化學方面的研究中得到證實，并且有正電子發射計算機斷層掃描（positron emission tomography，PET）研究顯示，與治療有效者相比，難治性精神分裂癥患者可能具有不同的多巴胺能功能[18]。有研究表明，丘腦和丘腦皮質投射纖維的改變與精神分裂癥患者的預后相關，最近的一項功能磁共振成像研究結果顯示，預后較好和預后較差的精神分裂癥患者在丘腦區域的神經獎賞機制存在差異[19]。而我們的研究也表明，藥物治療不同反應患者在丘腦前輻射存在白質微結構完整性的差異，這與腦功能的研究結果是相符合的。我們的結果還有待進一步的完善，需要在新樣本中驗證不同治療反應患者中丘腦前輻射對藥物治療的反應。
我們的研究顯示，治療有效組相比于健康對照，在扣帶束顯示出 FA 降低和 RD 增高。扣帶束是連接額葉、頂葉和內側顳葉的主要白質纖維束，同時也連接著皮層下核團和扣帶回[20]。過去針對首發精神分裂癥患者的 DTI 研究表明，患者扣帶束存在白質微結構完整性異常，并且與精神分裂癥患者的妄想、陰性癥狀等相關[21]，我們的研究也提示藥物治療有效組的扣帶束 FA 與患者 PANSS 總評分存在負相關，這在一定程度上能夠揭示精神分裂癥患者白質微結構完整性與臨床癥狀嚴重程度的相關性。上縱束連接前額葉和頂葉區域，這些區域在結構和功能上都被認為是調節認知控制的區域，因此上縱束的損傷可能會引起精神分裂癥患者認知功能缺陷。我們的研究也顯示治療有效組上縱束白質微結構完整性出現異常，并且這種異常與精神分裂癥患者藥物治療有效者的 PANSS 總評分存在相關性，這與過去的研究結果一致[22]。
難治性精神分裂癥患者在穹隆部分表現出低于正常人的 FA。穹隆是邊緣系統的一部分，構成了海馬的主要傳入和傳輸白質纖維，連接著海馬與其他的腦區如乳頭體、隔膜區、前額葉皮質以及伏隔核等，而這些腦區參與了精神分裂癥的病理生理機制[23]。而且，這些結構上的連接主要涉及記憶網絡，因此穹隆在記憶任務，特別是在情景記憶上起著至關重要的作用[24]。我們的研究結果與既往研究結果[25-26]一致，顯示了精神分裂癥患者相比于健康對照，在穹隆部位表現出降低的 FA。腦橋交叉纖維束是腦橋網狀結構至丘腦的上行網狀激活系統的重要組成部分[27]，我們的研究發現相比于健康對照，難治性精神分裂癥患者存在腦橋交叉纖維束白質 FA 降低，并且白質 FA 水平與精神分裂癥患者 GAF 得分成正相關，與 PANSS 陰性癥狀成負相關。盡管過去沒有研究直接顯示精神分裂癥患者存在腦橋交叉纖維束的白質異常，這可能是由于樣本量大小、圖像處理方式（基于感興趣區和基于體素的分析方法）差異等造成的，而有關其他精神障礙的研究表明，雙向障礙患者相比于健康對照存在著腦橋交叉纖維束 FA 的降低[28]。
SVM 的結果顯示，首發未用藥狀態下，基于組間差異纖維束的白質完整性參數對精神分裂癥患者進行個體化的預后預測準確度較低，尚無法直接應用于臨床預后預測。首發未用藥的精神分裂癥患者，彼此之間在遺傳、環境、社會功能和臨床表現等方面存在較大的異質性[29]，因此藥物治療有效組和難治組內部個體間均存在較大的異質性，難以進行個體化的區分，因此 SVM 分類的準確度較低。我們的研究并未發現首發未用藥狀態下，精神分裂癥藥物治療不同反應者之間存在白質網絡拓撲屬性的差異。這可能是因為白質網絡的結果是基于纖維束的統計，而 TBSS 是基于體素水平的比較，因此在探索白質異常上會不及 TBSS 敏感。
本研究還存在一定的局限性。首先，研究樣本量較小。其次，研究只采用了 DTI 對精神分裂癥患者進行了分析，僅僅提供了白質參數的特征，缺乏皮層結構、功能活動等參數。再者，我們的研究結果僅揭示了藥物治療不同反應者白質微結構完整性的異常分布，尚未發現兩組之間存在顯著的差異。后續我們將繼續納入首發精神分裂癥患者并對其進行隨訪，通過采集多模態的數據，深入研究其藥物治療不同反應的神經影像學機制。
綜上所述，精神分裂癥抗精神病藥物治療不同反應者，存在不同模式的白質損傷。其中，治療有反應者白質異常主要在丘腦前輻射、胼胝體壓部、扣帶束和上縱束，而藥物難治性精神分裂癥患者白質異常主要分布在丘腦前輻射、扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束。該研究顯示了抗精神病藥物治療不同反應患者早期白質微結構完整性的異常，并為患者的早期識別和治療提供了重要依據。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
精神分裂癥是一種高致殘性的慢性精神障礙。全球范圍內，精神分裂癥的患病率約為 1%[1]。目前針對精神分裂癥患者最主要的治療方式為抗精神病藥物治療，但是約 1/3 的患者經過常規抗精神病藥物治療后沒有好轉[2]。在當前臨床環境下，精神分裂癥患者通常是在經過至少 6 周的常規抗精神病藥物治療無效后，才會選擇其他的治療方式，這可能會造成藥物導致的副作用如代謝癥候群等[3]。因此，探索精神分裂癥患者抗精神病藥物治療不同療效的神經生物學機制，對早期識別和治療藥物難治性精神分裂癥，改善患者的預后有潛在的指導作用。
越來越多的研究指向精神分裂癥是一種連接異常的精神障礙，并且有關精神分裂癥神經影像的結果也提示白質的異常改變可能是連接異常的核心[4-5]。近年來，彌散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）在精神障礙領域得到廣泛的應用[6]，它不僅可以無創地進行活體大腦白質纖維示蹤，并且可以提供反映白質微結構完整性的參數如各向異性分數（fractional anisotropy，FA）、平均彌散參數（mean diffusivity，MD）、軸向彌散參數（axial diffusivity，AD）和徑向彌散參數（radial diffusivity，RD）。目前有關 DTI 的研究表明，精神分裂癥不僅涉及局部白質微結構完整性的異常，還可能累積全腦，表現出網絡拓撲屬性的改變[7]。
目前對于難治性精神分裂癥患者與治療有效者影像學的研究大多是關于腦灰質結構和腦功能的研究[8]，對于白質的研究比較缺乏，而后者可以補充該領域的影像學發現，完善與藥物治療不同反應密切相關的影像學機制的研究。現存針對藥物治療療效的研究多是集中于藥物治療后的橫斷面研究，雖然有文獻報道藥物難治性精神分裂癥患者與治療有效者之間存在白質微結構完整性的差異[9]，但納入的樣本為慢性用藥的患者，會受到藥物和病程等混雜因素的影響。過去的研究表明，首發未用藥精神分裂癥患者會伴隨病程出現白質進展性的變化[10]，并且在經過 6 周短期抗精神病藥物治療后，扣帶束等纖維會有 FA 的降低[11-12]，而慢性用藥患者也會表現出白質體積的降低[13]。
綜上所述，首發未用藥狀態下，藥物難治性精神分裂癥患者與治療有效者之間是否存在白質微結構完整性及網絡屬性的差異仍然未知。因此，對于首發未用藥狀態下藥物治療反應的研究，有助于發現用藥前難治性精神分裂癥患者及治療有效者之間是否存在不同模式的白質異常，以便更好地指導治療，改善患者預后。
本文通過納入首發未用藥精神分裂癥患者，并采集 DTI 和臨床癥狀評分，用藥后對其進行為期一年的隨訪，旨在觀察不同治療反應的精神分裂癥患者在首發未用藥狀態下與健康對照的白質微結構完整性及白質連接網絡拓撲屬性的差異，并探索能否基于白質結構對其進行個體化的預后預測。
1 材料與方法
1.1 研究對象
本研究納入 2006 年 1 月—2016 年 6 月經四川大學華西醫院篩選入組的首發精神分裂癥患者 60 例，其中男性 25 例，女性 35 例，平均年齡 24.25 歲。所有患者均符合美國精神障礙診斷與統計手冊第四版（Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM-Ⅳ）精神分裂癥診斷標準，并通過陽性和陰性癥狀量表（Positive and Negative Syndrome Scale，PANSS）和功能大體評定量表（Global Assessment of Functioning，GAF）進行臨床癥狀嚴重程度的評估。所有患者均在確診后即給予二代抗精神病藥物進行治療并隨訪，一年后再次進行 PANSS 評估。所有健康對照均通過海報方式從當地招募，其中男性 29 例，女性 40 例，平均年齡 24.52 歲，被試本人及其一級親屬無精神病史。患者及健康對照的排除標準包括：① 磁共振檢查禁忌癥；② 神經系統疾病或既往頭部外傷史；③ 物質或者酒精依賴和濫用；④ 嚴重的系統性疾病，如肝硬化或心血管疾病等。該研究通過了四川大學華西醫院倫理委員會的批準，并在檢查前得到了所有被試及家屬的知情并簽署了知情同意書。
1.2 治療療效的定義
對于精神分裂癥患者藥物治療療效的定義，采用 Leucht 等[14]推薦的方法，即 PANSS 變化百分率 ，我們定義治療有效者為 d ≥ 50%，難治性精神分裂癥患者為 d < 50%。
1.3 影像數據采集及處理
1.3.1 圖像采集
所有被試均在 GE EXCITE 3.0T 磁共振儀上進行掃描，選用 8 通道相控陣頭部線圈。DTI 圖像通過自旋回波 EPI 序列進行采集，具體參數如下：TR = 1 000 ms，TE = 70 ms，翻轉角（Flip angle） = 12°，層厚 = 3 mm，FOV = 240 mm × 240 mm，矩陣 = 128 × 128，每個 DTI 數據集包括 15 個擴散方向的圖像（B = 1000 s/mm2）和一個非擴散方向的圖像（B = 0 s/mm2）。三維高分辨 T1 加權成像（3D T1）通過毀損梯度回波序列采集（TR = 8.528 ms，TE = 3.4 ms，翻轉角 = 12°，體素大小 = 0.47 mm × 0.47 mm × 1 mm，FOV = 240 mm × 240 mm）。
1.3.2 數據處理
原始 DICOM 數據通過 MRICron 軟件轉化為 NIFTI 數據格式，通過 FSL（https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/）的 FDT 工具箱對數據進行預處理，包括頭動及渦流校正，剔除腦組織以外的結構。我們借助于 3D T1 圖形對 DTI 數據進行標準化和分割，并將所有個體的圖像配準到 MNI152 標準空間，并對每個被試標準化及分割后的 FA 等圖像質量進行檢查和評價[15]，排除分割效果較差的圖像，而本文所有的數據均符合數據質量的檢查。然后對個體的 FA 進行平均，生成組平均 FA 圖，進行骨架化處理，得到骨架化的 FA 圖。最后分別將三組被試所有個體的 FA、MD、AD 和 RD 值投影到各組平均骨架上，進行統計分析。
基于上述的預處理圖像，利用擴散磁共振數據流水線處理軟件 PANDA 軟件（https://www.nitrc.org/projects/panda/），對每一組被試的白質進行確定性的纖維追蹤，以腦灰質自動解剖標記的圖集（Anatomical Automatic Labeling，AAL）定義的 90 個腦區為網絡“節點”，“邊”的定義為節點間的纖維連接數量，得到白質連接矩陣，并基于白質連接矩陣構建網絡[16]。利用基于圖論的網絡連接分析軟件（GRaph thEoreTical Network Analysis toolbox，Gretna，https://www.nitrc.org/projects/gretna/）對矩陣進行分析，網絡類型設置為加權型，網絡矩陣閾值參照文獻[7]按照如下標準進行選擇：① 每個閾值下平均節點度（節點度是連接到該節點的連接數）大于 2 × log（90）；② 所有被試網絡的小世界性均大于 1.1。最終網絡矩陣閾值設定為 0.11～0.15，間隔 0.01，共計 6 個閾值。計算全局和節點水平的網絡屬性。全局網絡屬性參數包括：平均聚類系數（mean clustering coefficient，Cp）、特征路徑長度（characteristic path length，Lp）、標準化特征路徑長度（γ）、標準化最短路徑長度（λ）、小世界性（σ）；節點網絡屬性參數包括：節點效率（nodal efficiency）、節點介數（nodal betweenness）和節點度（nodal degree）。
1.4 支持向量機分析
利用神經影像模式識別工具箱（PRoNTo）軟件（http://www.mlnl.cs.ucl.ac.uk/pronto/prtsoftware.html），分別對精神分裂癥患者和健康對照，以及兩組藥物治療不同反應的患者進行個體化的分類。采用支持向量機（support vector machine，SVM）的方法，提取三組間有差異的白質纖維完整性參數為分類特征，并對上述被試進行個體化區分，通過留一法（leave one out）進行交叉驗證。個體化分類的指標采用準確度和敏感度進行評價。
1.5 統計分析
采用 SPSS 軟件（版本 24.0，https://www.ibm.com/analytics/spss-statistics-software）進行人口學資料的統計分析，連續變量采用方差分析，分類變量采用 χ2 檢驗，P < 0.05 被認為差異有統計學意義。
通過 FSL randomize 對不同的彌散參數圖進行基于纖維束的空間統計分析（tract-based spatial statistics，TBSS），并應用無閾值聚類增強（threshold-free cluster enhancement，TFCE）方法進行三組比較，并通過族系誤差率（family-wise error rate，FWE）的方法進行多重比較校正，顯著性水平設置為 P < 0.05，簇群（cluster）大小設置為連續 50 個以上的體素集合區。利用 JHU ICBM-DTI-81 模板提取三組間有差異的纖維束。為便于探索白質異常與臨床評分的相關性，我們將顯著差異區域中連續 50 個以上體素集合區的白質參數（FA、MD、AD 和 RD）值提取出來[17]，并將該纖維束的白質參數與精神分裂癥患者臨床癥狀評分做偏相關，以年齡和性別作為協變量（結果未校正）。
通過 Gretna 自帶的統計軟件，對三組被試之間白質連接網絡拓撲屬性進行方差分析。
個體化分類的準確度及敏感度通過 PRoNTo 軟件內的置換檢驗（permutation test）來判斷其統計學上的顯著性，置換次數為 1 000 次，以 P < 0.001 為差異有統計學意義。
2 結果
如表 1 所示，藥物治療有效組、藥物難治組和健康對照組在年齡、性別和教育年限上均無明顯差異。首發未用藥狀態下，藥物治療有效組和難治組在臨床癥狀評分上也無顯著差異。而用藥后 1 年隨訪時，藥物難治組 PANSS 總分及各項評分均顯著高于藥物治療有效組。
表1
人口學及臨床資料
Table1.
Demographical and clinical information
如圖 1 所示，相比于健康對照，藥物治療有效組在左側丘腦前輻射，胼胝體壓部，雙側扣帶束，雙側外囊，右側前、后冠狀輻射表現出 FA 降低；在胼胝體壓部、左側扣帶束、右側上縱束表現出 RD 增高。而難治性精神分裂癥患者相比于健康對照，在左側丘腦前輻射、左側扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束表現出 FA 降低，無顯著 RD 改變。藥物難治組相比于藥物治療有效組，表現出左側丘腦前輻射 FA 降低。兩組患者相比于健康對照，在 MD 和 AD 上無顯著差異，且兩組患者組間在 MD、AD 和 RD 上未見明顯差異。上述結果均經過 FWE 校正（P < 0.05）。
圖1
三組受試者組間白質參數的差異
a. 藥物治療有效組患者相對于健康對照組降低的 FA；b. 藥物難治組患者相對于健康對照降低的 FA；c. 藥物治療有效組患者相對于藥物難治組患者增加的 FA；d. 藥物治療有效組相對于健康對照組增高的 RD。紅-黃色標記為 FA（圖 a，b，c），藍-綠標記為 RD（圖 d），彩色條顯示組間差異的相應纖維體素經過 FWE 校正以后的 1－
a. reduced FA in treatment-responsive patients relative to healthy controls; b. reduced FA in treatment-resistant patients relative to healthy controls; c. increased FA in treatment-responsive patients relative to treatment-resistant patients; d. increased RD in treatment-responsive patients relative to healthy controls. Red-yellow labels indicate FA (Fig a, b and c), blue-green labels indicate RD (Fig d), and color-bar indicates 1-
偏相關結果分析顯示，在藥物治療有效組，右側扣帶束 FA 與 PANSS 總評分成負相關（r = ?0.37，P = 0.025），而右側上縱束的 RD 與 PANSS 總評分成正相關（r = 0.33，P = 0.045）。在難治性精神分裂癥患者組，腦橋交叉纖維束的 FA 與 GAF 成正相關（r = 0.60，P = 0.007），與 PANSS 陰性癥狀成負相關（r = ?0.50，P = 0.033）。具體信息見圖 2。
圖2
精神分裂癥患者白質異常與臨床表現的相關性
Figure2.
Correlation between white matter abnormalities and clinical assessment in schizophrenia
網絡拓撲屬性的結果顯示，健康對照、藥物治療有效者和難治者均表現出σ > 1、γ > 1 和λ ≈ 1 的小世界屬性。但是由表 2 可見，三組被試白質連接網絡拓撲屬性對應閾值下曲線下面積之間差異無統計學意義，節點水平的拓撲屬性在三組受試者間也無顯著差異。
表2
不同被試組網絡和節點拓撲屬性曲線下面積（）比較
Table2.
Area under curve () comparisons of network and nodal topological properties between groups
SVM 的分類結果表明，患者與正常人之間分類的準確度為 61.16%（敏感度 60.00%，特異度 62.32%，P = 0.02），兩組患者之間分類的準確度為 63.37%（敏感度 52.38%，特異度 74.36%，P = 0.04）。
3 討論
本研究結果顯示，相比于健康對照，藥物治療有效組白質異常主要分布在丘腦前輻射、扣帶束、胼胝體壓部和上縱束；而藥物難治性精神分裂癥患者的白質異常主要集中在丘腦前輻射、扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束。藥物難治性精神分裂癥患者比藥物治療有效組表現出丘腦前輻射 FA 的降低，并且兩組患者白質異常與臨床癥狀之間存在相關性。這些結果提示，首發未用藥狀態下，藥物治療不同反應的患者存在不同模式的白質改變，為精神分裂癥患者針對性的治療提供了重要參考。
值得注意的是，我們的研究結果發現，相比于健康對照，藥物難治組和治療有效組表現出不同的白質微結構完整性差異，并且藥物難治組相對治療有效組表現出丘腦前輻射更低的 FA。難治性精神分裂癥一直以來都是研究的熱點，許多研究致力于揭示藥物治療不同反應者的神經生物學機制。有假說認為難治性精神分裂癥患者與治療有效者之間存在完全不同的病理生理機制[8]。這一假說也在有關神經化學方面的研究中得到證實，并且有正電子發射計算機斷層掃描（positron emission tomography，PET）研究顯示，與治療有效者相比，難治性精神分裂癥患者可能具有不同的多巴胺能功能[18]。有研究表明，丘腦和丘腦皮質投射纖維的改變與精神分裂癥患者的預后相關，最近的一項功能磁共振成像研究結果顯示，預后較好和預后較差的精神分裂癥患者在丘腦區域的神經獎賞機制存在差異[19]。而我們的研究也表明，藥物治療不同反應患者在丘腦前輻射存在白質微結構完整性的差異，這與腦功能的研究結果是相符合的。我們的結果還有待進一步的完善，需要在新樣本中驗證不同治療反應患者中丘腦前輻射對藥物治療的反應。
我們的研究顯示，治療有效組相比于健康對照，在扣帶束顯示出 FA 降低和 RD 增高。扣帶束是連接額葉、頂葉和內側顳葉的主要白質纖維束，同時也連接著皮層下核團和扣帶回[20]。過去針對首發精神分裂癥患者的 DTI 研究表明，患者扣帶束存在白質微結構完整性異常，并且與精神分裂癥患者的妄想、陰性癥狀等相關[21]，我們的研究也提示藥物治療有效組的扣帶束 FA 與患者 PANSS 總評分存在負相關，這在一定程度上能夠揭示精神分裂癥患者白質微結構完整性與臨床癥狀嚴重程度的相關性。上縱束連接前額葉和頂葉區域，這些區域在結構和功能上都被認為是調節認知控制的區域，因此上縱束的損傷可能會引起精神分裂癥患者認知功能缺陷。我們的研究也顯示治療有效組上縱束白質微結構完整性出現異常，并且這種異常與精神分裂癥患者藥物治療有效者的 PANSS 總評分存在相關性，這與過去的研究結果一致[22]。
難治性精神分裂癥患者在穹隆部分表現出低于正常人的 FA。穹隆是邊緣系統的一部分，構成了海馬的主要傳入和傳輸白質纖維，連接著海馬與其他的腦區如乳頭體、隔膜區、前額葉皮質以及伏隔核等，而這些腦區參與了精神分裂癥的病理生理機制[23]。而且，這些結構上的連接主要涉及記憶網絡，因此穹隆在記憶任務，特別是在情景記憶上起著至關重要的作用[24]。我們的研究結果與既往研究結果[25-26]一致，顯示了精神分裂癥患者相比于健康對照，在穹隆部位表現出降低的 FA。腦橋交叉纖維束是腦橋網狀結構至丘腦的上行網狀激活系統的重要組成部分[27]，我們的研究發現相比于健康對照，難治性精神分裂癥患者存在腦橋交叉纖維束白質 FA 降低，并且白質 FA 水平與精神分裂癥患者 GAF 得分成正相關，與 PANSS 陰性癥狀成負相關。盡管過去沒有研究直接顯示精神分裂癥患者存在腦橋交叉纖維束的白質異常，這可能是由于樣本量大小、圖像處理方式（基于感興趣區和基于體素的分析方法）差異等造成的，而有關其他精神障礙的研究表明，雙向障礙患者相比于健康對照存在著腦橋交叉纖維束 FA 的降低[28]。
SVM 的結果顯示，首發未用藥狀態下，基于組間差異纖維束的白質完整性參數對精神分裂癥患者進行個體化的預后預測準確度較低，尚無法直接應用于臨床預后預測。首發未用藥的精神分裂癥患者，彼此之間在遺傳、環境、社會功能和臨床表現等方面存在較大的異質性[29]，因此藥物治療有效組和難治組內部個體間均存在較大的異質性，難以進行個體化的區分，因此 SVM 分類的準確度較低。我們的研究并未發現首發未用藥狀態下，精神分裂癥藥物治療不同反應者之間存在白質網絡拓撲屬性的差異。這可能是因為白質網絡的結果是基于纖維束的統計，而 TBSS 是基于體素水平的比較，因此在探索白質異常上會不及 TBSS 敏感。
本研究還存在一定的局限性。首先，研究樣本量較小。其次，研究只采用了 DTI 對精神分裂癥患者進行了分析，僅僅提供了白質參數的特征，缺乏皮層結構、功能活動等參數。再者，我們的研究結果僅揭示了藥物治療不同反應者白質微結構完整性的異常分布，尚未發現兩組之間存在顯著的差異。后續我們將繼續納入首發精神分裂癥患者并對其進行隨訪，通過采集多模態的數據，深入研究其藥物治療不同反應的神經影像學機制。
綜上所述，精神分裂癥抗精神病藥物治療不同反應者，存在不同模式的白質損傷。其中，治療有反應者白質異常主要在丘腦前輻射、胼胝體壓部、扣帶束和上縱束，而藥物難治性精神分裂癥患者白質異常主要分布在丘腦前輻射、扣帶束、穹隆和腦橋交叉纖維束。該研究顯示了抗精神病藥物治療不同反應患者早期白質微結構完整性的異常，并為患者的早期識別和治療提供了重要依據。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
