郭攀飛，李欣蔚，李淑宇*

作者單位：1.北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100083 2.北京航空航天大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心，北京 100083

精神分裂癥是一種慢性重性精神疾病，影響全球數(shù)百萬(wàn)人，患者常常出現(xiàn)幻覺(jué)、妄想、認(rèn)知障礙等臨床癥狀[1]。磁共振成像作為一種非侵入性檢查手段，已被廣泛應(yīng)用于研究精神分裂癥患者大腦的結(jié)構(gòu)和功能變化。多項(xiàng)證據(jù)表明，精神分裂癥的病理生理機(jī)制與海馬的結(jié)構(gòu)和功能異常有關(guān)，海馬萎縮是精神分裂癥患者中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)異常之一[2-3]。

研究表明，海馬是非勻質(zhì)結(jié)構(gòu)，沿其長(zhǎng)軸，功能、神經(jīng)元數(shù)量出現(xiàn)分化[4-5]。其中，前海馬與情感、信息編碼等有關(guān)，后海馬則在空間記憶、信息檢索等過(guò)程中有重要作用[5-6]。目前，關(guān)于精神分裂癥對(duì)前、后海馬體積影響的研究結(jié)論仍存在爭(zhēng)議，一些研究認(rèn)為精神分裂癥患者僅僅海馬前部出現(xiàn)萎縮[7-8]，另有一些研究支持精神分裂癥患者海馬萎縮僅發(fā)生在后部[9]，還有研究表明海馬萎縮具有擴(kuò)散性，且僅僅在整體層面上表現(xiàn)萎縮[10]。究其原因，可能是這些研究所采用的樣本數(shù)據(jù)通常較少(患者樣本量小于40)，劃分前、后海馬的標(biāo)準(zhǔn)不一致，并且相關(guān)行為學(xué)認(rèn)知得分的種類(lèi)有限，這限制了對(duì)于精神分裂癥對(duì)海馬體積的影響，以及海馬體積與相關(guān)認(rèn)知行為學(xué)得分關(guān)系的理解。因此，本研究采用更大樣本量的腦結(jié)構(gòu)核磁圖像及更多種類(lèi)的行為認(rèn)知數(shù)據(jù)，探索精神分裂癥對(duì)海馬體積及行為認(rèn)知表現(xiàn)的影響機(jī)制。研究精神分裂癥患者前、后海馬體積的變化，以及分析海馬體積與行為認(rèn)知得分的相關(guān)性，能夠?yàn)槔斫饩穹至寻Y患者認(rèn)知障礙病理生理機(jī)制提供新的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究所用數(shù)據(jù)來(lái)自新墨西哥大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究中心(Center for Biomedical Research Excellence (COBRE)(http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/retro/cobre.html)免費(fèi)公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中包括72例精神分裂癥患者(患病組)和74名健康者(對(duì)照組)，兩組的年齡范圍為18～65歲。每個(gè)被試都根據(jù)新墨西哥大學(xué)人類(lèi)研究保護(hù)辦公室的規(guī)定獲得了知情同意書(shū)，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)http://cobre.mrn.org/網(wǎng)站。本研究依據(jù)精神疾病診斷與統(tǒng)計(jì)手冊(cè) (The Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM)障礙的臨床訪談量表(structured clinical interview for DSM disorders，SCID)對(duì)受試者進(jìn)行臨床診斷，排除了采集數(shù)據(jù)前12個(gè)月中有被診斷為神經(jīng)系統(tǒng)疾病、智力遲鈍、嚴(yán)重頭部外傷、藥物濫用或依賴(lài)的受試者。同時(shí)，采用MATRICS認(rèn)知評(píng)估量表(MATRICS consensus cognitive battery，MCCB)獲得8項(xiàng)認(rèn)知得分[11]，包括處理速度、注意力/警覺(jué)性、工作記憶、言語(yǔ)學(xué)習(xí)、視覺(jué)學(xué)習(xí)、推理/問(wèn)題解決和社會(huì)認(rèn)知以及多個(gè)認(rèn)知域的綜合得分。對(duì)照組和患病組的年齡、性別比例無(wú)顯著差異，患病組的認(rèn)知得分均顯著小于對(duì)照組(見(jiàn)表1)。

1.2 數(shù)據(jù)采集

表1 精神分裂癥組和健康對(duì)照組的人口統(tǒng)計(jì)學(xué)特性和認(rèn)知得分Tab.1 Demographic characteristics and cognitive scores of schizophrenia patients and healthy controls

表2 精神分裂癥組和健康對(duì)照組的顱內(nèi)總體積、灰質(zhì)體積、兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積比較(mm3)Tab.2 Comparison of total intracranial volume, gray matter volume, bilaterally hippocampal, anterior hippocampal, and posterior hippocampal volumes of the patients and controls (mm3)

所有被試者均采用西門(mén)子Tim-Trio 3.0 T成像設(shè)備采集結(jié)構(gòu)MRI全腦圖像。結(jié)構(gòu)MRI通過(guò)多回波MPRAGE序列獲取，掃描參數(shù)為：FOV=256 mm×256 mm，矩陣大小=256×256×176，體素大小=1 mm×1 mm×1 mm，F(xiàn)A=7°，回波數(shù)量=5，重復(fù)時(shí)間TR=2530 ms，回波時(shí)間TE=1.64、3.5、5.36、7.22、9.08 ms，反轉(zhuǎn)時(shí)間TI=900 ms，掃描時(shí)間=6 min。

1.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本試驗(yàn)基于SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)軟件，利用CAT12(http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/)工具包，在Matlab 2014平臺(tái)下對(duì)結(jié)構(gòu)MRI圖像進(jìn)行預(yù)處理。CAT12中對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)處理主要分為以下步驟：(1)分割，通過(guò)自適應(yīng)最大后驗(yàn)技術(shù)和部分容積效應(yīng)估計(jì)算法，利用自帶的組織概率圖，將原始圖像分為灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液；(2)空間標(biāo)準(zhǔn)化，基于微分同胚模型的DARTEL (Diffeomorphic Anatomical Registration Through Exponentiated Lie)算法，將圖像標(biāo)準(zhǔn)化到蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所(montreal neurological institute，MNI)空間，其中，標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中所用的MNI空間模板是基于來(lái)自IXI(Information eXtraction from Images)數(shù)據(jù)集(http://www.braindevelopment.org)中的555名健康被試制作的；(3)調(diào)制，由于配準(zhǔn)過(guò)程中某些部位會(huì)被壓縮或者擴(kuò)大，因此利用配準(zhǔn)的參數(shù)對(duì)分割后的灰質(zhì)圖像進(jìn)行調(diào)制，將每個(gè)體素與標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中得到的變形場(chǎng)的雅可比行列式相乘，使得灰質(zhì)的總體積與原始空間相同。調(diào)制后圖像中每個(gè)體素的值代表了該處的相對(duì)灰質(zhì)體積。由于平滑過(guò)程使得每個(gè)體素的值被鄰域的加權(quán)平均值所替代，為了避免平滑帶來(lái)的前、后海馬區(qū)域間混雜效應(yīng)，本研究中海馬體積的計(jì)算是在未平滑的圖像上進(jìn)行的?？紤]到不同被試大腦尺寸給結(jié)果數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響，最后所得圖像均用顱內(nèi)總體積(灰質(zhì)體積+白質(zhì)體積+腦脊液體積)進(jìn)行歸一化(每個(gè)被試所得圖像中單個(gè)體素的值=歸一化前未平滑圖像中對(duì)應(yīng)體素的值除以該被試的顱內(nèi)總體積)。

圖1 海馬的前、后分割Fig. 1 View of the anterior (white) and posterior (black) division of the hippocampus.

1.4 前、后海馬分割

圖2 兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積的組間比較(*代表P＜0.05；**代表P＜0.01，P值為FDR校正后的統(tǒng)計(jì)值)Fig. 2 Comparison of bilaterally hippocampal, anterior hippocampal and posterior hippocampal volumes between patients and controls (*represents P＜0.05, **represents P＜0.01, P values are FDR-corrected).

本研究采用基于MNI空間坐標(biāo)分割的方法來(lái)劃分海馬，海馬的分割來(lái)自于人腦自動(dòng)解剖標(biāo)記分區(qū)(automated anatomical labeling，AAL)模板[13]。首先，從維克森林大學(xué)開(kāi)發(fā)的WFU_Pickatlas工具包[14]提供的結(jié)構(gòu)圖譜中提取出左、右海馬。隨后，根據(jù)MNI空間中海馬鉤頂?shù)奈恢?，將海馬進(jìn)一步劃分為前海馬(-2～-18)和后海馬(-24～-42)[4，15]。為了避免計(jì)算前、后海馬體積時(shí)可能存在的相鄰區(qū)域間干擾效應(yīng)，本研究在兩個(gè)區(qū)域相鄰端各自去除了2 mm層厚的冠狀面層。海馬前、后分割結(jié)果如圖1。

圖3 患病組海馬體積與行為認(rèn)知得分的顯著相關(guān)性Fig. 3 Significant correlations between hippocampal volumes and cognitive scores in patients.

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究中，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析在SPSS 19.0中進(jìn)行，所有的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)都使用雙側(cè)檢驗(yàn)。對(duì)于人口統(tǒng)計(jì)學(xué)數(shù)據(jù)、MCCB認(rèn)知得分，使用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)和卡方檢驗(yàn)(僅對(duì)于性別)檢測(cè)對(duì)照組和患病組的組間差異，并進(jìn)行FDR校正。對(duì)于顱內(nèi)總體積、灰質(zhì)體積、海馬、前海馬、后海馬體積，用一般線(xiàn)性模型中的單變量分析方法進(jìn)行組間比較，以年齡和性別作為協(xié)變量，并進(jìn)行FDR校正。FDR校正后顯著性閾值設(shè)定為P＜0.05。

同時(shí)，還分別在患病組、對(duì)照組中將海馬、前海馬、后海馬體積與各項(xiàng)認(rèn)知得分進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析，以體積值作為自變量，認(rèn)知得分值作為因變量，并加入性別和年齡作為混雜因素去除其影響。由于在圖像預(yù)處理部分已經(jīng)考慮到了大腦尺寸的差異性，所以顱內(nèi)總體積沒(méi)有放入回歸模型中。顯著性閾值設(shè)定為P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 海馬體積分析

對(duì)患病組和對(duì)照組顱內(nèi)總體積、灰質(zhì)體積、兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積對(duì)比分析結(jié)果進(jìn)行描述，見(jiàn)表2。其中，顱內(nèi)總體積、灰質(zhì)體積組間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。進(jìn)行顱內(nèi)總體積校正后，患病組兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積均顯著小于對(duì)照組。圖2顯示了兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積的組間比較結(jié)果。

2.2 海馬體積與行為認(rèn)知得分的關(guān)系

在患病組中觀察到，兩側(cè)后海馬體積與言語(yǔ)學(xué)習(xí)得分呈顯著正相關(guān)(左側(cè)：r=0.014，P=0.046；右側(cè)：r=0.015，P=0.027)，右側(cè)海馬總體積以及前海馬體積與推理/問(wèn)題解決能力得分呈顯著正相關(guān)(總：r=0.011，P=0.036；前部：r=0.024，P=0.030)。在對(duì)照組中，沒(méi)有觀察到海馬、前海馬、后海馬體積與認(rèn)知得分之間存在顯著的相關(guān)性。見(jiàn)圖3。

3 討論

3.1 本研究的主要發(fā)現(xiàn)

不同于以往精神分裂癥對(duì)前后海馬體積影響的研究結(jié)果(一些研究支持僅前海馬萎縮，一些研究支持僅后海馬萎縮，也有些研究支持海馬僅在整體層面上表現(xiàn)出萎縮)，本研究觀察到患病組兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積均顯著小于對(duì)照組，這種差異可能是由于本研究的樣本量、納入標(biāo)準(zhǔn)、不同的分析方法及設(shè)備的差異造成的。此外，本研究在患病組發(fā)現(xiàn)兩側(cè)后海馬體積與言語(yǔ)學(xué)習(xí)得分呈正相關(guān)，右側(cè)前海馬體積與推理/問(wèn)題解決能力得分正相關(guān)。

3.2 兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積的組間差異

海馬萎縮是精神分裂癥患者常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)異常，本研究發(fā)現(xiàn)，精神分裂癥患者兩側(cè)海馬、前海馬、后海馬體積均顯著小于對(duì)照組。研究表明，前海馬在記憶編碼時(shí)激活，后海馬在記憶檢索時(shí)激活[6]。本研究的發(fā)現(xiàn)提示精神分裂癥患者記憶、學(xué)習(xí)能力受損可能是由于海馬的整體萎縮引起的。

本研究結(jié)論證實(shí)精神分裂癥患者海馬體積的萎縮是擴(kuò)散性的，并且不僅僅局限于前部或者后部，這與之前研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者海馬各個(gè)亞區(qū)體積萎縮的結(jié)論是一致的[16-18]。Ho等[16]將海馬分為7個(gè)亞區(qū)：海馬角1～4區(qū)(cornu ammonis 1～4，CA1～CA4)、顆粒細(xì)胞層(granule cell layer)、分子層(molecular layer)、下托(subiculum)，發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者海馬的萎縮早期發(fā)生在海馬角1區(qū)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，延伸到全部海馬亞區(qū)?；贔reeSurfer軟件，Haukvik等[17]比較了210個(gè)精神分裂癥患者和300個(gè)正常被試的海馬亞區(qū)體積，發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者兩側(cè)海馬角2/3區(qū)、海馬角4區(qū)/齒狀回、前下托、下托以及右側(cè)海馬角1區(qū)體積顯著小于正常被試；Mathew等[18]在219例精神分裂癥患者和337名正常被試中發(fā)現(xiàn)，精神分裂癥患者相較正常對(duì)照組，兩側(cè)海馬的5個(gè)亞區(qū)(海馬角1區(qū)、海馬角2/3區(qū)、海馬角4區(qū)/齒狀回、前下托、下托)的體積均顯著減小。在這些研究中，選取樣本量較大，且將海馬劃分為多個(gè)海馬亞區(qū)，有助于檢測(cè)到精神分裂癥對(duì)海馬局部體積的影響。雖然上述研究未關(guān)注精神分裂癥對(duì)前、后海馬體積的影響，但提示了精神分裂癥患者海馬體積的減小是海馬整體出現(xiàn)萎縮所致。本文的研究結(jié)論與這些研究保持一致，這也在一定程度上論證了文中對(duì)海馬前后分割方法的有效性以及本文結(jié)論的可靠性。

目前，海馬的前后分割方法主要有基于前后海馬功能連接的劃分[19-20]、基于前后海馬解剖結(jié)構(gòu)的劃分[9-10]。針對(duì)本文所用的結(jié)構(gòu)磁共振圖像，筆者基于解剖結(jié)構(gòu)的方法對(duì)海馬進(jìn)行劃分，該劃分方法又大體分為3種[4]：基于標(biāo)志物的劃分、基于坐標(biāo)的劃分、基于百分比的劃分。但是，在基于標(biāo)志物的劃分方法中，前后海馬的邊界在標(biāo)準(zhǔn)解剖圖像(分辨率為1 mm3)上很難識(shí)別，容易引起分割精度的下降?；诎俜直鹊膭澐址椒ㄖ?，對(duì)于前后海馬在海馬整體中的占比目前仍存在許多不同結(jié)論。鑒于此，本文中所采用的分割策略是基于坐標(biāo)的劃分，將海馬鉤頂在MNI152模板或其他神經(jīng)解剖圖集上的坐標(biāo)值作為分割標(biāo)準(zhǔn)。海馬鉤頂是一個(gè)獨(dú)特的、容易識(shí)別的標(biāo)志，也是海馬體積測(cè)量時(shí)的主流標(biāo)準(zhǔn)，在定義海馬頭部時(shí)，大多數(shù)分割協(xié)議使用或近似鉤頂?shù)奈恢肹4]。同時(shí)，為了避免計(jì)算前、后海馬體積時(shí)可能存在的相鄰區(qū)域間干擾效應(yīng)，本研究在對(duì)海馬進(jìn)行分割時(shí)，還在兩個(gè)區(qū)域相鄰端各自去除了2 mm層厚的冠狀面層。目前，雖然未見(jiàn)該方法用于精神分裂癥領(lǐng)域海馬的體積研究，但其已在其他研究領(lǐng)域得到成功應(yīng)用[15，21]，這也進(jìn)一步論證了該方法的有效性和合理性。

關(guān)于精神分裂癥對(duì)前、后海馬體積的影響，目前仍存在爭(zhēng)議。Schobel等[7]將海馬分為前、后兩部分后，發(fā)現(xiàn)患病組前海馬體積顯著小于正常對(duì)照組，F(xiàn)alkai等[8]基于尸體解剖學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者僅僅在海馬前部出現(xiàn)少突膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元數(shù)量的減少。但是，Rametti等[9]基于形態(tài)學(xué)的分析方法發(fā)現(xiàn)，相較于正常人組，精神分裂癥患者后部海馬體積顯著較小。而Weiss等[10]發(fā)現(xiàn)，雖然精神分裂癥患者海馬整體體積較正常人要小，但是前、后海馬的體積與正常人無(wú)顯著差異。不過(guò)，這些研究所采用的樣本數(shù)據(jù)通常較少，且前、后海馬分區(qū)方法不一致。因此，本文采用更大量的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行組間比較分析，并選取更可靠的海馬前后分割方法，使得數(shù)據(jù)分析結(jié)果具有更高的可靠性，針對(duì)這一存在爭(zhēng)議的研究做出了進(jìn)一步的補(bǔ)充。

3.3 海馬體積與行為學(xué)認(rèn)知得分的相關(guān)性

在患病組，觀察到兩側(cè)后海馬體積與言語(yǔ)學(xué)習(xí)得分呈顯著正相關(guān)。研究表明，精神分裂癥患者海馬體積的大小與言語(yǔ)學(xué)習(xí)能力呈正相關(guān)[22]。通過(guò)元分析的方法，Antoniades等[23]也在精神分裂癥患者中發(fā)現(xiàn)兩側(cè)海馬體積與言語(yǔ)學(xué)習(xí)能力呈正相關(guān)，而在健康被試中并沒(méi)有觀察到海馬體積與言語(yǔ)學(xué)習(xí)能力的相關(guān)性。本研究結(jié)果與以上研究結(jié)論保持一致，并且提示該相關(guān)性在海馬后部更顯著，這個(gè)結(jié)果可能是由于后海馬與細(xì)節(jié)記憶能力有關(guān)[24]，而后海馬體積萎縮使得人腦記憶能力下降，從而最終導(dǎo)致患者言語(yǔ)學(xué)習(xí)得分顯著小于對(duì)照組。

在患病組，還觀察到右側(cè)海馬總體積以及前海馬體積與推理/問(wèn)題解決能力得分呈顯著正相關(guān)。研究表明，推理過(guò)程依賴(lài)于海馬對(duì)離散事件的編碼機(jī)制[25]，而前海馬與信息編碼能力有關(guān)[6]。本研究的結(jié)論與以上研究結(jié)果保持一致，并且提示精神分裂癥患者推理/問(wèn)題解決能力的下降，可能是前海馬，特別是右側(cè)前海馬體積萎縮的緣故。

3.4 本研究?jī)?yōu)點(diǎn)和局限性

本研究納入大量的樣本數(shù)據(jù)和行為認(rèn)知得分種類(lèi)，以及采用更可靠的前、后海馬分區(qū)方法，增強(qiáng)了精神分裂癥對(duì)海馬體積影響研究結(jié)論的可靠性。此外，還分析了更多行為學(xué)認(rèn)知得分與海馬體積的相關(guān)性，有利于進(jìn)一步探索精神分裂癥患者認(rèn)知障礙病理生理機(jī)制。本文的局限性在于由于采用的樣本中女性數(shù)據(jù)較少，所以本研究并沒(méi)有對(duì)精神分裂癥對(duì)于男性、女性海馬體積的影響分別進(jìn)行分析，而研究表明，男性、女性的海馬結(jié)構(gòu)是有差異的[15]，未來(lái)的研究需要獲取更多的女性樣本數(shù)據(jù)來(lái)探索精神分裂癥對(duì)男、女海馬結(jié)構(gòu)影響的差異。

總之，本研究結(jié)果提示，精神分裂癥患者海馬體積萎縮是整體的萎縮，包括前部和后部都出現(xiàn)萎縮，并且精神分裂癥患者后海馬體積與言語(yǔ)學(xué)習(xí)能力呈正相關(guān)，右側(cè)前海馬體積與推理/問(wèn)題解決能力正相關(guān)。本研究能夠?yàn)楹ｑR前、后結(jié)構(gòu)性缺陷的假設(shè)，以及有關(guān)認(rèn)知損傷的病理機(jī)制提供理論依據(jù)。