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《北京工业大学》 2018年
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基于静息态fMRI和DTI的抑郁症认知障碍研究

李淮周  
【摘要】:抑郁症是一种情绪调整和认知功能存在障碍的精神类疾病,给家庭和社会造成了沉重的负担。尽管当前对于抑郁症病理学机制研究已经取得了初步进展,但由于其发病机制的复杂性,到目前为止,抑郁症诊断治疗并没有客观的生物学标记评估手段,主要靠医生的经验和量表来推断,很容易导致误诊。要促进抑郁症的诊断治疗评估从定性到定量进行转变,探究抑郁症发病机制相关的神经生理学机制就变得尤为必要。为了克服先前往往从某一模态的数据进行研究的局限性,本文基于脑信息系统方法学,系统采集了静息态fMRI、弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)、临床量表数据和认知实验等多模态数据,从功能、结构、行为上对导致抑郁症的异常神经通路及其生物学标记进行了系统研究,为理解抑郁症患者的情绪调整异常和认知功能损伤的潜在神经机制提供了新的思路和手段,填补了抑郁症病理学相关研究中的空白。本文主要的创新点、研究方法、结论如下:1.针对健康成人心算能力与白质纤维束关系尚不清楚的问题,通过一个行为实验测量了被试的心算能力,并与白质纤维束各向异性分数(fractional anisotropy,FA)进行相关分析,发现了心算能力与纤维束连贯性或髓鞘化水平有关。具体来说,通过认知实验测得了健康被试加法、减法、数字匹配得分和反应时,与白质纤维束完整性指标进行相关分析,发现右上纵束颞叶部分很可能是加法、减法、数字匹配等运算操作共同使用的白质纤维束,而右扣带束扣带回区域和右下纵束可能与减法中多使用程序化策略有关。这些结果表明白质纤维束连贯性和髓鞘化的增强,也就是FA的增大,可能是心算能力提高的一个潜在的神经机制。这个发现有助于理解人类高级认知功能的信息加工原理。2.针对抑郁症脑功能网络研究中对节点属性分析常常限于某连接密度,且未检查病理学攻击属性的问题,提出了使用恢复力指标对其进行研究,对节点属性系统化分析方法,验证了受到攻击的区域多为枢纽节点的假设。基于静息态fMRI构建的抑郁症患者和健康对照组的脑功能网络连接密度从0到100%,增量为2%,分析发现抑郁症患者相对于健康对照组的全局网络属性倾向于随机化,并且在目标攻击下具有更强地恢复力。进一步地节点属性分析揭示了在边缘系统、突显网络、默认网络中的聚类系数或节点效率出现异常,并且大部分与抑郁症的临床特征相关。总体表现为聚类系数减少,节点效率增加,也就是网络节点在局部或专门化处理中的作用下降,在全局完整性中的作用增加,这可能是抑郁症的内表型。此外,针对先前阈值功能网络时严格约束两组连接密度相等,可能忽视了两组脑区间功能连接的本质差异问题,本文提出了一种基于最大化内在功能连接推定抑郁症患者脑功能网络效率改变的方法,结果发现抑郁症患者前额-边缘系统中的节点效率或局部效率降低,说明了该系统功能遭到了破坏。这些结果对于揭示抑郁症患者脑功能网络潜在的交互异常提供了新的角度。3.针对抑郁症相关的功能连接与结构连接的关系依然不清楚的问题,提出了基于静息态fMRI和DTI分别使用相关系数和概率追踪的纤维束个数表征功能连接和结构连接强度的方法,发现了额-纹状体-丘脑回路内以及与小脑之间存在功能和结构连接异常。具体来说,功能连接的异常主要位于额-纹状体-丘脑回路内以及这个回路与小脑之间;更重要的是,发现在左丘脑和左苍白球之间的结构连接与功能连接同时降低,这支持了额-纹状体-丘脑回路异常在抑郁症患者神经病理学机制中具有重要作用。此外,抑郁症患者的认知功能损伤与右苍白球和右额中回之间的功能连接呈正相关,以及左苍白球和左丘脑等区域之间的功能连接与抑郁症的焦虑水平呈负相关,这充分说明了额-纹状体-丘脑回路内以及与小脑之间功能连接或结构连接的异常可能是抑郁症患者情绪调整异常和认知功能损伤的潜在神经机制。另外,通过对抑郁症患者情感认知实验及其白质纤维束异常的研究,发现抑郁症患者在三类图片刺激下,均有认知损伤偏向,经多因素方差分析、事后多重比较发现中性图片刺激下的减法正确率显著低于对照组,这说明了抑郁症患者的认知功能存在损伤。对DTI数据基于体素水平的分析,发现抑郁症患者在胼胝体压部、皮质脊髓束的FA值减少;在丘脑前辐射、双侧大脑脚的FA值增加。这些结果表明抑郁症患者的脑白质纤维束完整性不仅仅受到损伤,很可能也伴随着补偿再生机制,这对于更好地理解抑郁症脑白质异常在其病理学中的作用提供了新的证据。总之,通过对抑郁症患者静息态fMRI、DTI、临床量表数据和认知实验等多模态数据的系统分析,获得了抑郁症相关功能、结构、行为方面的结论。这对于理解抑郁症相关的病理学特征具有重要的参考和借鉴意义,有助于构建标准的抑郁症诊断治疗评估手段,提高诊断和治疗策略的有效性,减轻抑郁症患者家庭和社会的负担。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R749.4;R445.2

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