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《第四军医大学》 2017年
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基于磁共振成像的静息态脑功能网络研究及其在重性抑郁症中的应用

李椋  
【摘要】:重性抑郁障碍(major depressive disorder,MDD)是一种常见的精神疾病。随着对于抑郁症的认识逐渐深入,目前的观点认为MDD是大脑中异常连接所导致的多脑区功能紊乱。基于功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)的研究发现大脑可以被分解为不同的功能网络,各个功能网络覆盖的脑区在结构上不相连,然而在功能上却存在紧密联系。功能网络在大脑处于任务状态和静息状态下都具有相似的分布模式。以功能网络为基础研究大脑功能的重组和交互,能够从网络连接的角度解释多脑区功能紊乱。因此静息态功能网络连接分析对精神疾病研究具有重要意义。MDD患者功能网络内的功能连接异常已经被许多研究报道过。默认网络(default mode network,DMN)、凸显网络(salience network,SN)和中央执行网络(central executive network,CEN)在MDD患者中均存不同程度的异常。脑区的异常能够通过神经连接传递到另外的脑区,因此研究异常脑区之间神经活动的作用方向,对理解疾病发病机制具有重要意义。功能连接反映脑区活动的相关性,却不能提供神经活动的方向信息。有效连接分析方法能够估计神经活动的连接方向及强度,但是需要基于先验知识构建模型。因此探究不同功能网络内部节点间的有效连接是功能网络研究的热点问题。大脑处于不同的功能状态时,功能网络的活跃程度也存在差异。比较功能网络的活跃程度在时间上的变化关系,能够得到网络之间的连接关系。功能网络之间的连接关系反映不同大脑功能之间的协同性。这种大脑功能网络的协同性在许多精神疾病中都发生了异常。功能网络之间的协同作用也是大脑功能网络研究的一个热点问题。皮层下深部脑区对大脑皮层具有广泛的神经投射。深部脑区与皮层脑区在功能上的连接模式被称为功能投射网络。深部脑区对功能投射网络的活动具有调节作用。根据深部脑区与功能投射网络的连接关系,能够对深部脑区进行功能划分。研究疾病相关脑区与功能投射网络的连接关系,以此进行脑区的功能划分,对深部脑刺激技术(deep brain stimulation,DBS)等疾病干预技术有重要的指导作用。针对上面提出的三个问题,本文的研究主要从功能网络内、功能网络间和深部脑区的功能投射网络三个角度研究了MDD患者的功能网络异常。论文的主要工作包括:第一章为静息态功能网络的有效连接分析。前期研究表明MDD患者在DMN、CEN和SN均出现连接异常。为了发现这些网络异常脑区间神经活动的作用方向和因果关系。本文首次采用频谱动态因果模型(spectral dynamic causal modeling,spDCM)分析方法对功能网络内的有效连接进行分析,并对比了MDD患者治疗前、治疗后和健康对照组之间的差异。通过独立成分分析(independent component analysis,ICA)方法分解出静息态功能网络,并选择出与MDD密切相关的静息态功能网络。再根据静息态功能网络的空间分布模式,分别选择出网络内部的关键节点。最后根据网络内部关键节点构建DCM模型,使用spDCM估计功能网络内关键节点之间的有效连接。结果发现MDD患者SN和DMN内部均存在有效连接异常。有效连接的结果表明,MDD患者DMN左侧顶叶皮层(left parietal cortex,LPC)神经活动的调控作用降低。SN腹侧子网络内的右侧前脑岛(right anterior insula,RAI)区域的神经活动调控能力降低。SN前部子网络的左侧额叶皮层(left frontal cortex,LFC)存在异常的调控作用。第二章引入DCM方法对SN前部子网络、SN腹侧子网络、DMN前部子网络、DMN后部子网络、CEN左侧子网络和CEN右侧子网络之间的有效连接进行建模,分别使用随机DCM(stochastic dynamic causal modeling,sDCM)和spDCM对模型参数进行估计。并与Pearson相关法和最大延迟相关在MDD患者治疗前、治疗后和健康对照组的结果进行了对比。DCM模型选择的结果显示,治疗前MDD组、治疗后MDD组和健康对照组的功能网络之间均存在因果联系。DCM的结果验证了SN对DMN与CEN相反的调节作用在MDD患者中出现异常,发现了SN与CEN之间的调节回路,以及SN与DMN后部子网络对DMN前部子网络相反的调控作用。同时也发现治疗前MDD患者的DMN后部子网络对CEN左侧子网络和CEN右侧子网络的异常激励作用,这种异常调节作用在治疗后也得到改善。第三部分使用功能投射网络分析方法研究了丘脑内体素与功能投射网络的连接关系。首先计算丘脑内每个体素的功能连接图。再使用ICA方法估计出丘脑的全脑功能投射模式,并从这些模式中选择出SN前部子网络、SN腹侧子网络、DMN前部子网络、DMN后部子网络、CEN左侧子网络、CEN右侧子网络和运动网络。对原有方法进行改进,使用有约束的多变量回归模型估计每个丘脑体素与各个功能投射网络的连接关系。最后根据丘脑体素与各个网络连接的分布情况,对比MDD和健康对照组的丘脑的功能分区差异。结果发现MDD组右侧丘脑内侧前部区域与CEN右侧子网络的连接出现异常降低。丘脑腹部后侧部分区域与运动网络之间的连接在MDD患者中也低于健康对照组,但是该结果在经过多重比较校正后并不显著。本文针对大脑功能网络分析问题,使用功能网络内有效连接分析、功能网络间的连接分析和深部脑区的功能投射网络分析方法,研究MDD患者的大脑功能网络异常。功能网络内有效连接分析定位了导致网络异常的关键节点。功能网络间的连接分析研究了网络间的异常调控作用关系。功能投射网络分析研究了丘脑内功能投射发生异常的区域。这三个种分析方法构成了一个较为全面的功能网络分析框架。
【学位授予单位】:第四军医大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:R445.2;R749.4

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