抑郁症精神运动迟滞及认知功能损害的脑影像遗传学研究

发布时间：2021-03-07 21:08

研究背景抑郁症(Major depressive disorder, MDD)是一个严重影响个人心身健康和社会发展的重要公共卫生问题。然而MDD临床表现多样、病因复杂,到目前为止仍缺乏明确的生物学诊断标准,通过研究特征性临床表型的病理生理机制有助于细化MDD不同症状群下潜在的不同生物学基础,提高了生物学标记的发现率。精神运动迟滞(Psychomotor retardation, PMR)是MDD最重要症状之一,表现为显著的言语、思维及行动受限或迟缓。研究表明,有PMR症状的MDD患者比没有PMR症状的患者病程更长、自杀率更高、发作次数更多,且具有较高的家族遗传倾向,显著影响着MDD的发生、发展和转归。但迄今为止,PMR的生物学机制尚不明确。近年来,应用多模态功能磁共振成像(functionalmagnetic resonance imaging,fMRI)技术检测脑结构与功能改变方面的研究为寻找神经精神疾病的生物学标记提供了重要的资料。既往fMRI研究表明,与PMR相关的脑区主要包括背外侧前额皮层、眶额皮层(orbitofrontalcortex,OFC)、前扣带皮层、后扣带皮层、纹状体区、初级运动皮层(primary motor cortex, PMC)及颞叶,这些脑区多数位于皮层-纹状体-丘脑-皮层(cortico-striato-thalamo-cortical,CSTC)环路,CSTC环路包含了直接通路与间接通路两条对运动功能具有相反调节作用的通路,当直接通路激活时,对运动功能起到促进作用,而当间接通路激活时,对运动功能则起抑制作用。但目前的研究结果多局限于孤立的脑区,研究结果也不尽相同,表明PMR的影像学改变还可能受其他因素的影响。已有研究发现PMR患者血浆DA水平下降,脑脊液DA代谢物高香草酸减少。功能影像学研究也发现PMR患者左侧尾状核区突触前DA功能下降,左侧尾状核与壳核区D2、D3受体水平增高,纹状体区DA靶点异常。因此,DA系统的基因多态性很有可能影响了 PMR的脑影像学改变。本课题第一部分研究即结合影像学及遗传学两个层面对PMR的生物学机制进行了研究。研究目的:第一,应用数据驱动的分析模式检测MDD患者的全脑血流灌注(cerebral blood flow, CBF),寻找与PMR相关的CBF异常脑区,并进一步分析DA系统基因多态性对CBF的影响;第二,应用假说驱动的分析模式检测MDD患者CSTC环路间接通路的关键脑区之间的功能连接,并进一步分析DA系统基因对间接通路功能连接的影响。本研究选取的间接通路的感兴趣脑(region of interest, ROI)包括纹状体、丘脑的运动调节亚区及丘脑底核(subthalamic nucleus,STN),我们假设CSTC间接通路的关键脑区间功能连接增强,DA基因对这些脑区的功能连接具有调节作用。抑郁症的认知功能损害主要发生于晚发性抑郁症(late-onset depression, LOD)患者,即首次发病年龄大于等于60岁的抑郁症患者。LOD除情绪障碍之外,60%伴有广泛认知损害,有“抑郁性假性痴呆”之称。急性期伴有认知损害的LOD患者3年随访显示其痴呆(主要为阿尔兹海默病(Alzheimer's disease, AD))转化率达43%,而5-7年随访则高达71.4%。遗憾的是,AD无法根治,且预后差。因此,深层次地了解LOD认知障碍的发生机制、寻找理想的早期生物学预警标志,是当前神经精神科学领域急需解决的重要问题。有研究证明默认网络(default mode network, DMN)参与处理与自我相关的情绪、认知及记忆等活动,是静息态fMRI检测到的激活最显著的网络,MDD患者默认网路的静息态活动与正常对照(normal control, NC)相比存在差异。海马在认知功能中的作用十分突出,而海马功能损害,神经元再生障碍等是抑郁症和痴呆中最常见的病理改变之一,与工作记忆、视觉空间记忆、注意力等认知领域密切相关,而这些领域同时也是LOD认知功能障碍最常见的领域。脑源性神经生长因子(brain derived neurotrophic factor, BDNF)是神经营养因子家族中的主要成员之一,富集于海马和大脑皮质,对于调节突触结构、递质传递及维持、巩固迟发阶段长时程增强及学习和记忆具有重要作用。BDNF基因中的一个重要SNP (rs6265)导致第66位密码子翻译的氨基酸由蛋氨酸(methionine,Met)突变为缬氨酸(valine, Val),此SNP对于细胞外BDNF的表达水平具有重要的调节作用。Met等位基因导致细胞内进入树突的BDNF前体蛋白减少,从而使功能依赖性BDNF分泌减少。研究显示LOD患者的Met等位基因频率显著高于NC组,但BDNF Va166Met多态性对LOD患者DMN的功能连接是否有影响还有待研究。因此,本课题的第二部分研究针对LOD患者的认知功能损害,应用静息态fMRI对LOD患者DMN及海马网络连接进行了初步研究,并分析了 BDNF基因Val/Met多态性对DMN及海马网络功能连接的影响。第一部分多巴胺系统基因对抑郁症精神运动迟滞脑血流及脑功能的影响:基于通路的影像遗传学研究第一章抑郁症精神运动迟滞相关的脑血流量异常及其与多巴胺系统基因的关系目的:应用数据驱动的分析模式检测MDD患者的CBF,从横断面与纵向两个角度寻找与PMR相关的CBF异常脑区,并探索DA通路基因与精神运动迟滞对全脑血流量的交互效应。方法:本研究共收集2个月内未服用过抗抑郁剂的MDD患者107例,以及NC组48例,患者的PMR症状应用特里埃迟滞量表(Salpetriere Retardation Rating Scale,SRRS)评估,SRRS 评分≥20 分者归为 PMR 组(35 例),NPMR 组(72例),汉密尔顿抑郁量表(Hamilton Depression Rating Scale, HAMD)用于评估患者的抑郁症状。采集脉冲式动脉自旋标记(Pulsed Arterial Spin Labeling, pASL)fMRI数据用于CBF的分析。基线期扫描第一次之后,所有患者开始接受抗抑郁剂治疗,治疗8周后症状缓解的患者(SRRS与HAMD减分率均大于50%,其中PMR组15例,NPMR组24例),接受了第二次fMRI扫描。数据采集完成后首先对fMRI图像进行了预处理,排除了fM I图像质量控制不合格的患者(基线期PMR组5例,NPMR组2例;随访期PMR组4例,NPMR组1例),因此,基线期剩余100例(PMR组30例,NPMR组70例),随访期剩余34例(PMR组11例,NPMR组23例)。此外,63例患者(PMR组23例,NPMR组40例)采集了血标本并进行了 DA系统基因多态性的高通量测序,共测得10个候选基因的88个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms, SNP)的基因型,经过对基因的质量控制后,8个基因的15个SNP纳入了集群一元模型统计分析。在统计分析中,为了排除性别、年龄、教育程度、体重指数(Body Mass Index,BMI)对CBF的影响,在NC组及基线期NPMR组中分别随机选取了 30例与PMR组人口学资料匹配良好患者,并在随访期NPMR组中随机选取了 11例与PMR组人口学资料匹配良好患者。对基线期NC、NPMR与PMR组的CBF进行了单因素方差分析,对随访期的PMR组与NPMR组的CBF进行了独立样本T检验,并对PMR组基线期与随访期的CBF进行了配对样本T检验。DA通路基因与精神运动迟滞对全脑血流量的交互效应的一元模型统计分析中,共56例患者(PMR组23例,NPMR组33例)纳入统计。最后,对与PMR及DA基因显著相关的脑区的CBF与PMR严重程度进行了皮尔逊相关分析。结果:与NC组及NPMR组相比,PMR组右侧运动皮层及双侧中扣带皮层基线期的CBF显著降低,而随访期则显著增高。PMR组基线期右侧运动皮层的CBF显著低于随访期。右侧运动皮层的CBF与SRRS评分呈显著负相关(r=-0.385,P=0.004)。DA基因与PMR有显著交互作用的共7个SNP,脑区主要包括双侧前额皮层(prefrontal cortex, PFC)、颞叶及纹状体,左侧丘脑,右侧PMC、岛叶、梭状回及舌回,不同基因与PMR存在显著交互作用的脑区分布大致相似。事后分析显示多数SNP的非罕见等位基因使PMR的CBF显著升高,罕见等位基因则效果相反,仅DRD3_rs6280与SLC6A3_rs6347两个SNP的罕见等位基因使PMR的CBF显著升高,非罕见等位基因则使CBF显著降低。PFC的CBF与PMR严重程度呈显著负相关(r=-0.445,P=0.011),而纹状体与丘脑CBF与PMR严重程度呈显著正相关(纹状体:r=0.471,P=0.000;丘脑:r=0.419,P=0.001)。结论:运动皮层脑血流量增高可能是抑郁症精神运动迟滞潜在的生物学标记。多巴胺系统基因对精神运动迟滞相关的运动调节脑区、认知及情绪调节脑区均有显著影响。PFC的血流灌注增高可能有助于缓解PMR症状,而纹状体及丘脑的血流灌注增高则是PMR症状加重的指标。第二章抑郁症精神运动迟滞相关的CSTC环路功能连接异常及其与多巴胺系统基因的关系目的:应用假说驱动的分析模式检测MDD患者皮层-纹状体-丘脑-皮层(cortico-striato-thalamo-cortical,CSTC)环路的间接通路关键脑区之间的功能连接,寻找与PMR相关的功能连接变化模式,并探索DA通路基因与精神运动迟滞对CSTC环路间接通路功能连接的交互效应。方法:受试者入组过程同第一章。影像数据采集应用血氧依赖水平(blood oxygen level dependency,BOLD)检测脑活动水平。样本筛选、基因分型、影像数据预处理过程同第一章。选取左右纹状体及丘脑与运动调节相关的亚区及左右丘脑底核(subthalamic nucleus,STN)作为ROI,分别计算左侧ROI之间及右侧ROI之间的功能连接。在统计分析中,基线期三组(NC组、NPMR组与PMR组)CSTC功能连接比较与随访期两组(NPMR组与PMR组)CSTC功能连接比较分别应用单因素方差分析及独立样本T检验,均将HAMD评分作为协变量;PMR组基线期CSTC功能连接与随访期CSTC功能连接比较应用配对样本T检验。并计算ROI间功能连接与PMR严重程度的相关性。在DA通路基因与精神运动迟滞对CSTC环路间接通路功能连接的交互效应分析中,应用一般线性模型统计方法分析了所有SNP与PMR对ROI间功能连接的交互作用。结果:基线期NPMR组纹状体-丘脑功能连接显著增强,随访期ROI间功能连接均无显著差异,PMR组ROI间功能连接基线期与随访期无显著差异,丘脑-STN功能连接与PMR严重程度呈显著负相关(左侧:r=-0.312,P=0.016;右侧:r=-0.541,P=0.015)。多巴胺受体基因DRD5对左侧纹状体-丘脑功能连接具有显著的交互作用,多巴胺转运体基因SLC6A3则对右侧丘脑-SNT功能连接具有显著的交互作用,但经过多重比较校正后,未发现DA系统基因与PMR对任何ROI间的功能连接有显著的交互作用。结论:丘脑-STN功能连接强弱可能是预测精神运动迟滞严重程度的潜在生物学指标。DA系统基因对PMR患者CSCT间接通路的功能连接可能不存在明显的调节作用。第二部分默认网络及海马网络与晚发性抑郁症认知功能损害的关系及BDNF Val66Met多态性对其影响第一章默认网络与晚发性抑郁症认知功能损害的关系及BDNF Val66Met多态性对其影响目的:探讨DMN功能与结构连接与LOD认知功能损害的关系以及BDNF Val66Met多态性对DMN功能连接的影响。方法:本研究共收集32例LOD患者及39例健康对照,其中,采集了 26例LOD患者,36例NC的血标本用于BDNF Val66Met基因多态性分析。采用HAMD评定所有被试的抑郁症状,采用神经认知测试量表对所有被试进行神经心理学测试,量表包括简明智能状态检查(mini mental state examination, MMSE)、听觉词语记忆测试(Auditory Verbal Learning Test, AVLT)、符号数字转换测试(Symbol Digit Modalities Test, SDMT)、言语流畅性测试(Verbal fluency test,VFT)、数字广度测试(Digit span test, DST)和连线测试(Trail makingtest,TMT)。对所有被试进行静息态fMRI及弥散张量成像(Diffusion Tensor Imaging, DTI)扫描用于DMN功能及结构连接的分析。功能连接应用基于种子点的相关分析。选取以MNI坐标[0,-52, 30]为中心的半径10mm的小球作为种子点。结构连接应用确定性纤维追踪方法,检测功能连接显著受损的脑区间的白质纤维完整性。BDNF Val66Met多态性对DMN功能连接的影响应用疾病×基因型的双因素方差分析,分析了 LOD与BDNFVal66Met多态性对DMN功能连接的交互作用。最后,应用偏相关分析评估了 DMN变化显著的功能连接与结构连接与认知功能的关系。结果:与NC组相比,LOD患者DMN与扣带-岛盖网络(cingulo-opercularnetwork,CON)及丘脑的功能连接减弱,DMN与CON间的白质纤维部分各向异性(fractional anisotropy, FA)值降低而辐射扩散率(radial diffusivity,RD)增高,轴向扩散率(axial diffusivity,AD)差异则无显著性(提示白质脱髓鞘病变)。DMN与CON间的功能连接及白质纤维FA、RD均与认知功能显著相关。Val66Met多态性与LOD对DMN与右侧角回的功能连接存在交互作用,携带Val/Val纯合子的LOD患者DMN与角回的功能连接显著增强,但与认知功能无显著相关。结论:LOD认知功能损害与DMN与CON的功能连接减弱有关,而这种功能连接的减弱则可能是由白质纤维的脱髓鞘导致的。Val/Val纯合子对LOD患者DMN的功能具有保护作用。第二章海马网络与晚发性抑郁症认知功能损害的关系及BDNF Val66Met多态性对其影响目的:探讨海马功能连接与LOD认知功能损害的关系以及BDNF Val66Met多态性对海马功能连接的影响。方法:样本采集、临床评估及基因分型同第一章。统计分析以年龄、性别、教育程度及灰质体积作为协变量,将四组被试的FC图做2×2协方差分析,所得疾病主效应、基因主效应及疾病基因交互效应的F图进行AlphaSim校正,进一步提取差异显著性脑区的时间序列进行事后分析,并与HAMD评分及神经心理学测试得分进行相关性分析。结果:与NC组相比,LOD患者双侧海马同右侧脑岛的正连接、左侧海马同双侧OFC及左侧楔前叶的正连接、右侧海马与右侧背外侧前额皮层的正连接均减弱,双侧海马同右侧PMC的负连接则逆转为正连接。BDNF Met等位基因主要导致了双侧海马与小脑的正连接减弱。LOD与BDNF Met等位基因对双侧海马与颞叶皮层及背侧连接存在交互作用。其中,海马与OFC、PMC、小脑及颞叶的功能连接改变与认知功能损害具有显著相关性。结论:LOD患者的认知损害与海马-OFC正连接减弱、海马-PMC的负连接增高有关、BDNF Met等位基因则主要降低海马与小脑的正连接、BDNF Met等位基因与LOD的交互作用主要影响海马与颞叶及背侧认知控制网络的功能连接。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R749.4

文章目录

中文摘要

英文摘要

缩略词

前言

文献综述1 抑郁症精神运动迟滞的生物学基础

文献综述2 晚发性抑郁症的认知损害及影像遗传学研究进展

第一部分多巴胺系统基因对抑郁症精神运动迟滞症状脑血流及脑功能的影响:基于通路的影像遗传学研究

第一章抑郁症精神运动迟滞相关的脑血流量异常及其与多巴胺系统基因的关系

第二章抑郁症精神运动迟滞相关的CSTC环路功能连接异常及其与多巴胺系统基因的关系

第二部分默认网络及海马网络与晚发性抑郁症认知功能损害的关系及BDNFVal66Met多态性对其影响

第一章默认网络与晚发性抑郁症认知功能损害的关系及BDNF Val66Met多态性对其影响

第二章海马网络与晚发性抑郁症认知功能损害的关系及BDNF Val66Met多态性对其影响

第三部分总结与工作展望

参考文献

致谢

附录作者简介及攻读博士学位期间科研成绩

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