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Biological Psychiatry :抑郁症病人的海马亚区分割
发布者:admin 发布时间:2020/9/3

    在科学研究中,一个棘手的科研问题的真正解决往往是大量研究者共同努力的结果,但是在这个过程中,不同研究发现的结果之间可能存在一些分歧。这类问题在磁共振研究中多有出现(主要是功能磁共振及其任务态中,在结构成像如T1结构或DTI结构中相对少一些),究其原因主要在两个方面。     

    第一是不同研究尽管解决的是同一个研究问题并且使用相同的技术手段,但是受到核磁共振成像本身技术手段的影响(如扫描机器、分析软件等)以及被试筛选等问题,会导致数据结果之间的差异。     

    第二个是不同研究中对研究对象的定义差异导致了最终结果的不一致,例如灰质结构研究中对同一结构对象大小定义的差异或功能研究中功能区解剖位置定义的差异等等。     

    无论是以上哪一个问题,都有可能影响到最后的研究结果。因此,在平时研究中不仅要严格注意这些问题,同时还要评估这样的问题对实际的研究结果带来的影响程度,从而能够更好地去解释不同研究的研究结果,并且以此为基础对以后的相关研究给出面对此类问题时更加具有指导意义的科学依据。这类研究除了能够解决临床研究中面对的实际问题以外,还能够对其他类似的研究带来更多的指导意义。     

    本文从关注海马体的定义由于缺乏共识,可能会影响研究间的比较这一问题出发,提出总海马体积减少可能取决于特定具体的海马解剖定义这一假设。而后,根据研究目的,将研究问题确定为两个步骤:      

      a海马变化对抑郁的影响是否取决于所用海马的定义。     

      b海马定义越具体,其变化的程度是否越大。   

    从这样的问题出发,作者选择了最新的Freesurfer6.0,该版本解决了5.3版本中的一些主要问题,最重要的是:CA1体积在6.0版本中与组织学研究一致。作者比较了80例疾病病程不同的MDD患者和83例健康对照者的脑MRI扫描结果(包括T1结构像与T2加权-FLAIR序列结构像)。    

   研究结果发现:MDD有关的海马改变仅限于海马主要的亚结构。随着对海马定义(即亚区分割带来的海马范围的缩小)的逐渐限制,MDD和健康对照之间的差异也出现增多,CA1区也成为了MDD的潜在标志物。 

摘要

   背景:海马体积减少是重度抑郁障碍(MDD)神经影像学研究中最常出现的结果。对海马体积定义不同是该领域中公认的问题,考虑到海马功能可以映射到解剖定义的亚结构上,并且对亚结构体积的详细探查也成为了可能,本研究通过不同的海马体合成测量方法对MDD进行探究,以寻找MDD的海马标记物

    方法:比较80例疾病病程不同的MDD患者和83例健康对照者的脑MRI扫描结果。使用Freesurfer6.0中的自动海马亚结构模块检查高分辨率T1T2-FLairMRI图像。在亚结构和合成亚结构层面进行组间体积比较。

    结果:MDD主要海马亚结构出现双侧体积减小:海马角(CA1-4)、齿状角和海马下托。左侧海马和复发性抑郁症中变化更为明显。CA2-4是首发抑郁症中出现的唯一减少的亚结构。总体变化在左侧CA1区域最为明显,并且CA1的体积可能是疾病病程的预测因子。

   结论:MDD有关的海马改变仅限于海马主要的亚结构。随着对海马定义(即亚区分割带来的海马范围的缩小)的逐渐限制,MDD和健康对照之间的差异也出现增多,CA1区也成为了MDD的潜在标志物。与首发患者相比,复发患者的变化更为广泛,MDD表明海马体病变过程。研究发现确定了MDD病理改变中主要的海马区域,为MDD疾病进展提供潜在的生物标记物。 

前言

   海马作为边缘系统主要成分,其功能紊乱被认为是MDD的神经病理基础。不同的Meta分析发现抑郁症患者海马体积减少约为4-10%。基于体素的形态测量(VBM)也显示抑郁症患者海马灰质体积存在减少。尽管在首发患者中发现了这种变化,但大多数证据表明,体积减少与抑郁的慢性和多发性有关。

    少数研究显示抑郁症没有变化。然而,由于体积变化与MDD之间的多方面关系,在看待这些研究结果时,需要谨慎地解释海马体的整体体积变化。海马体积的不同改变可反应海马神经影像学研究各组别中不同疾病严重程度和抑郁亚型、不同治疗方案复发或缓解等。

    同时,进一步的变异可能会发生,因为海马体由相关深部组织结合形成传统功能单元的亚结构组成。研究人员对海马体的定义往往缺乏共识,可能会影响研究间的比较。在423项海马MRI研究的数据库中,使用了大约60种不同的解剖指南。经典海马体包括(CA)亚区1-4。更广泛的定义也可能包括解剖上相邻的区域,如前下托、旁下托。功能连接区域,如内、海马旁皮质和附属白质区域,如海马膜和穹窿。亚结构的变化可能影响总的海马体积,当海马作为整体进行检查时,亚区域变化可能会被掩盖。

    一些具体的亚结构变化已经被报导。在非药物治疗的抑郁症患者中出现齿状回和CA1-3体积减少,但在药物治疗的抑郁症患者中并未发现。在帕金森病中,CA3体积减少与抑郁症有关。在一项研究中,抑郁发作次数对齿状回和海马下托体积有影响。一项针对抑郁女性的研究中发现左CA3、齿状回和海马下托体积减少。然而,最近一项研究在与双相情感障碍或健康对照组相比时,并未发现MDD海马的显著亚结构变化。

    海马体定义不同是神经影像学研究中已知的问题,先前研究中使用了多达60种不同的定义。海马体积变异可能给临床前海马研究推广到临床人群时带来困难。基础海马研究通常在个体亚结构和基于亚结构水平的环路上来研究海马功能。对个别亚结构探究的方法可以将亚结构组成复合区域,有助于弥合临床和临床前海马研究间的鸿沟。这种方法也将有助于识别MDD中与特定具体的海马病理改变及海马神经影像学改变所引起的功能后果。

    随着MRI场强的提高和自动组织分割进步,可以越来越精确地检查海马的亚结构。随着软件的进步,如Freesurfer 6.0可以利用体内和体外概率分割模板对多模态T1T2 MRI数据进行分析(此处应有点击),以提高识别更多亚结构区域精度。自动化方法比“金标准”人工分割方法具有优势,它提高了可靠性。如果能应用于常规神经影像研究,可以提高研究间的可比性(除此以外,自动分割技术对于临床应用以及提高相关研究结果的应用能力而言都是极为重要的!!!)

    在本研究中,应用该最新技术对抑郁和非抑郁组的海马MRI数据进行评估。采用高清晰度T1T2-FLAIR加权图像的海马亚结构自动分割技术,对首发抑郁症(FPD复发性抑郁症(RD患者进行了研究。根据定义的解剖标准(称为合成层组)对亚区结构进行结合,以检验预测是否总海马体积减少取决于特定具体的海马解剖定义。(明确作者的研究问题)

   探索性合成测量被用来进一步研究特定亚区域的重要性。本研究假设为:a海马变化对抑郁的影响取决于所用海马的定义。b海马定义越具体,变化的程度越大。 

方法

   被试与临床资料:

   MDD80名,健康对照83名,排除标准:磁共振成像禁忌症、非法药物滥用史、头部外伤和除抑郁症以外的任何重大医疗或精神疾病。所有参与者均完成了结构化临床访谈DSM-IVSCID)和汉密尔顿抑郁量表(HAM-D)。患者当前的SCID诊断为MDDHAM-D大于20入组。对照组无活跃或既往的SCID诊断且HAM-D评分小于8。入组前,精神病医生和研究小组举行了一次共识会议。根据先前的抑郁症发作次数(FPD=0RD2),抑郁症患者进一步细分为首次出现抑郁症(FPD)和复发性抑郁症(RD)组。 

    MRI获取:

   所有数据均来自都柏林三一学院神经科学研究所,使用Philips3.0T核磁扫描仪配置32通道线圈完成。T1:180层,轴向高分辨T1加权解剖图像(T1W-IR1150序列,TE:3.8ms,TR:8.4ms, FOV:230mm, 0.898×0.898mm2, 层厚:0.9mm, FLA:8)。T2-FLAIR:60层,轴向T2-FLAIR图像(TR文章内未给出,T2加权像的扫描往往是长TR和长TE,层厚:3mmFLA:8。轴向平面切片,得到的海马体平面分辨率比纵轴相对较小。 

    影像分析:使用Freesurfer6.0进行皮层重建与分割,Freesurfer使用先前定义的体内(基于图像的)和体外海马(基于解剖的)图谱来研究亚结构之间的对比差异,确定亚结构特征(对方法学感兴趣的朋友可以搜索这篇文章:Automaticallyparcellating the human cerebral cortex)。结合T1T2Flair输入,选择程序优化的Freesurfer3T MRI flag和多谱分割,计算11个亚结构。

   合成层组:将计算出的亚结构体积汇总,生成合成层组。最初生成一个限制性海马定义:仅由CA区域组成的海马体本体(HP)。其次,生成功能性海马定义(HF)除包含HP外,还包括齿状回、下托和尾。这包括了所有涉及经典海马回路的重要亚结构。第三,扩展定义(HE),包括所有估算的海马亚结构。生成四个探索性解剖区域(完整齿状回、单独CA、齿状和CA组合、单纯CA2-4区域(补充表2

补充表2:总体海马和解剖合成层组

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   统计分析:

   所有提取的亚区结构均进行系统的人工检查,并将测量结果输出到SPSS24采用混合方差分析(ANOVA)来研究海马亚结构/合成层组、所有亚结构/合成层组和(左/右)半球海马的组间差异。另外采用事后方差分析分别来比较各组间(Convs all DepressedCon vs FDP vs RD)每个亚结构/合成层和半球的组间差异。年龄、性别和eTIV均作为协变量输入。采用FDR进行多重比较校正(MCC。最后,采用两步分层多元回归分析检验亚结构对疾病持续时间的预测能力。

   结果

   人口学信息统计:

   80例患者(43FPD37RD)和83HC(表1。健康对照组(HC)和完全抑郁组之间、HCFPD组之间的年龄、性别或利手无显著差异。与FPD组或HC组相比,RD组年龄较大(10-12岁),女性比例高。FPD患者平均抑郁持续时间为10个月,RD患者平均抑郁持续时间为60个月,所有RD患者和73%FPD患者(27/37)服用抗抑郁药物。

1:一般人口学信息

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海马体积:

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1 Freeurfer输出的海马分割和百分比子结构的变化图。

图注:右半海马体是用实体洋红色表示的,左侧和右侧凹陷处的子结构体积的显著变化以图形(左侧面板,就是右下角用白色方框圈起来的,是图示的左侧)和百分比变化(右上角面板)表示。在经过FDR多重比较校正后,右上角星号标记的值代表结果是显著的。

    图示左海马横截面示意图。这张示意图显示了子结构的相对尺寸。图中海马杏仁核过渡区与尾部不呈横断面;它们被表示为海马的前极或后极。CA:海马角;Con:控制组;Dep:抑郁症病人组;DGDentate:齿状回;HATA:海马杏仁核过渡区;MLMolecular Layer):分子层;Subic:海马下托。

    统计检验结果:

    混合方差分析显示组间主效应有显著性趋势F=3.691dof),P=0.057partialeta2=0.03power=0.48)。未发现半球间主效应,但在抑郁症患者左侧亚结构体积减少的情况下,发现显著的组间半球交互作用(F=6.551dof),p=0.012partialeta2=0.05power=0.72)。

    发现亚结构主效应(F=6.913.2dof),p=0.0001partialeta2=0.05power=0.98)和组别、半球、亚结构交互作用(F=6.892.68dof),p=0.0004partialeta2=0.05power=0.96)。

事后ANCOVA检验表明,在抑郁患者中,交互作用受较小的双侧CA2/3CA4、海马下托和DG体积驱使,且左尾体积偏侧化不同,CA1(减少),右ML(增加)。左CA2/3CA4仅在FPD中降低。抑郁持续时间与亚结构体积无相关性。(表2

2:不同亚结构体积组间差异

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   合成层组:

   HC vs AllDepressed:

   混合方差分析显示组间主效应显著(F=6.97(1dof), p=0.009, partial eta2=0.045, observedpower=0.75),而半球间未显示。在抑郁患者中伴随左侧合成层组体积降低,出现显著的组间半球交互作用(F=7.661dof),p=0.006partialeta2=0.05observed power=0.79)。

    出现合成体积主效(F=20.94(1.1dof), p=5.0E-6, partial eta2=0.13, power=0.99)虽未发现半球与合成体积的交互作用,但组别、半球、亚结构具有显著交互作用(F=4.99(dof1.18), p=0.022, partial eta2=0.033, observedpower=0.65)。
   HC vs FPD and RD:

   混合方差分析显示复发抑郁患者相较于首发者体积降低,呈现组间主效应,偏侧化于左侧F=6.97(1dof),p=0.024, partial eta2=0.05, observed power=0.69),组间和半球交互效应显著(F=5.09(2dof), p=0.007, partial eta2=0.065, power=0.81)且复合体积具有显著的主效应(F=20.96(1.1dof), p=5.0E-6, partial eta2=0.13, power=0.99

    事后分析显示,抑郁症患者左侧复合体积减少。只有HP在右侧出现体积改变。随着三种复合物更多地集中于海马亚结构中心(HE→HF→HP),抑郁变化带来的左右侧体积变化的显著性均提高,左(p=0.005→P=0.003→P=0.0002)右(P=0.232→P=0.121→0.0129)。

    分层回归显示,仅有左侧CA1体积能够预测疾病持续时间与亚结构体积之间的关系,疾病持续时间解释6%CA1体积变异。(ΔR2=0.057ΔF(1,63)=4.6p=0.036)。

    探索性解剖合成分析显示,抑郁症患者左侧所有合成体积均减小(表3,补充表4和图2)。

3:合成层组的组间体积差异

补充表4: 合成层组的组间体积差异

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2:海马合成层组探究性分析图

讨论

   本研究采用先进的自动分割技术,对80名抑郁症患者和83名健康对照的海马体亚结构体积进行探究。在MDD中发现双侧广泛重要亚结构体积减少,其中最显著的是左侧海马核体积减少。通常慢性抑郁时间越长,左侧变化越为明显。使用合成解剖定义对海马体进行分析,强调了CA中央区域相较于周围区域在抑郁症病理机制中的重要性3,图3,补充图2)。

3:合成层组组间体积差异

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3CA中央区的重要性

 

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补充图2:抑郁中全部海马体积

    首发抑郁症仅在CA2-4区域改变,复发性MDD组出现广泛变化(图4。这很可能反映出海马体逐渐退化,伴随抑郁症的慢性进程加重。

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4:首发和复发MDD海马变化

    抑郁症中海马体变化的程度取决于对海马体的定义;对于解释过去和未来研究十分重要性(作者的第一步骤的问题得到答案)。

    近来,相关研究越来越倾向生成统一完整的海马分割协议。这是第一项通过海马多合成定义对抑郁症海马体积进行探究的研究。通过恰当的计算亚结构的总合,得出三个海马合成体积(见上文的图3,以及下面的补充表2
补充表2:总海马和解剖合成层组

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    利用更广泛的海马体积定义(HFHE),研究发现,抑郁症患者的海马体仅在左侧减少,这种减少仅发生在抑郁复发组。应用海马体最严格的定义(HP),在MDD中发现双侧体积差异,并且与HEHF不同,这些体积降低在抑郁首发和复发组中保持不变。值得注意的是,抑郁症患者的左海马(HP)体积减少非常显著(p=0.0002)。

    随着本研究逐渐限制海马区的定义,从较大的非特异性HE,到中等功能性HF,最后到较小高特异性具体的HP抑郁症患者的体积减少变得越来越明显(见上文的表3,图3

    这具有双重含义。

    首先,它强调了特定海马体定义在MDD研究中的重要性,因为对海马体定义不同,在对研究解释时可能会出现冲突。以往对较大海马体的探究结果并不显著,可能掩盖了抑郁症患者深层海马亚结构的变化。本研究是第一个通过组合亚结构来建立多个海马体体积组合定义的研究。这种方法可以解决研究间的前后不一致矛盾。其次,保守的HP测量结果支持本研究假设,即MDD疾病进程与经典”CA核亚区有关实质上,海马体的定义越精确,抑郁症的海马体积变化程度就越大。CA区域的破坏可能会干扰突触回路各个方面,并改变基本的感觉和情感信息处理。在通过海马下托输出之前,突触回路允许内嗅(EC)输入通过关键的海马亚区(EC)进行处理(EC→齿状回/CA4→CA3→CA1)。任何这些重要海马结构的破坏都可能导致出现抑郁症状。

    在抑郁症中仅有重要的海马亚结构出现异常方面的差异

   亚结构变化仅出现在被认为是典型海马结构的部分,CA1-4、齿状回、海马下托、尾(组成CA和齿状的大部分)和分子层(海马下托和CA的上层)。在非经典海马亚结构处并未发现差异,如:前下托、旁下托、海马伞、HATA和海马裂。MDD的差异通常是在两侧主要亚结构观察到的,左侧更为明显,尤其是复发组。本研究的发现与最近对抑郁症患者海马结构研究结果大体一致。本研究的一个新发现是,CA1和海马尾在病理学上表现出的偏侧化,仅限于左侧。海马尾由所有主要的亚结构(CA、齿状回和海马下托)组成。然而,与其他亚结构相比,海马尾部CA1的相对优势可能在某种程度上解释CA1区域和尾部偏侧化相似的现象。

    CA1是唯一在右侧没有改变的亚区,CA1体积减少偏侧化只发生在左边。在首发和复发组CA1体积均表现出减少,但只有在复发组通过FDR校正。CA1区域比较容易受到攻击,并且在抑郁症患者尸检研究中发现,相对于健康被试MDD组被试CA1区域含有更多的神经元凋亡。

    CA1与自传记忆、情景记忆再现和自我意识有关。MDD与自传记忆困难和过分概括缺陷有关。左侧CA1体积是回归分析中唯一具有显著性的变量,表明CA1体积是可能预测MDD的疾病时长的。 

    CA2-4与首次发病有关并且随慢性进程进一步扩展

   本研究结果同既往关于首发和慢性抑郁者海马体积减少结果一致。尽管本研究并未在统计学上发现疾病周期与海马总体积的相关关系,但是抑郁首发和复发组的差异与假设相同,抑郁的慢性病程与海马体积具有负性关系。

    在首次就诊患者中,CA2/3CA4区域分别显示出体积显著减少(见上文的图4)。

    将它们结合起来形成一个探索性的CA2-4合成层,进一步增强了该区域的显著性(3),尤其是在FPD中(p=0.0013)。这表明,MDD初期各海马亚结构病理学存在潜在上述倾向。CA1在这个方向上也显示出明显的趋势(p=0.021),但并未通过FDR校正。这些结果表明,典型的CA海马亚区(尤其是CA2-4)可能在疾病早期便受到影响,如同应用限制性HP海马总体积测量的结果一样。相反,左齿状回、下托和尾体积的减小仅出现在复发组。这表明,这些亚结构改变可能会随着抑郁症从最初出现进展到慢性之后才出现(图4。重要的是,这也表明MDD疾病进展的特征,提示早期干预可能有助于阻止海马体随慢性进程发生的病理学的进一步扩展。
   分子皮层

   在抑郁组中仅有一处海马亚结构出现体积增加。MDD中右侧分子皮层测量(包括海马下托上层和CA1-3区域)增大,并且仅由首次抑郁发作驱动。脑脊液下部海马裂内层神经元稀疏分布,且包含轴突、中间神经元和胶质细胞。值得注意的是,这是抑郁中唯一出现海马亚结构增加的区域。可能的解释是:最初的炎症反应,在疾病的早期胶质细胞沿海马裂的边缘结痂或者此皮层的树突大量外展。

    解剖复合性探索是否有助于更深入的亚结构分析

   本研究计算了额外的探索性复合测量,以深入探究海马复合体内解剖亚区的体积(表3,补充表2

3:合成层组组间体积差异

补充表2:总海马和解剖合成层组

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       CA4位于其门内,可被视为齿状回的一部分。因此,作者进行了一个更具解剖学和功能包容性的完整的齿状体测量,结合齿状回和CA4区域的体积测量检验发现,MDD在左侧的体积减少具有显著性(p=0.0004),这一发现在首发和复发组都得到验证。

    这一测量结果也显示,抑郁症患者右侧的海马体积减少(p=0.003)。相反,从CA中去除CA4,将CA1-3进行综合计算。这一综合结果显示,抑郁组和对照组(p=0.0003)在左侧的差异显著性增加,两个抑郁组均出现降低。最后,通过将齿状回和所有CA区结合起来形成一个齿状回/CA联合测量,发现抑郁症患者的总体积减少最为显著(p=0.0001),其差异由首发和复发组共同驱动。

    探索合成和限制性海马(CA1-4)体积都发现了其显著性的改变结果,加强了左侧CA区域和齿状回在抑郁症中作为关键亚结构的重要性这一观点。将这些区域综合相当于典型的突触环路路径,即海马体的基本计算单元。

    以往研究表明,此环路不仅对于抑郁症患者损伤神经再生具有重要意义,而且对记忆功能模式的分离和完成也具有重要意义。研究结果支持了本研究的假设,即抑郁症的主要海马病理生理学仅局限于经典的重要海马位置,也证实了以往研究中广泛出现的CA和齿状回参与压力和情绪调节的临床前研究。

    研究亮点和局限

   本研究为首次在首发和复发抑郁患者中对海马亚结构进行探究。最新研究朝着开发统一的海马体分割方案的方向进展,表明了通过按照解剖亚结构定义对亚结构进行组合是一种新颖的方法。对未来MDD的研究结果进行合理解释需要有明确的海马体定义。

    通过两种磁共振成像模态(T1T2-FLAIR)的结合可以提供额外的对比度来提高自动化技术的准确性和分辨率。与T1相比,这使得上层子结构划分得以实现。这在以前的阿尔茨海默病队列研究中已经展示。本研究是在MDD中,第一个对这种改进亚结构分化进行论证的。只有T1测量的抑郁症患者和对照组的差异(见补充表5 

补充表5

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    本研究也存在一些缺陷,例如:当前的自动化协议在亚结构术语、区域边界和分割协议方面可能存在很大差异。这些分歧对于较小的亚结构尤为明显,这可能是一个限制,因为Freesurfer6.0产生了许多较小的分割,如海马旁下托和HATA。先前的Freesurfer5.3)因为亚结构不符合解剖学研究而被批判。特别是,有人建议将大的CA1区域的一部分重新分配到邻近的CA2/3,由此产生的CA1区域比解剖研究中的要小。

    这种情况已经在Freesurfer 6.0中得到了解决,CA1体积现在与组织学研究一致。考虑到神经影像学研究中产生的数据,在我们对163名受试者的研究中产生了近2000个独立的亚结构,自动分割比手动分割更可靠、可行。最后,即使我们有首发和复发组,也不能根据横截面样本确定疾病进展。作为纵向研究的一部分,研究者目前正在对患者和对照组进行随访(一个研究的问题的解决不代表科学问题的解决,一个科学问题的解决可能会带来一系列的科学问题,是不是看到了发论文的思路!!!)。

 

   总结:

   本研究采用先进的高质量自动海马分割技术,发现抑郁症患者主要海马亚结构的差异模式。

   本研究的主要结果与先前研究结果类似,MDD患者的左海马体较小。无论海马体的定义如何,这种体积差异与对海马体的定义无关,而是由慢性病程引起的。海马体的定义越限制,抑郁中海马体积变化就越大。海马外周亚结构未见改变。这证实了临床前研究发现的海马核心亚结构在抑郁症和应激病理生理学中的重要性。

   其中,CA1体积尤其引人注目,因为体积差异偏侧化发生在左侧,且CA1体积测量是MDD持续时间的预测因子。这一独特发现表明,CA1体积可能是抑郁症的标志物。首次出现涉及CA2/3/4区域和随慢性进程延伸到临近亚结构表明MDD的潜在疾病进程。这就强调了对抑郁患者进行有效的早期治疗干预的必要性,试图阻止可能的海马进行性损伤。

 

原文:

Thehippocampus in depression: more than the sum of its parts? Advanced hippocampalsubstructure segmentation in depression

DW Roddy, C Farrell, KDoolin, E Roman, L Tozzi - Biological , 2019

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