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精神分裂症低级-高级脑功能系统交互机制研究

【摘要】:精神分裂症是一种严重的慢性精神类疾病,病因尚不明确,发病常起于青壮年时期,即使有药物等治疗手段,病症往往相伴一生。其主要心理特征是思维、感知、情感、行为等方面紊乱以及精神活动严重不协调。从全球范围来看,精神分裂症在人群中的患病率大约为1%,在中国其患病率更是达到了1.5%。由于其高致残性,给患者及其家庭、护理人员和整个社会带来了较大的经济和精神负担。加深对精神分裂症病理生理机制的认识,已成为找到有效的治疗康复办法的关键。到目前为止,大部分考察精神分裂症的神经病理学机制的出发点都着眼于高级认知脑功能系统。对低级的感知觉系统在精神分裂症神经病理机制中的作用关注较少。然而,近年来越来越多的研究强调精神分裂症低级感知觉系统,及其与高级认知功能系统的交互异常对理解精神分裂症的神经病理机制是不可或缺的。基于此,本研究借助功能磁共振成像,以功能连接为核心分析手段,系列性的考察了精神分裂症低级感知觉系统,及其与高级认知功能系统的交互机制。本论文主要研究内容如下:1.采用元分析统计技术,对文献中报告的有关精神分裂症的,基于种子点的功能连接和基于体素的各向异性(FA)的白质结构连接异常进行了系统性的统计整合。以突显网络功能连接改变为主要特征的功能连接元分析结果提示了精神分裂症对感知和管理周围环境突显性信息功能紊乱,指出了加强精神分裂症感知觉功能系统研究的必要性。基于无偏的体素FA的结构连接元分析发现了连接大脑后部视觉顶叶皮层的右后扣带纤维以及连接大脑前后部的左侧后上纵束都揭示了精神分裂症在大脑后部信息初级处理及其与大脑前部的高级控制皮层信息交互方面存在功能异常。两个子研究的结果可以有机的整合到精神分裂症的失连接网络模型里面,而且两者可以互为补充和彼此验证,得到精神分裂症大尺度功能连接和结构连接较为一致的结论。重要的是,两个子研究共同指出了加强对低级感知觉以及感知觉和高级认知系统之间的信息交互研究的必要性。2.采用动态功能连接方法,从体素、脑区到网络三个不同水平较全面考察了精神分裂症动态功能连接的改变,结果显示精神分裂症的初级感知觉系统在体素、脑区和网络三个不同功能连接水平上都一致的显示了增加的变异性。高级认知网络(如默认模式网和额顶网络)仅在全脑连接水平上而不是局部体素水平显示功能连接可变性的降低。这些发现表明了增强的低级感知觉系统动态交流的基础性作用(主要表明在精神分裂症中感知觉输入信息的不稳定性),和精神分裂症高级认知网络对包括对来自低级感觉系统的信息的全脑动态整合能力减弱。这些发现为精神分裂症感知觉和高级认知过程瓦解的假说提供了新颖的神经相关性证据,而且进一步强调了自下而上的加工在理解精神分裂症的病理机制中的关键作用。3.基于上述2个研究分别发现精神分裂症静态和动态功能连接较大范围的改变,我们推测精神分裂症在构成人脑信息加工的基本原则之一的宏观低级-高级脑功能系统层级结构组织会发生改变。因此,本研究从宏观的功能层级结构组织出发,采用功能连接梯度和逐步功能连接分析的组合分析,互补性的刻画精神分裂症皮层低级感觉运动-高级联合皮层层级结构组织。连接梯度分析发现精神分裂症显示出被压缩的皮层层级结构组织,感觉运动区被压缩的更明显,额顶网络受压缩程度不那么明显,导致低级感知觉和高级额顶认知系统之间的分离减少。值得注意的是,这种压缩代表的是功能性方面的一种集成性改变,而不是脑结构方面的压缩。逐步连接分析发现这种功能性压缩的宏观模式与低级感知觉系统内整合能力下降、低级感知觉-高级认知系统分离下降紧密相关。本研究为精神分裂症的低级的早期感知觉和高级认知功能的病理相互作用提供了新的系统水平的神经关联物,即感知觉到多功能联合皮层层级组织的功能性压缩。在压缩的皮层层级组织的框架内,低级的初级感知觉系统所导致的级联损伤,自下而上的感知觉信息与自上而下的注意力需求和执行控制过程的低效整合可能部分解释了精神分裂症的高级认知缺陷。4.理论和实证研究已指出小脑在精神分裂症病理机制中的重要作用。以小脑为研究模型,从宏观的功能层级结构出发,采用功能连接梯度分析方法,我们进一步考察了在大脑皮层中观测到的被压缩功能层级模式是否也存在于小脑内以及小脑到大脑的回路间。通过构建小脑内、小脑-大脑皮层、大脑皮层-小脑功能连接的功能层级梯度,组间对比分析显示精神分裂症在小脑内、小脑-大脑、大脑-小脑的低级感觉运动-高级认知宏观层级组织均受到了压缩。此外,精神分裂症患者小脑内、小脑-大脑、大脑-小脑感觉运动网络-高级认知网络之间的功能连接增加表明了低级功能网络和高级功能网络之间的分离减少,进一步支持了压缩的功能层级结构组织。这种功能性压缩模式在感知运动网络中最为突出,可能表明了存在由低级的感觉运动系统破坏引起的向上的级联损伤,这可能部分解释了精神分裂症的高级认知功能损伤。因此,压缩的功能层级梯度可能代表了一种神经生物学框架,可帮助我们理解精神分裂症中小脑内、小脑-大脑、大脑到小脑皮层回路的低级和高级功能系统异常的共存及其之间的信息交互异常。5.从宏观的功能层级结构和跨诊断观点出发,我们考察了低级感知觉-高级认知功能层级结构组织是否可以表征跨疾病临床症状和行为维度。为了回答这个问题,以小脑为研究模型,采用多元的偏最小二乘统计技术,构建小脑低级感觉运动-高级认知层级组织与跨诊断精神病理学维度的关联性。分析发现小脑功能层级连接梯度与跨诊断的多种行为维度之间存在关联。关系可以表征为四个维度:一般精神病理学,一般注意调节能力缺乏,内在化症状和记忆功能障碍。每个行为维度都与一个独特的小脑连接梯度模式相关联,支持低级感知运动-高级认知功能层级结构组织的个体变异性可以捕获跨诊断精神病学的多个行为维度的变异性,暗示了低级脑功能系统和高级脑功能系统交互异常可能是跨诊断精神病理学维度的潜在核心机制。综上所述,本论文为精神分裂症低级-高级脑功能系统交互机制提供了一个神经生物学框架解释:压缩的低级感知觉-高级认知脑功能层级结构。白质结构的改变为功能层级性的改变提供了结构基础。在压缩的功能层级结构中,精神分裂症低级感知觉系统对周围环境突显性信息异常加工和对信息编码的高不稳定性。同时,低级感知觉系统内的损伤会沿着层级结构上传至更高级的脑功能系统,产生级联效应,进一步破坏后续信息处理。此外,高级脑功能系统内部功能结构松散导致其无法正常高效地行使其认知控制的能力,进而对来自低级感觉系统的实时信息的动态整合能力减弱。再者,精神分裂症患者低级感知觉系统和高级认知功能系统之间分离性减弱,导致两系统边界模糊,不同加工阶段处理的信息容易发生混淆。压缩的功能层级结构模式进一步强调了感知觉系统内部损伤,及其与高级认知系统低效的信息整合在理解精神分裂症病理生理机制的重要性。暗示了在改善精神分裂症高级认知功能的训练中,至少在初期,基于提升受损的低级感知觉训练的必要性。更重要的是,本论文把改变的低级感知觉-高级认知功能层级结构拓展到了与跨疾病中的多个精神病理学维度相关联,进而验证了该功能层级结构改变具有泛化能力,进一步暗示了低级脑功能系统和高级脑功能系统交互异常可能是跨诊断精神病理学维度的潜在核心机制。

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