多模态fMRI在精神分裂症研究中的应用课件

1、West China HospitalHMRRCApplication of multi-modalityfunctional MRI: findingbiomarkers for schizophrenia四川大学华西医院放射科临床磁共振中心吕 粟，龚启勇2009年5月磁共振新技术概述早期诊断，客观评估 影像学指标Contents磁共振新技术概述rfMRI用于精神分裂症生物表征探索的应用研究首发未治疗精神分裂症患者脑结构及功能分析药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响药物治疗长期对精神分裂症脑功能的影响rfMRI对评估精神分裂症患者脑功能的展望小结123磁共振新技术概述BOLD（blood o

2、xygenation level dependent ） fMRI技术：通过血氧水平改变产生的磁共振信号变化来反映脑区活动状况的功能磁共振技术。磁共振新技术概述BOLD信号反映了什么？Bold信号局部去氧血红蛋白比例磁共振新技术概述BOLD信号反映了什么？血流动力学改变血流动力学改变BOLD信号的改变输入神经细胞活动输出磁共振新技术概述没有任务刺激时，仍然存在BOLD信号的波动磁共振新技术概述如何定义静息状态 平躺，安静，无运动 闭眼或睁眼，未进入睡眠 无系统思维活动磁共振新技术概述RehralusAbrulD holcrdesoDi nve iotidafetaAfniopnMezSc首发精

3、神分裂症患者结构及功能分析一0124 5 6hic rtortegAea198219937121086420310.3SchizophreniaPrevalenceNearly13,000,000patients inChina, Now!等受体的作用功能药物对D2及GABA结构脑结构及功能改变疗效及副作用基因异常与环境交互作用脑结构及功能改变临床症状缺乏客观诊断及评估指标首发精神分裂症患者结构及功能分析一一精神分裂症非器质性疾病是否真的没有结构异常？首发精神分裂症患者结构及功能分析一Honea et al., 2005, Am J Psychiatry进性灰质低抗病药物治疗的影响需要研究首发

4、未用药分症患者首发精神分裂症患者结构及功能分析ControlSchizophrenia一比较信号以体素（Voxel）为单位的比较方法首发精神分裂症患者结构及功能分析Structured Interview forThe severity of FSE ：一纳入对象-17.8 5.2冲动评分（Impulsive aggression）-10.1 4.0反应缺乏评分（Anergia）抑 评分（Depression）思维障碍（Thought disturbance）-51.8 9.114.4 3.510.0 2.811.2 2.510.5 4.7-26.2 7.6107.4 15.220.6 6.6

5、26.6 5.4大体功能量表（GAF）PANSS 评分总分（Total）阴性评分（Negative）阳性评分（Positive）体重37 : 3124.7 8.813.0 2.9166.8 6.458.7 10.6-对照组(n=68)精神分裂症组(n=68)38: 3024.2 8.611.8 3.2167.3 4.959.4 12.88.6 14.3一般情况年 者纳性别（女：男）首发精神分裂症患龄（岁） 入标准教育年限（年）身高（厘米）DSM-IV (SCID-P)（公斤）病程（月）PANSS对照纳入标准the （Paranoid）一般评分（General）Screened using SC

6、ID-I/P激活性（Activation）Absence of 妄想评分history ofpsychiatric and郁neurologicalillnessLui et al., AJP 2009首发精神分裂症患者结构及功能分析一纳入对象-22.6 6.620.1 7.224.4 5.418.6 4.1阴性评分（Negative）阳性评分（Positive）-101.7 15.5 93.615.4总分（Total）PANSS 评分-4.8 3.24.1 3.1病程（月）7.8 3.8-8.2 3.46.7 2.8-12.4 2.3 10.8 2.59.7 4.1教育年限（年）3:55:5

7、5:55:5性别（女：男）43.26.34:645.6 6.25:723.0 7.9) 41 3.721.2 7.522 8.2年龄（岁）对照组(n=10)散发组(n=10)家族组(n=10)对照组(n=10)散发组(n=10)家族组(n=10)父母及对照患者及对照一般情况家族性及散发性精神分裂症患者及父母的脑结构研究Lui, et al. PSYN,2009首发精神分裂症患者结构及功能分析Modulate data by Jacobian一方法StandardNormalisationSegment outputinto native spaceCreate custom symmetric

8、templateSegmentationoutput intostandardspaceStudy ImageOptimallynormalisedwhole-brainimagesExtractthe whole-brainSegmentoptimallynormalisedimages andoutput intostandard spaceDetermine normalisationparameters from GM/WMcustom templates and apply tooriginal study imagedeterminants to retrieve volume l

9、ostduring normalisationCleansegmented mapsOptimisedmodulated GMand WM mapsStudyImageOptimized-VBM首发精神分裂症患者结构及功能分析一首发精神分裂症患者结构及功能分析Schizophrenia VS Controls两样本t检验, 校正后 p 0.05Lui et al., AJP 2009一结果Impulsive aggressionP0.01ActivationP0.01Thought DisturbanceP0.01ParanoidP0.05ACC的灰质体积与分裂症患者临床症状相关Lui et

10、al., AJP 2009首发精神分裂症患者结构及功能分析PositiveP0.01首发未用药精神分裂症患者存在脑灰质异常局部灰质异常与临床症状相关STG, MTG, ACCMRISchizophrenia影像诊断及评估指标?Lui et al., AJP 2009一首发精神分裂症患者结构及功能分析结果ANOVA with posthoc Analysis,校正后 p 0.05患者：家族 VS 散发 父母：家族 VS 散发一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui, et al. PSYN,2009一首发精神分裂症患者结构及功能分析功能变化结构改变临床症状静息状态下反映生理活动的BOLD信号波动

11、范围 (0.010.08 Hz)功能连接的定义: Cross correlations over time betweenspatially remote brain regions功能连接神经网络Raichle et al. PNAS 2001; Fox et al. PNAS 2005一首发精神分裂症患者结构及功能分析RegionalFunctionFunctionalConnectivity局部全脑一首发精神分裂症患者结构及功能分析研究目的1. 右侧颞上，中回和右侧扣带回前部的灰质降低是否会影响其所属的功能连接？2. 右侧颞上，中回和右侧扣带回前部所属的功能连接是否与临床症状相关，即哪些

12、功能网络可能影响患者的临床症状？一首发精神分裂症患者结构及功能分析纳入对象Scan ParameterTRTEFlip AngleSlice ThicknessMatrixNEXNo. of SliceFOVPhase2000msec30msec905mm64x641.030240 x240mm2200第一部分研究中的68例对照及68例分裂症患者Resting fMRI protocol3T MR Scanner (EXCITE, GE,Milwaukee, USA)8 channel phase array head coil一首发精神分裂症患者结构及功能分析方法种子点相关分析法0.01-0

13、.08Hz FilterCorrelateBold Signal in STG一首发精神分裂症患者结构及功能分析结果Functional connectivity map of 患者组p0.05, FWE对照组 STG,一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al., AJP 2009结果Functional connectivity map of MTG, p0.05, FWE一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al., AJP 2009结果对照组 患者组Functional connectivity map of ACC, p0.05, two sample t-tes

14、t)一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al., AJP 2009结果静息状态功能连接与临床症状的相关系数表0.043反应缺乏阴性3747-56-3楔叶右侧颞上回 (Brodmann 7区)0.0005阴性评分阴性16047-56-3楔叶右侧颞上回 (Brodmann 7区)0.0004总分阴性9719-6018楔叶扣带回后右侧颞上回 部 (Brodmann31区)0.036思维障碍阳性61-12818右侧颞中回 右侧苍白球0.0001思维障碍阳性217-1110-18右侧颞中回 左侧苍白球P* 值PANSS 评分相关类型（个）Taliarach坐 体素标（mm）X YZ相关区域种

15、子点*多重比较校正后一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al., AJP 2009讨论首次发现分裂症患者灰质异常脑区所涉及的静息状态脑功能连接并未出现改变首次发现STG 和MTG 所涉及的某些功能网络与临床症状相关一首发精神分裂症患者结构及功能分析Lui et al., AJP 2009灰质异常STG & MTG局部灰质体积神经网络精神分裂症症状Right ACC讨论一首发精神分裂症患者结构及功能分析局部灰质体积Lui et al., AJP 2009静息状态下反映生理活动的BOLD信号波动范围 (0.010.08 Hz)低频震荡幅度（ALFF）: Amplitude of Low

16、 FrequencyFluctuationALFF神经元自发活动Raichle et al. PNAS 2001; Fox et al. PNAS 2005一首发精神分裂症患者结构及功能分析一首发精神分裂症患者结构及功能分析采用 Rest 软件计算66例患者与66例正常对照全脑的ALFF值Regional function:Amplitude of low frequencyfluctuation (ALFF)Bandpass filtering (0.010.08 Hz)Linear-trend removalFast Fourier transform (FFT)Square root t

17、ransformedDivided by the global mean value一首发精神分裂症患者结构及功能分析精神分裂症患者存在脑功能增高和降低的区域：前额叶腹侧功能降低基底节区域功能增高没有发现颞叶及ACC功能改变功能改变与临床症状无相关Huang & Lui et al., Neuroimage 2010Huang & Lui et al., Neuroimage 2010一首发精神分裂症患者结构及功能分析1. 同时存在增高和降低区域功能缺陷与代偿2. 没有发现颞叶及ACC功能改变功能改变与结构改变的关系3. 功能改变与临床症状无相关特质性改变ALFF作为定量或定性指标的能力ALF

18、F 结果解释一首发精神分裂症患者结构及功能分析首发未治疗精神分裂症患者脑结构及功能分析总结1. 发现精神分裂症患者存在脑结构及功能改变 （VBM，rfMRI）2. 结构功能改变与临床症状的关系结构改变与临床症状相关；功能改变（ALFF）？3. 结构与功能的联系功能连接（rfMRI）4. 没有解决的问题局部结构改变与功能改变的联系（MRS，DTI）结构功能改变与疾病鉴别诊断的关系（多模态模式识别）药物治疗的影响（纵向研究）D2; GABAMedicationNeural systemeffect药物治疗的机制不清，副作用明显 !二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响应用静息状态功能磁共振:首发未

19、治疗精神分裂症患者接受二代抗精神病药物治疗后6W：那些脑区局部脑结构及功能改变局部脑功能改变与临床症状的相关性神经网络的改变二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响The severity of FSE （：month）PANSSScreened using SCID-NP研究对象患者纳入标准对照纳入标准theillness-10.1 4.017.8 5.2AnergiaImpulsive aggressionDepression-51.8 9.114.4 3.510.0 2.811.2 2.510.5 4.7GeneralThought disturbanceActivationAbsence

20、 of Paranoidhistory ofpsychiatric and neurological-26.6 5.4阳性评分（Positive）Weight13.0 2.9166.8 6.458.7 10.6-11.8 3.2167.3 4.959.4 12.88.6 14.326.2 7.6107.4 15.220.6 6.6Year of education（Yrs）Structured Interview forHeight（cm）DSM-IV (SCID-P) （Kg）Illness durationGAFPANSS 评分TotalNegative21 : 1325 821: 132

21、4.6 8.5Sex（F：M）Age（Yrs）Control(n=34)schizophrenia(n=34)Characteristics二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响治疗6周后精神分裂症患者的脑结构出现改变：与基线值相比，发现左侧额下回、右侧壳核、海马及杏仁核等区域脑灰质体积增加与患者临床症状无相关性局部功能改变:Amplitude of low frequencyfluctuation (ALFF)Bandpass filtering (0.010.08 Hz)Linear-trend removalFast Fourier transfor

22、m (FFT)Square root transformedDivided by the global mean value二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Brodmann 11PutamenRegional function:CaudateBaseline: patients ControlsBrodmann 7Brodmann 45Caudate二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Brodmann 10Patients: 6 weeks later BaselineLui et al., AGP 2010 In PressSymptomParanoidL prefrontalPar

23、anoidACTTDR Medial prefrontalimpulsiveRegional function:Significantly correlated with the improvement of symptoms !ALFFimpulsivePretreatment二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响PositiveAfter treatmentLui et al., AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1. 多个脑区ALFF值增高2. 脑区功能增强与临床症状相关3. 功能改变与阴性症状关系不明显4. ALFF作为定量指标Lui et al.

24、, AGP 2010 In PressRegionalFunctionFunctionalConnectivityregionalNetwork二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Neural network functionSeed voxel approach0.01-0.08Hz FilterCorrelateBold Signal in STG二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响L ThalamusL MF, B 9L STG, B 38R LentiformR MEFC, B10L PF, B 10L PH, B 36R ThalamusR IFG, B45B6L Insula,

25、 B13 L Lentiform L MTG, B 21R PH, B 35R IP, B40二R MF, B 8药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响R TL, B20R CaudateR CC, B 32Lui et al., AGP 2010 In PresseffectRegionalNeural systemMedicationSchizophreniaCorrelatedNetworkModel for antipsychotic drugs二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响Lui et al., AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响主成分独立

26、成分分析探索其他脑功能网络的改变验证种子点分析结果Lui et al., AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1. 治疗后存在广泛功能连接降低2. 颞叶及vMPFC涉及不同的改变3. 网络改变与临床症状缓解无明显相关Lui et al., AGP 2010 In Press二药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响药物治疗短期对精神分裂症脑功能的影响1. 抗精神病药物对精神分裂症患者脑结构及功能在短期内产生广泛影响（VBM，rfMRI）2. 功能改变与临床症状的关系局部功能改变与临床症状相关3. 局部功能改变与神经网络的联系功能连接（rfMRI）4. 没有解决的

27、问题神经功能网络改变的结构基础（DTI）结构功能改变与疗效评估的关系（多模态模式识别）药物治疗的长期影响（纵向研究）三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响应用结构MRI及rfMRI:首发未治疗精神分裂症患者接受二代抗精神病药物治疗后6W，12M，24M：那些脑区局部结构及脑功能改变局部结构脑功能改变与临床症状的相关性神经网络的改变VOLUME三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响*1106.11121.11087.7108010701120111011001090首发未治疗精神分裂症患者接受二代抗精神病药物治疗后12M，24M：患者2年随访全脑体积变化11300W12M24MStage

28、TBV1年末三2年末药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响右侧额中回、额下回、颞上回、颞中回，左侧岛叶、双侧内侧额叶、后扣带回、舌回、小脑后叶灰质体积减少1年末三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响左侧额上回、额下回，右侧中央前回，双侧丘脑、尾状核灰质体积增加2年末三药物治疗短期对精神分裂症脑功能的长期影响采用 Rest 软件计算14例患者治疗后6W，12M，24M的改变Regional function:Amplitude of low frequencyfluctuation (ALFF)Bandpass filtering (0.010.08 Hz)Linear-trend removalFast Fourier transform (FFT)Square root transformed