使用情绪性oddball任务测量具有精神分裂症家族高风险儿童的前额-边缘系统活动

摘要

本文介绍了如何使用情绪性偏差任务和功能性磁共振成像（fMRI）来测量精神分裂症家族性高风险（FHR）儿童和青少年的大脑激活情况。 采用fMRI测量在执行情绪性偏差任务过程中前额-纹状体-边缘区域的功能差异。具有FHR的儿童在青春期表现出异常的功能性激活。

摘要

青春期是一个关键的发育阶段，精神分裂症的早期症状常常在此阶段出现。患有精神分裂症个体的一级亲属，即具有家族性高风险（FHR）的人群，可能表现出类似的认知和情绪变化。然而，这些症状出现背后的神经生物学改变仍不明确。本研究旨在利用功能磁共振成像（fMRI），识别具有家族性高风险的儿童和青少年在额叶、纹状体和边缘区域的差异。研究纳入了21名具有家族性高风险的儿童和青少年以及21名健康对照者，他们完成了一项情绪性oddball任务，该任务依赖于选择性注意以及对任务无关情绪信息的抑制。标准的oddball任务经过修改，加入了厌恶性和中性干扰刺激，以考察两组在情绪加工和执行功能加工方面的潜在差异。该任务经过专门设计，通过保持任务难度和情绪图片内容的年龄适宜性，使儿童和青少年能够顺利完成。此外，我们展示了一种适用于儿童和青少年参与者的fMRI图像配准技术。该实验范式也可应用于未来的研究中，以测量其他假定存在执行功能和情绪加工发育变化的人群中神经活动的改变。

引言

精神分裂症是一种具有已知遗传成分的神经发育障碍^1,2，其症状包括执行功能和情绪加工能力的缺陷^3,4。一级亲属被认为具有更高的精神分裂症发病风险，并已被证实存在与认知及社会情绪领域相关的部分相同神经认知缺陷⁵。因此，我们预期，在临床症状出现之前，高危家庭成员中与执行功能和情绪加工相关脑区的脑活动可能已经发生改变。

既往研究表明，精神分裂症成年患者以及具有家族性高风险的成年个体在执行功能和情绪加工网络中均表现出异常活动；然而，这些变化在发育过程中如何产生仍不明确。证明这些变化在生命早期即已出现，将是理解该疾病病理生理机制的关键第一步。因此，本研究在功能性磁共振成像（fMRI）扫描期间采用情绪性oddball范式，以测量处于精神分裂症风险中的青少年在完成需要执行功能与情绪加工任务时的大脑活动。oddball范式常用于通过测量对任务相关目标刺激的选择性注意过程，来考察精神分裂症患者⁶及家族性高风险个体⁷中额纹状体环路的功能。本研究对标准的oddball任务进行了改进，加入了任务无关的厌恶性和中性刺激，这些刺激已被证明可诱发精神分裂症患者大脑活动的改变⁸。

本研究采用情绪性oddball任务，测量健康青少年与家族性高风险 schizophrenia 青少年之间的功能差异。该任务设计类似于 Fichtenholtz 及其同事所使用的方法⁹，但对厌恶性情绪图片的选择进行了调整，以适用于9至18岁之间的儿童。在功能磁共振成像（fMRI）过程中使用此任务，能够识别出特定脑区在具有 schizophrenia 家族性高风险（FHR）的儿童和青少年中表现出的过度激活和低度激活模式，并揭示青春期神经发育过程中与年龄相关的神经活动变化。

方案

本研究中使用的研究技术已获得杜克大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的机构审查委员会（IRB）批准。

1. 成像任务设计

1. 设计一个基于事件的行为任务，在频繁出现的标准刺激（打乱的图像）序列中呈现较少出现的目标刺激（圆形）。该任务的示意图见图1。使用CIGAL软件¹⁰呈现该任务。

图 1. 任务设计示意图。 本图经 Hart 等²⁰ 修改，已获许可。请点击此处查看此图的放大版本。

1. 从国际情感图片系统数据库（International Affective Picture System database, IAPS）中选择一组厌恶刺激和一组中性刺激。IAPS 图片在 1-9 的量表上进行评分，以反映唤醒度和效价水平¹¹。较高的数值表示更高的正性效价和唤醒度。选择一组适合研究对象年龄的图片，例如蛇、蜘蛛或其他动物的图片。
   注意：本研究中用作任务无关的厌恶刺激图片的平均效价评分为 3.38（标准差 = 1.78），平均唤醒度评分为 6.14（标准差 = 2.08）。中性刺激图片的平均效价为 6.21（标准差 = 0.26），平均唤醒度评分为 3.72（标准差 = 2.15）。
2. 编写实验程序脚本，使图片以伪随机顺序呈现，每张图片呈现 1,500 毫秒，平均刺激间间隔为 500 毫秒。目标刺激和任务无关的中性图片的出现频率不超过每 15 秒一次，每种约占总刺激的 4%。对事件起始时间进行随机化处理，以提高血流动力学响应函数的时间分辨率。

2. 创建8组图像，每组对应8个功能扫描中的一个，确保所有8个扫描过程中，每位参与者共看到40个目标图像和40个与任务无关的中性图像。

2. 受试者准备与扫描

1. 招募年龄在9至18岁之间的儿童和青少年，这些个体应为健康对照者或具有精神病家族高风险者。
   1. 确保健康个体无任何精神疾病，且其一级亲属中无人患有精神疾病。确保具有家族高风险的参与者至少有一名一级亲属（父母或兄弟姐妹）患有精神分裂症。若其一级亲属中存在其他精神疾病，不得因此排除该参与者。
   2. 在年龄和性别上对健康参与者与家族高风险组参与者进行匹配。
2. 对于18岁以上的参与者，获取其知情同意书；对于未成年人，获取其父母或法定监护人的知情同意书。此外，还需获取参与研究的未成年人签署的书面知情同意声明。
3. 将参与者安置于模拟磁共振成像（MRI）扫描仪中，以使其熟悉实验环境。播放扫描仪噪声的音频录音，并让其完成一次行为任务的练习运行，以确保其理解任务说明。
4. 将参与者安置于MRI扫描仪中，并采集必要的脑部定位扫描图像和/或解剖图像。
5. 使用MRI兼容的输入设备，指导参与者用其食指按下一个按钮以响应所有目标刺激，同时用中指按下另一个按钮以响应所有其他刺激。
6. fMRI扫描结束后，从部分参与者处收集研究中所用图像的主观唤醒度和效价评分。本研究从15名对照个体和13名家族高风险个体中获取了评分数据。

3. 图像采集

1. 将受试者放入3.0特斯拉磁共振成像（MRI）扫描仪中。首先，采用扰相梯度回波脉冲序列（TR：5.16毫秒；TE：2.04毫秒；视野：24厘米；图像矩阵：256 × 256；翻转角：20；体素大小：0.94毫米 × 0.94毫米 × 1.9毫米；68层轴向切片）获取一组结构图像，包括三维共面解剖T1加权图像。
2. 采用梯度回波平面成像序列（TR：2,000毫秒；TE：27毫秒；视野：24厘米；图像矩阵：64 × 64；翻转角：60；体素大小：3.75毫米 × 3.75毫米 × 3.8毫米；34层轴向切片），进行全脑覆盖的功能成像数据采集，以测量受试者执行行为任务期间的脑活动。每进行一次行为任务运行时，均执行一次该成像序列。每次运行应包含120个成像时间点。
3. 行为任务共进行8次功能成像运行，每次持续约4分钟。

4. 分析

1. 图像预处理：在 FSL 中使用 fMRI 专家分析工具（FEAT）¹²选择一级分析和预统计。
   1. 在“数据” 选项卡中，选择输入图像的数量，并输入将要处理的每个 MR 图像的路径。设置输出目录。输入 总体积， 被丢弃的采集次数和TR。
   2. 在 预统计“选项卡”中，将运动校正设置为 MCFLIRT 空间平滑 FWHM 至 5 mm 和 切片时间校正 选择 BET脑提取 和“高通时间滤波，但不选择B0解缠绕（除非你有梯度场图）或“I强度归一化". ^12,14.
   3. 在 注册“选项卡”中，选择 主要结构图像 输入受试者去颅骨T1加权图像的路径。使用至少6个自由度的线性标准化搜索。选择 标准空间 复选框。输入MNI图谱图像的路径。使用具有12个自由度的常规线性搜索。按下 开始.
   4. 排除在 X、Y 或 Z 方向上头部运动超过 3 mm 的受试者。
2. 1级：在单次运行中比较不同任务条件之间的数据。打开FEAT。选择 一级分析 和 统计与事后统计.
   1. 在 数据 选项卡中，设置输入数量并输入每幅MR图像的路径。输入一个路径用于 输出目录 输入 总体积 被丢弃的采集次数，以及TR。
   2. 在“统计信息” 选项卡，选择“使用 FILM 预白化复选框¹⁶. 按下“完整模型设置”按钮。设置“原始EV数量”与任务条件的数量相对应。对于每种条件，选择“自定义（三栏格式）”从基本形状下拉菜单中选择“双伽马血流响应函数 来自“卷积下拉菜单^17,18 并选择一个包含任务时间信息的文本文件。
      1. 将此文本文件格式化为三列，每行对应给定类型的一个“事件”。第一列为起始时间（单位：秒），第二列为持续时间（单位：秒），第三列为事件权重。在 对比度 & F检验 标签，为每个任务条件创建一个对比，为每次比较创建一个对比。
   3. 在 统计后分析 标签，选择 簇在 阈值分割 下拉菜单并设置 Z阈值 和 簇 P 阈值分别设为2.3和0.05^8,19.
   4. 在 注册“选项卡”中选择 主要结构图像 输入受试者去颅骨的T1加权图像的路径。使用至少6个自由度的线性常规搜索。选择 标准空间 复选框。输入MNI图谱图像的路径。使用具有12个自由度的常规线性搜索。按下 开始.
3. 2级：比较每种任务条件下各次运行的数据。打开FEAT，从下拉菜单中选择“高级分析”和“统计 + 事后统计”。
   1. 在“数据”选项卡中，选择 输入为较低层级的 FEAT 目录设置输入数量，并输入每幅MR图像的路径。输入一个用于存储输出结果的路径 输出目录.
   2. 在 统计 标签，更改 混合效应：FLAME1选择框以 固定效应。按压 模型设置向导 按钮。选择 单组平均 并点击 过程 按钮
   3. 在 统计后分析“选项卡”中选择 簇在 阈值分割下拉菜单并设置 Z 阈值^" 以及“簇 P阈值分别设为2.3和0.05^8,19. 按压 开始.
4. 3级：针对所有运行中的每个任务条件，在被试间比较数据。打开FEAT。选择“高级分析” 和 “统计学与事后统计分析” 从下拉菜单中。
   1. 在“数据”选项卡中，选择“输入为来自 FEAT 目录的 3D cope 图像设置输入数量，并输入每幅MR图像的路径。输入一个路径用于存储 输出目录".
   2. 在 统计 标签，按下 完整模型设置将EV的数量设置为等于诊断分组、年龄、性别等组变量和协变量的数量。为每个EV输入每个受试者的相应数值（输入1至输入n）。您可以使用 粘贴 窗口以复制这些数值的电子表格。
      1. 在 对比 & F检验“标签页中，为每个测试变量添加对比，并为每次对比（例如， 诊断组）。对于每个测试变量，通过在相应EV列下选择值1来设置对比。对于每个对比，将第一个值设为1，第二个值设为-1。选择 完成.
   3. 在 统计后分析“选项卡”中选择 簇 在 阈值分割 下拉菜单并设置 Z阈值^" 和 “Cluster P” 阈值分别设为2.3和0.05^8,19. 按压 开始.

结果

基于人口统计学特征，各组之间无显著差异²⁰。行为学数据表明，目标检测任务对于9至18岁儿童和青少年而言难度适中。在本研究中，对照组正确识别了82.36%的目标（S.D. = 0.14），而家族风险组正确识别了76.8%的目标（S.D. = 0.17）。与中性图片相比，两组在识别情绪性图片时准确率均有所下降（F(1,40) = 5.63，p = 0.03）。

成像数据表明，实验条件导致了在执行和情绪加工过程中预期被募集的脑区出现显著激活。在目标试验中，两组受试者均观察到前额叶、前部尾状核、岛叶以及后顶叶区域的激活；在厌恶试验中，则观察到右侧杏仁核、双侧眶额皮层、梭状皮层以及视觉皮层区域的激活。表1展示了对照组在每种条件下显著激活的脑区。

该范式还在对照组与精神分裂症家族高风险个体之间引发了显著的激活差异。家族高风险组在面对目标刺激时，前额-纹状体环路的激活程度降低。相比之下，对照组在中额回和脑岛表现出更强的激活。各组在不同条件下的差异见...

讨论

本研究中改进的情绪性偏差范式已被证明可在存在精神分裂症风险的儿童和青少年中，引发选择性注意和情绪加工过程中神经活动的差异。尽管已有研究利用情绪性偏差任务范式来探讨患有精神疾病的成人人群的神经变化⁸，但当前的范式可能在评估 younger 年龄群体的易感性生物标记物方面尤为有用。

在对儿童和青少年进行功能性磁共振成像（fMRI）研究时存在若干固有挑战，包括确保任务在难度和内容上适宜，以及尽量减少运动伪影。该实验方案中的关键步骤包括第2.2步，即要求参与者在正式fMRI扫描前接受一次模拟扫描和练习环节。此步骤对于提高参与者的舒适度和数据质量尤为重要。此外，行为任务的设计至关重要，需确保任务难度适中，并且所选用的厌恶刺激图像适合较年轻的年龄组。当前的任务设计成功地在厌恶条件与中性条件之间诱发了显著的行为差异，并且对高风险组和对照组均保持了适中的难度水平。

本方案的一个局限性在于，该任务未能在厌恶条件与中性条件之间引发杏仁核激活的显著差异。尽管在厌恶条件下观察到显著的杏仁核激活，但与中性刺激相比，其差异并不显著。...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3T MRI 扫描仪	GE		BIAC 3T 扫描仪（已更换）