鼻内催产素对精神分裂症患者静息状态有效连接的影响

目的：来自多个研究领域的证据表明，神经肽催产素在社会认知和社会行为中起着关键作用。尽管有一些研究检查了催产素对精神分裂症临床症状的影响，但其潜在的神经生物学变化尚未得到充分研究。因此，本研究考察了催产素对精神分裂症患者大脑有效连通性的影响。

方法：31例男性精神分裂症患者(SCZ)和21名健康男性志愿者(HV)采用鼻内催产素(24iu)和安慰剂进行静息功能磁共振成像扫描。我们使用多元向量自回归granger因果关系模型进行了全脑有效连通性分析。我们进行了连接分析以控制虚假变化，并在连通性变化与临床和人口统计学变量之间进行典型相关分析。

结果：三个来自左尾状核的连接通过连接通过了FDR校正：连接左辅助运动区，左中央前回，和左额下三角回。在基线时，SCZ患者尾状核到这三个区域的连通性明显较弱。催产素，而不是安慰剂，显著增加了这些联系的连接强度。更好的认知洞察力和较低的阴性症状与催产素的连接增加有关。

结论：这些发现为催产素对精神分裂症患者大脑连通性的影响提供了初步的机制理解。研究结果为检查催产素对精神分裂症患者社会认知缺陷的潜在效用提供了理论依据。

1. 1. 简介

来自几条研究线的新证据表明，神经肽催产素在跨物种的社会认知和社会行为中起着关键作用。一些研究已经检查了鼻内催产素作为精神分裂症社会认知缺陷辅助治疗的潜力。虽然催产素在改善阳性和阴性症状以及神经认知缺陷方面的作用仍有争议，但鼻内催产素有可能改善更高水平的社会认知。尽管有几项研究检查了催产素对精神分裂症临床症状的影响，但其潜在的神经生物学变化尚未得到很好的探索。在第一个精神分裂症患者的功能磁共振研究中，作者使用内隐面部情感识别范式检查了鼻内催产素对大脑活动的影响，并报道了情绪性面部的杏仁核活动减弱。最近对精神分裂症患者进行的基于任务的功能磁共振成像研究报告了催产素对社会大脑区域的调节作用，使用的是心智理论任务和随机奖励的决策任务。对健康志愿者的研究表明，鼻内催产素对大规模静息状态的大脑网络有调节作用；催产素增强了皮层-纹状体的内在功能连通性和杏仁核前额叶皮层的连通性。唯一一项针对精神分裂症的研究使用了以杏仁核为种子的连接分析。在使用鼻内催产素的精神分裂症患者中，杏仁核与左侧颞中回、颞上沟和角回之间的功能连接增加。该研究还报告了阴性症状与催产素增加杏仁核和颞叶结构之间的连通性之间的相关性。

在上述研究中，功能连通性分析一直是关注区域间连通性强度的最普遍的研究模式。另一方面，有效连接研究了一个神经系统如何影响另一个神经系统，并对不同大脑区域之间的信息提供了有价值的见解。换句话说，有效的连通性分析允许对定向因果影响进行推理。只有少数研究检查了鼻内催产素的有效连接变化。最近的一项研究报道，在健康个体中，鼻内催产素可调节楔前叶和背外侧前额叶皮层之间的有效连接。到目前为止，还没有研究使用静息状态功能磁共振检查鼻内催产素对精神分裂症患者有效连接的影响。

因此，在本研究中，我们使用功能磁共振成像检查了鼻内催产素对精神分裂症患者有效连接的影响。我们采用单盲安慰剂对照设计，研究单剂量鼻内催产素对全脑有效连通性的影响。由于在第一次扫描时，与扫描仪环境相关的压力可能引起交感神经兴奋并影响大脑活动，我们考虑了三次扫描范式。我们进行了一次基线扫描，没有使用任何药物，在随后的两次扫描中，我们以平衡的顺序给予安慰剂和催产素。考虑到在患者群体中文献的缺乏，我们进行了全脑分析，而不是将其限制在特定的感兴趣的区域，如杏仁核。我们进行了连接分析，以确定大脑中的定向连接，同时满足所有假设，并纠正了整个大脑的多重比较。具体来说，我们测试了精神分裂症患者(SCZ)在基线时是否会明显弱于健康志愿者(HV)，以及与各自的基线相比，催产素是否会显著加强SCZ的连接。

1. 2. 材料和方法
2. 2.1 设计总览

该研究涉及31名精神分裂症男性患者(SCZ)和21名健康男性志愿者(HV)。所有受试者都进行了三次静息功能磁共振成像(rsfMRI)扫描。在第一次扫描(称为基线扫描)期间，没有给药。受试者在第二次和第三次扫描前45分钟自我注射24iu催产素或盐水鼻腔喷雾剂。该研究所的人类伦理委员会批准了该研究。所有参与者均给予书面知情同意。figure1给出了研究设计的原理图。

图1 实验设计

1. 2.2  被试

患者于2013年至2018年期间从印度班加罗尔的国家精神卫生和神经科学研究所招募。通过传单、广告和口口相传从社区中招募健康对照组。我们采用结构化临床访谈法对DSM-IV I轴障碍(SCID-I)的所有患者进行了采访，并招募了那些被诊断为精神分裂症或分裂情感性障碍的患者。我们排除了那些在过去12个月内有药物依赖/滥用(尼古丁除外)、并发轴- I障碍共病、少于10年的正规教育、有伤害自己或他人的风险、在过去6个月内有电休克治疗史、临床显著的身体疾病、体内有金属植入物、幽闭恐怖症和当前的上呼吸道感染或鼻阻塞。此外，如果健康的志愿者一生中有任何轴-1诊断史或一级亲属有精神分裂症家族史，他们也被排除在外。所有患者均接受抗精神病药物治疗，其中一些患者同时服用抗精神病药物。

1. 2.3  评估

临床症状的严重程度采用阳性和阴性综合征量表(PANSS)和阴性症状评估量表(SANS)进行记录。用全球功能评估量表(GAF)评估功能水平，用卡尔加里精神分裂症抑郁量表(CDSS)评估抑郁症状，用尼古丁依赖法格斯特罗姆试验(FTND)评估尼古丁依赖的严重程度。

1. 2.4  催产素/安慰剂管理

在第二次和第三次扫描中，受试者在每次扫描前45min自我注射6次催产素(24iu)或盐水鼻腔喷雾剂。参与者在实验者在场的情况下按照既定的指导方针给药我们使用相同的和盖上盖子的喷雾瓶，让参与者对药物的作用视而不见。我们还平衡了催产素和安慰剂的给药顺序。参与者被要求前一晚不要饮酒，在扫描前至少4小时不要吸烟。催产素使用的进一步细节在补充材料中给出。

1. 2.5  OXTR基因分型

由于OXTR单核苷酸多态性(rs2254298)已被报道影响对催产素的反应，因此对其进行了检测参与者中2个SCZ和1个HV不同意基因分型。该多态性通过TaqMan标准等位基因鉴别法测定，该方法利用Taq DNA聚合酶的5外切酶活性检测PCR扩增后产生的荧光报告信号。

1. 2.6  图像采集图预处理

血氧水平相关(BOLD) T2*加权回声平面图像使用3-特斯拉MRI扫描仪(Skyra, Siemens Healthcare, Germany)获取。参与者在一次测试中被扫描了6分22秒，为分析提供了153卷。采用3D MPRAGE结构序列采集结构像。我们使用泡沫垫来减少头部运动。在扫描过程中，参与者使用mr兼容的视觉刺激系统观看黑色背景上的白色固定。参与者被要求看着固定的十字架，并允许他们的思想漫游。标准静息态fMRI预处理在静息态fMRI数据处理助手(DPARSF) (http://rfmri.org/DPARSF)中进行。为了避免扫描仪的不稳定性，在静息功能数据中丢弃前三卷。预处理步骤包括切片定时，利用24个Friston运动参数和帧位移(Framewise Displacement, FD)进行运动校正，然后归一化到MNI空间，去趋势，回归出干扰协变量如白质信号和脑脊液信号。使用6毫米全宽半最大(FWHM)高斯核对数据进行空间平滑，并排除所有运动超过3毫米的参与者。我们采用了一种流行的盲反褶积算法来最小化HRF的非神经变异性，并估计潜在的神经元时间序列该方法将静息状态fMRI数据视为与随机发生事件相关的自发事件，并使用韦纳反褶积估计体素特异性hrf。对反卷积数据进行低通滤波(0.01 0.1 Hz)。考虑到全脑fMRI数据的高维度，我们使用MarSBar (http://marsbar.sourceforge.) 和WFU-pick-atlas (https://www.nitrc.org/projects/ wfu_pickatlas)从全脑90个功能脑区获得了滤波的平均反卷积 fMRI时间序列。全脑有效连通性分析采用多元向量自回归(MVAR)模型。从MVAR模型中获得的指向性，如格兰杰因果关系，是一种可靠的方法，可以通过fMRI推断大脑区域之间的指向性影响。作为一种数据驱动的方法，格兰杰因果关系分析不需要连接先验的规范。该模型假设，如果时间序列T1(来自神经系统X)的过去值有助于预测时间序列T2(来自神经系统Y)的现在和未来值，则可以推断从T1到T2的定向因果影响。根据之前的研究方法，我们为每个参与者获得了全脑有效连接矩阵。格兰杰因果关系值为0表示从源到目的区域无因果关系，值为1表示强正因果关系，值为1表示强负因果关系。

1. 2.7  组水平分析

我们进行了关联分析以控制由于受试者内部、扫描变异性引起的虚假变化。这将使我们能够将研究结果推广到一般人群。

1. 2.8  和行为的相关性

我们在一侧的连通性变化与另一侧的临床和人口统计学变量之间进行了典型相关分析(CCA)。CCA是一种识别不同模态变量之间关系的方法。由于它能够处理大量的变量，CCA是检查功能脑连接和行为之间的多方面关系的理想方法。CCA的进一步细节在补充材料中给出。我们使用100,000次迭代的排列检验来发现成像和非成像测量及其载荷之间相互关联的显著潜在变量。为了检验抗精神病药物可能的混淆效应，我们在抗精神病药物剂量的CPZ当量与有效连通性变化(例如:催产素期间的连通性减去基线期间的连通性)之间进行了皮尔逊相关分析，并进行了连接分析。

1. 3. 结果

样本的社会人口学和临床特征见表1。两组在受教育年限和年龄上有显著差异，这在组水平分析中被用作协变量。纯合子GG和杂合子AG的数量在患者组和对照组中分布均匀(表1)。

通过对整个大脑的连接分析，有三个连接通过了FDR校正阈值。所有三个连接都来自左尾状核。这些连接从左侧尾状核到(1)左侧补充运动区(MNI坐标x = 5,y = 5,z = 6) 2)左侧中央前回(MNI坐标x = 39;y = 6;z = 51) 3)左侧额下三角回(MNI坐标x = 46;y = 30;z = 14)。其他连接都没有通过应用的严格阈值。(figure 2和补充fg.S2)。在基线时，SCZ患者尾状核到这三个区域的连通性明显较弱;(1)左侧尾状核和左侧补充运动区(pcorr = 0.01)(2)左侧尾状核和左侧中央前回(pcorr = 0.0)(3)左侧尾状核和左侧额下三角(pcorr = 0.01)。

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图2 与受影响的网络有关的大脑区域。基于WFU-pickatlas脑图谱进行区域划分。左尾状核是所有三个连接的来源。

在这些联系中，SCZ和HV在基线条件和安慰剂条件之间没有显著差异;SCZ:(1)左侧尾状核和左侧补充运动区(pcorr = 0.78)(2)左侧尾状核和左侧中央前回(pcorr = 0.62)(3)左侧尾状核和左侧额下三角区(pcorr = 0.94)。HV:(1)左侧尾状核和左侧补充运动区(pcorr = 0.19)(2)左侧尾状核和左侧中央前回(pcorr = 0.42)(3)左侧尾状核和左侧额下三角区(pcorr = 0.24)。

三种网络均存在显著的组x条件效应;(1)左侧尾状核和左侧补充运动区(pcorr = 0.04)(2)左侧尾状核和左侧中央前回(pcorr = 0.04)(3)左侧尾状核和左侧额下三角区(pcorr = 0.04)。在这些连接中，SCZ在基线和催产素条件下有显著差异，但在HV上没有显著差异。SCZ:(1)左侧尾状核和左侧补充运动区(pcorr = 0.01)(2)左侧尾状核和左侧中央前回(pcorr = 0.01) iii)左侧尾状核和左侧额下三角(pcorr = 0.03)。HV:(1)左侧尾状核和左侧补充运动区(pcorr = 0.35)(2)左侧尾状核和左侧中央前回(pcorr = 0.37)(3)左侧尾状核和左侧额下三角区(pcorr = 0.43)。

安慰剂组和催产素组SCZ在(1)左尾状核和左补充运动区(2)左尾状核和左中央前回 (3)左尾状核和左额下三角也有显著性差异。结果在figure 3中以图形形式表示，并显示了连通性强度。

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图3 有效连通性分析的图形表示，显示从左尾状核到(A)左额下三角回，(B)左辅助运动区，和(C)左中央前回的连接。实线:安慰剂，虚线:催产素，BL:基线，PL:安慰剂，OX:催产素。

CCA算法确定了四种模式。对于患者中催产素和安慰剂之间的连通性差异，模式3是显著的。对于患者中催产素和安慰剂之间的连接差异，所有三种激素与SES和BCIS SR呈正相关，与发病年龄、PANSS阴性和CGI严重程度呈负相关(补充fg.S2)。这表明，社会经济地位和认知洞察力越好，发病年龄越早，阴性症状的严重程度越轻，与安慰剂相比，催产素的连通性增加越多。

在催产素与基线比较和安慰剂与基线比较中，抗精神病药物的CPZ等价物与存活矫正阈值的三种连接的有效连接变化之间没有显著关系。个别连接的r和P值如下所示;(a)催产素期间的连通性减去基线-左尾状到左额下三角回的连通性(r = .0988;P = .6170)，左侧辅助运动区(r = 0.2565;P = .1877)和左中央前回(r = .1160;P = .5566) (b)催产素期间的连通性减去基线左尾状回到左额下三角回的连通性(r = .0432;P = .8272)，左侧辅助运动区(r = .1307;P = .5074)和左中央前回(r = .0506;P = .7983)。

1. 4. 讨论

据我们所知，这是第一个研究精神分裂症患者与鼻内催产素的全脑有效连通性变化的研究。我们对多次比较进行了严格校正的全脑连接分析。我们还通过匹配参与者的催产素受体变化来控制潜在的混杂因素。我们发现三个受影响的连接，在左侧尾状核，连接到左侧SMA、左侧三角部和左侧中央前回。基线时SCZ的连接较弱，经OXT后明显改善。我们还发现，那些有更好的认知洞察力和较少负面症状的人与催产素的连通性有更显著的增强。虽然早前的一项研究报道了阴性症状和催产素诱导的杏仁核功能(非方向性)连接变化之间的关系，我们已经报道了与尾状核的定向连接。

关于精神分裂症的几条研究线一致报道了尾状核中异常的结构、功能和多巴胺神经传递。涉及尾状核的奖赏通路的改变与精神分裂症的症状学有关。一些研究也报道了左三角部的异常，功能失调的运动系统，包括精神分裂症的运动皮层和辅助运动区和角回。这些神经支配也是与一些社会认知功能有关的神经网络的一部分。虽然尾状核传统上与运动功能有关，但新兴文献表明它在社会认知功能(如社会决策)中发挥作用。尾状核通过与杏仁核和皮层区域的连接，可以通过整合社会刺激、记忆、信任的先入为主和预期奖励，对社会决策过程做出贡献。当参与者执行测量信任、面部处理和亲代依恋的任务时，催产素的使用增加了尾状核的活动。这也得到了静息功能磁共振成像研究的支持。在这些研究中，催产素对涉及尾状核的几个大规模网络的调节作用已被证明。涉及语音和处理语音相关的手势。包含运动皮层和辅助运动区的中央前回是镜像神经元系统的核心区域。它们涉及动作识别、模仿和代理表征。

尽管近十年来对催产素的研究兴趣不断增加，但我们对催产素的神经生物学还没有完全了解。现有的证据表明，催产素系统是复杂的，通过调节富含催产素受体的大脑区域，如杏仁核、脑岛和纹状体，对行为有多方面的影响。虽然大多数最初基于种子的分析方法报告了催产素对杏仁核连接的影响，但一些全脑分析表明催产素对大脑其他区域也有调节作用。虽然我们没有发现催产素对杏仁核连通性的显著影响，但这可能是由于方法上的差异，因为当前研究中遵循的先验关联分析限制了多个水平。例如，如前所述，如果OXT对杏仁核连通性的影响在SCZ和HV之间相似，或在之前的研究中报告的不同组之间相反方向，则连通性在连接分析中不会被认为是显著的与临床变量的相关性表明，较高的社会经济地位、更好的认知洞察力、较轻的阴性症状严重程度以及较早的发病年龄与催产素的更大反应相关。虽然前三个变量是良好的预后因素，但发病年龄早被认为是精神分裂症的不良预后因素对于这种联系，我们没有一个明确的解释。在独立样本中复制之前，这些相关性需要被认为是初步的，并在未来的研究中进行检验。

1. 5. 总结

目前的研究结果表明，催产素对锚定在左侧尾状核的大脑网络具有显著的调节作用，该网络与左侧SMA、左侧三角部和左侧中央前回有定向连接。在精神分裂症患者中，这种联系明显减弱，而催产素显著改善了这种联系。这些发现为催产素对精神分裂症患者大脑连通性的作用提供了初步的机制理解。研究结果为检查催产素对精神分裂症患者社会认知缺陷的潜在效用提供了理论依据。