研究背景抑郁症(major depressive disorder,MDD)是目前全世界范围内对人类健康和生活质量产生重大影响的精神疾病,目前全球约有3.5亿人受其困扰,是引起伤残损失健康生命年(years lived with disability)的十大疾病之一。MDD主要以兴趣减退、快感缺失、精力减退、睡眠障碍、认知功能受损甚至自杀意图和行为等为突出表现。在临床中,MDD诊断主要基于某几大类的症状群,故而在特定患者之间其本身的症状表现可能存在很大的异质性。这些症状异质性的存在导致临床研究时纳入样本的同质性过低,从而削弱了遗传学研究和影像学研究的有效性和敏感性。目前MDD的治疗主要以新型抗抑郁剂为主,如5-羟色胺再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitor,SSRI)、5-羟色胺和去甲肾上腺素再摄取抑制剂(serotonin-norepinephrine reuptake inhibitors,SNRI)和去甲肾上腺素和特异性5-羟色胺能抗抑郁剂(noradrenergic and specific serotonergic antidepressants,NaSSA)等,辅以心理治疗(如行为认知治疗、平衡心理治疗)、物理治疗(如重复经颅磁刺激、无抽搐电休克)及中医药疗法等。值得关注的是,当前临床中无论是单用药物治疗还是联合药物治疗,抑或是药物联合心理治疗或物理治疗等,总体有效率仍不超过50%,有近一半的MDD患者出现慢性化或难治性病程特点。基于当前“单胺假说”的观点,抗抑郁剂在使用后需要2-4周左右的时间才可以通过调节神经递质的释放和再摄取,包括5-羟色胺(serotonin/5-hydroxyptamine,5-HT)和去甲肾上腺素,使其在外周和中枢的突触间隙的浓度趋于初步的平衡,从而出现抗抑郁疗效。但是,这种观点是基于MDD群体研究所得出的平均起效时间,实际上,在临床实践中有部分患者在用药第一周就出现较明显的症状改善,如睡眠障碍和精力缺乏等症状的好转等,同时,也存在相当一部分患者即使足量使用抗抑郁剂6周以上仍未见明显的症状好转。因此,通过既往临床研究中的平均起效时间来指导临床用药显然不利于对MDD患者进行个体化治疗。尤其在当前精准医学的框架之下,应综合考虑MDD患者的个体特征,包括年龄、性别、病程,以及遗传特征和脑影像学特征等,在抗抑郁治疗之前或治疗初期对患者的状况进行综合评估,做到因人施治,制订出更优化的治疗策略。这一方面将有利于减少患者的疾病痛苦和自杀风险,另一方面还有助于巩固医患互信度、高患者的治疗依从性、减少医疗资源浪费。现有研究证据表明,大脑重要脑区或者网络的结构和功能改变深度参与调节MDD的发生和发展过程,包括症状的浮现和加重、及治疗好转。这其中研究较多的网络有默认网络(default mode network,DMN),主要中心节点包括内侧前额叶皮层、后扣带回、楔前叶、海马和小脑等,以及以伏隔核和前额皮质为核心的犒赏网络(reward network)等。DMN在MDD起病初期的非适应性思维反刍(maladaptive rumination)过程中起重要作用,并参与调节对日常生活事件的负性再评价偏向和对负面记忆的保持和取;而犒赏网络则主要参与MDD患者对正性生活事件的负性评价过程,从而导致快感缺失症状的出现。在抗抑郁的治疗过程中,上述结构的功能调节对于患者情绪和认知的恢复能力(resilience)尤为重要,从而表现出具有不同网络特性的患者会对抗抑郁方案表现出不同的治疗反应。此外,作为一类复杂性疾病(complex disorder),MDD的遗传度大约30-40%,其起病和转归并非由某一个或某几个基因进行调控的,而是可能受到几十个甚至上百个微效基因共同调控。而当下的全基因组关联分析研究(genome wide association study,GWAS)因为纳入50万-200万个单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphisms,SNPs)位点进行筛选分析,因此需要较大的样本量,而且在进一步的假阳性校正过程中因为需要较严格的阈值故而容易筛掉那些微效基因。因此,对于MDD这种低遗传度的复杂疾病,采用基于假说的的遗传通路研究或许更具高效性和敏感性。在MDD的发生和转归过程中,最为重要的便是5-HT系统,它不但直接调控情绪调节过程,还间接影响其它神经递质系统,如多巴胺能系统、γ-氨基丁酸能系统和谷氨酸能系统的功能。而目前普遍认为,影响5-HT能系统功能的一个最重要的遗传因素就是5-HT通路的多个基因,如5-HT受体基因、五羟色胺转运体基因、色氨酸羟化酶基因等,这些基因深度参与调节5-HT的合成、释放、转运和再摄取过程。这些基因广泛表达于情绪调节的关键脑区,主要分布于前述的DMN脑区和犒赏环路区域。因此在进行抗抑郁治疗疗效评估和预测,以及治疗方案早期优化的研究过程中,如果能够以假说为驱动,以影像学中间表型为切入点,针对MDD的某一特征性表型(如疗效)或某一症状群(如快感缺失),综合考虑遗传学和神经影像学的指标,将有助于更全面的理解MDD治疗过程中的重要影响因素,从而为今后临床实践中个体化抗抑郁治疗搭建更具实践性和可操作性的评估框架。因此,本研究将采用逐步递进的方式,分别从以下三个方面进行研究:1、从基于MDD局部水平的特征性功能改变的层面,包括体素镜像同伦连接(voxel-mirrored homotopic connectivity,VMHC)、时间变异性、低频振幅(amplitude of low-frequency fluctuation,ALFF)和皮层血流量(cerebral blood flow,CBF)等,初步考察上述局部脑区的功能变化与抗抑郁剂早期疗效的潜在关联性,以及对于早期疗效判别的效能。并尝试纳入双模态指标进行分析,以了解脑血流量和局部活性是否存在同步性改变以及这些改变对早期疗效的影响,并尝试采用机器学习(machine learning)技术纳入双模态综合指标来对早期疗效进行分类和预测;2、尝试从脑网络水平的特征性改变(DMN的拓扑属性、犒赏环路功能连接)的角度,进一步阐述脑网络层面的特征改变在有效组和无效组患者之间的差异,以及这种差异对疗效的潜在影响和预测价值;3、最后,将纳入5-HT通路多位点基因的数据,采用影像遗传学(imaging genetics,IGs)分析策略,全面综合分析多位点基因多态性与局部脑血流量改变的交互效应对于MDD患者早期疗效的的影响。以上三大方面六部分研究将由点及面、从局部到整体、从治疗前到用药后较为全面地探寻在早期抗抑郁剂治疗过程中可用于早期疗效判断和预测的影像遗传学指标。第一部分基于基线期大脑局部水平功能特性的抗抑郁剂早期疗效预测第一章基线期体素同伦镜像连接的特征性改变与早期疗效之间的关联性目的:探讨大脑半球间功能的协调性变化与抗抑郁剂早期疗效之间的相关性,寻找潜在的可以预测抑郁剂早期疗效与预后的影像学指标。方法:入组82例MDD患者和50例健康对照组(healthy controls,HC),依据2周抗抑郁剂治疗后的汉密尔顿抑郁量表(Hamilton depression rating scale,HAMD)减分率,分为有效抑郁组(responsive depression,RD,42例,减分率>50%)和无效抑郁组(nonresponding depression,NRD,40例,减分率<50%),分别计算三组受试者的VMHC强度,并对结果进行统计学分析。结果:与NRD组相比,RD组在双侧楔前叶及颞下回VMHC值下降(P<0.005,AlphaSim校正),但在双侧额中回VMHC值增高(P<0.005,AlphaSim校正);与健康对照组相比,NRD组在双侧小脑前叶、中央后回和丘脑VMHC值显著性降低(P<0.01,AlphaSim校正),而RD组在双侧中央前回、中央后回和额中回VMHC值存在显著性下降(P<0.01,AlphaSim校正)。Pearson相关性分析发现,NRD组双侧楔前叶VMHC值与治疗前HAMD得分呈显著性负相关(r=-0.325,P=0.04)。受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线分析示以下脑区VMHC下降有助于区分NRD组与RD组:颞下回【曲线下面积(area under curve,AUC)=0.699,P=0.002】,额中回(AUC=0.692,P=0.003),楔前叶(AUC=0.714,P=0.001);通过联合上述三个脑区的VMHC指标后进行区分的ROC曲线下面积为0.852(P<0.001)。结论:抑郁症患者存在半球间多个脑区活动的不平衡,抑郁病情的严重程度与某些脑区的功能活动不平衡相关。在疾病过程治疗中,若能够通过调动脑功能活动储备而改善双侧脑区活动的协调性性(VMHC值),则有助于抗抑郁早期起效。第二章基线期时间变异性对于抗抑郁剂早期疗效的预测价值目的:探讨MDD患者组(具有不同的早期抗抑郁药反应)和HC组之间的时间变异性的差异,并进一步探讨治疗前时间变异性与2周抗抑郁剂疗效之间的相关性。方法:在基线时,77名未接受过治疗的MDD患者和42名年龄、性别匹配的HC组受试者接受了临床评估和3.0T静息态功能磁共振成像(resting-state functional magnetic resonance imaging,rs-fMRI)扫。在2周的抗抑郁治疗后,根据HAMD减分率是否超过50%,将MDD患者分为有效组(RD,n=40)和无效组(NRD,n=37)。并基于解剖自动标记-90(anatomical automatic labeling-90,AAL-90)模板计算了90个脑部节点的时间变异性,以便进一步进行组间比较和相关性分析。结果:与HC组相比,RD组和NRD组均在左下枕叶中显示出更高的基线时间变异性(即,动态变化特征)。在RD组中发现左侧苍白球的时间变异性显著性高于NRD组和HC组,左侧苍白球的时间变异性增高与2周HAMD得分减少呈显著性正相关。此外,MDD组(包含RD和NRD)在右额下回、左下枕叶、双侧梭状回和左侧颞横回显示出比HC组更高的基线时间变异性。结论:独特的脑网络动态变化模式可以在治疗早期促进患者对抗抑郁剂治疗的反应,上述特征性变化可以作为开展MDD个性化治疗的辅助指标。第三章基于基线期脑局部活性与皮层血流量改变的抗抑郁剂早期疗效预测目的:探讨基于脉冲动脉自旋标记(paused arterial spin labeling,p ASL)和rs-fMRI的双模态MRI特征在预测早期抗抑郁剂疗效中的潜在价值。方法:入组44例RD组抑郁症患者和36例NRD组患者,以及42例性别年龄教育年限匹配的HC组受试者。均接受3.0T的包括T1、p ASL和rs-f MRI多模态MRI扫。进一步计算基于体素的CBF和ALFF值,用于进一步统计分析,包括ROC分析和基于机器学习技术的10折交叉验证支持向量机(support vector machine,SVM)分类器。结果:与HC组相比,RD组和NRD组均在右侧小脑后叶表现出较低的CBF和ALFF。与NRD组相比,RD组在左前纹状体区域和右额叶感觉运动-小脑区域显示出明显不同的CBF模式,并且在左前额-纹状体和右额颞-感觉运动-纹状体-小脑区域中显示有显著性差异的ALFF模式。ROC分析显示,采用每个模态下(即CBF和ALFF)的综合指标进行RD和NRD的AUC分别为0.749和0.757。当进一步将两种模态(ASL和rs-f MRI)的指标进行整合用于区分NRD和RD组时,结果表明双模态整合指标具有较前述分类指标更优化的区分效能(AUC=0.823,P<0.001)以及较平衡的特异性(89%)和灵敏度(72%)的最佳表现。同时SVM分类器通过纳入双模态指标也进一步验证了较为优化的区分效能(精度=0.713)。结论:额叶-纹状体区域的CBF和ALFF特征性改变可以作为潜在的疗效判断标记,有助于在治疗早期对相应的患者采取优化的个体化治疗策略。第二部分基于基线期脑网络水平特征改变对抗抑郁剂早期疗效的预测第四章基于基线期默认网络拓扑属性改变对抗抑郁剂早期疗效的预测目的:通过分析MDD患者的DMN拓扑结构属性异常,阐明这种拓扑属性差异对判别早期疗效的潜在效能。方法:分别入组82例首发MDD患者和50例健康对照组,所有健康对照和MDD受试者均在用药前接受3.0T静息态f MRI扫及相关临床资料采集。经2周抗抑郁剂治疗后,根据汉密尔顿抑郁量表得分的减分率将患者组分为RD组和NRD组。采用图论分析方法采用基于58个DMN脑区的框架构建拓扑网络,进一步分析其全局和节点的网络属性,并采用SPSS20.0及prism 6.0软件统计分析各指标的组间差异及其判别效能。结果:1、所有被试均的默认网络拓扑结构表现出小世界属性(γ>1,λ≈1,σ>1),但与健康对照相比,RD和NRD均表现出较短的标准化特征性路径长度(λ,反映全局效率)(P<0.05),示MDD组默认网络属性呈现随机化倾向;2、与健康对照相比,RD和NRD均出现左侧前扣带回节点度下降;RD组较对照组存在左侧内上眶额回节点度下降和右侧下眶额回节点度升高(P均<0.017,FDR校正);此外,RD与NRD比较发现,前者出现右背外侧额上回(SFGdor)节点度下降(P均<0.017,FDR校正);3、受试者工作特征曲线分析发现,联合λ值和右侧SFGdor的节点度指标进行判别分析,可有效地区分出NRD(曲线下面积=0.852,95%置信区间:0.77-0.94,P<0.001),示上述指标可作为特异性指标用于早期抗抑郁剂疗效预测。结论:本研究发现MDD患者的默认网络拓扑属性(全局效率和脑区节点度)的改变可用于预测抗抑郁剂早期疗效。第五章基于伏隔核的犒赏环路功能连接改变对抗抑郁剂早期疗效的预测价值目的:抗抑郁剂早期疗效的判断仍然缺乏稳健的客观标记物。本研究旨在探讨基线期伏隔核网络的属性特征对于早期疗效的预测作用。方法:81例抑郁症患者及43例健康对照组纳入本次研究,接受3.0T磁共振扫和临床评估。根据2周抗抑郁治疗后的HAMD减分率是否超过50%,分为RD组(44例)和NRD(37例)。以双侧伏隔核为节点构建网络,并进一步进行相关统计学分析。结果:与健康对照组相比,RD组左侧伏隔核网络的右侧额上回正连接降低而右侧额下回、额内侧回、左侧中央后回和扣带回正连接增强;而RD与NRD组均呈现出增强的左侧楔前叶与右侧伏隔核的负连接增强(均为FDR校正,P<0.05)。与NRD组相比,在左侧伏隔核网络,RD组存在与左侧颞上回、右侧额上回和左侧海马旁回的正连接降低,以及与双侧中央后回、左侧额内侧回合右侧中扣带回正连接增强;而在右侧伏隔核网络,RD组表现出与左侧额上回正连接降低而与右侧扣带回正连接增强(均为FDR校正,P<0.05)。Pearson相关分析显示,左侧伏隔核与右侧额上回的功能连接强度与抑郁严重程度(基线期HAMD)呈正相关(r=0.367,P=0.001),而与2周HAMD减分率呈负相关(r=0.367,P=0.001)。受试者工作特征曲线分析显示,联合左侧伏隔核网络的右侧额上回、左侧海马旁回以及右侧伏隔核网络的左侧额上回网络连接指标可有效识别NRD与RD患者(曲线下面积=0.869,P<0.001,敏感性=0.838,特异性=0.818)。结论:右侧伏隔核网络与左侧楔前叶的负连接增强可能是独立于疗效存在的抑郁症特征性内表型。不同抗抑郁剂早期疗效组之间存在特征性的伏隔核网络差异,部分特征的指标可作为早期疗效的预测标记。本研究结果为将来进一步优化个体化抗抑郁治疗供了重要参考。第三部分5-羟色胺通路基因多态性对脑血流的影响及其在抗抑郁剂疗效早期预测中的潜在价值第六章5-羟色胺通路基因对默认网络关键脑区脑血流量的影响以及在抗抑郁剂早期疗效预测中的价值目的:采用影像遗传学方法,探讨5-HT通路多基因SNPs和抗抑郁剂治疗前基线期局部CBF的相互作用与早期疗效的关系,并进一步确认受5-HT通路基因影响的CBF变化对于早期疗效的预测的潜在价值。方法:入组22例RD组和22例NRD组抑郁症患者,所有被试均接受抗抑郁剂治疗、2周临床疗效评估、5-HT通路多基因测序、p ASL功能像和T1结构像MRI扫。采用协方差分析确定存在疗效×SNP相互作用的脑区。基于上述统计结果,进一步选择存在交互作用的脑区CBF值进行相关性分析和疗效判别分析,以确定多位点综合效应对脑血流的影响及其对早期疗效的调控作用。结果:11个基因的12个SNP与CBF水平和早期疗效存在交互作用。左侧小脑后叶、右侧内侧额回、左侧颞中回的CBF水平和短期(2周)或中期(6周或8周)抗抑郁反应之间存在显著性相关。当综合受多个SNP影响的三个脑区CBF,即右侧额内侧回(与疗效、HTR3Drs12493550存在交互作用),右侧小脑后叶(HTR1A rs878567),和左侧楔前叶(TPH2rs11178998),用于ROC分析时发现,综合指标在对RD和NRD患者进行分类时显示出更加优化的鉴别能力。结论:基于5-HT通路多位点基因SNP与早期疗效交互作用主要体现在与情绪调控相关的多个脑区,主要以小脑后叶、额内侧叶和楔前叶等为主。上述基于通路遗传影像的CBF分析构建了基于5-HT通路基因多态性/抗抑郁剂疗效预测相关的脑功能异常模式,有助于更全面的分析和判断MDD早期疗效预测的神经影像学标记物。