瑞金新知速递 第670期|孙伯民主任医师发现腹侧内囊/腹侧纹状体区域脑深部电刺激治疗难治性抑郁症脑结构与脑功能的相关性
2022年12月，孙伯民主任医师在《Journal Of Neurology Neurosurgery And Psychiatry》杂志在线发表题名为“Structural and functional correlates of the response to deep brain stimulation at ventral capsule/ventral striatum region for treatment-resistant depression.”——腹侧内囊/腹侧纹状体区域脑深部电刺激治疗难治性抑郁症疗效的脑结构与脑功能的神经相关物的研究论文。
瑞金医院功能神经外科孙伯民主任医师、复旦大学类脑智能科学与技术研究院Valerie Voon特聘研究员为论文的共同通讯作者，瑞金医院功能神经外科赖伊杰医师为论文的第一作者。
doi: 10.1136/jnnp-2022-329702.
靶向腹侧囊/腹侧纹状体（VC/VS）的脑深部电刺激（DBS）显示出治疗难治性抑郁症（TRD）的潜力。然而，已发表的VC/VS-DBS治疗TRD的试验结果不相一致，一个可能的解释为其疗效与反应性纤维束和相关脑网络的定位及靶向有关。这一假设部分得到了近期的新提出的理论支持，但到目前为止，已发表的TRD的DBS临床数据集中于手术疗效，与疗效相关的神经通路仍不十分清楚。
理论上说，相比于毁损术式，DBS的受刺激大脑区域以及治疗效果可以通过调整刺激参数来优化。虽然如此，如何进行参数的优化仍缺乏理论与实践的支持。目前，大量研究表明，先进神经影像技术有助于使用人类连接组来确定与神经精神疾病的症状和预后相关的脑连接特网络以及与相关的纤维束，可进一步指导手术的计划与术后程控。这里，我们提出假说：VC/VS-DBS在TRD中的有效性与穿过受刺激区域的神经纤维束及相关连接特性有关，并且刺激依赖性连接图谱可用于预测样本外数据中的个体结果。
本研究对TRD患者中不同刺激参数的响应进行了评估。在对电场进行计算后，将其与标准化的功能和结构连接组进行融合，以确定疗效相关的脑连接与神经纤维束。研究者们计算了刺激依赖的最佳脑连接图谱，并构建了连接模型来预测疗效。预测采用留一法进行交叉验证。结果显示，通过构建最佳连接图谱，功能连接组（p<10-4，R=0.49；与实际值值偏差为14.4±10.9%，p<0.001）与结构连接组（p<10-5，R=0.51；与实际值偏差为15.2±11.5%，p<10-5）均可有效预测样本外DBS患者的抗抑郁效果。同时，研究解析出了与最佳疗效相关的额叶-丘脑通路和皮质投射。一种模态（功能/结构）的最佳连接图谱与另一模态（结构/功能）的个体化脑连接性之间的相似性也可显著预测DBS疗效。最佳的结构和功能连接主要汇聚于腹侧和背侧前额叶皮层和眶额皮层。
这是第一项从功能和结构角度深入探索VC/VS-DBS对TRD疗效相关的神经连接的研究。它描绘了VC/VS-DBS反应性的额叶-丘脑通路及连接图谱。此外，它还提供了功能和结构证据，以支持VC/VS-DBS和胼胝体扣带回DBS可能作用于共同的脑网络。这项研究有助于以脑网络的角度细化指导VC/VS-DBS参数调整，并为侵入性和非侵入性脑刺激的神经机制提出解释。
【Abstract】
Background: Though deep brain stimulation (DBS) shows increasing potential in treatment-resistant depression (TRD), the underlying neural mechanisms remain unclear. Here, we investigated functional and structural connectivities related to and predictive of clinical effectiveness of DBS at ventral capsule/ventral striatum region for TRD.
Methods: Stimulation effects of 71 stimulation settings in 10 TRD patients were assessed. The electric fields were estimated and combined with normative functional and structural connectomes to identify connections as well as fibre tracts beneficial for outcome. We calculated stimulation-dependent optimal connectivity and constructed models to predict outcome. Leave-one- out cross-validation was used to validate the prediction value.
Results: Successful prediction of antidepressant effectiveness in out-of- sample patients was achieved by the optimal connectivity profiles constructed with both the functional connectivity (R=0.49 at p<10-4; deviated by 14.4±10.9% from actual, p<0.001) and structural connectivity (R=0.51 at p<10-5; deviated by 15.2±11.5% from actual, p<10-5). Frontothalamic pathways and cortical projections were delineated for optimal clinical outcome. Similarity estimates between optimal connectivity profile from one modality (functional/structural) and individual brain connectivity in the other modality (structural/functional) significantly cross-predicted the outcome of DBS. The optimal structural and functional connectivity mainly converged at the ventral and dorsal lateral prefrontal cortex and orbitofrontal cortex.
Conclusions: Connectivity profiles and fibre tracts following frontothalamic streamlines appear to predict outcome of DBS for TRD. The findings shed light on the neural pathways in depression and may be used to guide both presurgical planning and postsurgical programming after further validation.
【中文摘要】
背景： 尽管脑深部电刺激（DBS）越来越多地显示出在治疗难治性抑郁症（TRD）的潜力，但其潜在的神经机制仍不清楚。在这里，研究者们探索了与腹侧囊/腹侧纹状体区域DBS治疗TRD临床疗效相关的脑功能和结构连接，并由其构建模型进行了疗效预测。
方法： 研究者对10例TRD患者中71种不同刺激参数的响应进行了评估。在对电场进行计算后，将其与标准化的功能和结构连接组进行融合，以确定疗效相关的脑连接与神经纤维束。研究者们计算了刺激依赖的最佳脑连接图谱，并构建了连接模型来预测疗效。预测采用留一法进行交叉验证。
结果： 通过构建最佳连接图谱，功能连接组（p<10-4，R=0.49；与实际值值偏差为14.4±10.9%，p<0.001）与结构连接组（p<10-5，R=0.51；与实际值偏差为15.2±11.5%，p<10-5）均可有效预测样本外DBS患者的抗抑郁效果。同时，研究者们解析出了与最佳疗效相关的额叶-丘脑通路和皮质投射。一种模态（功能/结构）的最佳连接图谱与另一模态（结构/功能）的个体化脑连接性之间的相似性也可显著预测DBS疗效，最佳的结构和功能连接主要汇聚于腹侧和背侧前额叶皮层和眶额皮层。
结论： 脑连接图谱及额叶-丘脑间的纤维连接可对接受DBS治疗的TRD患者疗效进行预测。这一发现揭示了抑郁症潜在相关神经通路，并有希望应用于指导外科治疗中的术前规划和术后程控。
作者简介
孙伯民 主任医师，博士生导师，上海交通大学医学院附属瑞金医院功能神经外科中心主任，现任世界立体定向及功能神经外科学会(WSSFN)秘书长，亚洲癫痫外科学会常委；研究方向：精神疾病、运动障碍疾病的神经外科治疗。
赖伊杰 医师，上海交通大学医学院附属瑞金医院功能神经外科；研究方向：精神疾病与运动障碍性疾病的神经外科治疗。