Molecular Psychiatry：抑郁症患者经ECT治疗后齿状回增大的7T磁共振成像研究

Original: 杨晓飞思影科技 2019-06-30

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摘要：ECT（电休克）被认为是治疗抑郁最为有效的方式，然而其作用机制仍不清楚。有关动物ECT相关研究中发现海马齿状回存在神经元再生现象。在人类研究中也有报道指出海马增大，但由于常规MRI技术难以对其亚区进行准确的测量。如果人类海马体积的增大是由神经元再生引起的，那么它应该只存在于齿状回中，事实上其它过程(如血管生成、突触生成)也会影响其它海马亚区。

对此，来自荷兰格罗宁根大学的研究人员在Molecular Psychiatry杂志发文表示：通过7T高场强MRI扫描有助于对海马亚区进行更为精细的研究。通过视野的自动放置来进一步增加个体间测量的敏感性。共有31名被试完成此次研究，其中包括23名病例和8名对照。患者分别在基线和第10次（约为5周间隔）双侧ECT治疗后接受MRI扫描，与此匹配的对照组也在相同5周间隔内分别进行两次MRI扫描。后测时健康对照组体积并未改变，而患者组海马齿状回体积出现显著大幅增加(M = 75.44 mm³, SD = 9.65, p < 0.001)，其它亚区未受影响。不过需要注意的是，本研究较小的样本量可能导致出现II类错误。此外，研究指出海马体积的增大与抑郁得分降低相关，并且基线时海马齿状回的体积能够预测ECT的临床反应。这些结果表明海马齿状回体积的改变与ECT治疗抗抑郁有关，并且可能反映了神经元的再生。

1.前言：

电休克疗法(ECT) 对于重度和难治性单相及双相抑郁是最为有效的精神治疗方法。ECT对抑郁症的治疗效果胜过药物（如三环类抗抑郁药和单胺类氧化酶抑制剂），以及其它任何形式的心理治疗。

尽管它在降低抑郁症状方面的成效几近达到完全缓解，但是ECT的作用机制在一定程度上仍不清楚。在预临床试验中，电休克痉挛（ECS：动物模拟ECT）主要集中在海马区域，以探究ECT潜在的神经生物学和神经化学效应。在啮齿动物和非人类灵长类动物中，经过ECS后齿状回神经元往往会出现再生。除了神经元再生以外，血管再生、胶质再生、苔藓纤维发芽、树突分支和突触再生均作为ECS治疗结果被观察到。这些过程在成年哺乳动物海马内外其它区域同样被观察到。

关于单相和双相抑郁患者经过ECT治疗后的神经影像学研究已经对海马体积进行了探究。最近对这些研究的Meta分析和文献汇总指出，经过ECT治疗后，患者左右侧海马和杏仁核体积均存在显著增大。近来包括大样本抑郁患者的全球ECT-MRI研究合作（GEMRIC）得出了一样的结果。虽然这些发现支持ECT临床效应在神经元再生中可能起到一定作用，其它海马功能恢复过程，如血管和神经胶质细胞再生也可能解释海马体积的增大。然而，ECT在人类抑郁中是否能够引发与动物模型相同的效应并未明确，尤其是齿状回的神经元再生是否起到了相同至关重要的作用也仍不清楚。最近基于健康人群的研究表明，成年人大脑中并未出现神经元再生。但这项研究仍具有争议，迄今为止，成人大脑是否具有神经元再生的能力仍未确定。

来自海马亚区准确的体积信息能够帮助区分海马体积变化是仅限于齿状回神经元再生引起的效应还是其他过程影响所有海马亚区产生的效应，如血管再生和突触再生。因此，对海马亚区准确的描述对于鉴别ECT引起的特定体积改变以及解释人类在ECT治疗过程中是否发生神经元再生是至关重要的。这是一项重要缺失的环节，因为神经元再生可能是抗抑郁效应中至关重要的中介因素。然而，因为海马较小，为准确描述不同亚区则需要进行高分辨扫描。目前为止，ECT治疗效应的MRI扫描研究中场强均为1.5T或3T，这限制了能够实现的最大分辨率和海马亚区分割的准确程度。提高图像分辨率的一种可能的方式是进行7T高场扫描。进一步提高敏感性的重复测量可以通过确保每次扫描时，扫描相对于大脑的位置保持不变来实现。在当前的研究中，研究者使用7T扫描序列设计来实现海马亚区的最优测量并且采用全自动扫描设计确保每个被试ECT治疗前后扫描的定位相同。

在ECT动物模型中，齿状回一直与神经元再生有关，所以研究人员假设海马体积变化与齿状回有关。此外，研究人员还假设齿状回体积的改变与临床疗效呈正相关(也就是说齿状回体积的增加与ECT有力的临床治疗疗效相关)。

2．材料方法

样本：

病例及对照均来自于荷兰乌特勒之大学医学中心精神病学系。

病例入组标准为：

（1）超过18岁

（2）通过DSM-IV-TR诊断标准诊断为单相或双相抑郁症

（3）根据荷兰ECT诊疗指南判断患者具备ECT指征

病例组排除标准包括：入组前6个月内接收过ECT治疗，具有核磁禁忌症（心脏起搏器、幽闭恐惧症、金属移植物等），脑部异常，卒中史，怀孕或哺乳，及重大躯体疾病（冠心病、慢阻肺等）。对于健康对照年龄超过18岁且无任何精神类疾病。并且对照组在人口学变量方面与病例组基本匹配。

对照组排除标准：具有精神疾病史，具有核磁禁忌症，脑部异常，卒中史，怀孕或哺乳，及重大躯体疾病。需要注意的是纳入健康对照的目的是确定是否体积变化是由扫描仪器特征系统变化引起。

本研究中38人符合入组排除标准，其中病例26人，对照12人。由于个人原因，扫描时焦虑，ECT治疗少于10次，扫描伪影等原因的存在，最终本次研究纳入30名被试（22名病例，8名对照）。

治疗过程

应用Thymatron IV ECT机器（额颞电极定位，刺激强度为滴定癫痫阈值的150%），每周两次，持续5周。10次后，患者进行退出评估。这样为了尽量减少患者在退出时由于治疗时间对研究造成的差异。之后，根据临床需求，一些病人接受额外的ECT治疗。患者接受少于10次ECT治疗，被排除在分析之外。

在输送电流前，给予患者麻醉药(依托咪酯/甲氨蝶呤)和肌肉松弛剂(苏基胆碱)。在左臂或右臂上放置血压袖带，防止肌肉松弛剂进入，通过视觉和肌电图观察引发癫痫发作的时间。病人的生命体征由取得执照的麻醉师和护士进行全程监控。电流由训练有素的精神病医生(或住院医生)负责调控。采用单通道脑电(右额乳突肌位置)记录脑电图。依据荷兰电休克疗法和国际文献指南，运动痉挛发作时间至少20秒。如果痉挛持续时间小于20s，则增加5-10%的电流输出。每次ECT治疗通电不超过三次。所有患者在每次ECT治疗中都有大于20秒痉挛发作。

MRI数据获取处理

应用7T飞利浦核磁扫描仪，配置32通道线圈进行数据采集。3D加权T1数据获取具体参数：voxel size：1mm， TR/TE：5.5/2.04ms， flip angle：6°，FOV：256 × 256 ×190，numberof slices：190，扫描共持续125秒。3D加权T2数据获取具体参数：voxel size：0.286 × 0.286mm，slice thickness：2mm，TR/TE：3800/60ms，flip angle：90°，FOV：60 × 220 × 220，number ofslices：30，扫描共持续496秒。需要的注意，扫描体素为高度各向异性。为了重复测量，对于每个被试以相同方式对FOV放置是至关重要的。为了确保这一点，研究者使用了所谓的“智能检测”计划。这是一种全自动方法，基于每次扫描前由加权T1提取出的大量脑解剖特征将FOV放置于大脑。

所有处理均由ASHS，FSL和ANTs完成实现。T2加权像通过刚性配准到T1加权像，T1加权像配准到ASHS内部提供的模板上。这些配准应用于T1和T2加权像在左右感兴趣区模板空间进行重新采样。随后，软件包模板分割被配准到个体空间。采用多图集联合标签融合和体素智能校正学习法对海马进行分割。这部自动过程能够降低观察偏倚。分割之后进行检查，并且如果存在伪影则重新处理或者排除。模板中亚区分别为齿状回（DG），海马角(CA1-3)，内嗅皮层(ERC)，海马下托（Subi），侧腹沟及布罗德曼35、36区(B35, B36)。海马亚区所提及的数据由R软件包和SPSS进行处理。

临床效应

用汉密尔顿抑郁17项量表进行ECT治疗临床效果评定。

统计分析

对于每个亚区的时间和组别的交互作用分别通过R软件包的线性混合模型进行重复测量，其中时间、组别、年龄和性别作为固定因素，半球（左右半球建模为为个体被试的斜率）和个体被试作为随机因素（建模为截距）。将对时间和组别交互作用有显著影响的线性混合模型进一步分为患者模型和对照组模型，分别测试哪一组驱动效果。如果患者和/或对照组在后一项分析中显示出明显的时间效应，则分别对左侧和右侧齿状回建立线性混合模型，以观察哪个亚区驱动了这种效应。为检测是否齿状回体积改变显著不同于其他大部分亚区体积变化，对其增长百分比进行t检验。

另外，在回归掉年龄、性别、基线海马体积和基线抑郁得分后，采用重复测量相关分析对抑郁评分和齿状回之间的关系进行评估。并且在线性回归中，将抑郁评分的降低作为因变量，将线性混合模型重要亚区基线时的体积作为预测变量，年龄和性别则作为协变量。并进行事后t检验。

分别计算病例和对照体积改变的效应大小Cohen’s d，用于对每个亚区(左、右合在一起)的成对观察。此外，成对观测Cohen’s d值被用来计算抑郁分数平均变化的效应。

3．结果

样本

基线时病例与对照组在年龄、性别、利手、智商方面均无统计差异。治疗后抑郁得分较基线时显著降低(t =4.6, p < 0.001, effect size = 0.958)。

分割

左右海马自动分割，如下图1左侧海马所示：

图1 左侧海马亚区分割及海马和齿状回的3D呈现。

A：全脑T2加权扫描呈现出海马冠状切面的位置。

B：与A相同位置海马亚区的分割且红色为CA1，蓝色为DG，蓝绿色为Subi，黄色为ERC。C：海马上和齿状回下游。虚线表示了B相关3D海马的位置。

线性混合模型表明在齿状回出现明显的时间组别交互效应(t = −2.57, p = 0.0138)，其它亚区并未出现。病例组中，结束时齿状回体积较基线时出现明显增大(meanchange = 75.44 mm³, 95% CI [56.5–94.3], SD= 9.65, t = 7.82, p < 0.001)。在对照组中齿状回体积并未实验前后出现变化(mean change = 22.69 mm³, 95% CI [−7.0–52.3], SD = 15.13, t =1.5, p = 0.154)。如表2所示。

表2 线性混合模型结果

病例组左(mean change = 78.30 mm³,95% CI [54.3–102.3], SD =12.25, t=6.39, p<0.001)，右(mean change = 70.14 mm3, 95% CI [39.9– 100.4], SD = 15.45, t = 4.54, p< 0.001)齿状回在实验前后均出现增大。如图2所示。

图2 病人组左侧和右侧齿状回体积在干预前后的差异

配对t检验表明，左(paired difference = 8.07%, t(df) = 6.15(15), p <0.001, 95% CI [5.28–10.87])，右(paired difference = 7.54%,t(df) = 4.46, p < 0.001, 95% CI [3.94–11.15])齿状回体积的改变均大于CA1区域体积的变化。

临床变量

在经过回归掉年龄、性别、基线抑郁得分和基线时齿状回体积后，重复测量相关分析表明汉密尔顿抑郁得分与右侧齿状回体积(r=−0.71, p = 0.001, 95% CI [−0.90 to −0.31])，见表3和表S1，及左侧齿状回体积(r = −0.70, p = 0.002, 95% CI [−0.89 to −0.28])，见表4和表S2, 均呈负性相关。表明海马齿状回体积的增长与抑郁评分降低具有一定的关系。

图3：个体被试右侧齿状回与汉密尔顿抑郁评分之间的关系。

线代表被试，点代表时间点。红点为基线时的测评，墨绿色点为结束时的测评。斜率为负表明右侧齿状回体积的增加与抑郁测评分数的降低有关。换言之，其呈现出了每个被试间齿状回体积与抑郁评分之间的关系。

S1 右侧齿状回与汉密尔顿抑郁评分之间的关系

图4 个体被试左侧齿状回与汉密尔顿抑郁评分之间的关系。

线代表被试，点代表时间点。红点为基线时的测评，墨绿色点为结束时的测评。斜率为负表明左侧齿状回体积的增加与抑郁测评分数的降低有关。换言之，其呈现出了每个被试间齿状回体积与抑郁评分之间的关系。

S2 左侧齿状回与汉密尔顿抑郁评分之间的关系

通过线性回归模型预测，基线时左右侧齿状回的体积结合性别和年龄能够49.2%(F(4,14) = 3.382, p = 0.039)解释ECT治疗后抑郁分数的降低。如表3所示。

表3 对抑郁症状分数的预测结果

4.讨论

研究者通过高场强MRI探究了在抑郁症患者中ECT治疗对海马亚区的影响。ECT治疗期间海马体积的增长只在左右侧齿状回被发现，其他海马亚区均未发生变化，此外，在个体被试内齿状回体积的增长，与抑郁严重程度降低具有一定关系。上述发现证实了研究者最初的假设，ECT治疗增加了抑郁患者左右齿状回体积，并且表明神经再生是抗抑郁效应的中介因素。事实上，基线齿状回的体积（结合年龄和性别）是ECT治疗效果的重要预测因子，然而并非基线时的全部海马体积。这些结果也表明了ECT的抗抑郁治疗效果很可能是由神经元再生调节的，而非通过影响其他海马亚区的血管再生、突出再生、轴突萌芽等生理作用来进行调节的。

文章结果就关于ECT对海马影响的临床研究进行了扩展和补充。先前的研究一致表明左右海马体积增大。文章通过展现体积改变与齿状回有关从而对先前研究发现进行了拓展。先前神经影像学研究发现全海马体积或多数海马亚区体积增大的可能原因是先前研究都应用3T核磁，并未采用自动体积分割设计，其可能会对亚区体积的测量造成干扰。实际上，3T MRI机器对海马亚区准确测量和分割的能力已然被质疑。

最近的Meta分析报道，ECT治疗诱导的海马总体积的增加与临床改善无关。最近的一项使用大样本的研究中也观察到了这一发现。然而，本研究却发现齿状回的体积变化与抑郁评分的下降有显著的相关性(校正了年龄和性别、基线抑郁评分和基线海马体积的影响)。此外，本研究还发现基线齿状回体积能够显著预测临床疗效，而基线总海马体积则不能。

迄今为止，类似ECT的动物模型ECS已经得出了大量关于ECT在人类身上潜在的神经生化机制的信息。最重要的是，齿状回颗粒层的神经元再生已经作为ECS在啮齿动物和非人类灵长类动物中产生的强大作用被报道。然而，神经元再生与ECT的抗抑郁作用之间的联系仍不清楚。当前研究作者也未能探究齿状回的颗粒层。然而，本研究的结果通过显示海马体积增加，尤其是齿状回的增大，从而证实了这些临床前期的发现。

ECS除了促进神经元再生外，还诱导新生颗粒细胞的树突棘成熟，增加成熟颗粒细胞的树突棘密度。此外，ECS刺激颗粒细胞苔藓纤维向CA3区域生长。ECS已被证明可以在大鼠海马CA1区域产生突触形成和树突分支。ECS在啮齿动物中的另一个作用是影响齿状回和海马分子层的血管再生和血管重构。有趣的是，尽管齿状回中的血管再生和神经元再生常常同时发生，并被认为是相互依赖的，但研究表明即使齿状回中没有血管再生发生，ECS也能诱导神经元再生。最后，ECS能够在海马的分子层、颗粒层中诱导神经胶质细胞的再生。文章的结果在一定程度上与这些临床前期研究一致，从而证实了左右齿状回中神经再生的可能性，而不是其他过程，如胶质细胞再生或在海马其他部分的突触再生。然而，CA区域体积没有增加并不能作为排除其他过程的证据，因为本次小样本研究中可能会错过微小的、不显著的增加。此外，齿状回体积的增加也可能包括不同的过程(包括但不仅仅限于神经元再生)。然而，鉴于齿状回体积的大量增加及其与临床恢复的关系，作者将这些发现解释为发生神经元再生的迹象。

有趣的是，动物海马区的神经元再生与几种记忆功能有关。在人类中，婴儿期的神经元再生是遗忘作用的基础(例如，在婴儿遗忘过程中)。海马环路新神经元的整合，令神经回路发生改变和重塑，这可能对先前储存的记忆产生破坏。有趣的是，ECT也被证明会引起短暂的认知障碍和逆行性(自传体)遗忘。基于在临床前期研究中ECT诱发神经元再生和当前研究中诱导齿状回特定体积增加，可以假设，新神经元的生成和后续海马环路的整合可能是ECT副作用记忆损伤的基础。如果该假设正确的话，那么ECT的抗抑郁作用与记忆缺陷共同发生，上述推理可以在更大的群体中进行测试，如GEMRIC数据库。

成年抑郁患者海马相对较小，并且抗抑郁药增加海马齿状回神经元再生的时间间隔与抗抑郁治疗和临床效果延迟对应，导致抑郁症的神经源性假说形成。尽管抗抑郁药与神经元再生之间的关系已经建立，但问题是神经元再生是否负责抗抑郁药物的作用机制仍在争论中，一些报告显示，抗抑郁药物诱导的影响独立于神经元再生，或神经元再生独立于抗抑郁效应。本次研究中，作者们发现基线齿状回体积可以预测抗抑郁疗效，并且齿状回体积的变化与临床疗效有关。由于这些发现的本质是相关性的，未来高场强MRI和大样本研究应用来探究ECT治疗诱发的调节神经元再生是否是抗抑郁疗效的原因或必要条件，亦或是一种偶发现象。

本次研究存在一些局限，限制了研究结果的通用性。首先，样本量相对较小(可能导致II型错误)。总共进行了51次观察，21对基线和结束数据(16例患者，5例对照)。为从数据中获得尽可能多的信息，我们采用线性混合模型进行重复测量来测试ECT对海马亚区的影响。然而，大规模的MRI研究仍是必要的。其次，65%的患者在基线和结束时接受了抗抑郁治疗。抗抑郁治疗(例如，使用选择性5-羟色胺再摄取抑制剂，使用其他种类如三环类抗抑郁药物)能够诱导啮齿动物和非人类灵长类动物的神经元再生。然而，在我们的样本中，抗抑郁药物在ECT之前已经开始使用了数月(有些是数年)，并且在ECT治疗期间仍进行稳定的抗抑郁药物治疗。此外，在基线时接受抗抑郁药物治疗的患者与未接受抗抑郁药物治疗的患者齿状回体积无差异，在结束时接受抗抑郁药物治疗的患者与未接受抗抑郁药物治疗的患者齿状回体积也无显著差异，在基线和结束体积上也无差异(均p > 0.05)。

一句话总结： ECT治疗引起海马增大仅仅出现在齿状回。此外，齿状回的增大与临床疗效的提高具有正相关关系，然而其它海马亚区与临床结果并不具备任何关联。基线齿状回体积（结合年龄和性别）能够预测抑郁评分的降低，然而全海马体积却不能。这说明齿状回和仅仅发生在齿状回的潜在的神经元再生在ECT抗抑郁治疗的疗效中起重要的作用。

原文：