Mol Psychiatry︱李日辉等揭示脆性X染色体综合征女童的异常脑-眼动-行为关系

撰文︱李日辉

责编︱王思珍，陆一

编辑︱杨甜甜 

脆性X染色体综合征（Fragile X Syndrome，FXS）是智力障碍和自闭症谱系障碍（Autism Spectrum Disorder，ASD）最常见的遗传风险因素之一[1]。该病主要是由于X染色体上的FMR1基因的突变导致CGG三核苷酸重复序列的异常增加（正常人少于55），从而抑制了对大脑发育非常重要的FMRP蛋白的合成，最终引起患者认知和行为的异常。根据CGG重复的数量，FMR1突变的人群可分为前突变（Premutation, 55-200）和完全突变（Full mutation, >200）。完全突变的患者即可诊断为FXS患者[2]。由于FXS是由X性染色体异常所引起，因此男性发病率较女性高（男性的发病率约为1/4000，女性的发病率约为1/7000），且男性患者的症状更严重[1]。FXS的男性患者通常表现为严重智力低下、发育迟缓和严重的社交障碍。女性患者通常表现为轻度智力障碍、焦虑和眼神闪躲等社交-认知障碍[3]。

与男性患者相比，女性FXS患者的发病率低，症状通常较轻且有所差异，因此以往的科学研究主要集中在症状更明显的男性患者群体，对于女性患者的关注较少。这使得女性FXS患者的临床诊疗中的无法得到及时的诊断和干预，影响了预后的效果。因此，研究女性FXS患者在认知能力和社交行为障碍上的特点以及与之相关的神经机制和生理特点，对于女性FXS患者的早期诊断和干预具有重要的意义。

2022年5月20日，美国斯坦福大学医学院脑科学研究中心的李日辉和Allan Reiss等人在Molecular Psychiatry上发表题为“Aberrant brain network and eye gaze patterns during natural social interaction predict multi-domain social-cognitive behaviors in girls with fragile X syndrome”的研究论文。李日辉博士为论文的第一作者和通讯作者。在该研究中，研究人员利用近红外成像扫描技术（fNIRS）和眼动追踪等技术研究FXS女童在自然交谈互动中的脑功能网络和眼动行为特点。结果显示，与发育匹配的对照组相比，FXS女童的前额叶、前额叶眼动区及颞上回的活跃度和脑间连接强度在与研究人员的交谈时都显著增强，同时伴随着明显降低的眼神接触。利用随机森林回归分析，研究人员发现这种异常的脑网络和眼动行为可以很好地预测FXS女童的焦虑、社交回避、执行功能以及自闭相关的社交障碍行为。该研究结果填补了当前我们对FXS女童参与自然社会互动的神经机制和眼睛注视行为研究的空白。

由于FXS患者通常有明显的智力低下、焦虑、易敏感等行为障碍，以往对FXS的脑机制研究往往局限在静息状态或者使用静态的脸部图片进行任务刺激，无法更好地探索在真实社交互动中FXS患者的脑活动。为了克服这个困难，研究人员使用了便携式fNIRS脑成像技术和眼动追踪设备进行实验。实验组（FXS）招募了42名FXS女童（11.35±3.07 year），对照组招募了31名年龄、言语智商（DAS-II - Verbal Ability）、执行能力(BRIEF-2-General executive composite)以及自闭相关社交行为（SRS-2-Total score）都匹配的女童(10.41±2.32 year)。此外，研究人员还利用ADAMS量表收集了受试者的焦虑（General anxiety）和社交躲避（Social avoidance）的评分。实验采用了结构性（Structured）的对话实验设计[4]，研究人员与受试者面对面谈论16个事先确定的话题，每个话题约一分钟。前8个话题设计为自由交谈（non-prompt）在后8个话题中（prompt），研究人员会不定时（每15秒）提醒受试者“看着我的眼睛”来加强受试者在社交时眼神闪躲的行为（图1A-B）。

图1. 实验任务场景及fNIRS测量

（图源：Rihui Li, et al., Molecular Psychiatry, 2022）

研究人员使用fNIRS技术测量了受试者双侧额叶、颞叶及部分顶叶的活动（图1C），计算了各个脑区之间的功能连接（wavelet transform coherence，WTC）和脑区内的活跃程度（strength）。通过统计分析，研究人员发现在进行对话时，FXS女童的前额叶（PFC）、前额叶眼动区（FEF）及颞上回（STG）之间的功能连接强度都显著高于对照组。图论分析FXS女童大部分功能区的活跃程度也都显著高于对照组（图2）。事实上，部分区域如前额叶PFC和颞上回SFG的高度活跃，跟研究人员之前用静态脸部图片刺激所发现的敏感区域存在高度一致性[5, 6]，再次证实了这些脑区的敏感化与FXS女童的社交-认知障碍存在紧密的联系。此外，研究人员发现这些异常活跃的脑区都属于大脑中的Mirror neuron system（MNS）和Mentalizing System（MS）。前人的研究表明，MNS和MS在人际交互中都发挥着重要的作用，比如试图理解对方的语言、手势、情感和意图等[7, 8]。因此，研究人员认为高度敏感化的MNS和MS活动和交互是FXS女童的社交-认知障碍的重要神经生物学特征。通过对比两种对话状态，研究人员发现增加眼神接触提示（prompt）时FXS女童仅仅在个别脑连接和右侧STG表现出较强的活动。他们推测高度敏感化的MNS和MS活动效应存在于两种对话状态，以至于眼神接触提示没有引起更强烈的可以观测的神经活动差异。

图2. FXS女童社交互动中高度敏感化的脑区及脑连接

（图源：Rihui Li, et al., Molecular Psychiatry, 2022）

研究人员还对受试者在对话中的眼动行为进行了编码和分析，主要的行为编码包括眼球扫视（saccade）、停留（fixation）、瞳孔大小以及注视研究人员眼部、脸部的时间占比等。统计分析发现，相比于对照组，FXS女童在对话中表现出了更加异常和不规律的眼球活动，如眼球扫视更频繁且难以稳定、眼睛注视研究人员眼部的时间显著减少等（图3）。这样的眼动异常在自然状态下（non-prompt）的对话中表现得尤为明显。研究人员认为这符合FXS患者典型的社交焦虑及眼神躲避的行为特征，与团队之前的眼动研究结果一致[9]。有趣的是，在前面脑网络分析中也发现FXS女童的前额叶眼动区（FEF）在交谈时表现出高度增强的活动和连接性。由于前额叶眼动区（FEF）是负责视觉注意力（visual attention）和眼球扫视的控制[10]，研究人员由此推测这可能是FXS女童在人际互动中异常的眼动行为的潜在神经机制。

图3. 受试者眼动行为编码及统计分析

（图源：Rihui Li, et al., Molecular Psychiatry, 2022）

研究人员接着探讨上述发现的异常大脑神经标记物和眼动行为是否可以预测FXS女童各项重要的社交-认知行为评分，包含社交焦虑、社交回避、执行能力和自闭相关的社交障碍行为。利用随机森林回归（Random forest regression）分析，研究人员发现脑网络特征和眼动活动对于每一项行为评分的预测都有很好的效果（预测值与真实值相关性均大于0.8）。进一步分析对行为评分预测最重要的特征集，研究人员发现不同的行为评分预测对应着独特的最优特征集（图4）。如FXS女童中社交回避和焦虑症状的预测最优特征集包含大致相等的脑网络和眼动特征，而自闭相关的社交功能障碍的预测重度依赖于脑网络的特征。这个结果说明对FXS患者社交-认知障碍的评估和预测可能需要选择性地选取多维度的神经活动或生理行为学信息，这对于未来在临床试验中评价新的药物和干预治疗效果有重要的启示。然而，未来还需要通过更多的样本来确认本文基于机器学习的发现。

图4. 预测FXS患者各项行为的最优特征集

（图源：Rihui Li, et al., Molecular Psychiatry, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

综上所述，该研究结合多模态便携式的测量技术，第一次阐述了FXS女童患者在自然互动环境中的脑网络特征和眼动行为，并初步探讨了该疾病的脑-眼动-行为的关系模型。研究结果表明，与对照组相比，FXS女童的前额叶（PFC）、前额叶眼动区（FEF）及颞上回（STG）等与社交-认知功能关系密切的功能区在与研究人员的互动中时都显示出高度敏感化的特点。该过程中FXS女童也表现出显著异常的眼动行为，包括眼球扫视行为的异常和与对话者眼神接触时间的显著降低等。进一步地，研究人员发现不同的脑网络特征和眼动行为组合可以很好地预测FXS女童的焦虑、社交回避、执行功能以及自闭相关的社交障碍行为。值得注意的是，考虑到FXS患者的表型（phenotype）常常与ASD或抑郁症患者的表型有所重合（如社交回避、抑郁等症状），该研究选择了发育匹配（developmentally match）的对照组而不是正常对照组，目的是保证所识别的异常脑网络活动及眼动行为是由FXS的表型特异性引起，排除了由ASD或抑郁的类似表型引起的可能性。当然，研究人员也强调，鉴于女性FXS患者的行为表型与男性患者存在差异，本文的发现需要进一步地对比研究才能确认是否可以推广到男性患者群体。总之，该研究不仅对探索FXS女性患者的社交-行为障碍的神经机制及相应的脑-眼动-行为的关系模型提供了新的理论依据，所得到的特异性神经-眼动标记物也具有成为FXS临床药物试验的评价指标的潜力。

原文链接：https://doi-org.stanford.idm.oclc.org/10.1038/s41380-022-01626-3

基金支持：本研究获得美国NIMH基金（R01MH050047 and T32MH019908）、the Kelvin Foundation 和the Canel Family Fund支持。

第一作者和通讯作者：李日辉；课题组负责人：Allan Reiss教授

（照片提供自：美国斯坦福大学医学院Allan Reiss实验室）

第一作者和通讯作者简介：

李日辉，博士，美国斯坦福大学医学院脑科学研究中心（Center for Interdisciplinary Brain Sciences Research）博士后。2015年于中山大学获得硕士学位，2020年于美国休斯敦大学获得博士学位。主要研究方向为多模态脑功能成像（fNIRS, EEG, fMRI）、计算神经精神病学及神经调控。近五年以第一作者/通讯作者先后在Molecular psychiatry、NeuroImage、Biological Psychiatry-CNNI、IEEE Transactions on BME等期刊发表论文14篇。目前为Frontiers in Neuroscience和Frontiers in Behavioral Neuroscience客座编委，长期担任Cerebral Cortex、Journal of Neural Engineering等学术期刊审稿人。

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扩展阅读与参考文献（上下滑动阅读）  

[1] R. Lozano, A. Azarang, T. Wilaisakditipakorn, and R. J. Hagerman, "Fragile X syndrome: A review of clinical management," Intractable Rare Dis Res, vol. 5, no. 3, pp. 145-57, Aug 2016, doi: 10.5582/irdr.2016.01048.

[2] A. L. Reiss, M. T. Abrams, R. Greenlaw, L. Freund, and M. B. Denckla, "Neurodevelopmental effects of the FMR-1 full mutation in humans," Nat Med, vol. 1, no. 2, pp. 159-67, Feb 1995, doi: 10.1038/nm0295-159.

[3] K. L. Bartholomay, C. H. Lee, J. L. Bruno, A. A. Lightbody, and A. L. Reiss, "Closing the Gender Gap in Fragile X Syndrome: Review on Females with FXS and Preliminary Research Findings," Brain Sci, vol. 9, no. 1, Jan 12 2019, doi: 10.3390/brainsci9010011.

[4] E. Berry-Kravis, E. Doll, A. Sterling, S. T. Kover, S. M. Schroeder, S. Mathur, and L. Abbeduto, "Development of an expressive language sampling procedure in fragile X syndrome: a pilot study," J Dev Behav Pediatr, vol. 34, no. 4, pp. 245-51, May 2013, doi: 10.1097/DBP.0b013e31828742fc.

[5] J. L. Bruno, A. S. Garrett, E. M. Quintin, P. K. Mazaika, and A. L. Reiss, "Aberrant face and gaze habituation in fragile x syndrome," Am J Psychiatry, vol. 171, no. 10, pp. 1099-106, Oct 2014, doi: 10.1176/appi.ajp.2014.13111464.

[6] R. Li, J. L. Bruno, T. Jordan, J. G. Miller, C. H. Lee, K. L. Bartholomay, M. J. Marzelli, A. Piccirilli, A. A. Lightbody, and A. L. Reiss, "Aberrant Neural Response During Face Processing in Girls with Fragile X Syndrome: Defining Potential Brain Biomarkers for Treatment Studies," Biol Psychiatry Cogn Neurosci Neuroimaging, Sep 20 2021, doi: 10.1016/j.bpsc.2021.09.003.

[7] C. D. Frith and U. Frith, "The neural basis of mentalizing," Neuron, vol. 50, no. 4, pp. 531-4, May 18 2006, doi: 10.1016/j.neuron.2006.05.001.

[8] M. Iacoboni and M. Dapretto, "The mirror neuron system and the consequences of its dysfunction," Nat Rev Neurosci, vol. 7, no. 12, pp. 942-51, Dec 2006, doi: 10.1038/nrn2024.

[9] S. S. Hall, M. C. Frank, G. T. Pusiol, F. Farzin, A. A. Lightbody, and A. L. Reiss, "Quantifying naturalistic social gaze in fragile X syndrome using a novel eye tracking paradigm," Am J Med Genet B Neuropsychiatr Genet, vol. 168, no. 7, pp. 564-72, Oct 2015, doi: 10.1002/ajmg.b.32331.

[10] J. D. Schall, "On the role of frontal eye field in guiding attention and saccades," Vision Res, vol. 44, no. 12, pp. 1453-67, Jun 2004, doi: 10.1016/j.visres.2003.10.025.

本文完