在精神病谱系中，海马的改变是最常见的神经影像学发现之一。此外，此外，有强有力的转化证据表明，在小鼠模型中保留海马体网络的成熟可以防止认知缺陷的进展。然而，在人类中，海马功能连接的发展轨迹及其对精神病的贡献并没有很好地描述。22q11缺失综合征(22q11DS)为精神分裂症的早期神经相关特征提供了一个独特的模型。本研究对84例22q11DS患者(30例中度至重度精神症状阳性)和94例年龄跨度为6-32岁的健康对照者的242次纵向重复扫描进行了静息态功能成像(rs-fMRI)。获得了双侧海马到全脑的功能连通性，并采用一种新的纵向多元偏最小二乘相关(PLS-C)方法评价了两组间海马功能连通性(HFC)的发育轨迹。与对照组相比，22q11DS患者的前扣带皮层(anterior cingulate cortex, dadc)背侧、前额叶皮层和补充运动区(supplementary motor area, SMA)等额叶区域的HFC没有增加。但22q11DS患者在皮层下多巴胺能区有异常高的HFC（海马功能连通性）。值得注意的是，这种异常的HFC在青春期中期更为突出，主要是由表现出阈下阳性精神病症状的患者驱动的。本研究的发现提示PFC- HIP -纹状体回路是发育障碍的关键通路，特别是在青春期后期这一阶段。根据目前的研究证据，该回路可能是短期干预的目标，可能实现与精神病相关的回路功能障碍的长期挽救。本文发表在Biological Psychiatry杂志。（可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文及补充材料，另思影提供免费文献下载服务，如需要也可添加此微信号入群）。精神分裂症是一种严重致残的精神障碍，其潜在机制的复杂性在很大程度上仍是未知的。尽管典型的全面精神病在成年早期被诊断，但症状的临床过程可以追溯到亚临床状态，这种状态通常已经在青春期表现出来。此外，病因因素，如遗传易感性和环境因素的作用可能更早，正如儿童时期微妙的神经发育异常所暗示的那样。事实上,精神分裂症被认为是在大脑发育过程中非典型的神经发育的最终结果。这种神经发育机制的概念表明,在改善治疗结果方面，除了治疗的类型,早期干预尤为重要。因此，确定精神分裂症发展过程的特征对于确定干预的敏感时间窗口至关重要。从这个意义上说，神经影像学研究可以帮助识别在临床症状出现之前的大脑发育偏差。在精神分裂症的神经生物标志物中，海马(HIP)的改变是重复次数最多的发现之一。对精神分裂症患者的研究报告显示，海马的变化与形态异常(如体积缩小)汇合。此外，不同的技术提供了海马激活过度的证据。海马体的功能和结构改变被进一步归因于精神病，因为患者表现出的精神症状减弱的剂量-反应关系。然而，可以确定的是，精神病更适合描述为大脑连接的功能障碍，而不是孤立的区域功能障碍。相应地，海马体和皮质区域之间的结构连接中断经常被认为是精神分裂症的相关标志。此外，海马体和各种大脑区域(如海马旁回、内侧前额叶皮层)之间的功能协调缺陷，以及更大程度上的默认模式网络(DMN)已经被证实。在疾病前驱期的患者中也有类似但不那么严重的功能连通性改变的报道，特别是关于前额叶皮质和前扣带。尽管海马体的作用已经得到确认，但这个与症状发作相关的核心生物标记物的发展轨迹还没有被很好地了解。毫无疑问，在发病前早期阶段确定大脑成熟的特征是极具挑战性的，部分原因是一般人群中精神病的发病率较低。因此，对那些发展为精神病的高风险人群的研究可能是一种很有前途的方法。其中，22q11缺失综合征(22q11DS)有40%的可能最终进展为精神病，为研究精神分裂症的早期潜在神经病理提供了独特的机会。特别是，最近的证据表明，青少年时期海马体的发育性萎缩与这一人群中精神病的出现有关。此外，除了形态学改变，对22q11DS小鼠模型的研究表明，早期海马连接障碍可能预示后续的发育缺陷。值得注意的是，海马连通性障碍和随后的功能缺陷都可以通过针对青春期后期小鼠模型的敏感发育时间窗的早期治疗而得到挽救。然而，到目前为止，还没有研究纵向表征22q11DS患者的海马功能连接，这可能与识别干预的敏感窗口有关。鉴于这些发现，本研究的目的是通过多变量方法来描述22q11DS患者海马静息态功能连接的程度与正常人群有何不同。此外，我们试图调查是否异常的海马功能连接与精神病的出现有关。我们假设在22q11DS患者中，与前额叶区域的海马体功能连接会被破坏。我们进一步预计，海马连通性障碍会在青少年时期出现，而且在后来出现积极精神病症状的参与者中会更严重。共有84名诊断为22q11DS的参与者(54.76%女性，年龄跨度:8-32)和94名健康对照(HC)受试者(55.31%女性，年龄跨度:6-32)进行了连续MRI扫描。健康对照组控制了任何的精神病理学和发育异常历史,并匹配了年龄、性别和平均数量的扫描和平均间距。22q11DS患者和他们的父母被邀请参与研究，前提是他们从当地遗传部门得到了22q11.2缺失综合征的确诊遗传诊断。随后，日内瓦医学遗传学系使用定量荧光聚合酶链反应(QF-PCR)确认了22q11.2缺失位点的存在。在每次就诊中，有22q11DS的参与者接受了一名精神病专家(S.E)的全面临床评估，包括半结构化的临床面谈，以评估是否存在共存的精神疾病。此外，对一亚组参与者进行了精神疾病-风险综合征(SIPS)的结构化访谈，以评估精神病症状减轻的存在。一些参与者由于年龄小(n=4)，没有接受SIPS评估。与我们组之前的研究一致，我们根据参与者的临床特征使用SIPS构成亚组。如果他们在的得分相等或高于3，并至少有一项阳性精神病症状(不正常的思想内容、怀疑、夸大、幻觉和无组织沟通)，就被认为是PPS(+)(阳性精神症状;n=30名参与者)。其余的参与者被认为是PPS(-)。结构和功能MRI数据采集于日内瓦CIBM中心，使用Siemens Trio (N=229)和Siemens Prisma-fit (MAGNETOM Trio Upgrade) (N=13) 3T扫描仪。结构图像采集采用t1加权序列，共192片。体积分辨率为0.86× 0.86×1.1 mm 3 (TR= 2500ms, TE= 3ms，视场=23.5 cm 2，翻转角度= 8°，采集矩阵= 256 × 256，切片厚度= 1.1 mm，相位编码R > L，无脂肪抑制)。静息态扫描是在参与者被要求注视屏幕上的一个白色十字并保持清醒的情况下进行的。功能磁共振成像扫描得到T2加权序列(200个frame,矩阵= 94×128,视野= 96 x 128,体素的大小= 1.84×1.84×3.2毫米，轴切片,切片厚度= 3.2毫米TR = 2400毫秒,TE = 30 ms,翻转角度= 85°,相位编码A> P,降序顺序排序,因子PE = 2的GRAPPA加速模式持续8分钟(38)。使用SPM12,和DPARSF对功能图像进行预处理;并使用了DARTEL方法创建了属于组水平的平均脑图。对rs-fMRI预处理的更详细解释在补充部分提供。对于海马连通性分析，基于AAL90的双侧海马作为兴趣区(ROI)，并通过本研究特异性的DARTEL构造的平均模板将在标准空间的ROI转化到个体受试者空间。通过计算每个体素与双侧海马ROI的平均时间序列的Pearson相关系数，得到种子功能连接图。然后，体素级种子功能连接图被配准到DARTEL构建的组水平脑图，并进一步配准到MNI空间。为了研究海马连接模式的神经发育轨迹，我们使用myPLS工具箱应用了偏最小二乘相关(PLS-C)，其实现可在https://github.com/danizoeller/myPLS公开获取。简而言之，计算每个受试者(X)的海马连通性图和一组因变量(Y)之间的交叉协方差矩阵(R)，因变量(Y)用于编码诊断、纵向和横断面年龄及其相互作用。在将功能连接脑图输入PLS-C之前，性别和头动(刷后的平均帧位移)被作为协变量回归。对于因变量，我们首先包含一个二元诊断变量，根据分析结果，它是HC vs. 22q11DS，或者PPS(+) vs. PPS(-)。考虑到每个受试者存在多个时间点，为了正确地捕捉年龄在受试者内部和受试者之间的影响，我们设置了两个年龄变量。首先，“平均年龄”(MeanAge)分配了受试者在每个时间点的所有访问的平均年龄。接下来，“DeltaAge”对应于被试在某一时间点的实际年龄与被试的平均年龄之间的差值。值得注意的是，通过将平均年龄(MeanAge)和DeltaAge正交化（即相互独立），可以分别解释为年龄的横截面效应和纵向效应。然后，我们将“InterAge”定义为平均值(MeanAge)和delta年龄(DeltaAge)之间的相互作用，使凹或凸(即u型)神经发育轨迹的捕获成为可能。为了使模型能够捕捉两组内发展轨迹的差异，我们还提供了诊断变量与三个年龄相关变量的交互作用，并在设计矩阵中添加了另外三个变量。最后，共纳入7个变量，对所有受试者进行z评分。然后计算矩阵R为R=Y T X，并进行奇异值分解(R=USV T)，从而得到潜在分量(LCs)(图1)。为了检验解释相关性的显著性，我们应用了1000次的置换检验，并在检验7个成分时应用Bonferroni校正来进行多重比较。如果p值< 0.007，则该LC被认为是显著的。对于那些发现显著的LCs，使用500个随机样本替换的bootstrap测试结果的稳定性。鉴于我们的数据集的纵向构造，我们在受试者之间随机选择样本，而不是扫描。通过这种方式，所有的主体内部依赖关系都在引导示例中得到了尊重。bootstrap得分计算为每个体素的所有大脑显著性分布的平均值除以其标准差。这反过来又提供了一个特定体素在其对检测到的相关性的贡献的稳定性的度量。在本研究的大脑模式可视化中，bootstrap比率得分(BRS)的绝对值大于2.3，对应的99%置信区间不超过零，表明该变量对LC的稳定贡献。
图1分析流程和纵向PLS相关分析
为了能够更容易地解释潜变量中揭示的年龄关系，我们构建了实际年龄与“成熟度评分”之间的散点图，该散点图只包含行为评分中与年龄相关的贡献，如图4所示。这提供了一个更好的视角来观察年龄单独老化(不考虑组间差异)对PLS所发现的HFC成熟的影响。在随着年龄变化的图可以看出，在22q11DS的被试的HFC的发育出现了异常。然而，HFC成熟的下降主要是观察到患者个体相对于基线时的功能连通性的纵向变化。此外，这种纵向发育障碍早在青春期开始时(15岁之前)就可以被发现（本文中的功能连接的maturation score也即成熟分数指的是：将模型中6个与年龄显著相关的因变量(平均年龄-，Delta年龄和年龄差及其与分组变量的交互作用)映射到每个受试者各自的行为变量中获得一个与年龄增长显著相关的潜变量。因此，这种模式揭示了PLS-C所捕获的脑连接的年龄效应）。此外，为了衡量每个受试者的数据如何被某一LC中观察到的脑值的相关性所解释，我们计算了“脑得分”，作为所有受试者中那些具有显著预测能力的脑连接的原始脑连接值(X)在PLS模型中获得潜变量的映射，从而计算(Lx=XV)。我们使用线性最小二乘拟合了一条多项式曲线，以可视化脑得分与年龄和inter age之间的关系。儿童韦氏智力量表–III (Wechsler, 1991)和成人韦氏智力量表–III (Wechsler, 1997)。精神障碍的存在:使用儿童和青少年诊断面谈修订版(DICA-R; Reich, 2000)，来自儿童情感性障碍和精神分裂症当前和终身版本的精神病补充(K-SADS-PL; Kaufman et al.,1997)和DSM-IV第一轴疾病的结构化临床访谈(SCID-I; First et al., 1996)。
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PLS-C 捕获了seed-to-voxel海马功能连通性分析纵向数据的一个重要成分(LCs - p < 0.001,图2),该成分显示了在HFC跨组捕获的整体差异,并揭示了一个稳定的诊断效果。表现出了HFC成熟的差异，揭示了一个稳定的age-by-diagnosis交互效应。
图2显示了该显著成分的大脑和行为的相关。图2b中与年龄相关的因子载荷反映为图2c中所示的异常发育轨迹，该轨迹变现了与脑得分的拟合曲线。这一轨迹显示了22q11患者的HFC的异常成熟模式。此外，明显偏离正常轨道是在青春期中期出现的。本文的多变量方法揭示了一种以两组区域为特征的大脑模式，显示出相反的HFC发育改变。具体来说，第一组区域(图2a中红色区域)在22qq1DS中出现了HFC（海马功能连通性）增加的发育失败。这种发育失败影响了前扣带皮层(acc)背侧，以及中央前区、中央后区和辅助运动区。由于这种发育变化，到成年时，两个样本的dACC和辅助运动皮质水平的HFC方向相反(HCs为阳性，22q11DS为阴性)。第二组大脑区域，如图2中蓝色部分所示。在22q11DS中显示出HFC减少的失败，包括双侧尾状核和海马旁回。在第二次PLS-C分析中，显著成分(P<0.001，图3)显示了在PPS(+)患者中HFC随年龄强烈和纵向变化的区域，但在PPS(-)患者中不强烈(图3b)。如图3c中分叉的发育轨迹所示，HFC发育不良的主要差异仅出现在青春期中期。在PPS(+)患者中，dACC簇和背侧前额叶皮层(PFC)与海马以及中央前、后、辅助运动区(SMA)、眶额中部和后颞下回的连接（蓝色区域）异常更加明显。有症状的患者中HFC发育速度更快的区域包括颞极、双侧背岛叶、前丘脑簇和双侧壳核。我们认为PPS(+)患者导致了海马-纹状体连接“减少失败”，以及PFC/dACC和SMA中HFC（海马功能连通性）的纵向减少，这是在第一个诊断成分中观察到的。
图4 22q11和健康对照（A）以及22q11患者精神症状阳性和阴性（B）的HFC成熟得分比较在本研究中，我们采用多变量纵向分析研究22q11DS大队列患者的海马-全脑静息态功能连接。我们提供了22q11DS个体中HFC异常发展及其对精神病病理生理的贡献的证据。 我们在22q11DS人群中的结果显示了一种HFC发育不良的模式，在青春期中期进一步加重。特别是，HFC发育不良的特征是前额叶皮层(PFC)和前扣带皮层(dACC)的背侧部分的HFC未能增加。据我们所知，之前只有一项横断面研究对22q11DS患者的全脑静息态海马连接进行了调查，并报道(与我们的发现一致)伴有感觉运动区HFC中断。此外，我们的研究结果进一步证实了dACC/PFC和海马的负功能连接状态，这在最近一项与部分重叠样本的动态功能连接的研究中得到了观察。在发育方面，PFC和海马体之间的功能连接随着年龄的增长而不断增加。在行为方面，HIP-PFC/dACC的成熟进一步反映了在青春期观察到的情绪调节和认知发展的收获(49-51)。因此，22q11DS中观察到的认知和情感缺陷可能部分归因于该回路的不成熟。此外，我们发现HIP-PFC/dACC发育障碍主要是由精神病出现风险较高的患者驱动的。因此，PPS(+)患者的基线HIP-PFC连通性的纵向下降幅度更大。与我们的研究结果一致，22q11DS患者的ACC静息态连接异常曾被认为是精神症状存在的12种主要鉴别模式之一。此外，先前的研究已经表明，精神分裂症患者的HIP与PFC之间存在异常连接，而非综合征患者的精神病风险更高。特别是，我们的纵向研究表明，PPS(+)患者的HIP-PFC连通性缺陷出现于青春期发育下降，而青春期是22q11DS和普通人群出现阈下精神病症状的关键时期。在精神分裂症患者中，在海马体自上而下控制减少的框架下，已经讨论过HIP-PFC连接障碍与阳性精神症状之间的联系。HIP-PFC功能协调的缺陷被认为是由快速尖峰小蛋白(PV) GABAergic中间神经元不足所致。随后GABAergic信号的减少被解释为海马体的过度激活，反过来，海马体的过度激活在很大程度上与阳性精神病症状的存在有关。此外，HIP过度活跃已被证明先于海马萎缩，这在精神病中得到了很好的证明。类似地，最近一项与当前研究部分重叠的样本调查显示，青春期PPS(+)患者的海马体积下降。值得注意的是，与我们研究中检测到的海马连通性障碍相比，形态学缺陷发生在更晚的年龄。因此，海马体连接发育障碍可能成为精神病的早期生物标志物，对随后的有害神经发育和临床结果有诱发作用。值得注意的是，这项研究的多变量性质允许我们揭示了海马到皮层下多巴胺能区域的超连通性，与到PFC的低连通性同时存在。值得注意的是，有研究表明，青春期PFC神经元间发育障碍可能是由异常的多巴胺能信号介导的。在这里，我们发现22q11DS患者并没有减少海马和背侧纹状体集群之间的功能连接，这在青少年时期进一步加强。与PPS(-)患者相比，PPS(+)患者的背侧纹状体比基线时HFC的发展速度更大。事实上，关于精神分裂症病理生理学的一个主要假说围绕着过量的皮层下多巴胺与皮层多巴胺信号的缺失。有进一步的假说认为，在精神病中，海马可能导致多巴胺失调。为了支持这一假说，研究表明，海马PV表达的减少和随后的海马过度活动可以驱动腹侧被盖区(VTA)的过度激活。由于我们的分析没有包括中脑区域，我们不知道是否可以检测到相同的HIP-VTA发育模式。然而，在22q11DS人群中，背侧纹状体与中脑连接良好，而HIP-PFC超连接已被报道。因此，我们的研究结果进一步证实了在这一异常网络中，海马是一个重要的中枢。研究22q11DS患者的一个独特优势是可获得该疾病的精确转化模型。不可否认，动物模型对于揭示潜在的神经回路功能障碍和制定有效的治疗策略至关重要。近期22q11DS小鼠模型的研究结果表明了海马的重要性。海马腹侧是小鼠大脑中第一个表达PV神经元间低兴奋性的区域，该区域进一步发展为全脑PV补充不足的状态。此外，在青春期后期，海马腹侧区和mPFC都对治疗有反应。值得注意的是，在青春期末期的关键时期短期给予D2R拮抗剂可长期挽救PV神经元的募集，这依赖于HIP- PFC回路。挽救HIP- PFC的PV神经元成熟与长期预防成年小鼠的慢性认知和行为缺陷相关。总的来说，我们的证据与该转化研究的证据高度相符。在这里，我们发现了HFC发展轨迹的类似模式，表明在青少年时期，HIP-PFC连接性发挥了匹配的关键作用。我们的结果表明，青春期后期也可能是一个机会窗口，短期干预可能实现与精神病相关的回路功能障碍的长期拯救。总而言之，本文使用种子点功能连接和多变量分析方法发现，22q11DS患者表现出不典型的海马功能连接轨迹。在这里我们观察到，22q11DS患者在6岁时就已经部分出现了HFC（海马功能连通性）成熟障碍，这可能暗示了在我们当前认为的抑郁症年龄范围之前就已经出现了HFC成熟障碍。这些早期HFC纵向成熟的特征可以在未来调查年轻年龄组的研究中得到解决。值得注意的是，尽管早期存在缺陷，但HFC发育障碍在青春期持续发展。恰恰如此，导致积极精神病症状出现的发散轨迹出现在青春期。根据转化模型的结果，未来的研究应该详细说明这个生物标志物是否确实是精神病预防干预的潜在治疗目标。
