JAMA Psychiatry:额颞连接能够敏感地预测青少年认知与精神症状

背景：青春期是个体成长的关键时期，人类大脑的微观结构和连接的变化贯穿于在整个儿童期和青春期，其长期成熟持续到第三个十年，在健康的心智发展中发挥着至关重要的作用。许多精神障碍出现于青少年时期，这些精神障碍可能反映了该时期大脑潜在可塑性的损耗，此外，精神障碍存在某些共同的基因，精神疾病合并症的高发作率，以及诊断中存在共同的潜在因素等等，这些证据都在强调对基于脑的中间表型识别的重要性，这些中间表型可能在疾病出现临床表现之前存在。研究者希望通过青少年脑成像数据，找到可以预测青少年精神症状的大脑表型。

样本：数据来源于Philadelphia Neurodevelopmental Cohort，从2009年至2011年，研究者调查了6487名年龄在8-21岁的人的认知功能，并且分析了核磁共振成像样本748（343女性）个，年龄从8.7岁到22.6岁（均值15.1 标准差3.3），在该748的样本中，729人有有效的临床数据。

分析方法：

1.使用独立成分分析（ICA）得到被试多维度的精神病理学评分（结果后文如图1所示，其中包括7个成分）

2.使用全基因组复杂性状分析（GCTA）评估遗传性

3.多模态融合同时模拟了diffusion磁共振成像度量分数的各向异性，平均扩散率，径向扩散率，L1（主扩散张量成像特征值），各向异性模式以及主要和次要纤维取向以及结构连通性密度的贡献程度（共八个反映大脑微观结构及连接的特性，根据这八个特性提取出20个相关的成分，后文中的LICA01-LICA20）， 以及他们与一般精神病理学和认知的关系。

主要结果：

在729名个体中进行10次交叉验证和置换测试的机器学习结果与一般精神病理学水平（r = 0.24，P <.001）和认知（r = 0.39，P <.001）显著相关。 对于这两种特质，反映额颞连接和钩状束中交叉纤维的大脑白质模式是最相关的特征。 跨临床诊断类别以及认知测试分数的单变量分析证实了其跨诊断的重要性。 一般精神病理学（16％; SE，0.095; P = .05）和认知（18％; SE，0.09; P = .01）因子均可遗传并显示出负的遗传相关性。

具体实验结果数据：

认知：对6487名被试在认知行为的评分分数（包含12分测验，涵盖工作记忆、情景记忆、语言推理、非语言推理、社会认知）进行主成分分析提取出认知行为的一般测量方式—流体智力（fluid intelligence [Gf]）。

图一：独立成分分析得到的129项临床问卷不同成分的权重

神经病理学：如上图所示，对被试测量129项临床症状评分，对其进行独立成分分析，发现七个独立成分：注意问题（attention problem, IC1）、焦虑（anxiety, IC2）、违规行为（norm-violating behavior, IC3）、精神病阳性以及有前驱性的症状（psychosis positive and prodromal symptoms, IC4）、抑郁自杀以及精神病阴性症状（psychosis negative symptoms, IC5）、躁狂（mania, IC6）以及强迫（obsessive-compulsive symptoms, IC7），之后用所有成分的平均代表神经病理学分数。

图二：A.年龄，流体智力（Gf）和精神病理学（每个被试）交叉验证的关联中20个大脑白质成分中每个成分的特征重要性。B.C.D.分别为年龄、流体智力以及平均神经病理学ICA的真实值与预测值的相关。

大脑白质20个独立成分与年龄、流体智力和神经病理学症状（用平均ICA计算）显著相关，其中大脑LICA-01能够灵敏的预测年龄，LICA-09与年龄、认知和心理健康都存在重要的相关。对于LICA-09的详细结果见下图。

图3 LICA-09与认知和神经病理学症状的显著相关

A. LICA-09对应的大脑空间图示，百分比代表各模态贡献的百分比；暖色代表正向权重，冷色代表负向权重，其中粉色为白质纤维的钩状束，紫色代表下枕叶束。

B.被试LICA-09权重与年龄的关系（根据流体智力高低分层）

C.被试LICA-09权重与年龄的关系（根据神经病理学症状分层）

LICA-09：LICA-09的空间焦点包括钩状束和下枕骨束之间的交叉点，对于部分各向异性，f1（主导纤维），各向异性模式具有负空间权重，连通密度和f2（次要纤维）和径向扩散系数为正向权重。但如果1个纤维种群退化，则在交叉纤维区域中分数各向异性也可能更高。具有较高精神病理学得分但是LICA-09权重较低的被试意味着交叉纤维减少，症状负担增加。

图4 被试20个LICA成分权重的的单变量结果，再次说明了LICA-09与认知和临床神经疾病的相关。

总结：该研究的结果指出边缘颞 - 杏仁核 - 眶部内侧前额叶通路（limbic temporo amygdala-orbitofrontal pathways）可以作为精神障碍诊断中的大脑表型。实际上，额颞连接与一系列精神疾病有关，包括精神分裂症，行为障碍以及焦虑等。最为重要的是，目前的研究结果表明，这些异常现象也存在于没有被诊断但有精神疾病风险的年轻人中。

参考文献：Alnæs, D., Kaufmann, T., Doan, N. T., Córdova-Palomera, A., Wang, Y., & Bettella, F., et al. (2018). Association of heritable cognitive ability and psychopathology with white matter properties in children and adolescents. Jama Psychiatry, 75(3).