ADHD儿童纹状体和默认网络异常连接模式的fMRI研究

蓝志辉

目的

以前研究发现注意缺陷多动障碍(Attention-deficit/hyperactivitydisorder,ADHD)与特定的神经环路异常密切相关，但是这些环路涉及的脑区和网络是否呈现非典型的功能活动模式仍不清楚，尤其是纹状体和默认模式网络(Defaultmodenetwork,DMN)相关的神经环路。本文基于静息态功能磁共振成像(Resting-state functional magnetic resonance imaging,R-fMRI)数据，采用功能连接(Functional connectivity,FC)、效应连接和动态功能连接(Dynamicfunctionalconnectivity,dFC)从三个方面对ADHD儿童纹状体和DMN功能活动模式进行探究。研究一探索ADHD儿童纹状体连接模式；研究二将功能上更为特殊的纹状体中的腹侧壳核作为感兴趣区域(Regionofinterest,ROI)研究ADHD儿童效应连接的改变；研究三探究ADHD儿童的DMN的时间动态模式是否存在异常。

材料与方法

研究数据来自存储在神经成像信息学工具和资源交换中心(Neuroimaging Informatics Toolsand Resources Clearinghouse,NITRC)平台北京大学数据集的32名患有ADHD的儿童和52名匹配的典型发育对照(Typicallydevelopingcontrols,TDC)。研究一旨在使用精细的12个纹状体亚区，在被试水平上研究纹状体功能障碍及其作为ADHD儿童精神症状的神经生物标志物的作用。我们使用基于种子点的FC方法探索了患有和不患有ADHD的儿童之间的12个纹状体亚区的全脑和局部FC模式的群体差异。然后，通过比率低频振幅(fractional Amplitudeof Low Frequency Fluctuation,fALFF)计算纹状体的局部自发神经活动。此外，我们使用层次聚类分析研究了TDC组12个纹状体亚区的聚类模式。研究二选取研究一中fALFF异常的左腹侧喙状壳核(Ventralrostralputamen,VRP)进行格兰杰因果分析(Grangercausalityanalysis,GCA)检查VRP和全脑其他体素之间的效应连接，最后采用皮尔逊积差相关分析探讨异常的fALFF值和效应连接值与ADHD儿童临床症状严重程度之间的关系。研究三比较了ADHD儿童和TDC组之间DMN内的dFC。首先，采用滑动时间窗方法计算每个被试的动态DMN。然后，我们使用k-means聚类估计了FC状态，并且研究了在不同状态下的连接强度、各状态中的发生率、驻留时间和状态间的转换次数的组间差异。最后，评估了不同状态下的图论度量。

结果

在研究一中，与TDC组相比，ADHD儿童在左腹侧尾状核和右角回、左伏隔核和左中央后回、双侧距状沟皮层和小脑、左背侧喙状壳核和右舌回、左VRP和右楔前叶、左中央后回之间表现出较弱的FC。局部纹状体分析结果显示，ADHD儿童左侧背侧喙状壳核和右侧VRP之间的纹状体内FC明显低于TDC组。ADHD儿童左VRP的fALFF明显弱于TDC组。此外，层次聚类分析显示纹状体被细分为三个独立的部分，包括尾状核、伏隔核和壳核。在研究二中，结果表明ADHD儿童左侧VRP的异常效应连接。左侧VRP与双侧额上回和视觉皮层之间的效应连接发生了改变，左侧VRP至左侧舌回的效应连接值与ADHD儿童的症状量表呈正相关，而左侧VRP至左侧枕中回的效应连接值与ADHD儿童的症状量表呈负相关。在研究三中，聚类结果表明存在两个重复出现的dFC状态。与TDC组相比，ADHD儿童在发生率、驻留时间和转换次数上存在显著的组间比较差异，并且这些差异与多动/冲动量表呈显著相关。其次，ADHD儿童在状态2下前内侧前额叶(anteriorMedialPrefrontalCortex,aMPFC)与后扣带回(Posteriorcingulatecortex,PCC)之间的dFC显著弱于TDC组。另外，与TDC组相比在状态1下ADHD儿童平均局部效率显著减小。

结论

研究一结果强调了纹状体亚区在描述ADHD相关脑环路中的关键作用。研究二结果证明了功能更上为特殊的腹侧壳核与额上回和视觉皮层的非典型效应连接。研究三发现ADHD儿童异常的dFC更多的出现在弱相互作用状态，并且主要枢纽(PCC和aMPFC)的中心作用减弱。我们的研究表明了ADHD儿童纹状体的FC改变以及腹侧壳核异常的效应连接，支持了前人关于皮层-纹状体-丘脑-皮层环路和额叶-纹状体-小脑环路的假设。另外，ADHD儿童DMN内动态特性异常可能与ADHD儿童的注意力缺陷、维持社会关系困难、认知控制和情绪障碍有关，这可能为ADHD儿童的动态功能网络分析提供有趣的见解。以上研究结果从核心节点、关键环路以及重要脑网络的角度解释了ADHD的相关神经机制。