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1.引言

精神分裂症是一种严重的精神障碍，其特征为认知、感知和情绪的深刻紊乱，临床表现和病程具有相当大的异质性。发病年龄被认为是影响其临床表型、疾病轨迹和潜在神经生物学机制的关键因素之一。早发型精神分裂症定义为18岁以前发病，与成人型精神分裂症相比，是一个相对罕见但临床特征明显的亚型，表现为更严重的症状、更显著的认知损害和更差的长期结局。这些临床差异提示早发型和成人型精神分裂症可能具有不同的神经病理学基础，值得进一步研究。早发型精神分裂症出现在青春期，这一时期涉及突触修剪、髓鞘形成和网络整合的广泛皮层重组，提示其可能具有与成人型不同的神经发育基础。

功能神经影像学研究一致表明，精神分裂症与大尺度脑网络的异常有关，特别是默认模式网络、额顶网络和丘脑皮层回路。关键的是，来自静息态功能连接的证据表明，这些网络异常受发病年龄的调节。例如，直接比较显示，早发型患者通常表现出更广泛和更严重的功能失连接，特别是在远距离皮层连接方面，而成人型患者则表现为相对局灶的异常。然而，这些研究主要关注脑区之间的静态关系，忽视了脑活动固有的动态特性，这一局限性可能妨碍对该疾病神经功能基础的全面理解。为弥补这一空白，近年来的研究引入了一系列时间序列分析方法，旨在刻画脑活动的时间动态。

内在时间尺度提供了一种基于功能磁共振成像信号自相关特性来刻画局部神经活动时间持续性的新方法。较高的内在时间尺度表明大脑区域随时间维持信息整合的能力更强，而较低的内在时间尺度则反映更碎片化、更不稳定的神经活动。在生物学上，这些时间尺度并非任意，而是由局部微回路特性塑造，包括树突棘密度、离子通道分布以及关键的由NMDA和GABA受体介导的兴奋/抑制平衡。因此，内在时间尺度的改变可作为潜在突触调节异常的宏观指标，例如广泛涉及精神分裂症病理生理学的谷氨酸能功能低下和兴奋/抑制失衡。在多种精神疾病中已观察到异常的内在时间尺度，精神分裂症在与自我参照加工和认知控制相关的皮层区域表现出一致的缩短。在精神分裂症中，内侧前额叶皮层和后扣带回皮层的内在时间尺度缩短与执行功能障碍和记忆提取受损相关。此外，新近证据表明，精神分裂症患者在静息态和任务态之间调节内在时间尺度的能力显著减弱，表明神经适应性存在普遍损害。尽管对此领域的兴趣日益增加，但内在时间尺度异常是否随发病年龄表现出系统性差异尚不清楚，这些差异是反映不同的神经发育轨迹还是共享的病理生理机制仍有待阐明。

此研究旨在使用两个独立的静息态功能磁共振成像数据集，探究早发型和成人型精神分裂症中内在时间尺度的改变。招募了病程匹配的首次发作早发型和成人型精神分裂症患者，以及两组年龄匹配的健康对照。检查了疾病的主效应以及疾病与发病年龄对内在时间尺度的交互效应。此外，为确定所观察到的改变的生物学相关性并识别潜在的分子基础，进行了样本外影像转录组学分析，将内在时间尺度异常的空间模式与区域基因表达谱相关联，以揭示涉及的分子通路。

2.方法

2.1.参与者

此研究使用两个数据集，共纳入235例精神分裂症患者和156例匹配的健康对照。发病年龄小于18岁的患者被归类为早发型精神分裂症组。发病年龄≥18岁的患者被归类为成人型精神分裂症组。与早发型组年龄匹配的健康对照被归类为年轻健康对照，而与成人型组年龄匹配的健康对照被归类为年长健康对照。研究包括124例早发型患者、111例成人型患者、62例年轻健康对照和94例年长健康对照。具体而言，数据集1包括30例早发型、90例成人型、15例年轻健康对照和57例年长健康对照；数据集2包括94例早发型、21例成人型、47例年轻健康对照和37例年长健康对照。

此研究遵守相关国家和机构人体实验伦理委员会制定的伦理标准以及1975年《赫尔辛基宣言》的修订版。所有涉及人类受试者的程序均获得中南大学湘雅二医院伦理委员会批准。所有参与者均为右利手的汉语母语者，并签署了书面知情同意书。

患者招募自中南大学湘雅二医院。由两名精神科医生使用所有可用信息进行诊断，包括病历回顾和DSM-IV结构化临床访谈。排除标准包括年龄<16岁或>45岁、神经系统疾病、物质依赖史、电休克治疗史或任何MRI禁忌症。在扫描当天使用阳性症状评定量表和阴性症状评定量表评估临床症状。使用韦氏成人智力量表中国修订版的信息和数字符号分测验评估认知功能。

健康对照通过广告从当地社区招募。健康对照使用DSM-IV轴I障碍结构化临床访谈研究版非患者版进行评估。所有健康对照均不符合任何精神障碍的诊断标准，其一亲属也无已确诊的精神疾病史。

2.2. MRI数据采集与预处理

数据集1使用Philips Achieva 3T扫描仪和8通道头线圈采集，采用梯度回波平面成像脉冲序列。参数：重复时间=2000 ms，回波时间=30 ms，翻转角=90°，视野=240×240 mm²，矩阵=64×64，层数=36，层厚=4 mm，间隔=0 mm，总体积=250。数据集2使用Siemens Allegra 3T扫描仪采集，采用梯度回波平面成像脉冲序列，参数：矩阵=64×64，层数=32，层厚=5 mm，间隔=0 mm，翻转角=90°，视野=240×240 mm²，重复时间=2000 ms，回波时间=30 ms，总时间点=253。

使用DPABI工具箱进行数据预处理。为确保磁饱和稳定性，数据集1和2分别排除前2个和前5个时间点。随后，剩余的248个时间点经过以下预处理步骤：时间层校正、头动校正、空间平滑和归一化至MNI空间。回归掉干扰协变量，包括12个头动参数、白质信号和脑室信号。由于可能存在疾病相关的变异，保留了全局信号。为处理低频漂移和高频生理噪声，对功能磁共振成像数据应用了带通滤波器。使用最近邻方法对位移体积进行插补。排除标准包括：（1）任意方向头动超过2.5°旋转或2.5 mm平移；（2）因采集错误导致功能磁共振成像数据无法归一化和配准至MNI空间。共有4例精神分裂症患者和3例健康对照因数据质量问题被排除，未纳入后续分析。最终分析包括122例早发型患者、109例成人型患者、61例年轻健康对照和92例年长健康对照。在两个数据集中，患者和对照组之间经过插补的位移时间点总数无明显差异数据集（数据集1：P = 0.914；数据集2：P = 0.687）。

2.3.内在时间尺度的计算

在计算内在时间尺度指标之前，首先从Power图谱中由6 mm球体定义的264个节点中提取每个节点的平均时间序列。随后，按照Watanabe等人的步骤计算每个感兴趣区的内在时间尺度指标。在单个受试者水平上，使用预处理后的静息态功能磁共振成像数据估计每个节点的内在时间尺度值。首先，根据下式估计自相关函数：

其中k是时间滞后，T是总时间点数，y是功能磁共振成像信号。然后，内在时间尺度估计为初始正期内自相关函数曲线下的面积：

其中TR是功能磁共振成像信号的重复时间，N是第一个负自相关函数值之前的滞后数。

简而言之，自相关函数测量功能磁共振成像信号在不同时间滞后k上的自相关性，其中k表示信号与其移位版本之间的时间延迟（以TR为单位）。初始正期定义为从时间滞后k=1直到第一个非正自相关函数值（即第一个过零点）之前的区间。然后将内在时间尺度计算为该初始正期内自相关函数系数之和乘以TR，实际上代表了自相关函数曲线的面积。该指标反映了神经活动维持其时间结构的持续时间。

2.4.统计分析

使用SPSS统计软件（版本22）比较各组间的人口学和临床特征。采用单因素方差分析分析教育年限、韦氏成人智力量表中国修订版数字符号和信息得分的差异。性别差异采用卡方检验评估。早发型和成人型之间在发病年龄、病程、治疗持续时间、抗精神病药物剂量、阳性症状评定量表和阴性症状评定量表得分上的差异采用双样本t检验分析。

对于内在时间尺度指标的统计分析，使用MATLAB 2022a软件。对每位参与者的内在时间尺度数据进行组分析，采用双因素方差分析检验疾病与发病年龄的交互作用。使用ComBat工具，以减少性别、年龄、教育年限、扫描站点和头动对内在时间尺度指标分析的影响。使用Bonferroni校正进行多重比较校正，显著性阈值为P<0.05/264。然后进行事后检验，比较任意两组之间的差异（包括EOS对比yHC、 AOS 对比oHC、EOS对比 AOS 、yHC对比oHC、EOS+ AOS 对比yHC+oHC、EOS+yHC对比 AOS +oHC），使用Bonferroni校正，显著性阈值为P<0.05/6。考虑到发病年龄在18岁左右的患者可能具有重叠特征，进一步排除了发病年龄在17-19岁之间的患者后重新进行分析，以确保结果的稳健性。

进一步进行皮尔逊相关分析，检验显示显著交互效应的脑区内在时间尺度值与韦氏成人智力量表中国修订版数字符号和信息分测验得分，以及临床特征之间的关联。多重比较采用FDR方法校正，显著性阈值为p-fdr<0.05。此外，采用双样本t检验比较精神分裂症患者与健康对照之间的内在时间尺度差异，应用Bonferroni校正进行多重比较 (P<0.05/264)。

2.5.影像转录组学与富集分析

使用Brain Annotation Toolbox（BAT）工具箱对检测到的疾病与发病年龄交互作用区域进行了遗传注释分析。BAT工具从Neurosynth数据库提取功能信息，并从Allen人类脑图谱（AHBA）中获取基因表达谱数据。该分析基于通过感兴趣区域（ROI）团块定义的脑区划分。为确保结果稳健性，置换检验重复进行了5000次。遗传与功能注释的其他参数设置包括：ROI尺寸设定为6毫米、最小样本量为5例。这些参数的选择旨在优化功能与遗传注释流程，同时提升结果可靠性。

2.6富集分析

将得到的差异表达基因上传到DAVID数据库。进行基因本体论数据库分析，特别关注三个领域：生物过程、细胞组分和分子功能。此外，使用人类京都基因与基因组百科全书数据集进行基因功能和通路富集分析。显著性阈值设为p-fdr<0.05且富集倍数>2。

在脑海科技云平台中，内置了内在时间尺度(INT)模块，支持用户批量处理数据，并确保每一步参数设置都有据可查。此外，平台的项目管理模块可清晰记录数据筛选标准、排除被试原因、分析版本等信息，极大提升了研究的透明度和可复现性。读者可对照思考如何在平台中实现类似的分析流程。感兴趣可联系预约产品演示。

3.结果

3.1.参与者特征

所有参与者的基线人口统计学特征与临床资料详见表1。研究对象中老年性痴呆（AOS）与老年性认知障碍（oHC）患者，以及早期痴呆（EOS）与晚期痴呆（yHC）患者均经过年龄匹配。与匹配的健康对照组相比，EOS组和 AOS 组的受教育年限均显著缩短（EOS<yHC：P<0.001； AOS <oHC：P<0.001）。EOS组患者在SAPS量表评分（P=0.010）、受教育年限（P<0.001）及治疗持续时间（P=0.003）方面均显著高于 AOS 组。两组患者在韦氏儿童智力量表核心量表（WAIS-CR）数字-符号测验（EOS<yHC，P<0.001； AOS <oHC，P<0.001）及信息处理测验（EOS<yHC，P=0.027； AOS <oHC，P<0.001）中的得分均低于匹配的健康对照组。

表1人口统计学与临床特征

3.2.内在时间尺度指标

双向方差分析显示，在15个感兴趣区域（ROI）中存在显著的诊断类型与发病年龄交互作用，涉及感觉运动网络（SMN ，1个ROI）、默认模式网络（DMN，9个ROI）、记忆提取网络（MRN ，1个ROI）、额顶叶网络（FPN ，1个ROI）以及背侧注意网络（DAN，1个ROI）（表2，图1A、C）。

表2疾病与发病年龄对INT的交互作用

图1脑网络分布与疾病及发病年龄交互效应对所有组别内在神经时间尺度的影响

事后比较显示，在大多数感兴趣区域（ROI）中，EOS患者比年龄匹配的yHC受试者具有显著更低的INT值；而 AOS 患者仅在部分ROI（主要位于默认模式网络[DMN]内）表现出显著降低的INT值，与oHC组相比（表3和图1B）。

表3检测区域INT值的组间差异

效应量分析进一步表明，多数感兴趣区（ROIs）在内侧边缘系统（EOS）与外侧海马（yHC）对比中呈现的Cohen‘sd值高于背外侧海马（AOS）与外侧海马（oHC）对比。但在部分默认模式网络（DMN）ROIs中，背内侧海马（AOS）与外侧海马（oHC）的对比效应量大于内侧边缘系统（EOS）与外侧海马（yHC）对比（表3）。

此研究对所有精神分裂症患者（SZ）与健康对照组（HC）进行了全组比较。研究发现， SZ 中147个感兴趣区域（ROI）的强度值（INTs）显著低于HC组，且存在名义显著性差异（P<0.05，未经校正）。其中22个ROI通过了严格的Bonferroni校正。在排除发病年龄介于17至19岁的患者后，稳健性分析结果与原始研究结果基本一致。

皮尔逊相关性分析显示，在健康对照组中，默认模式网络（DMN）内特定节点的内部连接强度（INTs）与言语智力呈显著正相关（右侧海马：ROI 95，P=0.048；外侧海马：ROI 89，P=0.032）。在早期执行功能（EOS）中， FPN 内的INTs与信息处理速度呈显著正相关（ROI 192，P=0.031），而DMN内特定节点的INTs则与言语加速处理速度（SAPS）（ROI 93，P=0.013；ROI 110，P=0.020）及言语加速反应速度（SANS）评分（ROI 110，P=0.008）呈显著负相关。在执行功能障碍（AOS）中，DMN内的INTs与言语智力及信息处理速度均呈负相关（ROI 90，P=0.035；ROI 95，P=0.033和0.043），而其与临床症状的关联性未达显著性水平。然而，这些相关性经错误发现率（FDR）校正后仍不成立, 详细结果见图2。

图2对INT具有显著交互作用的ROI与神经认知及临床特征之间的相关性

研究还评估了临床变量可能产生的混杂效应。皮尔逊相关性分析显示，在存在显著交互作用的区域中，INT值与治疗时长、病程或抗精神病药物剂量（CPZ 当量）均无显著相关性（所有P值>0.05）。这表明观察到的INT异常主要并非由药物治疗或疾病慢性化所致。

3.3.影像转录组学与富集分析

在影像转录组学和基因富集分析中，纳入了显示疾病与发病年龄对INT（神经元内吞作用）存在交互作用的脑区。

影像转录组学分析鉴定出5221个在INT异常脑区呈现空间相对过表达的智人基因（p-fdr <0.05）。GO富集分析结果显示：在生物过程层面，化学突触传递呈现显著富集（p-fdr = 1.91E-17）；在分子功能层面，钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶活性显著富集（p-fdr = 0.004）；在细胞组分层面，谷氨酸能突触呈现显著富集（p-fdr = 1.18E-41）（见图3）；在 KEGG 通路层面，谷氨酸能突触相关通路显著富集（p-fdr = 8.00E-08）（见图3）。

图3基于检测区域进行的3项影像转录组学及富集分析。

4.讨论

通过对“诊断×发病年龄”交互效应的分析，此研究证明了精神分裂症中内在时间尺度的异常显著受发病年龄调节。早发型患者表现出跨多个大尺度脑网络的内在时间尺度广泛降低，包括默认模式网络、额顶网络、感觉运动网络、记忆提取网络和背侧注意网络，而成人型患者的内在时间尺度降低主要局限于默认模式网络内的区域。此外，影像转录组学分析显示，在显示显著“诊断×发病年龄”交互作用的脑网络中，内在时间尺度异常可能与化学突触传递、谷氨酸能信号传导和钙/钙调蛋白依赖性激酶活性相关的基因富集有关。

内在时间尺度降低与皮层层次加工受损和功能特化减弱有关，反映了跨网络神经通信的中断。在精神分裂症中，默认模式网络核心节点内侧前额叶皮层和后扣带回皮层的内在时间尺度降低一直与执行功能、记忆提取和自我参照加工的损害相关。虽然此研究结果证实了两种患者组默认模式网络的广泛内在时间尺度降低，但仔细检查揭示了关键的空间分离：早发型患者在 posterior 节点表现出更显著的内在时间尺度降低，而成人型患者在前部节点表现出更大的缺陷。这种前-后分离与青春期和成年早期皮层成熟的“后-前”轨迹惊人地一致。由于皮层灰质丢失和突触修剪从 posterior 顶叶区域向前部额叶区域进展，早发型精神分裂症的早期发病很可能破坏了后部默认模式网络的关键发育窗口。相比之下，成人型发病恰逢前额叶皮层最终成熟阶段，导致更局限的前部破坏。因此，尽管默认模式网络功能障碍是精神分裂症共享认知缺陷的基础，但这些内在时间尺度改变的具体空间地形似乎受疾病发病的发育时间塑造。

除默认模式网络外，早发型患者还表现出额顶网络、感觉运动网络、记忆提取网络和背侧注意网络的显著破坏。这些网络共同支持高阶认知加工、运动协调、情景记忆和注意控制。感觉运动和记忆提取网络的内在时间尺度异常可能分别破坏感觉运动整合和情景记忆加工。背侧注意网络的参与提示注意调节和视觉空间加工缺陷。重要的是，这些认知功能在青春期经历关键成熟和重塑，早发型中观察到的广泛内在时间尺度降低可能反映了这一关键发育时期异常的突触修剪和髓鞘形成。这种神经发育过程的破坏可能损害跨多个功能系统的时间整合，从而导致该患者亚组更严重的临床症状和更差的总体预后。

为探索与这些功能异常相关的潜在分子机制，进行了影像转录组学分析。显示诊断×发病年龄对内在时间尺度有交互效应的脑区，在空间上富集了参与化学突触传递、谷氨酸能信号传导和钙/钙调蛋白依赖性激酶活性的基因。这些通路已被广泛认为与精神分裂症病理生理学相关，谷氨酸失调被提出作为影响突触可塑性、神经同步和皮层发育的核心特征。内在时间尺度降低与谷氨酸能相关基因表达之间的汇聚支持了兴奋性信号受损可能导致时间整合障碍的假设，特别是在早发型中。此外，钙信号基因（对细胞内转导和长时程增强至关重要）的富集，强调了细胞内突触调节在塑造神经时间尺度中的相关性。这些发现为观察到的功能破坏提供了分子有效性，并突显了精神分裂症亚型特异性异质性背后的潜在发育和突触机制。

此研究结果共同表明，发病年龄在塑造精神分裂症内在脑动态的范围和解剖分布方面起着关键作用。早发型似乎反映了更受神经发育驱动的亚型，其特征是涉及执行功能、记忆和注意的网络广泛时间解整合。相比之下，成人型可能涉及相对成熟大脑中更局限的功能破坏，保留更完整的大尺度网络架构。内在时间尺度图谱与转录组数据的整合推进了一个将宏观时间异常与微观突触信号破坏联系起来的系统层面框架。

此研究的局限性应予以承认。首先，横断面设计限制了对发育轨迹的推断。需要纵向研究，特别是在高风险青年队列中，以确定内在时间尺度异常是在疾病发作之前出现还是随着症状进展而出现。其次，尽管应用了协调程序，但无法完全排除残留的站点相关混杂因素。第三，虽然内在时间尺度提供了一个有前景的脑动态指标，但其生物学解释仍然是间接的，可能涉及神经、胶质和血管过程的复杂相互作用。需要多模态影像学方法和药理学验证来阐明内在时间尺度背后的具体神经生理机制。第四，虽然使用韦氏成人智力量表中国修订版分测验评估认知状态，但这些测量主要反映言语智力和加工速度，而非涵盖执行功能或工作记忆的全面认知成套测验。未来需要具有更具体认知任务的研究来将内在时间尺度改变映射到不同的认知领域。最后，抗精神病药物可能对脑功能测量产生复杂影响，未来需要在未用药人群中进行研究以验证这些发现的稳健性。

总之，此研究首次提供了精神分裂症中内在时间尺度异常随发病年龄系统性变化的证据。早发型显示跨多个网络的广泛内在时间尺度降低，而成人型异常主要局限于默认模式网络，反映了不同的神经病理机制。这些破坏与富含谷氨酸能和钙相关基因表达的区域重叠，提示突触功能障碍。此研究结果推进了对精神分裂症异质性的理解，并提示内在时间尺度可作为亚型分化和精准精神病学的潜在生物标志物。