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1.引言

重性抑郁障碍是一种以持续的悲伤情绪、动机减退和兴趣丧失为特征的精神疾病，并且是全球疾病负担的主要原因之一。灰质和白质微观结构的改变已被认为与重性抑郁障碍的病理生理学相关。死后研究已证明灰质中神经元大小和胶质细胞密度的减少，以及少突胶质细胞数量和密度的减少。在白质中，也报道了髓鞘减少和少突胶质细胞胞体缩小。利用重性抑郁障碍模型的动物研究表明，灰质中出现树突萎缩和棘丢失，伴随成熟少突胶质细胞和星形胶质细胞的减少。此外，慢性应激诱导的突触可塑性损伤已被证明可通过抗抑郁治疗逆转。在重性抑郁障碍动物模型中观察到白质脱髓鞘和髓鞘厚度减少，并且有报道称抗抑郁治疗可预防白质损伤，恢复髓鞘完整性和少突胶质细胞数量。

在当前经历抑郁症状的患者中，在体神经影像提供了一种非侵入性方法来收集和分析大型数据集，为重性抑郁障碍相关的脑微观结构改变提供了有价值的见解。弥散张量成像是广泛用于可视化组织内水分子弥散特性的技术，特别是在研究白质结构方面。各向异性分数是最常用的弥散张量成像指标，量化了水弥散的方向性限制，其中较高的各向异性分数值表示白质方向性增加。多中心研究和荟萃分析一致报告，重性抑郁障碍患者在多个脑区（如胼胝体和放射冠）存在各向异性分数降低。

弥散张量成像采用单成分模型，将每个体素内的弥散近似为椭球体，并假设水分子弥散服从高斯分布。因此，弥散张量成像在捕捉多层面结构改变方面能力有限，特别是在具有比白质更复杂纤维结构的灰质中。神经突方向离散度与密度成像(NODDI)通过三个不同的隔室来模拟灰质和白质的水弥散特性，从而解决了这一局限性：神经突内（轴突和树突）、神经突外（由胞体和胶质细胞膜定义的空间）和自由水（脑脊液和水肿）。将这些各具独特特征的多模态结合，与单模态研究相比，可以在组织学水平上提供对灰质和白质病理生理学更全面的理解。NODDI计算几个关键指标，包括反映神经突内体积分数的神经突密度指数(NDI)；表征神经突角度变化的方向离散度指数(ODI)；以及代表组织中自由水比例的自由水分数 (FWF)。据此研究所知，迄今为止只有两项研究在重性抑郁障碍研究中使用了NODDI。一项研究报告称，在右侧颞上皮质和双侧岛叶皮质等区域NDI降低，左侧丘脑和左侧枕叶皮质ODI降低，而双侧上纵束和左侧丘脑后辐射等区域ODI增加。另一项研究探讨了氯胺酮对难治性重性抑郁障碍患者白质的影响，发现在连续输注氯胺酮后，枕颞白质通路中的NDI显著降低，这与快感缺乏的改善相关，而在ODI或FA方面未观察到显著变化。这些发现提示重性抑郁障碍与神经突密度和方向的变化相关，但结果不一致且局限于较小的队列。

先前关于重性抑郁障碍的神经影像研究主要集中在重性抑郁障碍诊断或症状与特定脑区之间的关联上。然而，关于全脑水平微观结构改变的性质的讨论有限。内分泌和免疫系统参与重性抑郁障碍的病理生理学已是公认的，越来越多的证据表明，过高的皮质醇水平和神经炎症可能导致重性抑郁障碍的微观结构改变。鉴于激素和炎症介质的全身性，重性抑郁障碍中的微观结构改变不仅可能发生在区域特异性或环路特异性水平上，也可能发生在大脑全局。事实上，一些研究已报道重性抑郁障碍患者整个白质的平均FA值降低。

此研究假设重性抑郁障碍患者的全脑发生微观结构改变。为验证这一假设，此研究使用弥散张量成像和NODDI，利用包含重性抑郁障碍患者和健康对照者的多中心磁共振成像数据集，检查了灰质和白质的微观结构改变。此研究比较了重性抑郁障碍患者与健康对照者之间弥散指标的全局差异。对于显示显著差异的指标，此研究进一步探讨了它们与临床参数的关系。

2.方法  

参与者  

参与者来自纵向磁共振成像研究——识别情绪障碍缓解/恢复的神经基础研究 (L/R Study)，这是一项观察性研究，属于Brain MINDS/Beyond项目的一部分。此研究包括来自京都大学医院的76名重性抑郁障碍患者和55名健康对照者，以及来自国立精神神经医疗研究中心 的83名重性抑郁障碍患者和57名健康对照者，总共159名重性抑郁障碍患者和112名健康对照者。纳入标准为：根据结构化访谈迷你国际神经精神访谈(MINI)诊断为重性抑郁障碍，年龄在20至85岁之间，参与时汉密尔顿抑郁评定量表17项评分 (HAMD-17)≥8。主要排除标准包括：物质使用障碍或酒精滥用史、自杀意念或企图、痴呆、磁共振成像禁忌症以及严重的精神或身体状况。

对于重性抑郁障碍组的临床数据，使用汉密尔顿抑郁评定量表17项评分评估疾病严重程度，并基于发病年龄与影像采集年龄之间的间隔评估病程。

该研究获得京都大学和国立精神神经医疗研究中心国家中心医院医学伦理委员会的批准。所有参与者均提供书面知情同意书，研究遵循赫尔辛基宣言中概述的原则。

磁共振成像采集 

磁共振成像数据在京都大学医院和国立精神神经医疗研究中心均使用3T磁共振扫描仪采集。在京都大学医院，使用MAGNETOM Verio扫描仪，而在国立精神神经医疗研究中心，使用MAGNETOM Skyra fit扫描仪。影像协议遵循精神科神经影像学协调协议(HARP) 。T1加权像使用3D磁化准备快速梯度回波序列(3D-MPRAGE) 获取，参数如下：重复时间2500 ms，回波时间2.18 ms，反转时间1000 ms，翻转角8°，视野256×240 mm，矩阵大小320×300，空间分辨率0.8×0.8×0.8 mm，每块层数224。T2加权像使用3DT2采样完善应用优化对比使用不同翻转角演化序列(3D T2-SPACE)获取。参数如下：TR 3200 ms，TE对于Verio为565 ms、对于Skyra fit为564 ms；所有其他参数与3D-MPRAGE相同。弥散加权像使用自旋回波平面回波成像序列获取，参数如下：TR 3600 ms，TE 89.0 ms，翻转角90°/180°，视野204×204 mm，矩阵大小120×120，空间分辨率1.7×1.7×1.7 mm，层数84，b值为0/700/2000 s/mm²。弥散磁共振成像数据采用反向相位编码对采集，包括67个AP方向和68个PA方向。

磁共振成像数据预处理  

所有磁共振成像数据均使用人类连接组计划流程(HCP)进行预处理。简要而言，T1加权像经过梯度失真校正，然后使用FMRIB软件库内的FLIRT和FNIRT配准到MNI空间。对于弥散加权像，进行序列方向的b0图像强度归一化以确保相反相位编码采集中信号幅度一致。随后使用FSL的"topup"工具校正平面回波成像失真，使用FSL的"eddy"工具校正涡流和运动伪影。使用FLIRT和FreeSurfer中的基于边界的配准工具 (BBR)实现与T1加权像的对齐。

DTI与NODDI  

使用FSL的DTIFIT工具生成FA图。NODDI将脑微观结构建模分为三个隔室：神经突内隔室（建模为受限弥散）、神经突外隔室（建模为各向异性受阻弥散）和自由水隔室（建模为各向同性弥散）。该模型产生关键指标，如反映神经突内体积分数的NDI、量化神经突角度变化的ODI以及代表组织中未结合水比例的自由水分数。这些指标使用通过凸优化的加速微结构成像（版本2.0.1）推导，该方法线性近似NODDI模型，在不影响准确性的情况下显著提高计算速度。使用FreeSurfer中基于深度学习的颅骨剥离工具SynthStrip创建脑掩膜，该工具能够快速精确地进行脑提取。所有指标图均经过视觉检查以确保质量控制。拟合指标图的示例见补充图S2。

TBSS与GBSS  

为了评估白质弥散指标，此研究使用了FSL中的TBSS。简要而言，将所有参与者的FA图像配准到MNI空间中的标准FA图像(FMRIB58_FA)，创建平均FA图像，然后用于生成FA骨架图像。该平均FA骨架图像以0.2为阈值进行二值化以创建二进制掩膜，将个体受试者的FA图最近体素值投射到其上。相同的投影向量应用于所有受试者的NDI、ODI和FWF图。

对于灰质分析，此研究采用了GBSS，这是一种类似于TBSS但适用于灰质的方法。首先，使用FSL的FAST工具对T1加权像进行灰质分割。使用由HCP流程生成的变换矩阵将分割后的灰质图像配准到MNI空间，创建平均灰质骨架。该骨架以0.2为阈值进行二值化以产生二进制掩膜，使用HCP流程中的线性和非线性变换矩阵将NDI、ODI和FWF指标图投射到其上（补充图S3B）。

统计分析 

除体素分析外，统计分析均使用R进行。为了解释多中心弥散成像数据固有的潜在位点特异性批次效应，此研究采用ComBat方法进行数据协调。ComBat函数使用R实现。ComBat的应用根据分析类型进行调整。对于全局指标（例如灰质的平均NDI），首先从未经协调的图像中提取指标值，然后在进行统计分析之前对提取的值应用ComBat以校正位点效应。对于体素分析（TBSS和GBSS），ComBat直接应用于未经协调的指标图以生成协调图，随后用于统计比较。在同时包含健康对照者和重性抑郁障碍组的分析中，将组别、年龄和性别纳入位点效应估计以保留这些变量的效应。在仅包含重性抑郁障碍组的分析中，将年龄、性别、HAMD-17评分和病程纳入位点效应估计。由于7名患者的病程数据缺失，152名患者被纳入仅重性抑郁障碍组的分析。

对于基本人口学比较，由于使用Kolmogorov-Smirnov检验确定年龄非正态分布，使用Wilcoxon秩和检验检验组间年龄差异。使用卡方检验检验组间性别比例差异。统计学显著性设为p < 0.05。

遵循既往研究，此研究计算每位受试者灰质和白质骨架中每个指标的平均值。对于灰质指标，使用年龄和性别作为协变量对健康对照者和重性抑郁障碍组之间的平均NDI、ODI和FWF进行组间比较，统计学显著性设为p < 0.0166（0.05除以3个指标）。类似地，对于白质指标，对平均NDI、ODI、FWF和FA进行组间比较，统计学显著性设为p < 0.0125（0.05除以4个指标）。

对于在上述分析中显示显著组间差异的每个弥散指标，此研究进行了以下后续分析。此研究探讨了诊断与年龄或性别之间是否存在交互作用。使用校正了性别的线性模型，分析诊断与年龄对弥散指标的交互作用。类似地，在校正年龄的情况下检验了诊断与性别的交互作用。此研究还使用校正了年龄和性别的线性模型，探讨了弥散指标与HAMD-17评分以及病程之间的相关性。统计阈值设为p < 0.05。

此外，对于在全局测量中显示显著组间差异的每个弥散指标，进行GBSS和TBSS的体素分析，以识别促成这些全局差异的特定脑区。此研究使用FSL的randomize工具（一种基于置换的非参数推断工具）进行健康对照者与重性抑郁障碍患者之间的非配对t检验，校正年龄和性别，进行10,000次置换。统计阈值设为p < 0.05，并使用无阈值团簇增强校正族系误差率。使用哈佛-牛津皮层和皮层下结构图谱识别灰质的显著区域，使用JHU ICBM-DTI-81白质标签图谱识别白质的显著区域。

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3.结果  

人口学与临床数据 

详细的人口学数据见表1。健康对照者与重性抑郁障碍组之间在年龄或性别方面未观察到显著差异。

弥散指标的组间差异 

与健康对照组相比，重性抑郁障碍组的灰质平均自由水分数显著增加（表2）。此外，与健康对照组相比，重性抑郁障碍组的白质平均方向离散度指数显著增加，平均各向异性分数显著降低（表3）。

后续分析聚焦于显示显著组间差异的白质平均FA和平均ODI，以及灰质平均FWF。

诊断与年龄/性别对弥散指标的交互作用 

未发现诊断与年龄之间对灰质平均FWF（F(4, 266) = 1.454，p = 0.229）、白质平均ODI（F(4, 266) = 0.861，p = 0.354）或白质平均FA（F(4, 266) = 0.967，p = 0.326）有显著交互作用（补充图S4A）。同样，未发现诊断与性别之间对灰质平均FWF（F(4, 266) = 0.919，p = 0.339）、白质平均ODI（F(4, 266) = 1.631，p = 0.203）或白质平均FA（F(4, 266) = 3.031，p = 0.082）有显著交互作用（补充图S4B）。

弥散指标与症状严重程度的相关性 

未发现灰质平均FWF（β = -0.028，SE = 0.0591，p = 0.622）、白质平均ODI（β = -0.035，SE = 0.0637，p = 0.584）或白质平均FA（β = -0.021，SE = 0.0757，p = 0.769）存在显著相关性。

弥散指标与病程的相关性 

此研究发现白质平均ODI与病程之间存在正相关（β = 0.139，SE = 0.0684，p = 0.042）。此外，白质平均FA与病程之间呈负相关（β = -0.182，SE = 0.0807，p = 0.019）。灰质平均FWF与病程之间未观察到显著相关性（β = 0.037，SE = 0.0642，p = 0.551）（图1）。

基于骨架的体素分析 

在GBSS分析中，重性抑郁障碍组在多个区域（包括双侧额叶、颞叶、岛叶皮层、海马和杏仁核）表现出FWF值增加（图2A，补充表S1）。在TBSS中，重性抑郁障碍组在广泛的白质区域（包括钩束、扣带回、内囊前肢和胼胝体）表现出FA降低（图2B，补充表S2）。未识别出ODI值存在显著差异的体素。

其他弥散张量成像指标 

为了与既往弥散张量成像研究进行更全面的比较并提供白质微结构的全张量表征，此研究对其他弥散张量成像衍生指标（平均弥散率、轴向弥散率和径向弥散率）进行了探索性分析。在全脑水平，与健康对照组相比，重性抑郁障碍组表现出白质平均MD显著增加（β = 0.132，SE = 1.69 × 10⁻⁶，p = 0.0279）和白质平均RD显著增加（β = 0.154，SE = 1.80 × 10⁻⁶，p = 0.0101）。白质平均AD未发现显著差异（β = 0.0447，SE = 1.90 × 10⁻⁶，p = 0.417）。对显著指标（MD和RD）的TBSS分析显示，与健康对照组相比，重性抑郁障碍组的MD和RD广泛增加（pFWE < 0.05）。这些增加在多个白质束中观察到，包括胼胝体、内囊前肢、钩束和扣带回（补充图S5，补充表S3和S4）。

4.讨论  

此研究识别出重性抑郁障碍患者整个灰质平均FWF值增加、整个白质平均FA值降低和平均ODI值增加。未发现HAMD-17评分与灰质平均FWF、白质平均ODI或白质平均FA之间存在显著相关性。病程与白质平均ODI呈正相关，与白质平均FA呈负相关。体素分析显示白质中FA值广泛降低，以及多个灰质区域（包括额叶、颞叶和岛叶皮层）中FWF值增加。

灰质微观结构改变 

这是第一项揭示重性抑郁障碍患者灰质中自由水比例增加的研究。自由水成分的增加可能提示神经炎症。先前的人类和动物研究已报道了抑郁与炎症细胞因子水平升高之间的关联。此外，促炎信号传导增加与较高比例的自由水相关。

基于骨架的分析显示，在多个区域（包括双侧额叶、颞叶、岛叶皮层、海马和杏仁核）中FWF值增加。尽管尚无研究专门探讨重性抑郁障碍患者灰质中的FWF，但结构神经影像研究已报道重性抑郁障碍患者眶额皮层、岛叶、扣带回皮层和梭状回等区域皮层厚度减少，以及海马旁回、额叶、颞叶和边缘系统体积减少。此外，功能磁共振成像研究显示抑郁症患者海马和岛叶皮层等区域静息态连接改变。这些区域与此研究中显示FWF值增加的区域重叠。在多个灰质区域观察到FWF显著增加，其中许多是重性抑郁障碍病理生理学中涉及的情绪和认知网络的关键组成部分。具体而言，眶额皮层与快感缺乏和负性偏倚等核心重性抑郁障碍症状相关。颞极参与病理性情感调节。岛叶皮层与内感受功能失调相关。杏仁核作为控制情绪的网络中的关键节点，据报道在重性抑郁障碍中对负性刺激过度活跃。此外，海马一直与重性抑郁障碍中常观察到的认知和记忆功能障碍相关。

鉴于FWF增加可能提示神经炎症变化，在这些特定情绪和认知调节关键区域内观察到的FWF改变提示，这些区域内的神经炎症过程以及由此产生的功能紊乱可能与重性抑郁障碍的临床表现密切相关。

先前研究已报道右侧颞上皮质和双侧岛叶皮质NDI降低，以及左侧丘脑和左侧枕叶皮质ODI降低。这些发现在此研究中未被重复，这可能归因于此研究较大的样本量，可能减少了变异性并增强了结果的稳健性。

白质微观结构改变 

此研究识别出重性抑郁障碍患者白质中平均ODI值增加和平均FA值降低。平均FA值的降低与先前报道一致。体素分析显示FA在白质束中广泛降低，涉及多个对重性抑郁障碍病理生理学至关重要的白质束。具体而言，观察到的FA降低包括钩束、扣带回、内囊前肢和胼胝体。钩束连接皮质-边缘环路的关键区域，其破坏一直被认为与重性抑郁障碍病理生理学相关。扣带回被认为是奖赏通路的核心元素，该纤维束的改变被认为与快感缺乏等症状相关。此外，内囊前肢连接丘脑到扣带回和前额叶皮层，在动机、奖赏、决策和情绪中发挥关键作用。胼胝体负责半球间通信，其微观结构破坏被认为与重性抑郁障碍中常报道的认知障碍相关。虽然此研究观察到白质中平均ODI值增加，但体素分析未识别出显著的区域特异性ODI改变，表明ODI改变可能不局限于特定区域。

尽管尚无研究直接比较重性抑郁障碍组与对照组之间的平均ODI值，但基于体素的分析已报道重性抑郁障碍患者右侧上纵束和左侧丘脑后辐射等区域ODI增加。此研究中未能重复体素水平ODI改变可能归因于较大的样本量，这可能减少了变异性。

FA被广泛认为是白质连接性的指标，其降低通常被认为反映各种病理导致的结构破坏。ODI的增加可以解释为神经突方向一致性的降低，尽管其潜在病理是多因素的。积累的证据支持神经炎症参与抑郁症病理生理学。具体而言，动物研究已报道ODI增加与脱髓鞘、小胶质细胞活化、星形胶质细胞增生和轴突变性等病理之间的关联。此研究中观察到的弥散指标变化，即FA降低和ODI增加，可能反映重性抑郁障碍中继发于神经炎症过程的脱髓鞘、胶质细胞浸润或轴突损伤。

对MD、AD和RD的额外探索性分析显示，与健康对照组相比，重性抑郁障碍组白质平均MD和白质平均RD增加。此外，体素分析显示MD和RD的增加是广泛的，涵盖钩束、扣带回、内囊前肢和胼胝体等纤维束。重性抑郁障碍组MD和RD的增加与既往研究报道的结果一致。MD和RD升高常与炎症和脱髓鞘相关。从这些附加分析中获得的见解与此研究的主要发现一致，并进一步支持重性抑郁障碍、神经炎症及由此产生的白质结构异常之间的关联。

关于临床参数，病程与白质平均ODI值呈正相关，与白质平均FA值呈负相关。尽管此研究缺乏重性抑郁障碍组缓解期的数据，因此无法考虑其潜在影响，但这些发现仍然值得关注。先前研究已报道病程与胼胝体、右侧上纵束和丘脑前辐射等区域的FA值呈负相关，以及整体平均FA值的降低。然而，这些先前研究通常关注特定区域或涉及较小样本量。此研究确认了与先前研究一致的结果，但将这些发现扩展到更大样本量的全脑水平。

动物研究也提供了相关见解。大鼠的纵向影像研究表明，对照大鼠随生长FA值增加，而重性抑郁障碍模型大鼠则没有。更长的病程表明组成中枢神经系统的细胞已长时间暴露于慢性应激。这一观点得到长期治疗的难治性重性抑郁障碍患者研究的支持，这些研究观察到小胶质细胞活性升高。此研究中观察到的病程与弥散指标（ODI呈阳性，FA呈阴性）之间的相关性可能反映了白质损伤随时间的积累，可能由慢性神经炎症驱动。

灰质与白质改变之间的关系 

体素分析结果的视觉比较提示，灰质FWF增加和白质FA降低可能在空间上邻近，例如在边缘系统、右侧颞叶到岛叶皮层等区域。跨越边缘系统、颞叶和岛叶皮层以及连接它们的白质束的区域，是多个参与重性抑郁障碍病理生理学神经网络的重要组成部分。因此，此研究结果表明，重性抑郁障碍与构成神经回路的灰质核心区域以及连接这些区域的白质结缔组织均存在异常。

如前所述，此研究在评估重性抑郁障碍患者的病程时未考虑缓解期。此外，作为一项横断面研究，它未考虑治疗史或所接受治疗的具体情况。未来的研究应聚焦于首次发作的未用药重性抑郁障碍患者，并进行纵向研究，以更好地理解疾病进展和治疗对白质微观结构的影响。

此研究是第一个将NODDI应用于重性抑郁障碍患者多中心数据的研究，能够对灰质和白质微观结构改变进行全面分析。此研究结果提供了在体证据，表明微观结构组织改变促成了重性抑郁障碍病理生理学中的潜在病理过程。此工作有助于理解该疾病的生物学基础，并提示了可能与其临床表现相关的潜在机制。对这些特定病理过程的进一步研究可为未来更有针对性的治疗方法的发展提供信息。需要持续的转化研究，将先进的神经影像与细胞和分子神经科学联系起来。这些努力旨在支持诊断方法的改进和新疗法的开发，可能有助于改善临床环境中患者的长期结局。