JAD: 广泛性焦虑障碍患者中全局信号与脑脊液流入之间的耦合减弱：一项静息态功能磁共振成像研究

本篇文献分享发表于Journal of Affective Disorders杂志。所发布内容旨在与大家分享学术新知促进交流学习版权归原作者或原出处所有感谢各位学者的辛勤成果。1.引言焦虑症是世界上最常见的精神障碍影响3.01亿人。广泛性焦虑障碍以对日常事件过度且无法控制的担忧持续超过6个月为特征常伴有肌肉紧张和疲劳等躯体症状。关键是广泛性焦虑障碍的诊断标准明确包括睡眠障碍——表现为入睡困难、睡眠不安或非恢复性睡眠——超过70%的患者报告有这些症状。重要的是这些睡眠中断被假设为广泛性焦虑障碍中观察到的认知障碍的基础。经验证据一致表明工作记忆在认知任务中暂时保留和操纵信息的能力存在缺陷。这种记忆障碍被认为是由睡眠中慢波活动记忆巩固所必需的生理过程中断引起的。值得注意的是焦虑本身可能通过消耗有限的工作记忆资源而加剧认知衰退。尽管广泛性焦虑障碍中的记忆功能障碍已有充分记录但将焦虑与认知缺陷联系起来的神经机制仍不明确。类淋巴系统是新发现的中枢神经系统清除机制通过脑脊液流动帮助清除大脑中的代谢废物包括与神经退行性疾病相关的β-淀粉样蛋白。该系统有效促进脑脊液和间质液的交换类似于外周淋巴系统在清除大脑代谢废物和维持大脑微环境稳态中起关键作用。近年来研究发现睡眠障碍与类淋巴系统障碍之间存在正相关关系。类似地广泛性焦虑障碍患者的睡眠障碍和认知记忆障碍已逐渐被发现并被证明是相关的。目前尚无研究探讨广泛性焦虑障碍患者的记忆障碍是否与类淋巴系统功能障碍相关。2015年一项研究发现脑脊液流动主要由呼吸周期驱动。特别是在用力呼吸期间每次吸气都会触发高脑脊液流动而屏气则抑制这种流动。随后多项研究表明静息态功能磁共振成像中的全局血氧水平依赖信号(gBOLD)与脑脊液(CSF)动力学相关并且睡眠中的大脑也显示出与神经和血流动力学节律相关的大尺度脑脊液流动波。在静息状态下全局血氧水平依赖信号的低频振荡与脑脊液流动之间存在耦合关系。这种耦合反映了脑血流对脑脊液流动的影响以及脑脊液流动对大脑代谢废物清除的影响。因此此研究使用全局血氧水平依赖-脑脊液耦合作为类淋巴系统功能的指标进行后续研究。全局血氧水平依赖-脑脊液耦合减弱可能反映类淋巴系统功能障碍。虽然当前的类淋巴评估工具包括对比增强磁共振成像、正电子发射断层扫描示踪剂和双光子显微镜提供了对脑脊液动力学的见解但它们的临床转化受到关键限制侵入性操作、低时间分辨率、物种限制适用性或间接结构代理指标。全局血氧水平依赖-脑脊液耦合技术通过在标准磁共振成像方案内无创量化血氧水平依赖振荡与脑脊液搏动之间的相位一致性克服了这些障碍实现了对代谢需求和废物清除的同步实时监测。与沿血管周围弥散张量成像的静态弥散指标或正电子发射断层扫描的辐射限制不同全局血氧水平依赖-脑脊液耦合捕捉了受生理状态调节的动态神经血管-淋巴耦合。这种方法为评估类淋巴功能提供了一种多功能的、临床兼容的生物标志物可用于研究和潜在的治疗监测场景。尽管全局血氧水平依赖-脑脊液耦合减弱与各种神经认知障碍患者的睡眠障碍和认知记忆障碍之间的相关性已被不断证明但广泛性焦虑障碍患者的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合是否异常以及该耦合与广泛性焦虑障碍患者认知记忆障碍之间的关系仍不清楚。此研究旨在通过静息态功能磁共振成像比较广泛性焦虑障碍患者与健康对照者之间全局血氧水平依赖-脑脊液耦合的强度并探讨广泛性焦虑障碍患者中全局血氧水平依赖-脑脊液耦合强度的变化。此外此研究试图通过分析全局血氧水平依赖-脑脊液耦合强度与数字广度测试顺背和倒背记忆之间的相关性来探索广泛性焦虑障碍患者中全局血氧水平依赖-脑脊液耦合与认知记忆功能之间的关联。2.方法2.1.参与者70名广泛性焦虑障碍患者和46名健康对照者分别从安徽精神卫生中心情绪障碍门诊和社区招募。所有参与者均根据《精神障碍诊断与统计手册第五版》进行诊断并由两名符合资格的精神科医生进行结构化临床访谈筛选入组和排除标准。广泛性焦虑障碍患者的入组标准包括右利手和年龄在70岁以下。广泛性焦虑障碍患者和健康对照者的排除标准包括严重躯体疾病史、物质滥用障碍、神经系统疾病或其他精神疾病史以及磁共振成像禁忌症。此外3D T1成像信号异常或头动过大3 mm3°的参与者也被排除。健康对照者如果过去或现在有精神科诊断则被进一步排除。该研究经安徽医科大学伦理委员会批准并按照《赫尔辛基宣言》进行参与者在了解研究目的、程序、潜在风险和获益后自愿签署书面知情同意书。2.2.临床评估此研究在磁共振成像扫描前48小时进行了临床变量评估。使用汉密尔顿焦虑量表评估焦虑严重程度使用汉密尔顿抑郁量表评估有抑郁症状的参与者。使用简明精神状态检查量表评估参与者的认知功能状态。使用患者健康问卷中的15项躯体症状严重程度量表评估躯体症状强度。使用数字广度测试评估广泛性焦虑障碍患者的短时记忆和工作记忆。数字广度测试是一种标准化的神经心理学工具通过顺序数字回忆任务评估工作记忆容量。参与者被要求记忆并口头重复逐渐变长的数字序列顺背评估短时存储倒背评估主动操作。临床评估后所有受试者继续进行磁共振成像扫描。需要注意的是尽管睡眠障碍是广泛性焦虑障碍的核心诊断标准之一但此研究未实施标准化的睡眠评估。这限制了此研究控制睡眠因素对类淋巴功能调节效应的能力建议后续研究补充客观睡眠监测。2.3.影像数据采集静息态磁共振成像扫描在安徽省合肥市的中国科学技术大学进行。参与者被指示在磁共振成像扫描仪内仰卧闭上眼睛不集中思考任何特定想法并在扫描过程中尽可能减少头部运动。为了减弱扫描仪噪音的听觉影响受试者佩戴耳塞。使用3.0T磁共振成像扫描仪采集功能影像数据。每次功能磁共振成像扫描包含217个平面回波成像全脑采集参数如下重复时间2400 ms回波时间30 ms翻转角90°矩阵尺寸64×64视野192×192 mm²层厚3 mm共46层体素大小为3×3×3 mm³。同时在矢状位进行T1加权解剖成像包含188层参数如下重复时间8.16 ms回波时间3.18 ms翻转角12°视野256×256 mm²层厚1 mm体素大小为1×1×1 mm³。2.4.图像预处理静息态数据的预处理使用SPM的DPARSF工具包进行。全局血氧水平依赖信号的预处理步骤如下1为了消除扫描开始时可能发生的不稳定效应丢弃每次扫描的前10个时间点2进行时间层校正将剩余图像重新对齐到第一个时间点从而消除时间序列中的同步问题3对参与者的头动进行重对齐确保最大平移 3 mm最大旋转 3°4去除线性时间趋势5在0.01-0.1 Hz范围内进行时间带通滤波6使用半高全宽为6 mm的高斯核进行空间平滑。脑脊液信号的预处理步骤与上述不同具体如下1丢弃前10个时间点2进行 时间层校正3头动重对齐4去除线性时间漂移趋势5使用0.01-0.1 Hz频率范围的带通滤波器进行数据滤波。此研究没有对全局血氧水平依赖信号、脑脊液信号和运动参数进行回归分析因为这些变量是此研究的重点。2.5.全局信号和脑脊液信号提取此研究通过提取和平均整个大脑灰质区域的血氧水平依赖信号来推导全局血氧水平依赖信号如图1A所示。根据先前研究的既定方法使用Matlab进行信号。全脑灰质的勾画借助哈佛-牛津皮层结构图谱完成。完成所有预处理步骤后此研究在个体灰质掩膜内提取并平均功能磁共振成像信号。在平均之前每个体素的功能磁共振成像信号进行Z分数化以确保所有体素的波动幅度一致。因此这些信号的平均幅度即全局血氧水平依赖信号可作为全局同步程度的指标。同时此研究从功能磁共振成像图像的最下层获取脑脊液信号该位置通常位于小脑底部附近。如先前所述此选择是为了增强对脑脊液流入效应的敏感性。对于每位参与者在功能磁共振成像图像的底部层上手动勾画脑脊液掩膜并使用相应的T1加权结构图像进一步确认精确位置如图1A所示。脑脊液内的功能磁共振成像信号在每个体素处归一化为Z分数以标准化信号强度。图1通过静息态功能磁共振成像rsfMRI测量的gBOLD信号与脑脊液信号之间的系统性耦合。2.6. gBOLD-CSF耦合强度的计算按照既往研究的方法使用皮尔逊相关计算全局血氧水平依赖信号与脑脊液信号之间的相关函数以评估两种信号之间的耦合关系并量化耦合强度。在此研究中发现全局血氧水平依赖信号与脑脊液信号之间的相关函数在滞后-2.4秒时具有最大的相关值此时全局血氧水平依赖与脑脊液之间的相关性最强对应于确定的正峰这与Fultz等人的研究一致。因此此研究使用滞后-2.4秒正峰处的全局血氧水平依赖-脑脊液相关性来量化全局血氧水平依赖-脑脊液耦合的强度。此外为了与Fultz等人的结果进行比较此研究还计算了全局血氧水平依赖信号的一阶负导数与脑脊液信号之间的相关函数。此研究使用置换检验测试了全局血氧水平依赖-脑脊液相关性的统计学显著性该检验随机配对来自不同受试者的全局血氧水平依赖和脑脊液信号进行相关性计算以确定两者之间的函数关系并重复该过程10,000次以获得空分布。2.7.统计分析总体而言统计分析是在仔细考虑数据特征和研究目标的情况下进行的。对于连续的人口学和临床变量首先使用Shapiro-Wilk检验评估数据的正态性。如果数据服从正态分布p 0.05则使用独立样本t检验评估不同人群之间的统计学差异。对于分类变量选择Fisher精确检验作为分析方法。在调查全局血氧水平依赖-脑脊液耦合与年龄之间的相关性时使用Kolmogorov-Smirnov检验对年龄数据进行正态性检验结果显示显著偏离正态分布p 0.001。因此根据非参数统计原则采用Spearman相关分析。对于男性和女性之间全局血氧水平依赖-脑脊液耦合的比较对两组进行Shapiro-Wilk正态性检验。结果显示男性和女性组均满足正态性假设因此使用独立样本t检验。在后续的组间差异分析以及耦合值与各种临床指标的相关性分析中将年龄和性别作为控制变量纳入以减少这些潜在混杂因素的影响。使用多变量线性模型评估调整年龄和性别后耦合指数的组间差异。在控制性别和年龄的影响后采用偏相关分析进一步探讨临床指标与gBOLD-CSF耦合之间的关联性。p值0.05被视为具有统计学显著性。在脑海科技云平台中内置了全脑灰质信号和脑脊液信号的耦合分析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.人口学和临床特征70名广泛性焦虑障碍患者和46名健康对照者从安徽医科大学第一附属医院及合肥市周边社区招募。参与者的人口学基本特征和临床特征见表1。统计分析显示两组在年龄、性别和教育水平方面无显著差异。与健康对照者相比焦虑组在汉密尔顿焦虑量表、汉密尔顿抑郁量表、患者健康问卷-15上得分显著更高但在简明精神状态检查量表上得分显著更低。被诊断为广泛性焦虑障碍的参与者平均病程为20.5个月。广泛性焦虑障碍参与者的数字广度测试顺背平均得分为8.4±1.4分倒背平均得分为6.2±2.1分。表1人口统计学特征与临床特征3.2. gBOLD信号与脑脊液信号变化相关联如图1B所示该图呈现了gBOLD与脑脊液信号的典型模式通常脑脊液信号中较大的峰值会先于gBOLD信号中较大的正向峰值出现表明这两种信号之间存在耦合关系。gBOLD与脑脊液信号的平均互相关函数图1C显示在-2.4秒滞后处存在正向峰值r 0.25p 0.0001置换检验n 10,000而在4.8秒滞后处存在负向峰值r -0.12p 0.0001置换检验n 10,000。与Fultz等人的研究结果一致脑脊液信号负一阶导数与gBOLD信号之间的平均互相关函数在零时间滞后处显示出显著正向峰值d/dt r 0.26p 0.0001置换检验n 10,000。总之两种互相关函数的结果均与Fultz等人提供的数据相符表明gBOLD信号与脑脊液流入之间存在强耦合关系。3.3.两组间gBOLD-CSF耦合度比较此研究探讨了年龄和性别对gBOLD-CSF耦合的潜在影响。分析结果显示gBOLD-CSF耦合与年龄r -0.151p 0.106或性别r -0.089p 0.343均无显著相关性。根据Feng Han等人的研究gBOLD信号与脑脊液动力学之间的耦合在男女之间存在显著差异。此外这种gBOLD-CSF耦合在两性中均会随着年龄增长而增强或显著减弱。尽管既往文献表明年龄和性别可能对gBOLD-CSF耦合产生一定影响此研究未得出相关结果这可能是由于样本差异或其他混杂因素所致。未经协变量调整的独立样本t检验证实GAD患者组的耦合强度显著较弱t -2.771p 0.007。为确保科学严谨性此研究在后续所有分析中均控制了年龄和性别对gBOLD-CSF耦合的影响。两组间gBOLD-CSF耦合指标的比较显示与对照组相比GAD受试者的gBOLD-CSF耦合强度显著减弱图2AF(1,112)p 0.009这表明GAD患者的脑淋巴系统功能受损。图2两组间gBOLD-CSF耦合值的比较及其与DST-前向/DST-后向的相关性分析3.4. gBOLD-CSF耦合与DST前向/DST后向之间的关联性在调整年龄和性别因素后此研究分析了gBOLD-CSF与多种临床指标及结构量表之间的相关性。在广泛性焦虑障碍GAD患者中未观察到gBOLD-CSF耦合度与疾病持续时间r0.114p0.595、 HAMD -17评分r-0.029p0.894、HAMA-14评分r0.193p0.367、PHQ -15评分r0.354p0.090及 MMSE 评分r-0.149p0.488存在显著相关性。临床数据中纳入了部分GAD患者接受的DST-Forward量表和DST-Backward量表评分。分析结果显示gBOLD-CSF耦合度的下降与DST-Forward及DST-Backward评估量表得分呈显著负相关。4.讨论此研究通过静息态功能磁共振成像研究了70名焦虑障碍患者和46名健康对照者的全局血氧水平依赖与脑脊液通量之间的耦合该耦合最近被发现可反映类淋巴功能。结果显示广泛性焦虑障碍患者的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合强度显著低于健康对照者这一发现与其他神经系统疾病的最新研究一致并使此研究认为广泛性焦虑障碍患者的类淋巴系统功能可能受损。此研究表明广泛性焦虑障碍患者的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合与数字广度测试表现呈负相关支持广泛性焦虑障碍患者存在认知障碍的观点。关键的是此研究的发现超越了类淋巴功能障碍本身延伸至其在广泛性焦虑障碍相关睡眠病理中的潜在起源。正如引言中所确立的广泛性焦虑障碍患者表现出显著的睡眠障碍特别是慢波睡眠受损这已知会抑制类淋巴清除。因此观察到的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合减弱可能反映了广泛性焦虑障碍中继发于睡眠碎片化的类淋巴活动受损。这一机制级联与通过类淋巴功能障碍将睡眠质量差与认知衰退联系起来的确立模型一致。此研究发现广泛性焦虑障碍患者和健康个体中全局血氧水平依赖信号与脑脊液流动之间存在强耦合这与既往发现一致。然而广泛性焦虑障碍患者的耦合强度显著降低。与其他中枢神经系统疾病一样广泛性焦虑障碍患者存在认知记忆障碍这种认知功能障碍涉及多个领域包括短时记忆和延迟记忆。类淋巴系统功能障碍与多种中枢神经系统疾病包括阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化症的认知记忆功能受损相关。在这些疾病中类淋巴系统功能降低可能导致Aβ和tau蛋白等毒性蛋白积累进而影响认知功能。因此此研究假设广泛性焦虑障碍患者的类淋巴功能受损并进行了检验。与预期结果一致广泛性焦虑障碍患者的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合值显著低于健康对照者。基于上述发现此研究进一步探讨了广泛性焦虑障碍患者认知障碍与类淋巴功能障碍之间的具体关联。此研究分析了广泛性焦虑障碍患者的数字广度测试得分与全局血氧水平依赖-脑脊液耦合值之间的相关性发现全局血氧水平依赖-脑脊液耦合值与数字广度测试的顺背和倒背测试均显著相关。与数字广度测试中观察到的工作记忆缺陷一致广泛性焦虑障碍患者的简明精神状态检查量表得分也显著较低表明超出工作记忆的更广泛认知障碍。这一模式与焦虑障碍影响多个认知领域的确立证据一致包括简明精神状态检查量表测量的整体认知功能。简明精神状态检查量表差异的负t值明确证实了广泛性焦虑障碍患者的表现比健康对照者差强化了广泛性焦虑障碍中存在广泛性认知功能障碍的结论。这一结果与通过废物清除受损将类淋巴功能障碍与认知衰退联系起来的确立模型一致并特别通过类淋巴介导的神经毒素清除受损阐明了广泛性焦虑障碍患者记忆障碍的病理生理过程。需要特别指出的是睡眠质量作为调节类淋巴系统的核心生理过程可能介导了此研究的发现。尽管广泛性焦虑障碍患者中睡眠障碍普遍存在且动物研究证实睡眠剥夺直接抑制类淋巴活动但此研究受到未量化睡眠参数的方案设计限制。这导致此研究无法区分两种可能的机制1睡眠障碍→类淋巴抑制→认知障碍2广泛性焦虑障碍直接导致类淋巴功能障碍。未来的研究需要将多导睡眠图监测纳入协变量分析以解决这一通路问题。5.局限性首先此研究的横断面设计限制了建立观察到的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合减弱与广泛性焦虑障碍患者认知记忆缺陷之间因果关系的能力。关键的是所识别的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合减弱与数字广度测试表现较差之间的相关性并不意味着直接的因果关系。这两种现象可能独立地与第三个因素相关而非彼此因果相关。需要纵向研究进一步阐明这些关系的时间动态。其次此研究的样本量虽然对当前分析是足够的但可能无法完全捕捉广泛性焦虑障碍的异质性这可能限制了此研究研究结果的普适性。纳入具有不同既往精神病史和用药方案的患者进一步复杂化了这一问题这些因素可能影响全局血氧水平依赖-脑脊液耦合和认知表现但在此研究中未得到系统控制。这些变量对观察到的耦合与记忆得分之间相关性的潜在混杂效应不能排除。第四关键的调节变量睡眠质量未被测量。鉴于睡眠是驱动类淋巴功能所必需的全局血氧水平依赖-脑脊液耦合的强度本身受睡眠-觉醒周期调节以及广泛性焦虑障碍的诊断标准包括睡眠症状未能将睡眠参数作为协变量纳入统计模型可能混淆了类淋巴功能障碍与认知障碍之间关联的强度。第五此研究无法解释在此研究的队列中年龄或性别与全局血氧水平依赖-脑脊液耦合之间缺乏相关性的现象这与已有文献形成对比。最后虽然数字广度测试是认知功能的稳健测量指标但它可能无法全面捕捉广泛性焦虑障碍患者记忆障碍的所有方面。未来采用更广泛认知评估的研究可以提供对广泛性焦虑障碍中类淋巴功能障碍与认知缺陷之间关系的更细致理解特别是在考虑药物和既往精神干预的影响时。6.结论此研究识别出广泛性焦虑障碍患者与健康对照者相比全局血氧水平依赖-脑脊液耦合减弱表明类淋巴功能受损。值得注意的是类淋巴功能障碍与数字广度测试表现所评估的记忆认知缺陷显著相关。这些发现为广泛性焦虑障碍认知障碍的神经机制提供了新的见解并为其评估和治疗靶点提供了潜在的神经生物标志物。解读脑海科技参考文献Qian R, Wang L, Fan S, et al. Reduced coupling between global signal and cerebrospinal fluid inflow in patients with generalized anxiety disorder: A resting state functional MRI study. J Affect Disord. 2025;390:119851. doi:10.1016/j.jad.2025.119851