Translational Psychiatry：中国学者揭示双相情感障碍中脑网络动态特性与白质结构损伤的关系

双相情感障碍（BD）是一种以情绪波动为特征的慢性神经精神疾病，患者常表现出从抑郁到（轻）躁狂的情绪波动状态。既往研究表明，BD患者的脑功能连接（FC）在静息状态下发生显著改变，尤其是在前额叶、扣带回和杏仁核等皮质与皮下区域。功能连接动态性分析被认为是捕捉脑活动随时间变化的有效工具，但许多方法如滑动窗口法存在时间尺度依赖性问题。本研究采用隐马尔可夫模型（HMM）对43例BD患者和51名健康对照的静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）数据进行分析，深入探讨脑网络在时间和空间上的动态重构，并探究这些变化与脑结构损伤的关系。

研究从加州大学洛杉矶分校（UCLA）获取数据，包含43名双相情感障碍患者和51名健康对照者。所有参与者均为右利手，无其他神经或精神疾病病史。采用Brainnetome（BN）脑图谱将大脑分为246个脑区，并根据七种内在网络分类（如默认模式网络DMN、感知运动网络SMN等）。使用HMM-MAR工具通过PCA降维后对时间序列建模，提取大脑的动态状态。为了评估各状态的特性，计算了全局效率、局部效率和模块化等拓扑指标，并结合岭回归（RR）算法探讨动态特性与白质结构连接损伤之间的关系。

图1：研究设计概述

研究通过HMM模型识别出六种重复出现的大脑状态，其中状态3（超连接状态）表现出最高的全局和局部效率以及最低的模块化，说明信息在不同子网络间传递更快。相较之下，状态1、2和4为低连接状态，而状态5和6为反相关状态，主要表现为不同子网络间的负相关。BD患者在状态3（超连接状态）中的停留时间显著缩短，同时更倾向于进入状态6（反相关状态）。此外，BD患者更容易从低连接状态（状态1和4）过渡到反相关状态（状态5和6），而健康对照则更倾向于从反相关状态（状态5和6）过渡到超连接状态（状态3）。这些结果表明，BD患者脑网络动态的特点是减少了维持高整合状态的倾向，同时增加了停留在负相关状态的时间。岭回归分析显示，BD患者的动态特征（如Dyn-PC2，与状态3和状态6相关）显著与脑白质结构的破坏相关。尤其是额叶和顶叶的结构损伤（如上额叶回和顶上小叶）与患者难以维持状态3的能力有关。这些结构改变可能是CCN网络（认知控制网络）低激活的基础。

图2：六种功能连接状态的特异性功能连接模式

本研究通过HMM模型揭示了双相情感障碍患者脑网络动态功能的独特特征。BD患者更倾向于进入反相关状态，这些状态表现为不同子网络间的负相关，特别是DMN与SMN和ION（岛盖腹侧注意网络）之间。相反，患者在超连接状态中的停留时间显著减少，这一状态具有高整合性和低模块化，可能与正常情绪调节功能相关。此外，CCN在BD中的低激活可能与额叶和顶叶的白质结构损伤有关。本研究为理解双相情感障碍患者脑网络动态变化的生理基础提供了新见解。

原始出处：
Zhang X, Yang L, Lu J, et al. Reconfiguration of brain network dynamics in bipolar disorder: a hidden Markov model approach. Transl Psychiatry. 2024;14:507. doi:10.1038/s41398-024-03212-3.