Магнитно-резонансная томография при шизофрении

Какие изменения, в каких структурах мозга и какими методами были выявлены с помощью магнитно- резонансной томографии при шизофрении?

Исследования структурной магнитно-резонансной томографии показали, что у пациентов с шизофренией наблюдается широко распространенная атрофия серого вещества, затрагивающая подкорковые области, такие как таламус и базальные ганглии, корковые области, включая лобную, височную, энториальную (гиппокамп)  и затылочную доли, а также мозжечок (Kubota, M.,et.al., 2015). Также предполагается, что зона Брока и прилегающая лобно-островковая кора могут быть эпицентрами патологической анатомии и патофизиологии шизофрении (Jiang Y., et.al., 2024). Однако эта атрофия не возникает одновременно во всех областях мозга, а скорее следуют прогрессивной траектории. Например, у пациентов с первым эпизодом психоза, как правило, наблюдается слегка более тонкая толщина коры, в основном в лобно-височных долях, в то время как у хронических пациентов наблюдается более выраженная атрофия теменной и затылочной коры (Jiang, Y.,et.al., 2022). Пациенты с ранним психозом демонстрируют более выраженную прогрессирующую потерю лобного серого вещества в течение первых лет после начала болезни. Диффузионная-тензорная визуализация выявила у больных шизофренией обширное повреждение микроструктуры белого вещества связанное с нарушением когнитивной функции, психопатологическими симптомами и генетическими факторами (Lv, J., et.al., 2021). Исследования функциональной магнитно-резонансной томографии также обнаружили измененную функциональную связность в основных крупномасштабных когнитивных сетях (Dong, D., et.al., 2018). Продольные структурные исследования указывают на модель ограниченного улучшения, указывающую на реорганизацию, которая может следовать моделям связей крупномасштабных функциональных сетей при шизофрении (Palaniyappan, L., 2017). 

Можно ли считать лингвистическую гипотезу оправданной при шизофрении? 

 Нижняя лобная кора, включая основные части областей речи (т. е. область Брока), поддерживает гипотезу лингвистического первенства Кроу при шизофрении (Crow, T. J., 1997). В литературе сообщалось, что анатомическая атрофия в верхних эпицентрах мозга происходит до первого эпизода психоза ( дебют) у людей, которые позже переходят в психоз, , что еще больше подтверждает идею о том, что лобная и кора и кора островка играют роль места «происхождения» ( истока) шизофрении. 

Где расположены эпицентры патологических процессов при болезни Альцгеймера и мезиальной эпилепсии? 

Верхние эпицентры расположены в двустороннем гиппокампе у людей с диагнозом болезнь Альцгеймера или прогрессирующим легким снижением когнитивных функций (MCI). Для пациентов с правым мезиальной височной эпилепсии (MTLE)  медиальные височные области в правом полушарии определены как верхние эпицентры. (расположение эпицентров соответствует классическим поражениям при неврологических расстройствах).

Что представляет собой мульти-модальная магнитно-резонансная томография?

Первоначальные исследования по классификации шизофрении в основном использовали данные одной модальности изображений для классификации заболеваний, однако опора исключительно на данные таких изображений оказывается недостаточной для исследования мозга. После достижений в области визуализации исследователи переключили внимание на мульти-модальную интеграцию изображений. Этот подход объединяет структурную и функциональную магнитно-резонансную томографию для повышения комплементарности и использует машинное обучение для более точной диагностики и классификации шизофрении. 

Оценка эффективности каких препаратов наиболее исследована в рамках визуализации мозга?

При лечении шизофрении исследования направлены на изучение влияния антипсихотиков на структуру и функции мозга. Было отмечено, что у пациентов с терапевтической резистентностью к этим препаратам увеличилась функциональная связность в некоторых регионах, находящихся в покое сенсорной - моторной сети, особенно в полосатом теле, что означало ухудшение ответа на лечение (McNabb, C. B., et.al., 2018). 

Что дает для лечения шизофрении составление карт "эпицентра" патологического процесса? 

 "Эпицентры" ( истоки) патологического процесса при шизофрении  можно выявить с помощью современных методов исследования, основанных на визуализации и ключевых генетических, химических, когнитивных и психопатологических показателей/ критериев шизофрении. Составление карт "эпицентра" из которого развивается патологический процесс при шизофрении имеет прогностическое значение для краткосрочной эффективности лечения этого расстройства психотропными препаратами на уровне симптомов. Биологическую согласованность эпицентров шизофрении, имеет связь с нисходящими когнитивными процессами (особенно речью), доменами симптомов (позитивными симптомами) и распределением рецепторов/транспортеров (трансмиттеров) восходящего потока (множественные системы, включая ацетилхолин и гистамин) и картами экспрессии генов. Индивидуальный подход к пациенту, который допускает анатомическую гетерогенность в пределах шизофрении , позволяет оценить вероятность "эпицентра" на индивидуальном уровне путем сравнения уникальной модели звеньев патогенеза пациента с моделью региональных связей мозга (регионы с более высокой вероятностью быть эпицентрами имеют выраженную атрофию)  

Что означает термин "атрофия мозга" применительно к структурной магнитно-резонансной томографии?

Термин «атрофия» представляет собой инфра-нормальные показатели в структурной магнитно-резонансной томографии мозга при шизофрении по сравнению со здоровой контрольной популяцией, а не клеточный процесс нейрон-специфических изменений. Атрофия при визуализации мозга не может быть приписана исключительно либо прогрессирующего течения самого заболевания, либо воздействию лекарств; скорее, на нее влияет комбинация обоих факторов. Кроме того, регионы с более сильными связями с верхними эпицентрами (первые 10 регионов с наибольшей вероятностью являются местами начала) имеют более тяжелую атрофию при шизофрении, что подтверждает предположение о том, что патологический процесс может распространяться от эпицентров через сетевые варианрты мозга (Hettwer, M.et.al., 2022).  

Можно ли найти изменения в структурах мозга специфичные только для шизофрении?

Исследования, включая усилия консорциума Enhancing Neuro Imaging Genetics through Meta Analysis (ENIGMA), выявили структурные изменения мозга при шизофрении, но эти изменения, имели скромную величину эффекта и не являлись специфичными для шизофрении, в частности, пересекаясь с другими психоневрологическими  расстройствами (van Erp T. et.al., 2016). Кроме того, несколько исследований показали, что структурные изменения мозга при шизофрении не являются однородными, поскольку в этой диагностической группе существуют подтипы с различной степенью анатомических изменений, траекториями прогрессирующего течения заболевания и результатами лечения (Pan Y.,et.al., 2020). Одним из объяснений увеличивающегося сокращения серого вещества  при шизофрении и других психозах, наблюдаемого с течением времени, является то, что процесс заболевания, который начинается в определенной области мозга, известной как «эпицентр», затем распространяется «транс-нейронально» на другие области мозга, чему способствуют базовые модели связей (Brown, J. A., et.al., 2019). Эта модель эпицентра, основанная на связях, успешно выявила начало заболевания в фокальных областях мозга и точно предсказывает прогрессирующее течение при дегенеративных заболеваниях нервной системы. 

Изменения каких структур мозга при шизофрении совпадают с его поражением при биполярном аффективном и большом депрессивном расстройстве?

Исследование перекрестных по отношению к шизофрении психозов выявило общие и специфичные для этих расстройств анатомические характеристики, такие как увеличенный объем боковых желудочков при шизофрении, биполярном расстройстве и большом депрессивном расстройстве, а также меньший объем гиппокампа при шизофрении и большом депрессивном расстройстве.

Почему отсутствие специфичности поражения тех или иных структур мозга не играет особого значения в лечении шизофрении?

В то же время, сегодня для каждого пациента можно выделить свои нарушения в структурах и связях мозга , которые и являются мишенью для терапии шизофрении, то естm, объектами персонализированной терапии. 

Почему генетика визуализации мозга стала одним из приоритетных направлений в исследовании больных шизофренией?

В области визуализации мозга исследователи используют генетическую информацию и данные магнитно-резонансной томографии для изучения того, как генотипы генов риска шизофрении модулируют структуру и функцию мозга, тем самым выясняя биологические механизмы этих генов. 

Каким образом можно выявить структурные эпицентры" шизофрении?

Изменения в анатомии связей между структурами мозга в настоящее время являются хорошо известной особенностью морфологии человеческого мозга. При шизофрении некоторые из индивидуальных изменений в моделях анатомических аномалий могут возникать либо из-за индивидуальных различий в местах происхождения как таковых (в этом случае мы не сможем локализовать один или несколько регионов как постоянные эпицентры), либо из-за изменений в индивидуальных моделях связей, влияющих на «транс-нейрональное распространение», несмотря на общее анатомическое происхождение. В этой работе с помощью надежной количественной оценки мы стремимся определить структурные эпицентры шизофрении на основе замеров размеров  серого вещества с существующими картами функции человеческого мозга (связности), цито-архитектуры, метаболизма, рецепторов и транспортеров трансмиттеров , экспрессии генов и активности, связанной с когнитивной сферой (Yarkoni, T., et.al., 2011). 

Какая область коры чаще всего уязвима для генетики шизофрении?

Высокий полигенный риск шизофрении связан с более тонкой вентральной медиальной префронтальной корой (vmPFC), что предполагает, что генетические факторы могут повышать риск шизофрении, влияя на целостность vmPFC (Abé, C.,et.al., 2021).  У  больных с психозом , генетически или клиническим высоким риском со временем наблюдается прогрессивное уменьшение серого вещества в височных и лобных долях мозга. Эти сокращения объема структур мозга остаются у больных шизофренией , как во время ремиссии, так и в период рецидива.

Какие трансмитттеры в наибольшей степени связаны с повреждением структур и связей мозга при шизофрении?

Cвязь эпицентра шизофрении с экспрессией трансмиттеров, можно исследовать анализируя пространственную связь между картой t эпицентра шизофрении и 19 картами плотности рецепторов/транспортеров нейротрансмиттеров (включая дофамин, норадреналин, серотонин, ацетилхолин, глутамат, γ-аминомасляную кислоту (ГАМК), гистамин, каннабиноиды и опиоиды). Карта t эпицентра при шизофрении пространственно коррелирует с картами плотности нейротрансмиттеров в ацетилхолине (везикулярный транспортер ацетилхолина - VAChT), гистамине (рецептор гистамина H3), опиоидами (мю-опиоидный рецептор- MOR), норадреналине (транспортер норадреналина - NET) и глутамате (метаботропный глутаматный рецептор 5 - mGluR5) (Jiang Y., et.al., 2024). 

Выводы

При шизофрении имеет место атрофия серого вещества, затрагивающая таламус и базальные ганглии и области коры мозга, включая лобную (зона Брока) , лобно-инсулярную, височную и затылочную доли, а также мозжечок

Мульти-модальная интеграция изображений объединяет структурную и функциональную магнитно-резонасную томографию

Исследование полного генома в совокупности с данными магнитно-резонасной томографии поволяет выделить генотипы генов риска шизофрении, модулирующих структуру и функцию мозга

У пациентов с терапевтической резистентностью к антипсихотикам увеличена функциональная связность, находящиейся в покое сенсомоторной сети, особенно в полосатом теле.

Высокий полигенный риск шизофрении связан с более тонкой вентромедиальной префронтальной корой мозга

Перекрестные исследования не позволяют выявить специфические нарушения в структурах и связях мозга при шизофрении, биполярном аффективном расстройстве и большом депрессивном расстройстве, но это не является препятствием для эффективного лечения пациентов с этой патологией.  

"Эпицентры" ( истоки) патологического процесса при шизофрении  можно выявить с помощью современных методов исследования, основанных на нейровизуализации и ключевых генетических, нейрохимических, нейрокогнитивных и психопатологических показателей/ критериев шизофрении.

Литература 

Abé, C., Petrovic, P., Ossler, W., Thompson, W. H., Liberg, B., Song, J., ... & Landén, M. (2021). Genetic risk for bipolar disorder and schizophrenia predicts structure and function of the ventromedial prefrontal cortex. Journal of Psychiatry and Neuroscience, 46(4), E441-E450.

Brown, J. A., Deng, J., Neuhaus, J., Sible, I. J., Sias, A. C., Lee, S. E., ... & Seeley, W. W. (2019). Patient-tailored, connectivity-based forecasts of spreading brain atrophy. Neuron, 104(5), 856-868.

Crow, T. J. (1997). Is schizophrenia the price that Homo sapiens pays for language?. Schizophrenia research, 28(2-3), 127-141.

Dong, D., Wang, Y., Chang, X., Luo, C., & Yao, D. (2018). Dysfunction of large-scale brain networks in schizophrenia: a meta-analysis of resting-state functional connectivity. Schizophrenia bulletin, 44(1), 168-181.

Jiang, Y., Wang, Y., Huang, H., He, H., Tang, Y., Su, W., ... & Luo, C. (2022). Antipsychotics effects on network-level reconfiguration of cortical morphometry in first-episode schizophrenia. Schizophrenia Bulletin, 48(1), 231-240.

Jiang Y., et.al. Neuroimaging Epicenters as Potential Sites of Neuroanatomical Pattern Emergence in Schizophrenia. Sci Adv. 2024 Jun 14;10(24):eadk6063

Hettwer, M. D., Larivière, S., Park, B. Y., van den Heuvel, O. A., Schmaal, L., Andreassen, O. A., ... & Valk, S. L. (2022). Coordinated cortical thickness alterations across six neurodevelopmental and psychiatric disorders. Nature communications, 13(1), 6851.

Kubota, M., van Haren, N. E., Haijma, S. V., Schnack, H. G., Cahn, W., Pol, H. E. H., & Kahn, R. S. (2015). Association of IQ changes and progressive brain changes in patients with schizophrenia. JAMA psychiatry, 72(8), 803-812.

McNabb, C. B., Sundram, F., Soosay, I., Kydd, R. R., & Russell, B. R. (2018). Increased sensorimotor network connectivity associated with clozapine eligibility in people with schizophrenia. Psychiatry Research: Neuroimaging, 275, 36-42.

Lv, J., Di Biase, M., Cash, R. F., Cocchi, L., Cropley, V. L., Klauser, P., ... & Zalesky, A. (2021). Individual deviations from normative models of brain structure in a large cross-sectional schizophrenia cohort. Molecular psychiatry, 26(7), 3512-3523.

Palaniyappan, L. (2017). Progressive cortical reorganisation: a framework for investigating structural changes in schizophrenia. Neuroscience & Biobehavioral Reviews, 79, 1-13.

Pan Y., Pu W., Chen X., Huang X., Cai Y., Tao H., Xue Z., Mackinley M., Limongi R., Liu Z., Palaniyappan L., Morphological profiling of schizophrenia: Cluster analysis of MRI-based cortical thickness data. Schizophr. Bull. 46, 623–632 (2020).

Yarkoni, T., Poldrack, R. A., Nichols, T. E., Van Essen, D. C., & Wager, T. D. (2011). Large-scale automated synthesis of human functional neuroimaging data. Nature methods, 8(8), 665-670.

van Erp T. et.al. Subcortical brain volume abnormalities in 2028 individuals with schizophrenia and 2540 healthy controls via the ENIGMA consortium. Mol. Psychiatry 21, 547–553 (2016)