CC BY
25
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 1 - P. 14-21
УДК: 616.895.8 DOI: 10.24412/1609-2163-2022-1-14-21
ТРАКТОГРАФИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МИКРОСТРУКТУРНОЙ ПАТОЛОГИИ ГОЛОВНОГО МОЗГА
ПРИ ШИЗОФРЕНИИ (обзор литературы)
Н.А. ПУЧКОВ, К.В. МАРКИН, Я.Е. ПРОЧИК, А.В. ТЁМНЫЙ, В.Е. МАСЛОВ, Д.А. ТАРУМОВ, А.Г. ТРУФАНОВ,
В.В. МАКЕЕНКО
Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова, ул. Боткинская, д. 17, г. Санкт-Петербург, 194044, Россия,
e-mail: doc.puchkov@gmail.com
Аннотация. Введение. Появившаяся в последние десятилетия возможность неинвазивной оценки структуры головного мозга открывает новые перспективы объективизации психической патологии. В обзоре освещаются существующие на сегодняшний день современные научные данные по применению методики магнитно-резонансной трактографии головного мозга при шизофрении. Цель исследования - изучение данных литературы о микроструктурных трактографических изменениях головного мозга у пациентов с шизофренией. Материалы и методы исследования. Систематический обзор отечественной и зарубежной литературы. Результаты и их обсуждение. Тенденция снижения фракционной анизотропии прослеживается в большинстве исследований изменений белого вещества головного мозга пациентов с шизофренией. Снижение фракционной анизотропии происходит, как у лиц, входящих в группу повышенного риска развития шизофрении, так и у пациентов с первым эпизодом шизофрении. Повышение фракционной анизотропии является исключением и заставляет задуматься о характерных микроструктурных паттернах этого заболевания. Перспективным направлением изучения развития шизофрении является поиск коррелятов изменений коннективности мозга с патологической клинической симптоматикой. Например, сниженные показатели фракционной анизотропии в верхнем продольном и дуговом пучках коррелируют со слуховыми галлюцинациями. Более сложный и новый уровень исследования коннективности - исследование глобальной организации нейросетей головного мозга с помощью теории графов - позволяет объединять большие объемы данных о связях внутри головного мозга и количественно оценивать отношения между изменениями в системе нейросетей. Заключение. Выявляемые данные о патологии микроструктурной коннективности на основе трактографических исследований носят противоречивый характер, а вопросы клинического применения специальных лучевых методик в клинической практике остаются не до конца разработанными. Дальнейшее наращивание объема знаний может помочь решить вопросы скрининга шизофрении, выявления микроструктурных объективизирующих предикторов и критериев ремиссии заболевания, формирования трактографической классификации психических расстройств. Кроме того, в отечественной литературе практически отсутствуют данные по описываемой проблеме, что подчеркивает актуальность исследования представленной тематики.
Ключевые слова: психические расстройства, шизофрения, нейровизуализация, диффузионно-тензорная визуализация, трактография, фракционная анизотропия.
TRACTOGRAPHIC ASPECTS OF MICROSTRUCTURAL BRAIN PATHOLOGY IN SCHIZOPHRENIA
(literature review)
N.A. PUCHKOV, K.V. MARKIN, Y.E. PROCHIK, A.V. TEMNIY, V.E. MASLOV, D.A. TARUMOV, A.G. TRUFANOV, V.V. MAKEENKO
S.M. Kirov Military Medical Academy, 17 Botkinskaya Str., Saint Petersburg, 194044, Russia,
e-mail: doc.puchkov@gmail.com
Abstract. Background. A possibility of a non-invasive assessment of the brain structure, which has appeared in recent decades, provides new horizons for the formation of an objective picture of mental pathology. The review highlights current scientific data on the use of the tractography in schizophrenia. The research purpose was to examine literature data on microstructural tractographic changes in patients with schizophrenia. Materials and methods. Systematic review of domestic and foreign literature was carried out. Results and its discussion. Decreasing fractional anisotropy values are the most consistent finding in studies related to white matter alterations in patients with schizophrenia. Decreased fractional anisotropy values occurs both in subjects vulnerable for schizophrenia and in patients with the first episode of schizophrenia (including drug-naive patients). Increasing fractional anisotropy values is an exception, and the nature of it is still unclear. Another encouraging area of studying the development of schizophrenia is the search for correlates of changes in structural connectivity with various clinical symptoms. For example, reduced fractional anisotropy values in the superior longitudinal and arcuate fasciculus are associated with the presence of auditory hallucinations. A more complex and new level of white matter connectivity research is a study of the global organization of neural networks using graph theory, which allows combining large amounts of data on connections within the brain and quantify the relationships between changes in the neural network system. Conclusions. The detected results on the pathology of microstructural connectivity based on studies are controversial, and the issues of clinical application of special imaging techniques in clinical practice remain not fully developed. Further knowledge building can help address issues in the following areas: schizophrenia screening, identification of microstructural objectifying predictors and criteria for disease remission, formation of a tractographic classification of mental disorders. In addition, in the domestic literature there is practically no data on the described problem, which emphasizes the relevance of the study of the submitted topics.
Keywords: mental disorders, schizophrenia, neuroimaging, diffusion-tensor imaging, tractography, fractional anisotropy.
Введение. Прижизненное изучение микроструктуры головного мозга (ГМ) является принципиально новым направлением в психиатрии и лучевой диагностике, позволяющим раскрыть особенности патогенеза психической патологии. В последнее время объем научных данных о патологических изменениях белого вещества головного мозга при шизофрении значимо увеличился благодаря внедрению в практику методики магнитно-резонансной трактографии.
Микроструктурные изменения вещества ГМ не визуализируются при рутинном магнитно-резонансном сканировании головного мозга пациентов с шизофренией. Методика микроструктурной оценки -диффузионно-тензорная визуализация (ДТВ) с тракто-графией позволяет объективно количественно и качественно оценивать состояние проводящих путей белого вещества головного мозга [1].
В основе методики лежит оценка направленности диффузии молекул воды в головном мозге. Качественный показатель диффузии - фракционная анизотропия (ФА). Этот показатель находится в пределах от 0 (изотропная - одинаковая диффузия в разных направлениях) до 1 (анизотропная - не одинаковая диффузия в разных направлениях). При отсутствии повреждений мембран и миелиновой оболочки аксонов молекулы движутся в одном направлении, увеличивая ФА. Появление различных микроструктурных нарушений и патологических образований увеличивает изотропию движения молекул воды, и уровень ФА уменьшается.
Существуют другие показатели: аксиальная диф-фузивность (АД), радиальная диффузивность (РД), средняя диффузивность (СД). АД связана с диффузией воды параллельно трактам, ее снижение может отражать аксональное повреждение, уменьшение калибра или менее последовательную ориентацию аксонов. РД демонстрирует диффузию воды перпендикулярно трактам, ее повышение может быть связано с утратой миелина, аксонов или с менее плотным расположением аксонов. СД усредняет показатели АД и РД [41]. Изменения ФА и связанных показателей в структурах ГМ и проводящих путях выявляются при психических расстройствах (шизофрения, органические депрессивные расстройства), неврологических заболеваниях (эпилепсия, рассеянный склероз [37], боковой амиотрофический склероз [12], эссенциальный тремор, травмы позвоночника [11]) и ряде других расстройств [30].
Методика трактографии позволяет реконструировать трехмерные изображения комиссуральных, ассоциативных и проективных трактов. Обработка получаемых данных предоставляет возможность сравнить показатели диффузии трактов, длину и другие их характеристики. Кроме того, визуализация проводящих путей головного мозга, проходящих в
близости патологических образований, предоставляет помощь в планировании нейрохирургического вмешательства [25,34,49].
Более сложным вариантом оценки связности структур ГМ является анализ данных ДТВ с помощью теории графов (анализ графа). Последний используется в достаточно широком спектре отраслей: здравоохранении, кибербезопасности, биологии, биофизике [32,39], социологии, менеджменте, автоматизации, логистике и многих др. [3]. Для нейронаук анализ графа необходим для понимания архитектоники, развития, эволюции связей ГМ, а также для текущей оценки его структурно-функционального состояния в норме и при патологии [42]. Внутри такого подхода мозг рассматривается, как граф, состоящий из набора узлов (структуры или регионы) и граней, осуществляющих взаимодействие между этими узлами (аксо-нальные проекции, проводящие пути, тракты) [24]. Наиболее часто оценивают следующие структурные характеристики нейросетей: глобальная эффективность, коэффициент кластеризации, локальная эффективность коэффициент «малый мир» [2,30,44].
В обзоре освещаются существующие на сегодняшний день современные научные данные по применению методики ДТВ с трактографией при шизофрении. В статье собраны данные анализа отдельных структур головного мозга, связей между его структурами, корреляции с клиническим проявлениями и результатами тестовых и психометрических методик, результаты анализа теории графов.
Цель исследования - изучение данных литературы о микроструктурных трактографических изменениях в головном мозге у пациентов с шизофренией.
Материалы и методы исследования. Выполнен систематический обзор исследований, опубликованных на русском и английском языках с 1994 по 2019 годы с преимущественным включением (более 57%) данных за последние 7 лет. Поиск статей выполнен с использованием баз данных PubMed, ScienceDirect, ResearchGate, GoogleScholar и eLibrary. Использование более ранних научных работ является обоснованным, так как указанные источники являются фундаментальными в области нейровизуализа-ции психических расстройств.
Результаты и их обсуждение. Среди всего массива изученных с целью написания статьи научных данных, преобладают результаты трактографических исследований отдельных структур головного мозга при шизофрении. В исследовании ]. Seitz et а1. (2016) проанализированы связи в белом веществе пациентов с ранней шизофренией (1-39 месяцев после дебюта), имеющие важное значение в патогенезе заболевания - крючковатый пучок, поясная извилина, нижний продольный пучок, верхний продольный пучок и дуговой пучок (рис. 1*). Они выяснили, что у па-
* Рисунки данной статьи представлены на обложке 2
циентов по сравнению с контрольной группой отмечается снижение ФА и повышение РД в правом дуговом пучке, правой поясной извилине и правом нижнем продольном пучке [38].
В своем исследовании A. Voineskos et al. (2010) выявили снижение ФА у молодых пациентов с шизофренией (55 лет и младше) в левом крючковатом пучке и в правой поясной извилине, в отличие от более старших пациентов (56 лет и старше), у которых не было значимой разницы в показателях ФА по сравнению с группой контроля. Такие возрастные различия могут свидетельствовать о замедлении патологических изменений белого вещества у пациентов с шизофренией старшего возраста [47].
При оценке межполушарного взаимодействия у пациентов с шизофренией Gómez- Gastiasoro et al. (2019) продемонстрировали снижение ФА в коленце мозолистого тела (МТ) [19]. Активный рост МТ приходится на период 20-30 лет [29], что соответствует типичному возрасту манифестации шизофрении [22]. Известно, что коленце МТ начинает активно развиваться позже, чем валик МТ [27,28], что делает его более уязвимой структурой вещества ГМ в начале развития шизофрении.
Снижение средней ФА и повышение средней РД было также отмечено этими же авторами в левом фронтальном тракте - тракт от коленца МТ к левому фронтальному полю (левая лобная извилина). Анатомическими регионами, входящими в этот тракт, являются передний лучистый венец, передний лимб внутренней капсулы (передняя таламическая лучистость и нижний лобно-затылочный пучок), внешняя капсула (нижний лобно-затылочный пучок), нижняя и верхняя лобные извилины, коленце мозолистого тела, поясная извилина [19].
В другом исследовании было обнаружено значительное снижение ФА по сравнению со здоровыми у пациентов с шизофренией в таких регионах как МТ, лимб внутренней капсулы (передний, задний и левый), свод, правая наружная капсула и верхние мозжечковые ножки билатерально [51].
Наиболее значимыми отличиями ГМ в группе здоровых по сравнению с пациентами с первым эпизодом шизофрении в исследовании посвященном классификации эндогенной патологии, основанной на трактографических данных, были показатели СД нижнего продольного пучка, в частности ее повышение. Также значимым для различения групп выявлен классический паттерн снижения ФА и повышения РД и СД в коленце мозолистого тела [13].
У обследованных с высоким клиническим риском развития шизофрении чаще проявляется снижение ФА в верхнем и нижнем продольном, нижнем лобно-затылочном пучках и др. Такое снижение является промежуточным между показателями ФА здоровых лиц и пациентов с первым эпизодом шизофре-
нии. Лица, у которых в дальнейшем была диагностирована шизофрения имели сниженные значения ФА в некоторых лобных и подкорковых регионах, в отличие от лиц, у которых шизофрения не развилась. В исследованиях близких родственников пациентов с шизофренией показатели ФА также были промежуточными по сравнению со здоровыми лицами и пациентами с шизофренией в верхнем и нижнем продольном, нижнем лобно-затылочном, поясном пучках и др. [8].
При оценке микроструктуры ГМ пациентов с первым эпизодом шизофрении наиболее логичным представляется снижение ФА во внутренней капсуле, находящейся между базальных ядер. Внутри последних находится большое количество дофаминовых рецепторов, вовлеченных в антипсихотическую активность. Изменения белого вещества в передней тала-мической лучистости у пациентов с первым эпизодом шизофрении поддерживают данные гипотезы таламокортикального «разъединения». Снижение показателей ФА также определяется в правом переднем поясном пучке, кортикоспинальном тракте, левом парагиппокампальном белом веществе, МТ, верхнем продольном и нижнем лобно-затылочном пучках у пациентов с первым эпизодом шизофрении и первым психотическим эпизодом. Отлично от других результатов встречаются данные о повышении ФА, которые, вероятно, отражают «гиперконнективность», преимущественно в стволе ГМ, мозжечке, межполушарных и длинных ассоциативных путях у пациентов с первым эпизодом шизофрении, не получавших лекарственной терапии. Стоит отметить, что данные о снижении ФА коррелировали со временем, проведенным пациентом без терапии, и выявляемой продуктивной симптоматикой. Другие исследования показали повышение ФА в нижней лобной, пре- и постцентральных извилинах, передней части и теле поясного пучка, передних таламических ножках, зрительных лучистостях, задней части наружной капсулы. Патофизиологические основы могут заключаться в избыточном влиянии дофамина, приводящему к большей, чем требуется нейрональной активности. Такая активность может приводить к избыточному развитию инактивных волокон белого вещества, ассоциированных с патологическим присвоением мотивационной значимости объектам [8].
При изучении патологических микроструктурных изменений связей между структурами головного мозга при шизофрении E. Ji et al. (2019) выявили как повышенные, так и пониженные показатели фракционной анизотропии поверхностных коротких трактов [20]. С одной стороны, пониженные показатели general fractional anisotropy (GFA) (является аналогом ФА) встречаются значительно чаще. Так левостороннее снижение анизотропии отмечено в трактах между следующими регионами: хвостовая передняя
поясная извилина - прецентральная извилина, медиальная орбитофронтальная извилина - верхняя височная извилина, оперкулярная часть нижней лобной извилины - островок, задняя поясная извилина -островок. Снижение анизотропии билатерально отмечалось в связях между следующими регионами: средняя лобная извилина - прецентральная извилина, оперкулярная часть нижней лобной извилины - прецентральная извилина. Правостороннее снижение GFA отмечалось между следующими регионами: нижняя теменная извилина - средняя височная извилина, латеральная орбитофронтальная извилина -ростральная средняя лобная извилина, задняя поясная извилина - надкраевая извилина, ростральная средняя лобная извилина - верхняя лобная извилина [26]. С другой стороны, отмечены повышенные показатели GFA в трактах, соединяющих регионы, участвующих в формировании сети пассивного режима работы мозга (СПРРМ). СПРРМ - совокупность регионов ГМ, активных в его «спокойном» состоянии, когда отсутствует необходимость решения даже самых простых когнитивных задач [18], при «погружении в себя», самоанализе и медитации, извлечении автобиографической памяти или представлении будущего [14]. В формировании СПРРМ участвуют медиальная префронтальная кора, медиальная височная кора (задняя поясная кора, ретросплениальная кора), предклинье, медиальные височные регионы (пара-гиппокамп, гиппокамп), латеральная височная кора, латеральная теменная кора (ангулярная извилина, задная надкраевая извилина) и латеральная фронтальная кора [4]. Повышение GFA было выявлено между левой нижней теменной извилиной и левой средней височной извилиной, задней поясной извилиной и предклиньем [26], что обеспечивает повышение функциональной коннективности сети, которое наблюдается у пациентов с шизофренией по данным функциональной магнитно-резонасной томографии [16,21,52].
Вопрос изменения белого вещества под влиянием лекарственных препаратов, длительности заболевания, или гетерогенности ответа структур ГМ пациента на терапию остается дискутабельным. Существующие исследования показывают как повышение, так и снижение ФА под воздействием лечения [8].
Наиболее клинически ориентированными являются научные статьи, демонстрирующие корреляции данных трактографии с клиническими данными, результатами тестовых и психометрических методик. Однако, такие статьи среди всех нами проанализированных, встречаются значимо реже (не более 5-7%), что свидетельствует о необходимости расширения указанных исследований.
По данным Chawla N. et al. (2019), пациенты с шизофренией, у которых отмечались слуховые галлюцинации, демонстрировали значимо сниженные показатели
ФА в верхнем продольном пучке и дуговом пучке головного мозга с обеих сторон по сравнению с пациентами без слуховых галлюцинаций и здоровой группой [9]. L.B. Falkenberg et al. также выявили, что пациенты с вербальными галлюцинациями имеют значительно более длинные тракты в левом дуговом пучке по сравнению со здоровыми испытуемыми (рис. 2) [15].
В исследовании J. Seitz et al. (2016) отметили, что снижение ФА и повышение PД в правом нижнем продольном пучке и дуговом пучке ассоциировано с выраженностью проявлений позитивной симптоматики (по данным шкалы SAPS). Также сниженные показатели ФА в правом поясном пучке оказались связаны с более низкими результатами оценки рабочей памяти и скорости мышления [38]. Поясной пучок - важная группа аксонов, соединяющая лобный, теменной, медиальный височный регионы, связывая подкорковые ядра с поясной извилиной [7]. Указанные нейроко-гнитивные ухудшения наиболее заметны у пациентов с ранней шизофренией [33,48]. Оценка скорости мышления производилась с помощью теста замены символов цифрами и теста «прокладывания» пути (части А), рабочей памяти - тестом Векслера (WMS-III) Spatial Span и Letter-Number Span [38].
E. Tyburski et al. провели исследование (2020), показавшее снижение ФА у пациентов с шизофренией в поясном пучке билатерально. Также исследователи выявили отрицательную корреляцию между показателями ФА в левом поясном пучке и уровнем персевера-тивных ошибок в тесте оценки исполнительных функций BCST. Высокие показатели ошибок указывает на то, что пациент с шизофренией не может определить соответствующее правило или недостаточно гибок, чтобы перейти от неправильного к правильному принципу сортировки при тестировании [46].
Gómez- Gastiasoro et al. (2019) выявили отрицательную корреляцию между средней ФА в правом фронтальном тракте и показателями способности к вербальному обучению и запоминанию - отличительному признаку познавательной дисфункции у пациентов с шизофренией [19]. W. Zhao et al. (2018) описали значимые ассоциации показателей средней ФА в наружной капсуле и данными шкалы PANSS (N и T части). Снижение средней ФА было ассоциировано со ухудшением симптоматики [51].
Наличие у пациентов с первым эпизодом шизофрении сниженного ФА в трактах между правым та-ламусом и следующими регионами: правой поясной корой, латеральной орбитофронтальной корой и правой вентролатеральной префронтальной корой -также показали в своей работе Hamoda H.M. et al. (2019). В последнем тракте - между правым таламу-сом и правой вентролатеральной префронтальной корой - также выявлено повышение PД. Снижение уровня ФА коррелировало со снижением показателей по шкалам оценки социального функционирования: GAF, GF: Social, GF: Role [23].
По данным Marenco S. et al. (2012) пациенты с шизофренией имели сниженную коннективность между таламусом и префронтальной корой. Снижение выявлено в обоих полушариях, но изменения в левом полушарии были наиболее выражены. Пациенты с шизофренией имели повышенные показатели коннективности таламуса с соматосенсорной корой (билатерально) и затылочной корой (более в левом полушарии), что продемонстрировано на рис. 3. Сниженная коннективность выявлялась между двумя кластерами медиодорсального таламуса и в латеральной префронтальной коре в верхней, средней и нижней лобной извилине. Также было доказано, что коннективность между префронтальной корой и таламусом положительно коррелирует с показателями рабочей памяти (WMS-III Working Memory Index) [17]. Коннективность исследуемой области коры с таламусом подсчитывалась делением количества samples (трактов) из любого таламического вокселя, достигающих исследуемого коркового региона, на общее количество трактов из всех таламических вокселей, достигающих любого коркового региона [31].
M.M. Bohlken et al. в 2016 году опубликовали результаты исследования у дискордантных близнецов. Изучали две группы близнецов. В первой группе были пациенты с шизофренией и их монозиготные близнецы, во второй - пациенты с шизофренией и их ди-зиготные близнецы. Цель исследования была определить связь «целостности» ГМ с генетической предрасположенностью к развитию шизофрении. ФА, как мера «целостности» белого вещества, была снижена у близнецов с шизофренией и объяснена общими генами в 83,4% случаев. Нарушение коннективности происходит под влиянием наследственных факторов, ответственных за развитие шизофрении [6].
W. Zhao et al. в своем исследовании (2018) проанализировали межрегиональные анатомические связи ГМ у пациентов с шизофренией. С помощью анализа network-based statistic (NBS) [50] были найдены две нарушенные подсети. Первая состояла из 26 областей, включающих в основном меж- и внут-риполушарные лобные и подкорковые связи. Вторая включала 5 связей между и внутри теменной и подкорковой зонами. Стоит отметить, что все показатели связностей были ниже у пациентов по сравнению с контрольной группой. Эти связи включали три основные узловые группы: лобная (особенно верхняя лобная извилина), теменная (верхняя теменная доля и предклинье) и подкорковая (преимущественно та-ламус) [51].
Вопрос изменения белого вещества под влиянием лекарственных препаратов, длительности заболевания, или гетерогенности ответа структур ГМ пациента на терапию остается дискутабельным. Существующие исследования показывают как повышение, так и снижение ФА под воздействием лечения [8].
Анализ сетей с помощью теории графов позволяет объединять и количественно оценивать отношения между широко распространенными изменениями в нейросетевых системах. Существует два различных измерения, на основе которых представляется организация нейросетей: сегрегация и интеграция. Сегрегация - способность специализированной обработки внутри плотно взаимосвязанных узлов, кластеров или модулей нейросети ГМ. Интеграция -способность быстро комбинировать специализированную информацию из разнообразных узлов, регионов [24]. К характеристикам сетевой интеграции относятся: глобальная эффективность, характерная длина пути. К характеристикам сетевой сегрегации относятся: коэффициент кластеризации, транзитивность, модулярная структура, модулярность, локальная эффективность [10] (также рассматривается, как характеристика локальной интеграции [35]). Отдельно рассматривается коэффициент «малый мир». Выделяют характеристики централитета: степень посредничества и др.; характеристики устойчивости сети: коэффициент ассортативности и др. [36].
Характерная длина пути - средняя кратчайшая длина пути между парой узлов. Глобальная эффективность - мера эффективности передачи информации между парой узлов в графе, обратно пропорциональна средней кратчайшей длине пути [10,36].
Коэффициент кластеризации - доля соседних узлов, которые также являются «соседями» друг для друга или доля треугольников внутри графа [36]. Локальная эффективность - мера эффективности передачи информации, ограниченной соседними узлами [10].
Степень посредничества - доля всех кратчайших путей в сети, которые проходят через исследуемый узел [36].
Коэффициент «малый мир»» - тип графа, в котором может быть достигнуто большинство узлов от каждого другого узла по наименьшему количеству связей. Считается, что сетевая организация ГМ одновременно совмещает противоположные требования функциональной интеграции и сегрегации [45]. Поэтому хорошо продуманная анатомическая сеть может сочетать наличие функционально специализированных (сегрегированных) модулей с надежным количеством межмодульных (интегрирующих) связей. Такой дизайн обычно называют «малым миром» и действительно кажется повсеместной организацией анатомической связности [5,43]. Однако эта характеристика больше подходит для структурной коннективности, чем для функциональной [36].
Невзвешенные параметры эффективности информативны для понимания топографии связей, а взвешенные - для силы связей [6].
В своем исследовании Б.И. Shon et а1. (2018) продемонстрировали ухудшение глобальной организа-
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 1 - P. 14-21
ции структурных нейросетей ГМ. При этом глобальная эффективность, локальная эффективность, коэффициент кластеризации и средняя сила коннективности были значимо снижены у пациентов с шизофренией. Средняя степень посредничества была выше у пациентов с шизофренией [40].
В исследовании M.M. Bohlken et al. (2016) ФА-взвешенная локальная эффективность была снижена во фронтальном, стриарном и таламическом регионах при шизофрении по сравнению с нормой [6].
W. Zhao et al. в своем исследовании (2018) также анализировали нейросети ГМ при шизофрении с помощью теории графов. Характеристики сетей сравнивались по следующим показателям: уровень, сила сети, глобальная эффективность, локальная эффективность, и показатель «малого мира». Все значения были значительно ниже у пациентов с шизофренией, по сравнению с нормой [51].
Тенденция снижения ФА (равно как и повышение РД и СД) прослеживается в большинстве исследований, связанных со сравнением микроструктуры головного мозга пациентов с шизофренией и здоровых испытуемых. ФА снижается в отдельных анатомически установленных трактах внутриполушарного (правый дуговой пучок, поясная извилина, нижний продольный пучок, свод и др.) и межполушарного взаимодействий (МТ). Снижается ФА в целом и в ар-тифициальных нейросетях с произвольными соединениями разных структур, таких как хвостовая передняя поясная извилина - прецентральная извилина, медиальная орбитофронтальная извилина -верхняя височная извилина и др. Снижение ФА происходит, как у лиц, входящих в группу повышенного риска развития шизофрении (в верхнем и нижнем продольном, нижнем лобно-затылочном, поясном пучках), так и у пациентов с первым эпизодом шизофрении (в правом переднем поясном пучке, левом парагиппокампальном белом веществе, МТ, верхнем продольном и нижнем лобно-затылочном пучках и кортикоспинальном тракте).
Повышение ФА является исключением и заставляет задуматься о характерных паттернах развития шизофрении. Например, повышенные показатели GFA в трактах, соединяющих регионы, принимающие участие в формировании сети пассивного режима работы мозга, повышенные показатели коннективности таламуса с соматосенсорной корой и затылочной корой.
Перспективным направлением изучения развития шизофрении является поиск коррелятов изменений коннективности ГМ с различной клинической симптоматикой. Сниженные показатели ФА в верхнем продольном и дуговом пучках связаны с наличием слуховых галлюцинаций. Снижение ФА в правом нижнем продольном и дуговом пучках ассоциировано с выраженностью проявлений продуктивной симптоматики. Снижение ФА в правом поясном
пучке - с ухудшением показателей рабочей памяти и скорости мышления. Изменение коннективности между префронтальной корой и таламусом положительно коррелирует с показателями рабочей памяти Изменение ФА в левом поясном пучке отрицательно коррелирует с уровнем персеверативных ошибок. Снижение ФА в трактах между правым таламусом и правой поясной корой, правой вентролатеральной префронтальной корой коррелировало со снижением показателей социального функционирования.
Более сложный и новый уровень исследования коннективности ГМ - исследование глобальной организации нейросетей ГМ с помощью теории графов -позволяет объединять большое количество данных о связях внутри ГМ и количественно оценивать отношения между изменениями в системе нейросетей. Глобальная эффективность, локальная эффективность, коэффициент кластеризации и средняя сила коннективности значимо снижена у пациентов с шизофренией по данным практически всех проанализированных исследований.
Заключение. Таким образом, из литературного обзора следует, что выявляемые данные о патологии микроструктурной коннективности на основе трак-тографических исследований носят противоречивый характер, а вопросы клинического применения специальных лучевых методик в клинической практике остаются не до конца разработанными. Дальнейшее наращивание объема знаний может помочь решить целый ряд важных для психиатрической практики вопросов: скрининг шизофрении, выявление микроструктурных объективизирующих предикторов и критериев ремиссии заболевания, формирование объективной трактографической классификации психических расстройств. Кроме того, следует отметить, что в отечественной литературе практически отсутствуют данные по описываемой проблеме, что еще раз актуальность представленной тематики.
Литература / References
1. Тарумов Д.А., Железняк И.С., Манчук А.А., Мананцев П.А., Ят-манов А.Н. Аналитический обзор специальных методов нейровизуали-зации в психиатрической практике // Вестник новых медицинских технологий. Электронное издание. 2018. №2. Публикация 2-3. URL: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2018-2/2-3.pdf (дата обращения 14.03.2018). DOI: 10.24411/2075-4094-2018-15957 / Tarumov DA, Zheleznyak IS, Manchuk AA, Manantsev PA, Yatmanov AN. Analiticheskiy obzor spetsial'nykh metodov neyrovizualizatsii v psikhiatricheskoy praktike [Analytical review of special methods of neuroisualization in psychiatric practice]. Journal of New Medical Technologies, e-edition. 2018 [cited 2018 Mar 14] ;2 [about 10 p.]. Russian. Available from: http://www.medtsu.tula.ru/VNMT/Bulletin/E2018-2/2-3.pdf.
DOI: 10.24411/2075-4094-2018-15957
2. Тарумов Д.А. Объективизация латентной наркологической патологии у потенциального воинского контингента с применением специальных методик магнитно-резонансной томографии // Вестник Российской Военно-Медицинской Академии. 2019. № 3 (67). / Tarumov DA. Ob"ektivizatsiya latentnoy narkologicheskoy patologii u potentsial'nogo voinskogo kontingenta s primeneniem spetsial'nykh metodik magnitno-rezonansnoy tomografii [Objectivization of latent narcological pathology in a potential military contingent using special magnetic resonance imaging techniques]. Vestnik Rossiyskoy Voenno-Meditsinskoy Akademii. 2019;3(67). Russian.
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 1 - P. 14-21
3. Adali T., Ortega A. Applications of Graph Theory // Proceedings of the IEEE. 2018. № 5 (106). P. 784-786 / Adali T, Ortega A. Applications of Graph Theory. Proceedings of the IEEE. 2018;5(106):784-6.
4. Andrews-Hanna J.R., Smallwood J., Spreng R.N. The default network and self-generated thought: Component processes, dynamic control, and clinical relevance // Annals of the New York Academy of Sciences. 2014. № 1 (1316). P. 29-52 / Andrews-Hanna JR, Smallwood J, Spreng RN. The default network and self-generated thought: Component processes, dynamic control, and clinical relevance. Annals of the New York Academy of Sciences. 2014;1(1316):29-52.
5. Bassett D.S., Bullmore E. Small-world brain networks // Neuro-scientist. 2006. № 6 (12). P. 512-523 / Bassett DS, Bullmore E. Small-world brain networks. Neuroscientist. 2006;6(12):512-23.
6. Bohlken M.M. Structural brain connectivity as a genetic marker for schizophrenia // JAMA Psychiatry. 2016. № 1 (73). P. 11-19 / Bohlken MM. Structural brain connectivity as a genetic marker for schizophrenia. JAMA Psychiatry. 2016;1(73):11-9.
7. Bubb E.J., Metzler-Baddeley C., Aggleton J.P. The cingulum bundle: Anatomy, function, and dysfunction // Neuroscience and Biobehav-ioral Reviews. 2018. Vol. 92. P. 104-127 / Bubb EJ, Metzler-Baddeley C, Aggleton JP. The cingulum bundle: Anatomy, function, and dysfunction. Neuroscience and Biobehavioral Reviews. 2018;92:104-27.
8. Canu E., Agosta F., Filippi M. A selective review of structural connectivity abnormalities of schizophrenic patients at different stages of the disease // Schizophrenia Research. 2015. № 1 (161). P. 19-28 / Canu E, Agosta F, Filippi M. A selective review of structural connectivity abnormalities of schizophrenic patients at different stages of the disease. Schizophrenia Research. 2015;1(161):19-28.
9. Chawla N. Reduced integrity of superior longitudinal fasciculus and arcuate fasciculus as a marker for auditory hallucinations in schizophrenia: A DTI tractography study // Asian Journal of Psychiatry. 2019. № 44. P. 179-186 / Chawla N. Reduced integrity of superior longitudinal fasciculus and arcuate fasciculus as a marker for auditory hallucinations in schizophrenia: A DTI tractography study. Asian Journal of Psychiatry. 2019;44;179-86.
10. Cohen J.R., D'Esposito M. The segregation and integration of distinct brain networks and their relationship to cognition // Journal of Neuroscience. 2016. № 48 (36). P. 12083-12094 / Cohen JR, D'Esposito M. The segregation and integration of distinct brain networks and their relationship to cognition. Journal of Neuroscience. 2016;48(36):12083-94.
11. Cohen-Adad J. Demyelination and degeneration in the injured human spinal cord detected with diffusion and magnetization transfer MRI // Neurolmage. 2011. № 3 (55). P. 1024-1033 / Cohen-Adad J. Demyelination and degeneration in the injured human spinal cord detected with diffusion and magnetization transfer MRI. Neurolmage. 2011;3(55):1024-33.
12. Cohen-Adad J. Involvement of spinal sensory pathway in ALS and specificity of cord atrophy to lower motor neuron degeneration // Amyotrophic Lateral Sclerosis and Frontotemporal Degeneration. 2013. № 1 (14). P. 30-38 / Cohen-Adad J. Involvement of spinal sensory pathway in ALS and specificity of cord atrophy to lower motor neuron degeneration. Amyotrophic Lateral Sclerosis and Frontotemporal Degeneration. 2013;1(14):30-8.
13. Deng Y. Tractography-based classification in distinguishing patients with first-episode schizophrenia from healthy individuals // Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2019. Vol. 88. P. 66-73 / Deng Y. Tractography-based classification in distinguishing patients with first-episode schizophrenia from healthy individuals. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2019;88:66-73.
14. Ekhtiari H. Neuroscience of drug craving for addiction medicine: From circuits to therapies Elsevier, 2016. P. 115-141 / Ekhtiari H. Neuroscience of drug craving for addiction medicine: From circuits to therapies Elsevier; 2016.
15. Falkenberg L.E. Hallucinating schizophrenia patients have longer left arcuate fasciculus fiber tracks: a DTI tractography study. Psychiatry Research - Neuroimaging, 2020 / Falkenberg LE. Hallucinating schizophrenia patients have longer left arcuate fasciculus fiber tracks: a DTI tractography study. Psychiatry Research - Neuroimaging; 2020.
16. Garrity A.G. Aberrant «default mode» functional connectivity in schizophrenia // American Journal of Psychiatry. 2007. № 3 (164). P. 450457 / Garrity AG. Aberrant «default mode» functional connectivity in schizophrenia. American Journal of Psychiatry. 2007;3(164):450-7.
17. Giraldo-Chica M. Prefrontal-Thalamic Anatomical Connectivity and Executive Cognitive Function in Schizophrenia // Biological Psychiatry. 2018. № 6 (83). P. 509-517 / Giraldo-Chica M. Prefrontal-Thalamic Anatomical Connectivity and Executive Cognitive Function in Schizophrenia. Biological Psychiatry. 2018;6(83):509-17.
18. Glass L., Ware A.L., Mattson S.N. Neurobehavioral, neurologic, and neuroimaging characteristics of fetal alcohol spectrum disorders Elsevier, 2014. P. 435-462 / Glass L, Ware AL, Mattson SN. Neurobehavioral, neurologic, and neuroimaging characteristics of fetal alcohol spectrum disorders Elsevier; 2014.
19. Gomez-Gastiasoro A. Altered frontal white matter asymmetry and its implications for cognition in schizophrenia: A tractography study // Neurolmage: Clinical. 2019. Vol. 22 / Gomez-Gastiasoro A. Altered frontal white matter asymmetry and its implications for cognition in schizophrenia: A tractography study. Neurolmage: Clinical; 2019;22.
20. Guevara M. Superficial white matter: A review on the dMRI analysis methods and applications // Neurolmage. 2020. Vol. 212. P. 116673 / Guevara M. Superficial white matter: A review on the dMRI analysis methods and applications. Neurolmage. 2020;212:116673.
21. Guo W. Hyperactivity of the default-mode network in first-episode, drug-naive schizophrenia at rest revealed by family-based case-control and traditional case-control designs // Medicine (United States). 2017. № 13 (96) / Guo W. Hyperactivity of the default-mode network in first-episode, drug-naive schizophrenia at rest revealed by family-based case-control and traditional case-control designs. Medicine (United States). 2017;13(96).
22. Häfner H., An Der Heiden W. Epidemiology of schizophrenia // Canadian Journal of Psychiatry. 1997. № 2 (42). P. 139-151 / Häfner H, An Der Heiden W. Epidemiology of schizophrenia. Canadian Journal of Psychiatry. 1997;2(42):139-51.
23. Hamoda H.M. Abnormalities in thalamo-cortical connections in patients with first-episode schizophrenia: a two-tensor tractography study // Brain Imaging and Behavior. 2019. № 2 (13). P. 472-481 / Hamoda H.M. Abnormalities in thalamo-cortical connections in patients with first-episode schizophrenia: a two-tensor tractography study. Brain Imaging and Behavior. 2019;2(13):472-81.
24. Heuvel M.P. van den, Bullmore E.T., Sporns O. Comparative Connectomics // Trends in Cognitive Sciences. 2016. № 5 (20). P. 345-361 / Heuvel MP van den, Bullmore ET, Sporns O. Comparative Connectomics. Trends in Cognitive Sciences. 2016;5(20):345-61.
25. Holodny A.I., Ollenschlager M. Diffusion imaging in brain tumors // Neuroimaging Clinics of North America. 2002. № 1 (12). P. 107124 / Holodny AI, Ollenschlager M. Diffusion imaging in brain tumors. Neuroimaging Clinics of North America. 2002 ;1(12):107-24.
26. Ji E. Increased and Decreased Superficial White Matter Structural Connectivity in Schizophrenia and Bipolar Disorder // Schizophrenia Bulletin. 2019. № 6 (45). P. 1367-1378 / Ji E. Increased and Decreased Superficial White Matter Structural Connectivity in Schizophrenia and Bipolar Disorder. Schizophrenia Bulletin. 2019;6(45):1367-78.
27. Kochunov P. Fractional anisotropy ofwater diffusion in cerebral white matter across the lifespan // Neurobiology of Aging. 2012. № 1 (33). P. 9-20 / Kochunov P. Fractional anisotropy of water diffusion in cerebral white matter across the lifespan. Neurobiology of Aging. 2012 ;1(33):9-20.
28. Kochunov P. Testing the hypothesis of accelerated cerebral white matter aging in schizophrenia and major depression // Biological Psychiatry. 2013. № 5 (73). P. 482-491 / Kochunov P. Testing the hypothesis of accelerated cerebral white matter aging in schizophrenia and major depression. Biological Psychiatry. 2013;5(73):482-91.
29. Lebel C. Microstructural maturation of the human brain from childhood to adulthood // NeuroImage. 2008. № 3 (40). P. 1044-1055 / Lebel C. Microstructural maturation of the human brain from childhood to adulthood. Neurolmage. 2008;3(40):1044-55.
30. Levashkina I.M., Serebryakova S.V., Efimtsev A.Yu. Diffusiontensor MRI — the most up-to-date method to research microstructual changes in white matter (publications' review) // Vestnik of Saint Petersburg University. Medicine. 2016. № 4 (11). P. 39-54 / Levashkina IM, Serebryakova SV, Efimtsev AYu. Diffusion-tensor MRI — the most up-to-date method to research microstructual changes in white matter (publications' review). Vestnik of Saint Petersburg University. Medicine. 2016;4(11):39-54.
31. Marenco S. Investigation of anatomical thalamo-cortical connectivity and fMRI activation in schizophrenia // Neuropsychopharmacol-ogy. 2012. № 2 (37). P. 499-507 / Marenco S. Investigation of anatomical
JOURNAL OF NEW MEDICAL TECHNOLOGIES - 2022 - Vol. 29, № 1 - P. 14-21
thalamo-cortical connectivity and fMRI activation in schizophrenia. Neu-ropsychopharmacology. 2012;2(37):499-507.
32. Mashaghi A.R., Ramezanpour A., Karimipour V. Investigation of a protein complex network // European Physical Journal B. 2004. № 1 (41). P. 113-121 / Mashaghi AR, Ramezanpour A, Karimipour V. Investigation of a protein complex network. European Physical Journal B. 2004;1(41):113-21.
33. Mesholam-Gately R.I. Neurocognition in First-Episode Schizophrenia: A Meta-Analytic Review // Neuropsychology. 2009. № 3 (23). P. 315-336 / Mesholam-Gately RI. Neurocognition in First-Episode Schizophrenia: A Meta-Analytic Review. Neuropsychology. 2009;3(23):315-36.
34. Mormina E. MRI tractography of corticospinal tract and arcuate fasciculus in high-grade gliomas performed by constrained spherical de-convolution: Qualitative and quantitative analysis // American Journal of Neuroradiology. 2015. № 10 (36). P. 1853-1858 / Mormina E. MRI tractography of corticospinal tract and arcuate fasciculus in high-grade glio-mas performed by constrained spherical deconvolution: Qualitative and quantitative analysis. American Journal of Neuroradiology. 2015;10(36):1853-8.
35. Nieto-Castanon A. Handbook of functional connectivity Magnetic Resonance Imaging methods in CONN, 2020. 108 p. / Nieto-Cas-tanon A. Handbook of functional connectivity Magnetic Resonance Imaging methods in CONN; 2020.
36. Rubinov M., Sporns O. Complex network measures of brain connectivity: Uses and interpretations // NeuroImage. 2010. № 3 (52). P. 1059-1069 / Rubinov M, Sporns O. Complex network measures of brain connectivity: Uses and interpretations. NeuroImage. 2010;3(52):1059-69.
37. Schmierer K. Diffusion tensor imaging of post mortem multiple sclerosis brain // NeuroImage. 2007. № 2 (35). P. 467-477 / Schmierer K. Diffusion tensor imaging of post mortem multiple sclerosis brain. NeuroImage. 2007;2(35):467-77.
38. Seitz J. Tractography analysis of 5 white matter bundles and their clinical and cognitive correlates in early-course schizophrenia // Schizophrenia Bulletin. 2016. № 3 (42). P. 762-771 / Seitz J. Tractography analysis of 5 white matter bundles and their clinical and cognitive correlates in early-course schizophrenia. Schizophrenia Bulletin. 2016;3(42):762-71.
39. Shah P. Characterizing the role of the structural connectome in seizure dynamics // Brain. 2019. № 7 (142). P. 1955-1972 / Shah P. Characterizing the role of the structural connectome in seizure dynamics. Brain. 2019;7(142):1955-72.
40. Shon S.H. Deterioration in Global Organization of Structural Brain Networks in Schizophrenia: A Diffusion MRI Tractography Study // Frontiers in Psychiatry. 2018. Vol. 9 / Shon SH. Deterioration in Global Organization of Structural Brain Networks in Schizophrenia: A Diffusion MRI Tractography Study. Frontiers in Psychiatry. 2018;9.
41. Solowij N. Chronic Cannabis Use and Axonal Fiber Connectivity Elsevier Inc., 2017. P. 391-400 / Solowij N. Chronic Cannabis Use and Axonal Fiber Connectivity Elsevier Inc. ; 2017.
42. Sporns O. Graph theory methods: Applications in brain networks // Dialogues in Clinical Neuroscience. 2018. № 2 (20). P. 111-120 / Sporns O. Graph theory methods: Applications in brain networks. Dialogues in Clinical Neuroscience. 2018;2(20):111-20.
43. Sporns O., Honey C.J. Small worlds inside big brains // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.
2006. № 51 (103). P. 19219-19220 / Sporns O, Honey CJ. Small worlds inside big brains. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2006;51(103):19219-20.
44. Tarumov D.A. Abnormalities in Microstructural Brain Connectivity in Patients with Opioid or Alcohol Dependence // Doctor.Ru. 2020. № 4 (19). P. 35-42 / Tarumov DA. Abnormalities in Microstructural Brain Connectivity in Patients with Opioid or Alcohol Dependence. Doctor.Ru. 2020;4(19):35-42.
45. Tononi G., Sporns O., Edelman G.M. A measure for brain complexity: Relating functional segregation and integration in the nervous system // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1994. № 11 (91). P. 5033-5037 / Tononi G, Sporns O, Edelman GM. A measure for brain complexity: Relating functional segregation and integration in the nervous system. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1994;11(91):5033-7.
46. Tyburski E. The relationship between cingulum bundle integrity and different aspects of executive functions in chronic schizophrenia // Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2020. Vol. 102. / Tyburski E. The relationship between cingulum bundle integrity and different aspects of executive functions in chronic schizophrenia. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2020;102.
47. Voineskos A.N. Diffusion tensor tractography findings in schizophrenia across the adult lifespan // Brain. 2010. № 5 (133). P. 1494-1504 / Voineskos AN. Diffusion tensor tractography findings in schizophrenia across the adult lifespan. Brain. 2010;5(133):1494-504.
48. White T., Schmidt M., Karatekin C. Verbal and visuospatial working memory development and deficits in children and adolescents with schizophrenia // Early Intervention in Psychiatry. 2010. № 4 (4). P. 305-313 / White T, Schmidt M, Karatekin C. Verbal and visuospatial working memory development and deficits in children and adolescents with schizophrenia. Early Intervention in Psychiatry. 2010;4(4):305-13.
49. Wieshmann U.C. Diffusion tensor imaging demonstrates deviation of fibres in normal appearing white matter adjacent to a brain tumour // Journal of Neurology Neurosurgery and Psychiatry. 2000. № 4 (68). P. 501-503 / Wieshmann UC. Diffusion tensor imaging demonstrates deviation of fibres in normal appearing white matter adjacent to a brain tumour. Journal of Neurology Neurosurgery and Psychiatry. 2000;4(68):501-3.
50. Zalesky A., Fornito A., Bullmore E.T. Network-based statistic: Identifying differences in brain networks // NeuroImage. 2010. № 4 (53). P. 1197-1207 / Zalesky A, Fornito A, Bullmore ET. Network-based statistic: Identifying differences in brain networks. NeuroImage. 2010;4(53):1197-207.
51. Zhao W. Callosal and subcortical white matter alterations in schizophrenia: A diffusion tensor imaging study at multiple levels // NeuroImage: Clinical. 2018. Vol. 20. P. 594-602 / Zhao W. Callosal and subcortical white matter alterations in schizophrenia: A diffusion tensor imaging study at multiple levels. NeuroImage: Clinical. 2018;20:594-602.
52. Zhou Y. Functional disintegration in paranoid schizophrenia using resting-state fMRI // Schizophrenia Research. 2007. № 1-3 (97). P. 194205 / Zhou Y. Functional disintegration in paranoid schizophrenia using resting-state fMRI. Schizophrenia Research. 2007;1-3 (97):194-205.
Библиографическая ссылка:
Пучков Н.А., Маркин К.В., Прочик Я.Е., Тёмный А.В., Маслов В.Е., Тарумов Д.А., Труфанов А.Г., Макеенко В.В. Трактографические аспекты микроструктурной патологии головного мозга при шизофрении (обзор литературы) // Вестник новых медицинских технологий. 2022. №1. С. 14-21. DOI: 10.24412/1609-2163-2022-1-14-21.
Bibliographic reference:
Puchkov NA, Markin KV, Prochik YE, Temniy AV, Maslov VE, Tarumov DA, Trufanov AG, Makeenko VV. Traktograficheskie aspekty mikrostrukturnoy patologii golovnogo mozga pri shizofrenii (obzor literatury) [Tractographic aspects of microstructural brain pathology in schizophrenia (literature review)]. Journal of New Medical Technologies. 2022;1:14-21. DOI: 10.24412/1609-2163-2022-1-14-21. Russian.
