本篇文献分享发表于Schizophrenia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.引言临床高危CHR阶段是指精神病发作前的先兆期其特征为非精神分裂症个体出现衰减性、短暂性或间歇性精神病性症状以及功能下降。约20%的CHR个体在2年内进展为全面精神病3年随访时这一比例达36%。识别CHR的可靠生物标志物可为更好地理解从高风险向明确疾病的演变轨迹提供窗口并通过在症状恶化前进行早期干预来降低向精神病转化的比率。眼球运动功能障碍是精神分裂症的常见症状多项研究强调精神分裂症患者及其亲属均存在眼动异常。常见发现包括平滑追随眼动任务中增益降低、位置差异增大、扫视更频繁注视稳定任务中扫视频度增加、扫描路径延长反向眼动任务中准确性降低、潜伏期延长。这些特征能准确区分患者与健康对照提示其作为疾病生物标志物的潜力。尽管如此关于CHR的眼动研究仍十分有限。一项研究发现CHR在反向眼动任务中的错误率介于健康对照与精神分裂症之间提示眼动功能障碍可能在疾病早期已显现。动物研究表明大脑皮层在控制平滑追随眼动中起关键作用。恒河猴研究发现中颞区MT和内侧上颞区MST受损时平滑追随眼动受损。此外额叶眼动区FEF对产生平滑追随眼动至关重要电刺激该区域可诱发自发性追随。额叶眼动区损伤可破坏平滑追踪该区域还调节增益并预测物体运动。然而精神分裂症眼动异常的确切神经病理机制仍不明确。近年来静息态功能磁共振成像rsfMRI已成为揭示精神分裂症和CHR区域活动及功能改变的非侵入性工具。CHR的研究结果常报告其改变介于精神分裂症与健康对照之间。局部一致性ReHo是一种有前景的神经影像指标通过计算相邻体素时间序列的相似性来评估特定脑区神经元活动的局部同步性。与传统的fMRI指标相比局部一致性通过最小化时空噪声和离群值的干扰具有较高的重测信度。既往研究显示精神分裂症患者在额上回、额中回及顶下小叶局部一致性增高而在扣带回、颞上回、梭状回及楔前叶局部一致性降低。然而这些结果因抗精神病药物和病程等混杂因素而不一致。迄今为止鲜有研究利用局部一致性比较首发精神分裂症FSZ与CHR的自发脑活动并建立其与眼动的关联。此外精神分裂症是一种高度遗传性疾病近期全基因组关联研究GWAS报道了287个与该病相关的不同基因组位点。然而这些基因与疾病表型之间的生物学后果及因果关系尚未完全阐明。转录组-神经影像空间关联分析整合基因组数据与神经影像发现为将遗传变异与特定脑异常相联系提供了有前景的方法。利用全脑基因表达数据库如人类脑图谱AHBA已有大量研究识别出与多种精神疾病脑结构和功能异常相关的基因。既往研究已揭示精神分裂症皮层解剖变异和小脑功能连接的遗传机制。此研究结合多种眼动追踪任务和局部一致性分析评估首发精神分裂症与CHR的眼动功能障碍与脑活动改变之间的关系。此研究使用机器学习算法识别两组间的关键差异。此外应用转录组-神经影像分析识别与异常局部一致性模式相关的基因并利用人类脑图谱数据库探索其功能特征。假设1精神分裂症患者在多种眼动任务中表现出广泛异常而某些眼动异常在CHR个体中已显现2这些眼动异常与额叶和颞叶区域的脑功能活动异常相关3这些功能活动与特定的基因表达谱相关。2.材料与方法2.1受试者与临床评估27名未服药的首次发病精神分裂症门诊患者于中南大学湘雅二医院入组。所有患者由两名资深精神科医生根据《精神障碍诊断与统计手册》第五版DSM-5标准独立诊断均为首次发病且病程小于3年。采用阳性和阴性症状量表PANSS评估精神分裂症患者的不同症状包括阳性症状、阴性症状和一般精神症状。采用MATRICS共识认知成套测验MCCB评估认知功能包括加工速度、工作记忆、注意、执行功能和问题解决能力等多个认知维度各维度得分越高表示功能表现越好。25名CHR个体从医院门诊招募。采用前驱期综合征结构式访谈SIPS定义CHR标准包括短暂间歇性精神病性综合征BIPS、衰减阳性综合征APS和遗传风险与功能下降综合征GRD。SIPS共19个条目包含四个症状群阳性症状、阴性症状、瓦解症状和一般症状。28名健康对照从社区招募排除一级亲属有精神病病史者。所有参与者均为汉族、右利手年龄在16至45岁之间。所有参与者的排除标准包括1符合DSM-5诊断标准的其他精神病、既往精神疾病史、正在用药2既往神经系统疾病、过去6个月内使用过成瘾物质、头部外伤或颅脑损伤史3斜视、色盲、视野缺损、裸眼/矫正视力1.0或其他严重视力障碍4妊娠或哺乳5MRI扫描后发现脑结构异常6MRI检查禁忌症。此研究经中南大学湘雅二医院医学科研伦理委员会审查批准。所有参与者均签署知情同意书此研究严格遵守伦理研究原则。2.2眼动任务使用EyeLink 1000眼动追踪仪记录眼动。采用纸板开孔试验确定优势眼通过25mm相机镜头追踪优势眼。刺激呈现在24英寸屏幕上分辨率为1920×1080像素刷新率144Hz。受试者距离屏幕70cm头部置于下颌/前额托架上以减少头动。每个任务开始前使用9点校准模式任务过程中自动进行漂移校正。每个任务前向受试者朗读统一指导语若任务过程中出现较大头动则需重新采集。2.3影像采集采用西门子3.0 T MRI扫描仪使用平面回波成像EPI序列采集静息态功能成像数据。指导受试者仰卧、闭眼、保持清醒。使用泡沫垫和软耳塞减少扫描噪音和头动。成像参数如下TR/TE 2000ms/30ms翻转角90°视野220mm×220mm矩阵64×64层厚4mm39层200个时间点。2.4数据处理与局部一致性分析此研究使用DPABI软件进行神经影像数据预处理。首先丢弃前10个时间点以获得更稳定的信号。随后进行时间层校正和头动校正。最大平移2mm和/或最大旋转2°的受试者被排除。然后将校正后的数据空间标准化至MNI空间并重采样至3×3×3mm³体素大小以提高信噪比。将Friston-24头动参数、白质和脑脊液信号作为协变量回归。最后对数据进行带通滤波0.01至0.08Hz和线性去趋势以减少高频生理噪声干扰。局部一致性分析在体素水平进行通过计算每个体素及其周围26个相邻体素的肯德尔和谐系数KCC来测量时间序列的相似性。每个体素的局部一致性值减去全脑平均局部一致性值后除以标准差。最后使用4mm半高全宽FWHM各向同性高斯核进行平滑并进行Fisher Z变换。2.5统计分析采用方差分析ANOVA比较三组间年龄、受教育年限和量表评分的差异使用SPSS 26进行。卡方检验用于比较性别分布显著性水平设为p0.05。对不符合正态分布的眼动数据采用Kruskal-Wallis检验事后t检验使用Bonferroni校正显著性水平设为q0.05。三组局部一致性值进行方差分析采用Bonferroni校正q0.05并辅以高斯随机场理论GRF校正体素p0.001簇p0.01。性别、年龄和头动参数作为协变量。采用Spearman相关分析评估三组中异常眼动或局部一致性值与临床症状和认知功能评分之间的关系Bonferroni校正q0.05。2.6分类分析此研究选取组间存在显著差异的眼动参数进行分类分析。为降低计算复杂度并减少过拟合风险应用了多种广泛使用的特征选择技术包括逻辑回归LR、最小绝对收缩和选择算子LASSO、随机森林RF和支持向量机-递归特征消除SVM-RFE。特征选择使用R软件版本4.3.2进行。支持向量机SVM是一种强大的分类算法擅长处理高维数据通过寻找最优超平面将数据点分为不同类别。然后应用支持向量机基于上述特征选择方法筛选出的眼动特征和差异局部一致性值分别构建分类器旨在识别区分组间最相关的特征。2.7脑基因表达数据处理与空间相关分析脑基因表达数据来自人类脑图谱AHBA数据集包括超过20000个基因由58692个探针在6名健康成年捐献者的3702个不同脑组织样本中检测。所有数据使用“Abagen”工具箱版本0.1.4处理。丢弃2个不含基因的区域后最终获得121×6864区域×基因的基因表达矩阵。然后以Brainnetome 246图谱的MNI坐标为中心定义半径为3mm的球体计算该球体内局部一致性差异图上体素的平均局部一致性值以探索与基因表达谱的空间关联。偏最小二乘PLS回归是一种统计方法通过提取最大化两组变量间协方差的潜在成分来建模两组变量之间的关系。此研究中平均局部一致性值为响应变量基因表达为预测变量。PLS1识别出解释局部一致性最大方差的基因组合。采用自助法5000次迭代评估每个基因的贡献经Benjamini-Hochberg校正FDR-BH后选择显著基因。2.8基因富集分析对显著的PLS1基因进行基因富集分析以探究其与首发精神分裂症和CHR异常功能改变的关系。通过基因本体GO富集分析确定基因相关的生物学功能和相互作用包括分子功能MF、细胞组分CC和生物过程BP三个本体。使用京都基因与基因组百科全书KEGG通路和疾病本体DO富集分别识别基因相关的信号通路和疾病类别。上述富集分析均使用R软件中的“ClusterProfiler”包进行。此外为识别首发精神分裂症和CHR中可能被破坏的候选细胞群、组织分布和时空特异性表达此研究利用“TissueEnrich”R包进行组织特异性表达分析TSEA并通过在线网站进行时间特异性和细胞类型特异性表达分析CSEA。多重比较结果显著性设为FDR-BH q值0.05。2.9蛋白质-蛋白质相互作用分析蛋白质-蛋白质相互作用PPI分析用于理解局部一致性相关基因之间的相互作用及其形成的生物网络使用STRING数据库版本12.0。最小相互作用评分设为最高置信度0.9。采用介数中心性方法通过计算节点到所有其他节点的最短路径数来识别最重要的枢纽基因。在脑海科技云平台中内置了静态指标分析与神经影像-基因关联分析模块支持用户批量处理多模态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、质量控制等信息极大提升了研究的透明度和可复现性。感兴趣可联系预约产品演示。3.结果3.1人口学与临床特征表1展示了三组的人口学和临床特征。CHR组的年龄低于首发精神分裂症组和健康对照组p0.05。CHR组与另外两组在受教育年限上存在显著差异p0.001。阳性和阴性症状量表及SIPS评分与首发精神分裂症和CHR的疾病特征一致。表2显示了三组在MATRICS共识认知成套测验中的显著组间差异。与健康对照组相比首发精神分裂症组在加工速度、言语学习和视觉学习方面存在显著损害p0.05CHR组表现为中间型损害。CHR组的注意/警觉性显著高于首发精神分裂症组和健康对照组均p0.01。首发精神分裂症组与健康对照组在推理和问题解决能力上存在显著差异p0.033而工作记忆在各组间无差异p0.922。这些发现表明认知缺陷在首发精神分裂症中最显著CHR个体在特定领域表现为中间型损害。表1受试者人口统计学特征与临床特征。表2三组间认知功能差异原始分数均值±标准差。3.2眼动组间差异在自由浏览任务中首发精神分裂症组与健康对照组相比扫视频度、幅度、扫描路径、平均速度和峰值速度显著降低。CHR组与健康对照组相比扫视频度和扫描路径显著降低。在平滑追随眼动任务中首发精神分裂症组在HS4X任务中与CHR组相比表现出显著更长的扫视频度和更高的峰值速度与健康对照组相比也表现出更长的扫视频度。在Lissajous范式中首发精神分裂症组在LS2、LS4和LS2B任务中与CHR组相比扫视频度和峰值速度增加在LS4和LS2B任务中扫视幅度增加与健康对照组相比在LS2、LS4和LS2B任务中扫视频度和幅度增加在LS2和LS2B任务中峰值速度增加。在注视稳定任务中首发精神分裂症组在简单模式下扫视次数和扫描路径增加在干扰模式下注视次数、扫视频度、扫视次数、幅度、峰值速度和扫描路径均较健康对照组增加。CHR组在简单模式下扫描路径增加在干扰模式下扫视频度和峰值速度较健康对照组增加均q0.05。总体而言首发精神分裂症组在所有任务中均与健康对照组存在显著差异而CHR组的差异主要出现在自由浏览和注视稳定任务中首发精神分裂症组与健康对照组之间存在中度差异。3.3局部一致性分析组间差异与CHR组相比首发精神分裂症组在右侧眶额上回OFG和左侧颞下回ITG局部一致性降低在右侧中扣带回MCC局部一致性增高。与健康对照组相比首发精神分裂症组在右侧颞上极STP和中扣带回局部一致性增高CHR组在左侧颞中回MTG和颞上回STG局部一致性增高。这些发现表明三组在这些特定脑区的神经元活动模式存在显著差异。所有差异经高斯随机场理论校正体素p0.001簇p0.01图1表3。图1 FSZ 组、CHR组与HC组间ReHo指标的差异。表3三组间ReHo值存在显著差异。3.4相关分析结果CHR组中SIPS阳性评分与LS4任务的扫视幅度、平均速度和峰值速度呈负相关SIPS一般评分与峰值速度呈负相关均q0.05。此外在首发精神分裂症组中PANSS一般评分与自由浏览任务的平均速度及干扰模式注视稳定任务的平均速度呈正相关PANSS阳性评分与干扰模式注视稳定任务的平均速度呈正相关均q0.05。纳入所有受试者时注视稳定任务与MATRICS共识认知成套测验评分呈负相关特别是注意、视觉学习和加工速度均q0.05。分亚组分析时CHR组中干扰模式注视稳定任务的扫视幅度和平均速度与注意呈显著负相关健康对照组中干扰模式注视稳定任务的扫视幅度与工作记忆呈显著负相关均q0.05。CHR组中左侧颞上回局部一致性与HS4X任务的注视次数和扫视次数呈正相关首发精神分裂症组中右侧中扣带回局部一致性与LS4任务的平均速度呈正相关。但经Bonferroni校正后仅左侧颞上回与HS4X任务扫视次数的相关性仍显著q0.05。这些结果提示特定脑区的神经元活动模式与不同眼动行为之间存在潜在联系。3.5分类分析平滑追随眼动任务在区分首发精神分裂症与CHR方面有效但准确率中等。自由浏览和注视稳定任务在区分CHR与健康对照组方面效果更佳准确率达86%。结合自由浏览、注视稳定和平滑追随眼动任务的特征区分首发精神分裂症与健康对照组的准确率高达94%。此外结合右侧中扣带回、眶额上回和左侧颞下回的局部一致性值作为特征区分首发精神分裂症与CHR的准确率达92.3%结合右侧颞上极和中扣带回的局部一致性值区分首发精神分裂症与健康对照组的准确率为90.0%结合左侧颞中回和颞上回的局部一致性值区分CHR与健康对照组的准确率为88.7%。3.6与局部一致性值相关的基因经FDR-BH校正q0.05后首发精神分裂症组中有1639个基因732个PLS1和907个PLS1-与局部一致性改变显著相关CHR组中有1127个基因736个PLS1和391个PLS1-显著相关。CHR组有123个PLS1基因和112个PLS1-基因与首发精神分裂症组重叠。空间自相关检验显示经5000次置换后与随机分布有显著差异p0.001。3.7基因富集与特异性表达分析首发精神分裂症和CHR的基因具有部分相同的富集类别涉及突触的结构和功能以及信号通路如钙信号通路、催产素信号通路。组织特异性表达分析显示所有PLS1基因在 cerebral cortex显著富集尤其是CHR组的PLS1基因图2A。细胞类型特异性表达分析表明CHR组的PLS1基因和首发精神分裂症组的PLS1-基因在多种免疫细胞和神经元中特异性表达例如星形胶质细胞、Glt25d2神经元、Ntsr神经元图2B。时间特异性分析显示这些显著基因在几乎所有的发育阶段均有表达不同脑区在不同时期具有各自的基因表达谱特征图2C。图2 FSZ 与CHR个体中ReHo相关基因的特异性表达。3.8蛋白质-蛋白质相互作用网络分析首发精神分裂症组的PLS1基因可构建包含614条边的PPI网络p0.001最重要的基因为CTNNB1、DVL2、GNAQ和CACNA1C。类似地CHR组的PLS1基因可构建包含489条边的PPI网络p0.001最重要的基因为CAMK2A、PPP1CC、FOXO1和YWHAG图3。图3对 FSZ 和CHR个体中与ReHo相关的显著基因进行PPI分析。4.讨论此研究的主要发现支持假设即三组之间存在异常眼动和局部一致性改变。首发精神分裂症在自由浏览、平滑追随眼动和注视稳定任务中表现出不同程度的异常其中部分异常在CHR中也观察到。CHR的注视稳定任务表现与注意评分相关。三组在眶额回、颞回和扣带回发现异常局部一致性改变且这些改变与特定的眼动特征相关。转录组-神经影像分析识别出首发精神分裂症和CHR中与局部一致性相关的基因这些基因富集于多种生物学功能和通路。基于这些眼动和局部一致性特征使用支持向量机成功区分了三组提示这些改变可能作为潜在的生物标志物。然而鉴于样本量较小和CHR的特殊性这些发现应在更大样本量和更多样化的人群中进一步验证。5.局限性此研究存在几点局限性。首先样本量较小可能影响研究结果的可重复性和可靠性。其次此研究的横断面设计限制了捕捉CHR个体向精神病纵向转化的能力。此外CHR组包含转化为精神病和未转化的个体两者之间可能存在两种独立的脑功能模式因此对CHR的研究结果应谨慎解读。第三神经影像和基因表达数据来自不同受试者可能导致因个体差异而遗漏基因。因此应用50%的DS阈值以获得更保守的基因以最小化偏倚。最后虽然人类脑图谱数据集为研究基因与神经影像之间的关系提供了极好的资源但由于供体脑的稀缺性该基因表达信息仅来自6名个体。未来研究应基于个体基因及其对应的脑影像特征进行。6.结论此研究识别出首发精神分裂症和CHR中独特的眼动模式及其相关的局部一致性改变提示这些差异作为早期生物标志物的潜力。此外此研究建立了局部一致性与基因表达谱之间的空间相关性揭示了首发精神分裂症和CHR人群脑功能背后的遗传机制。解读脑海科技参考文献Chen Z, Ou Y, Ding Y, et al. Abnormal eye movement, brain regional homogeneity in schizophrenia and clinical high-risk individuals and their associated gene expression profiles. Schizophrenia (Heidelb). 2025;11(1):64. Published 2025 Apr 17. doi:10.1038/s41537-025-00609-x