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BRAIN:TMS结合眼动研究:精神分裂症在感觉运动控制,皮层兴奋性中缺损的注意调控
发布者:admin 发布时间:2019/6/5

         精神分裂症患者常在注意力,工作记忆及感觉运动加工上表现出缺损。然而,认知与感觉运动功能缺损的交互以及相应的神经机制目前仍不清楚。研究人员猜想精神分裂症患者发生改变的注意加工(通过眼跳抑制进行评估)能在一定程度上解释该群体在感觉运动控制上的缺损,即表现为在皮层兴奋和抑制上的任务依赖性调控发生了改变。

25名处于疾病稳定期的精神分裂症患者,17名未患病的患者亲属,以及25名健康被试参与了该研究。被试需要依据屏幕指示调整握力大小(单任务条件),以及在此基础上,完成认知负荷增加的2种条件的任务(双任务条件)。在双任务条件下,2种不同类型的试次进行伪随机呈现,包括视觉分心刺激(要求抑制眼跳)和需要对呈现数字进行相加(要求进行眼跳和加法运算)2种不同类型的试次。2种双任务试次类型需要被试将视觉注意分配到目标握力提示以及分心刺激或数字。在握力追踪任务中对注视进行测量,采用经颅磁刺激(TMS)测量皮层兴奋和抑制上的任务依赖性调控。

结果表明:精神分裂症患者在握力追踪任务上的准确率低,眼跳抑制能力存在缺损,且在皮层兴奋和抑制模式上存在异常。而抑制对分心刺激进行眼跳的能力可以有效解释握力追踪任务表现,皮层兴奋性上的组间差异。未患病亲属组在握力追踪和注视任务表现上不存在缺损,但在双任务条件中,皮层兴奋和抑制上的任务依赖性调控发生了改变。在精神分裂症患者中,注意力分数与视觉运动表现,皮层兴奋的任务依赖型调控相关。皮层兴奋的任务依赖型调控力度越低,解离症状越明显。该研究表明精神分裂症患者缺损的视觉注意分配会影响到其视觉运动表现,可表现为对皮层兴奋和抑制的调控出现异常。在未患病亲属中,异常的皮层兴奋和抑制调控水平可能与基因风险因素有关。

 

前言:

     精神分裂症患者常表现出感觉运动缺损,并且即使处于疾病早期,这种异常也可能出现。伴有感觉运动缺损的患者在整合和加工感觉信息以发起特定动作,行为的能力会出现下降。而感觉运动缺损可能会损害精神分裂症的社会功能,并最终导致出现阴性症状或解离症状。

    虽然药物负作用可能导致感觉运动缺损的出现,然而,越来越多的研究表明,这种缺损即使在未服药的病人群体中也可能出现,例如首发型精神分裂症。在感觉运动缺损与认知功能的关系上,研究人员提出精神分裂症受损的认知功能会影响到感知运动能力。

既往研究表明,运动皮层的兴奋-抑制不平衡会损害精神分裂症患者的感觉运动功能。例如,有研究就发现精神分裂症在静息状态时,皮层内抑制的短潜伏期会减少。已有研究发现在健康人群中,借助TMS可发现注意能调控运动皮层的兴奋水平,然而尚未有研究探讨在精神分裂症群体中是否也表现出类似现象。再者,对于感知运动任务中认知负荷如何调控皮层兴奋和抑制水平仍不清楚。

因而,该研究拟通过视觉运动握力追踪范式探讨在精神分裂症群体中,认知负荷是如何与感觉运动表现进行交互的。在该范式中,单任务条件需要依据屏幕指示调整握力大小;而在双任务条件下,2种不同类型的试次进行随机呈现,包括有视觉分心刺激的试次(要求抑制眼跳)和需要对呈现数字进行相加(要求进行眼跳和加法运算)的2种不同类型的试次。并进行如下假设:

假设1只有精神分裂症患者在双任务的分心试次中,握力追踪错误呈现出增加。而在数字相加试次中,所有组别的握力追踪错误均会增加,不过在精神分裂症群体会表现地更为明显。

假设2:精神分裂症平滑眼动追随的准确率会下降,且难以抑制对分心刺激的眼跳活动。

假设3在单任务条件下,相比健康被试,精神分裂症在运动皮层兴奋水平会升高,抑制水平会下降。

假设4任务中认知负荷的增加会提高健康对照组皮层的兴奋水平,但对精神分裂症的影响较小。

 

材料与方法

    被试:

    共招募25名精神分裂症患者,其中包括7名女性,18名男性,平均年龄为31岁,所有患者均处于疾病稳定期,且至少服用了一个月的抗精神病药物。招募了25名健康对照,其与精神分裂症组在年龄,利手以及性别都进行了匹配。此外,还招募了17名精神分裂症亲属,包括12名女性,5名男性,平均年龄为36岁。所有被试在韦氏智力量表得分均不低于80分。所有被试均被要求在实验前不许吸烟或喝咖啡,并要求报告最近的吸烟状况。

 

临床及神经心理测量:采用阳性和阴性症状量表(PANSS)和简明精神评估量表(BPRS)评估精神分裂症患者的临床症状。同时对神经软体征进行了评估。采用辛普森-安古斯椎体外系量表(SAS)和异常自主运动量表(AIMS)分别评估患者椎体外系症状和异常自主运动。神经心理测量包括注意力表现测试(TAP)和Stroop颜色命名测试(Stroop)。见表1

临床及人口学数据

 

视觉运动握力追踪任务(见图1

单任务条件

在任务当中,被试需要将自己的握力输出(由红色光标提示)尽量与目标握力(从右到左的滑动线)保持一致。目标握力大小的设置依据ramp-hold-and-release范式,每个试次包含4个连续阶段:rest3基线握力),ramp(握力线性增加),hold(握力稳定),release(即刻降至基线水平)。目标握力最大值为被试最大握力的10%

 

双任务条件

     在被试进行握力追踪时,两种不同类型的视觉线索按伪随机顺序出现在屏幕上。  

     1)分心刺激(Dual-DIST)白色图形(正方形,星状或正方形,2*2cm)在屏幕上呈现500ms,其距离红色光标至少保持在12cm,每个试次最多同时呈现2个分心刺激。被试需要将注意力集中在握力追踪上,抑制对分心刺激的眼跳活动。

     2)数字刺激(Dual-ADD)数字(1-92*2cm)在屏幕上随机呈现500ms,被试需要对这些数字进行眼跳,并在心里对出现的进行数字相加运算,最后在声音线索提示时报告相加的结果。在双任务条件下,Dual-ADD的认知负荷要高于Dual-DIST。被试先后完成36个试次的单任务试次(530秒),紧接着完成72个按伪随机顺序呈现的Dual-DISTDual-ADD试次(2*530秒)。

 

握力记录与分析

    采用Power Grip Manipulandum记录握力。对于每个被试,每个试次的数据按条件分组,并计算在该条件的均值。均方误差根(RMSeN通过对目标握力和追踪握力的误差之和取绝对值,其中误差取自ramp(握力线性增加),hold(握力稳定)两个阶段。

视觉运动握力追踪任务范式

 

注视点记录与分析

  采用便携版EBT眼动追踪仪在视觉运动任务过程中记录眼动,实验在光线较暗的环境中进行,被试的头部位置均进行了固定。

  眼跳定义:刺激呈现后100ms-600ms间出现;跳向刺激所在位置;眼跳幅度和眼跳位置的比例在0.8-1.2之间。

  眼跳表现:眼跳抑制(%):100-跳向分心刺激的百分比,眼跳执行(%):跳向数字刺激的百分比。

   SPEM增益:眼跳加速度与目标握力加速度的比值。

 

神经电生理记录

     采用TMS测量任务过程中皮层的兴奋性与抑制性。采用表面EMG电极记录4块手部肌肉的运动诱发电位(MEPs)。TMS线圈的最佳放置区域为该位置能以最低强度诱发第一骨间背侧肌最大的运动电位(例如MEPs >50mV)为准。借助神经导航系统实现线圈放置位置的相对固定。

 

皮层兴奋和抑制的任务相关调控

     采用TMS在握力追踪任务的resthold阶段测量不同任务条件(单任务条件和双任务条件)下皮层兴奋和抑制水平。当分析刺激或数字出现后,采用TMS进行测量。任务间的调控力度通过比较单任务条件和双任务条件(Dual-ADD)间的差异来获得。Delta分数(MEPDual-ADD- MEPSingle)对应双任务条件(Dual-ADD)减去单任务条件下的MEP幅度。详见图4A

 

结果

假设1:视觉运动握力追踪任务和增加的注意负荷

在不同认知负荷条件下,精神分裂症的握力追踪错误数量都显著高于健康对照组。进一步的组内比较分析发现:与单任务条件相比,只有精神分裂症在Dual-DIST试次上表现出更多的握力追踪错误,但在Dual-ADD上,三组均表现出更多的握力追踪错误。详见表2和图2

2  3组在视觉运动上的表现

握力控制的准确率

A.实心线条代表被试实际输出的握力,虚线代表目标握力。

B.RSME Error衡量输出握力与要求握力间的误差。

 

假设2:视觉运动握力追踪任务中的视觉注意

Dual-DIST相比,三组被试均在Dual-ADD上表现出更多的眼跳。然而,相比其它两组,仅发现精神分裂症在Dual-DIST上会表现出更多的眼跳错误。在眼跳潜伏期指标上,相比健康对照,精神分裂症对Dual-DIST试次的眼跳潜伏期会变长,但对Dual-ADD试次的眼跳潜伏期则会表短。在对目标的注视持续时间上,与健康对照相比,精神分裂在Dual-ADD试次中,对数字的注视时间更长。在SPEM增益指标上,精神分裂症相比其它两组表现出更低水平的SPEM详见图3B

眼跳执行 A.实线代表发生眼跳的时间,灰色线条代表视觉刺激的呈现时间

感觉运动的行为表现与注意之间的关系

Dual-DIST试次中眼跳抑制数量进行控制后,精神分裂症与其它组在握力追踪错误上的差异不再显著。此外,握力追踪错误与Stroop干扰分数呈现正相关,而与TAP不同步性分量表呈现出负相关。SPEM增益与TAP不同步性分量表呈现出正相关关系。进一步采用线性回归分析发现:眼跳抑制,Stroop干扰分数以及TAP不同步性分量表分数均能显著预测握力追踪错误。

 

神经电生理结果

三组在静息时运动阈限刺激强度及MEP幅度不存在差异。然而,相比其它两组,精神分裂症在静息时的SICI(皮层内抑制的短潜伏期,代表抑制效应)会出现显著下降。详见表3

神经心理数据:三组在非任务相关下的基线测量

 *P<0.05; **P <0.01, ***P<0.001.

 

假设3:在视觉运动握力追踪任务中皮层兴奋与抑制水平

在单任务条件下,相比其它两组,精神分裂症表现出更强的皮层兴奋性。然而,在双任务条件下,三组间的皮层兴奋性均不存在差异。进一步的组内比较分析表明:与单任务条件相比,精神分裂症在双任务条件下表现出减弱的皮层兴奋性,而健康对照组表现出增强的皮层兴奋性。与其它两组相比,精神分裂症在SICI上表现出下降。组内分析表明:相比单一任务条件,只有健康对照组在双任务条件下表现出明显的抑制效应(SICI)。详见图4B

皮层兴奋性  

A.黑色线条代表条件内的MEP,灰色线条代表条件间的MEP

B.MEPs代表动作诱发电位。

 

皮层静息阶段

    在单一任务条件下,相比健康对照组,精神分裂症表现出降低的皮层静息,但与未患病亲属组在该指标上不存在差异。然而,在双任务条件下,三组在皮层静息上均不存在差异。

 

假设4:增加注意负荷以调控皮层兴奋和抑制

    在条件相关的MEP调控强度上(MEPDual-ADD- MEPSingle),健康人群表现极强的正向调控,而精神分裂症表现出负向调控。且在Dual-DIST试次上也存在类似的调控模式。如图5A所示。

    在条件相关的SICI调控强度上(SICIDual-ADD- SICISingle),相比健康对照,精神分裂症在双任务中显著减弱。如图5B所示。

    仅发现皮层兴奋性调控和皮层抑制性调控在健康对照表现出正相关。当对眼跳抑制进行控制后,皮层兴奋性调控的组间差异消失。如图5C所示。

 

握力追随任务表现,皮层兴奋性以及临床分数之间的关系

    握力追随错误与神经软体征中的感觉整合分数呈现正相关。而皮层兴奋性的调控强度与PANSS分数中的解离症状呈现负相关。

皮层兴奋与抑制的调控与临床症状分数(PANSS)的关系 *P<0.05; ***P<0.001.

 

 总结:精神分裂症在握力追踪任务上的准确率低,且眼跳抑制能力存在缺损。当任务所要求的认知负荷增加时,精神分裂症患者的感觉运动表现变差,并且在皮层兴奋性和抑制性的注意相关调控上存在缺损。精神分裂症视觉缺损可以较好解释其感觉运动功能缺损和皮层兴奋性调控异常。未患病精神分裂症亲属虽然在行为任务表现上未表现出异常,但在皮层兴奋上发生了相应改变,表明基因遗传因素可能会影响到该群体的皮层功能异常。

 

原文:

Impaired attentional modulation of sensorimotor control and cortical excitability in schizophrenia

L Carment, L Dupin, L Guedj, M Térémetz, MO Krebs… - Brain, 2019

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