Определение шизофрении
Шизофрению можно охарактеризовать как прототипическое нарушение связи мозга. Само название подразумевает разделение (шизофренирование) нормально интегрированных процессов разума (френа). Этот срыв очевиден в клинических проявлениях расстройства, включая когнитивные и аффективные нарушения, положительные симптомы, такие как бред, галлюцинации и расстройства мышления, а также негативные симптомы, такие как сглаженный аффект и волевые расстройства.
Появление современных методов нейровизуализации предоставило беспрецедентные возможности для клинической диагностики этого заболевания посредством детального картирования структуры и динамики сети мозга.
Краткий экскурс в коннектомику
В последние годы исследования нарушений связности при шизофрении в значительной степени выиграли от быстрого прогресса в области коннектомики. Коннектомика - это зонтичный термин, который относится к научным попыткам точно отобразить набор нейронных элементов и связей, составляющих мозг, совместно именуемых человеческим коннектом, с микро-, мезо- или макроскопическим разрешением. Термин "коннектомика" был первоначально использован в связи со структурным описанием физической проводки мозга, но с тех пор концепция была расширена, чтобы включить карты функциональных взаимодействий мозга, которые, по своей природе, являются более переходными и зависимыми от состояния.
Техника коннектомической визуализации относится к использованию методов нейровизуализации для отображения различных свойств структурной и функциональной связности мозга, в основном при макроскопическом разрешении. В общем смысле, визуализация соединений охватывает весь спектр нейровизуальных исследований связности мозга, включая область интересов и оксельные подходы к картированию. В более конкретном смысле, однако, это относится к исследованиям, которые направлены на комплексное отображение крупномасштабной архитектуры соединения путем количественной оценки парных взаимодействий между большим количеством областей мозга. Методологический прогресс позволил составить эти соединительные атомные карты с возрастающей детализацией, и их применение к шизофрении привело к новому пониманию того, как расстройство влияет на распределенные нейронные цепи. В этой статье мы рассмотрим, как этот способ помогает понять два ключевых аспекта нарушения связи при шизофрении - изменение межрегиональной связи и изменение топологии сети мозга - и обсудим его влияние на патофизиологические модели, выделив при этом важные методологические вопросы.
Теория графов
Центральным постулатом деятельности в области коннектомики является то, что связь мозга может быть кратко описана как матрица связи, C, чьи строки и столбцы соответствуют различным областям мозга. Элементы cij из C, таким образом, индексируют степень (структурного или функционального) взаимодействия между парами областей. Такое представление позволяет количественно оценить различные аспекты сетевого коннекта и топологии, чему способствует применение теории графов, богатой математической основы для общего изучения парных отношений между взаимодействующими элементами. Теория графов применялась к широкому кругу технологических (например, всемирная сеть Интернет), социальных (например, сети сотрудничества в науке) и биологических (например, взаимодействия белков и аминокислот) сетей. Такой анализ выявил поразительное сохранение определенных организационных принципов в этих разнообразных массивах данных, что позволяет предположить, что человеческий мозг может быть одним из примеров более общего универсального класса сложных систем, встречающихся в природе.
Определение узла
Матрица связи, C, может быть представлена в виде графа, называемого графом мозга, в виде набора узлов, соединенных ребрами. Узлы должны представлять собой отдельные, функционально однородные нейронные элементы или участки мозга. Однако в отсутствие какого-либо золотого стандарта для крупномасштабного разделения мозга на таких основаниях узлы, как правило, определяются произвольно с использованием различных методов. Наиболее распространенным подходом является использование априори анатомической парцелляции, обычно охватывающей ~102 области. Границы этих разделений часто субъективны и могут лишь незначительно приближаться к истинным анатомическим границам. Кроме того, размеры результирующих областей могут значительно различаться, что приводит к искажению результатов последующих анализов. Одна из альтернатив - рассматривать каждую ячейку как отдельный узел, что приводит к очень большим сетям высокого разрешения (>10 000 узлов), но может также давать недостаточно мощную оценку свойств сети мозга, поскольку ячейки обычно объединяются в функционально связанные кластеры. Сферические области интереса, ориентированные на стереотаксические координаты, определенные в исследованиях функциональной визуализации, могут более точно определять функционально однородные области, но их трудно применять к структурным данным визуализации. Таким образом, каждый из имеющихся методов имеет свои сильные и слабые стороны. Данные о том, что различия в определениях узлов могут повлиять на свойства коннекта и что неверные определения узлов могут искажать оценки истинных сетевых взаимодействий, свидетельствуют о необходимости проявлять осторожность при определении узлов для графо-аналитических исследований МРТ.
Топология мозговой сети при шизофрении
Применение методов графологического анализа к данным МРТ позволяет рассчитывать широкий спектр показателей, характеризующих различные топологические свойства человеческого коннектора. Обширная обработка этих показателей, включая формальные определения, была представлена в других документах. Ниже представлен концептуальный обзор некоторых ключевых топологических свойств, исследованных при визуализации соединительно-атомных коннектов, указывающих на наличие шизофрении.
Топологические свойства коннекта
Двумя наиболее изученными топологическими свойствами мозговых сетей являются коэффициент кластеризации Cl и характеристическая длина пути L. Первый соответствует вероятности того, что два узла, связанные с узлом индекса, также связаны друг с другом. Аналогией в социальных сетях является вероятность того, что двое друзей данного человека также дружат друг с другом. Этот показатель обеспечивает индекс локальной кластеризации или "клише" коннекта. Характерная длина пути коннекта, L, представляет собой среднюю минимальную длину пути между узлами и индексирует глобальную топологическую интеграцию коннекта. Если для перемещения с одного узла на другой в сети необходимо пересечь меньше границ, L низок, и сеть глобально интегрирована (т.е. информация может распространяться относительно быстро по всей сети).
Сила рассматриваемых нами методов визуализации заключается в их способности давать относительно краткие, многомерные характеристики областных и общемозговых нарушений в связности и топологии сетей мозга. Результаты показывают, что шизофрения связана с относительно диффузным и, возможно, контекстно-независимым функциональным дефицитом связей, на который накладываются более ограниченные, контекстно-зависимые изменения, приводящие к переходным гипо и/или гиперсвязанным состояниям. Причины этих изменений в функциональной взаимосвязи остаются неясными, но в ряде случаев связаны с локализованной внутриобластной дисфункцией. Эти отклонения также связаны с широкомасштабными топологическими изменениями, которые в целом характеризуются сокращением локальных мероприятий по обработке информации и, в меньшей степени, увеличением мероприятий по глобальной функциональной интеграции. Некоторые из этих функциональных аномалий могут иметь анатомическую основу, хотя взаимосвязь между функциональной и анатомической дисконнективностью в расстройстве является сложной.
Подводя итог, коннектомическая визуализация предлагает богатую концептуальную и аналитическую основу для всестороннего изучения нарушений мозговой связности при шизофрении. Полученные на сегодняшний день результаты расширяют современные патофизиологические модели, демонстрируя характер дисфункции мозга, связанной с болезнью, в высшей степени распространенной. Дальнейшее совершенствование и применение этих методов, вероятно, даст еще более подробное представление о синдроме дисконтирования, характеризующем шизофрению.
Предварительная работа предполагает, что меры коннектомики действительно могут быть полезны для отличия шизофрении от других групп пациентов, хотя до сих пор ни в одном типе клинической диагностики не использовались для этих целей приемы, описанные в этой статье.
