背景介绍
精神障碍，如精神分裂症，特征在于灰质体积在解剖学上的分布性减少，这种减少可能随时间和不同疾病阶段的进展而加剧。大量的元分析和巨型分析识别了横断面上在前额、扣带和颞叶皮层，以及内侧颞叶和丘脑的显著GMV减少，以及在前额、颞叶和顶叶皮层的纵向减少。
尽管大量文献描述了这些大脑变化的位置和性质，但产生这些变化特定空间模式的具体机制仍然未知。人脑是一个由功能专业化区域组成的复杂网络，通过轴突纤维网络相连，这些纤维不仅协调神经动态，还传输营养和其他生物分子。它们也可以作为病理传播的渠道，使得疾病过程从一个区域传播到分布式系统。
网络传播过程的假设：基于网络的传播过程可能也在精神病中起作用。横断面上，病人区域的GMV减少与相邻白质的微观结构、跨空间分布区域的规范联结组织构造以及在结构上相连的区域的减少相关。这些发现支持了一种假设，即精神病中GMV损失的空间模式受到连接组架构的限制。然而，少数针对这个问题的研究都是横断面的，并且只检查了慢性疾病患者，无法追踪协调的灰质变化如何随时间和疾病阶段的演变。因此，尚不清楚纵向GMV变化是否真的受到大脑网络架构的限制，正如网络传播过程所预期的那样 。因此，本研究旨在通过网络模型探究精神疾病中灰质体积变化的传播机制
方法
受试者信息
本研究纳入了534名受试者，包括位于早期精神疾病阶段的180名患者、位于晚期精神疾病阶段的136名患者、218名对照组。
横断面和纵向的灰质体积改变测量
使用基于形变的形态测量学（deformation-based morphometry）来映射区域体积改变。使用Sandwich Estimator Toolbox中的强大边缘模型，以量化横断面和纵向体积变化的空间模式。所有对比都校正了年龄、性别和惯用手，对于早期精神病数据集还额外考虑了扫描站点因素。
协调变形模型（CDM）
使用CDM来估计332个分割区域的灰质体积（GMV）变化程度，这些变化基于与这些区域结构或功能上相连的区域观察到的体积变化。该模型通过将灰质体积估计值映射到包含332个区域的大脑分割图，使用独立健康样本的扩散和功能性磁共振成像数据生成样本平均的功能耦合（FC）和结构连接（SC）矩阵。
CDM的三个变体分别是：CDM-SC，其中Aij = 1表示区域i和j共享连接，Aij = 0表示没有连接；CDM-SCw，其中Aij的元素精确对应于加权SC矩阵；CDM-FCw，其中Aij的元素精确对应于加权FC矩阵 。
网络扩散模型（NDM）–震中识别
CDM评估GMV变化的空间模式如何受到连接组属性的影响。CDM无法提供传播过程动态的深入见解，也无法识别传播可能起始的区域。为此，使用NDM来模拟病理在大脑中的扩散过程，并确定可能作为病理体积损失源头的区域。
NDM模拟了加权网络节点间病理的动态扩散过程。通过将每个332个分割区域作为种子，保留了模拟和观察到的GMV异常之间的最大相关性（最大r）。
对于每种对比，将每个区域的最大r值与两个基准空模型（Null-smash和Null-rewire）的最大r值分布进行比较，这些模型考虑了形变图中的空间自相关和联结组的基本拓扑属性 。
结果
结构连接性影响跨疾病阶段的横断面灰质体积（GMV）变化
在534个病例和对照组中，66.3%为男性，33.7%为女性，平均年龄为28.4岁。在所有数据集中，CDM-SCw模型在捕捉区域GMV的横断面差异方面表现更准确，相关性范围在0.46到0.57之间，相比于CDM-SC和CDM-FCw模型的所有相关性（均小于0.35）。CDM-SCw的性能也显著优于所有三个基准模型（所有P < .01）。CDM-SC和CDM-FCw的性能通常不超过基准模型的表现。
在样本中，模型性能与疾病持续时间和症状严重程度正相关（P < .05），表明灰质差异可能在疾病晚期更受网络架构的限制。
结构连接性塑造纵向疾病和药物相关的GMV变化
在首次发作的精神病样本中，CDM-SCw模型对疾病相关灰质变化在3个月和12个月的估计与实际变化相关性分别为0.58和0.52，均显著高于所有三个基准模型（所有P < .001）。与抗精神病药物相关的GMV变化的CDM-SCw模型估计与实际图谱在3个月和12个月的相关性分别为0.51和0.50，与所有三个空模型相比均有显著差异（所有P < .004）因此，连接组结构代表了精神病中疾病相关和药物相关纵向GMV变化的一种普遍和根本性限制。
GMV损失的震中
使用NDM模拟了从每个大脑区域开始的GMV损失的动态传播。在所有横断面比较中，内侧颞叶区域出现为统计学上显著的震中，尤其是前海马始终涉及所有数据集（P < .05），并在两个精神分裂症样本中通过多重比较校正（FWE P < .05）。在首次发作精神病中，额外的震中被确定在双侧枕叶和颞叶皮层以及杏仁核和后丘脑区域。在早期精神病数据集中，额外的震中被确定在颞叶和后扣带皮层。在两个精神分裂症样本中，额外的震中被确定在颞叶皮层、杏仁核和后丘脑区域。使用Null-rewire基准模型获得了一致的结果。在首次发作精神病中，3个月时在内侧额叶区域识别出疾病相关的纵向损失震中，并在12个月时包括了大部分额叶皮层以及纹状体和丘脑区域。抗精神病药物相关的纵向GMV损失震中在首次发作精神病中被确定在感觉运动扣带和岛叶皮层以及丘脑和杏仁核区域，并且在12个月时也识别出相同的皮层震中。
这些结果为理解精神病中大脑灰质体积变化提供了新的见解，并揭示了结构连接性在这些变化中的重要作用。
讨论
这项研究表明，精神疾病中的灰质体积变化与大脑的结构网络紧密相关。此外，该研究还表明内侧颞叶可能作为病变传播的潜在起始点对于精神疾病的进展有关键作用。
