精神分裂症是一种慢性重性精神疾病，影响全球数百万人，患者常常出现幻觉、妄想、认知障碍等临床症状^[1]。磁共振成像作为一种非侵入性检查手段，已被广泛应用于研究精神分裂症患者大脑的结构和功能变化。多项证据表明，精神分裂症的病理生理机制与海马的结构和功能异常有关，海马萎缩是精神分裂症患者中发现的结构异常之一^[2,3]。

       研究表明，海马是非匀质结构，沿其长轴，功能、神经元数量出现分化^[4,5]。其中，前海马与情感、信息编码等有关，后海马则在空间记忆、信息检索等过程中有重要作用^[5,6]。目前，关于精神分裂症对前、后海马体积影响的研究结论仍存在争议，一些研究认为精神分裂症患者仅仅海马前部出现萎缩^[7,8]，另有一些研究支持精神分裂症患者海马萎缩仅发生在后部^[9]，还有研究表明海马萎缩具有扩散性，且仅仅在整体层面上表现萎缩^[10]。究其原因，可能是这些研究所采用的样本数据通常较少(患者样本量小于40)，划分前、后海马的标准不一致，并且相关行为学认知得分的种类有限，这限制了对于精神分裂症对海马体积的影响，以及海马体积与相关认知行为学得分关系的理解。因此，本研究采用更大样本量的脑结构核磁图像及更多种类的行为认知数据，探索精神分裂症对海马体积及行为认知表现的影响机制。研究精神分裂症患者前、后海马体积的变化，以及分析海马体积与行为认知得分的相关性，能够为理解精神分裂症患者认知障碍病理生理机制提供新的依据。

1　材料与方法

1.1　研究对象

       本研究所用数据来自新墨西哥大学生物医学研究中心(Center for Biomedical Research Excellence (COBRE)(http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/retro/cobre.html)免费公开数据库，其中包括72例精神分裂症患者(患病组)和74名健康者(对照组)，两组的年龄范围为18~65岁。每个被试都根据新墨西哥大学人类研究保护办公室的规定获得了知情同意书，详细的实验流程见http://cobre.mrn.org/网站。本研究依据精神疾病诊断与统计手册(The Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders，DSM)障碍的临床访谈量表(structured clinical interview for DSM disorders，SCID)对受试者进行临床诊断，排除了采集数据前12个月中有被诊断为神经系统疾病、智力迟钝、严重头部外伤、药物滥用或依赖的受试者。同时，采用MATRICS认知评估量表(MATRICS consensus cognitive battery，MCCB)获得8项认知得分^[11]，包括处理速度、注意力/警觉性、工作记忆、言语学习、视觉学习、推理/问题解决和社会认知以及多个认知域的综合得分。对照组和患病组的年龄、性别比例无显著差异，患病组的认知得分均显著小于对照组(见表1)。

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表1  精神分裂症组和健康对照组的人口统计学特性和认知得分
Tab.1  Demographic characteristics and cognitive scores of schizophrenia patients and healthy controls

1.2　数据采集

       所有被试者均采用西门子Tim-Trio 3.0 T成像设备采集结构MRI全脑图像。结构MRI通过多回波MPRAGE序列获取，扫描参数为：FOV=256 mm×256 mm，矩阵大小=256×256×176，体素大小=1 mm×1 mm×1 mm，FA=7°，回波数量=5，重复时间TR=2530 ms，回波时间TE=1.64、3.5、5.36、7.22、9.08 ms，反转时间TI=900 ms，扫描时间=6 min。

1.3　数据预处理

       本试验基于SPM12(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/)软件，利用CAT12(http://dbm.neuro.uni-jena.de/cat/)工具包，在Matlab 2014平台下对结构MRI图像进行预处理。CAT12中对数据的预处理主要分为以下步骤：(1)分割，通过自适应最大后验技术和部分容积效应估计算法，利用自带的组织概率图，将原始图像分为灰质、白质、脑脊液；(2)空间标准化，基于微分同胚模型的DARTEL (Diffeomorphic Anatomical Registration Through Exponentiated Lie)算法，将图像标准化到蒙特利尔神经病学研究所(montreal neurological institute，MNI)空间，其中，标准化过程中所用的MNI空间模板是基于来自IXI (Information eXtraction from Images)数据集(http://www.braindevelopment.org)中的555名健康被试制作的；(3)调制，由于配准过程中某些部位会被压缩或者扩大，因此利用配准的参数对分割后的灰质图像进行调制，将每个体素与标准化过程中得到的变形场的雅可比行列式相乘，使得灰质的总体积与原始空间相同。调制后图像中每个体素的值代表了该处的相对灰质体积。由于平滑过程使得每个体素的值被邻域的加权平均值所替代，为了避免平滑带来的前、后海马区域间混杂效应，本研究中海马体积的计算是在未平滑的图像上进行的。考虑到不同被试大脑尺寸给结果数据带来的影响，最后所得图像均用颅内总体积(灰质体积+白质体积+脑脊液体积)进行归一化(每个被试所得图像中单个体素的值=归一化前未平滑图像中对应体素的值除以该被试的颅内总体积)。

1.4　前、后海马分割

       本研究采用基于MNI空间坐标分割的方法来划分海马，海马的分割来自于人脑自动解剖标记分区(automated anatomical labeling，AAL)模板^[13]。首先，从维克森林大学开发的WFU_Pickatlas工具包^[14]提供的结构图谱中提取出左、右海马。随后，根据MNI空间中海马钩顶的位置，将海马进一步划分为前海马(-2~-18)和后海马(-24~-42)^[4,15]。为了避免计算前、后海马体积时可能存在的相邻区域间干扰效应，本研究在两个区域相邻端各自去除了2 mm层厚的冠状面层。海马前、后分割结果如图1。

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图1  海马的前、后分割
Fig. 1  View of the anterior (white) and posterior (black) division of the hippocampus.

1.5　数据分析

       本研究中，数据的统计分析在SPSS 19.0中进行，所有的统计检验都使用双侧检验。对于人口统计学数据、MCCB认知得分，使用两独立样本t检验和卡方检验(仅对于性别)检测对照组和患病组的组间差异，并进行FDR校正。对于颅内总体积、灰质体积、海马、前海马、后海马体积，用一般线性模型中的单变量分析方法进行组间比较，以年龄和性别作为协变量，并进行FDR校正。FDR校正后显著性阈值设定为P<0.05。

       同时，还分别在患病组、对照组中将海马、前海马、后海马体积与各项认知得分进行线性回归分析，以体积值作为自变量，认知得分值作为因变量，并加入性别和年龄作为混杂因素去除其影响。由于在图像预处理部分已经考虑到了大脑尺寸的差异性，所以颅内总体积没有放入回归模型中。显著性阈值设定为P<0.05。

2　结果

2.1　海马体积分析

       对患病组和对照组颅内总体积、灰质体积、两侧海马、前海马、后海马体积对比分析结果进行描述，见表2。其中，颅内总体积、灰质体积组间差异无统计学意义。进行颅内总体积校正后，患病组两侧海马、前海马、后海马体积均显著小于对照组。图2显示了两侧海马、前海马、后海马体积的组间比较结果。

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图2  两侧海马、前海马、后海马体积的组间比较(^*代表P<0.05；^**代表P<0.01，P值为FDR校正后的统计值)
Fig. 2  Comparison of bilaterally hippocampal, anterior hippocampal and posterior hippocampal volumes between patients and controls (^*represents P<0.05, ^**represents P<0.01, P values are FDR-corrected).

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表2  精神分裂症组和健康对照组的颅内总体积、灰质体积、两侧海马、前海马、后海马体积比较(mm³)
Tab.2  Comparison of total intracranial volume, gray matter volume, bilaterally hippocampal, anterior hippocampal, and posterior hippocampal volumes of the patients and controls (mm³)

2.2　海马体积与行为认知得分的关系

       在患病组中观察到，两侧后海马体积与言语学习得分呈显著正相关(左侧：r=0.014，P=0.046；右侧：r=0.015，P=0.027)，右侧海马总体积以及前海马体积与推理/问题解决能力得分呈显著正相关(总：r=0.011，P=0.036；前部：r=0.024，P=0.030)。在对照组中，没有观察到海马、前海马、后海马体积与认知得分之间存在显著的相关性。见图3。

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图3  患病组海马体积与行为认知得分的显著相关性
Fig. 3  Significant correlations between hippocampal volumes and cognitive scores in patients.

3　讨论

3.1　本研究的主要发现

       不同于以往精神分裂症对前后海马体积影响的研究结果(一些研究支持仅前海马萎缩，一些研究支持仅后海马萎缩，也有些研究支持海马仅在整体层面上表现出萎缩)，本研究观察到患病组两侧海马、前海马、后海马体积均显著小于对照组，这种差异可能是由于本研究的样本量、纳入标准、不同的分析方法及设备的差异造成的。此外，本研究在患病组发现两侧后海马体积与言语学习得分呈正相关，右侧前海马体积与推理/问题解决能力得分正相关。

3.2　两侧海马、前海马、后海马体积的组间差异

       海马萎缩是精神分裂症患者常见的结构异常，本研究发现，精神分裂症患者两侧海马、前海马、后海马体积均显著小于对照组。研究表明，前海马在记忆编码时激活，后海马在记忆检索时激活^[6]。本研究的发现提示精神分裂症患者记忆、学习能力受损可能是由于海马的整体萎缩引起的。

       本研究结论证实精神分裂症患者海马体积的萎缩是扩散性的，并且不仅仅局限于前部或者后部，这与之前研究发现精神分裂症患者海马各个亚区体积萎缩的结论是一致的^[16,17,18]。Ho等^[16]将海马分为7个亚区：海马角1~4区(cornu ammonis 1~4，CA1~CA4)、颗粒细胞层(granule cell layer)、分子层(molecular layer)、下托(subiculum)，发现精神分裂症患者海马的萎缩早期发生在海马角1区，随着时间的推进，延伸到全部海马亚区。基于FreeSurfer软件，Haukvik等^[17]比较了210个精神分裂症患者和300个正常被试的海马亚区体积，发现精神分裂症患者两侧海马角2/3区、海马角4区/齿状回、前下托、下托以及右侧海马角1区体积显著小于正常被试；Mathew等^[18]在219例精神分裂症患者和337名正常被试中发现，精神分裂症患者相较正常对照组，两侧海马的5个亚区(海马角1区、海马角2/3区、海马角4区/齿状回、前下托、下托)的体积均显著减小。在这些研究中，选取样本量较大，且将海马划分为多个海马亚区，有助于检测到精神分裂症对海马局部体积的影响。虽然上述研究未关注精神分裂症对前、后海马体积的影响，但提示了精神分裂症患者海马体积的减小是海马整体出现萎缩所致。本文的研究结论与这些研究保持一致，这也在一定程度上论证了文中对海马前后分割方法的有效性以及本文结论的可靠性。

       目前，海马的前后分割方法主要有基于前后海马功能连接的划分^[19,20]、基于前后海马解剖结构的划分^[9,10]。针对本文所用的结构磁共振图像，笔者基于解剖结构的方法对海马进行划分，该划分方法又大体分为3种^[4]：基于标志物的划分、基于坐标的划分、基于百分比的划分。但是，在基于标志物的划分方法中，前后海马的边界在标准解剖图像(分辨率为1 mm³)上很难识别，容易引起分割精度的下降。基于百分比的划分方法中，对于前后海马在海马整体中的占比目前仍存在许多不同结论。鉴于此，本文中所采用的分割策略是基于坐标的划分，将海马钩顶在MNI152模板或其他神经解剖图集上的坐标值作为分割标准。海马钩顶是一个独特的、容易识别的标志，也是海马体积测量时的主流标准，在定义海马头部时，大多数分割协议使用或近似钩顶的位置^[4]。同时，为了避免计算前、后海马体积时可能存在的相邻区域间干扰效应，本研究在对海马进行分割时，还在两个区域相邻端各自去除了2 mm层厚的冠状面层。目前，虽然未见该方法用于精神分裂症领域海马的体积研究，但其已在其他研究领域得到成功应用^[15,21]，这也进一步论证了该方法的有效性和合理性。

       关于精神分裂症对前、后海马体积的影响，目前仍存在争议。Schobel等^[7]将海马分为前、后两部分后，发现患病组前海马体积显著小于正常对照组，Falkai等^[8]基于尸体解剖学研究，发现精神分裂症患者仅仅在海马前部出现少突胶质细胞和神经元数量的减少。但是，Rametti等^[9]基于形态学的分析方法发现，相较于正常人组，精神分裂症患者后部海马体积显著较小。而Weiss等^[10]发现，虽然精神分裂症患者海马整体体积较正常人要小，但是前、后海马的体积与正常人无显著差异。不过，这些研究所采用的样本数据通常较少，且前、后海马分区方法不一致。因此，本文采用更大量的样本数据进行组间比较分析，并选取更可靠的海马前后分割方法，使得数据分析结果具有更高的可靠性，针对这一存在争议的研究做出了进一步的补充。

3.3　海马体积与行为学认知得分的相关性

       在患病组，观察到两侧后海马体积与言语学习得分呈显著正相关。研究表明，精神分裂症患者海马体积的大小与言语学习能力呈正相关^[22]。通过元分析的方法，Antoniades等^[23]也在精神分裂症患者中发现两侧海马体积与言语学习能力呈正相关，而在健康被试中并没有观察到海马体积与言语学习能力的相关性。本研究结果与以上研究结论保持一致，并且提示该相关性在海马后部更显著，这个结果可能是由于后海马与细节记忆能力有关^[24]，而后海马体积萎缩使得人脑记忆能力下降，从而最终导致患者言语学习得分显著小于对照组。

       在患病组，还观察到右侧海马总体积以及前海马体积与推理/问题解决能力得分呈显著正相关。研究表明，推理过程依赖于海马对离散事件的编码机制^[25]，而前海马与信息编码能力有关^[6]。本研究的结论与以上研究结果保持一致，并且提示精神分裂症患者推理/问题解决能力的下降，可能是前海马，特别是右侧前海马体积萎缩的缘故。

3.4　本研究优点和局限性

       本研究纳入大量的样本数据和行为认知得分种类，以及采用更可靠的前、后海马分区方法，增强了精神分裂症对海马体积影响研究结论的可靠性。此外，还分析了更多行为学认知得分与海马体积的相关性，有利于进一步探索精神分裂症患者认知障碍病理生理机制。本文的局限性在于由于采用的样本中女性数据较少，所以本研究并没有对精神分裂症对于男性、女性海马体积的影响分别进行分析，而研究表明，男性、女性的海马结构是有差异的^[15]，未来的研究需要获取更多的女性样本数据来探索精神分裂症对男、女海马结构影响的差异。

       总之，本研究结果提示，精神分裂症患者海马体积萎缩是整体的萎缩，包括前部和后部都出现萎缩，并且精神分裂症患者后海马体积与言语学习能力呈正相关，右侧前海马体积与推理/问题解决能力正相关。本研究能够为海马前、后结构性缺陷的假设，以及有关认知损伤的病理机制提供理论依据。