皮质振荡模式的变异性:自闭症谱系障碍的一种可能内表型?

  摘要

  自闭症谱系障碍(ASD)与神经振荡异常相关,尤其是伽马频段的快速振荡活动,提示信息处理过程中存在根本性的时间协调性障碍。本文综述了ASD中皮质振荡研究,发现现有研究尚未明确特定的振荡模式异常。最新证据表明,ASD患者在行为、功能磁共振成像(fMRI)和脑电图(EEG)反应中存在更大的个体内试次间变异性。以往研究多关注平均功率变化,而忽略了任务相关神经振荡中的试次间波动。本文强调,分析ASD患者皮质振荡模式时需关注个体内试次间变异性,以验证其作为疾病内表型的意义。

  1.引言

  自闭症谱系障碍(ASD)是一类早发性神经发育综合征,核心特征包括社交沟通缺陷、兴趣狭窄、重复行为及感觉功能异常(AmericanPsychiatricAssociation,2013)。尽管ASD的遗传力高达90%,但尚未发现单一致病基因(Ronemusetal.,2014),其病理生理机制也存在广泛争议。

  早期研究聚焦于脑结构异常(如杏仁核或小脑体积改变),但近年研究表明,ASD可能涉及分布式神经网络通信障碍(Belmonteetal.,2004;Justetal.,2012)。例如,突触修剪异常、兴奋-抑制(E/I)平衡失调等假说被提出(Markram&Markram,2010;Rubenstein,2011)。这些神经活动的改变可能通过脑电图(EEG)或脑磁图(MEG)等非侵入性技术间接反映(LopesdaSilva,2013)。

  神经振荡被认为是脑功能组织和网络通信的关键机制,通过动态同步调节神经元信息流动(Engeletal.,2013;Fries,2005)。本文综述ASD中刺激相关神经振荡的研究现状,指出当前结果的不一致性,并探讨个体内试次间变异性作为新研究方向的潜力。

  2.ASD中的刺激相关皮质振荡模式

  神经振荡通常分为δ(0.5–3.5Hz)、θ(4–8Hz)、α(8–12Hz)、β(12–30Hz)和γ(>30Hz)频段。其中,伽马频段活动因与“神经绑定理论”(Singer&Gray,1995)和GABA能中间神经元功能异常相关(Chattopadhyaya&Cristo,2012),成为ASD研究的焦点。

  2.1伽马功率异常

  现有研究结果存在显著矛盾:

  ·降低:部分研究发现ASD患者感觉皮层(如颞上回、额下回)的伽马功率降低(Baruthetal.,2010;Buardetal.,2013)。

  ·升高:另一些研究报告ASD患者伽马功率升高(Brownetal.,2005;Orekhovaetal.,2008)。

  ·无差异:部分研究未观察到组间差异(Gandaletal.,2010;Wrightetal.,2012)。

  这种不一致可能与诱发(evoked)和诱导(induced)活动的区分有关。诱发活动与刺激锁相,而诱导活动不依赖刺激相位(Makeigetal.,2004)。Rojas等(2008)提出,ASD患者可能存在诱发伽马功率降低而诱导功率升高,但后续研究未一致支持这一假设。

  2.2低频振荡(<30Hz)异常

  α、β、θ和δ频段的研究同样存在矛盾。例如,Isler等(2010)发现ASD患者枕叶β功率升高,而Wright等(2012)则报告降低。目前,低频振荡的病理生理意义仍不明确。

  2.3试次间相干性(ITC)

  ITC反映跨试次的相位一致性,是功率分析的补充指标。ASD患者在多个频段(γ、β、α、θ、δ)均表现出ITC降低(Rojasetal.,2008;Sunetal.,2012),提示神经反应的相位锁定能力受损。例如,Milne(2011)发现ASD患者视觉刺激后11Hz振荡的ITC峰值降低且衰减更早(图1)。

  3.ASD中的个体内变异性

  3.1行为与神经水平的证据

  ·行为层面:ASD患者的反应时标准差、变异系数显著高于对照组,且独立于共病ADHD(Geurtsetal.,2008)。

  ·神经层面

  oEEG:视觉诱发电位(VEP)的振幅和潜伏期试次间变异性增加(Milne,2011)。

  ofMRI:初级感觉皮层BOLD信号的试次间波动增大,但平均激活强度无差异(Dinsteinetal.,2012;Haighetal.,2014)。

  3.2机制与意义

  个体内变异性可能与E/I平衡失调相关。伽马振荡依赖GABA能中间神经元与兴奋性pyramidal细胞的相互作用(Cardinetal.,2009),而ASD患者的GABA能功能缺陷可能导致局部网络噪声增加(Markram&Markram,2010)。此外,感觉皮层的变异性升高可能解释ASD的感觉过敏/迟钝症状(DSM-5,2013)。

  4.神经变异性的测量方法

  传统平均化分析可能掩盖ASD患者的试次间差异。建议采用以下方法:

  1.单试次分析:如残差迭代分解(RIDE)法分离ERP的振幅和潜伏期变异性(Ouyangetal.,2015)。

  2.独立成分分析(ICA):分离神经源信号与噪声,提高变异性测量的特异性(Jungetal.,2001)。

  3.复杂度指标:如多尺度熵(MSE)量化信号不规则性,ASD患者的EEG复杂度降低(Catarinoetal.,2011)。

  5.与连接性和复杂度的关系

  神经变异性与脑网络复杂度密切相关。ASD患者的功能连接异常(Vissersetal.,2012)可能与局部噪声增加有关(Dinsteinetal.,2015)。未来需结合功能磁共振成像和MEG,探索变异性、连接性与行为症状的关联。

  6.结论与展望

  个体内试次间变异性为ASD的神经机制研究提供了新视角。未来研究应:

  · 结合纵向设计,追踪神经变异性的发育轨迹;

  · 探索变异性与症状严重程度、认知特征的关联;

  · 开发靶向神经变异性的干预手段。

  关键词:自闭症谱系障碍;神经振荡;试次间相位相干性;个体内变异性;神经噪声;脑电图;脑磁图

  表1:ASD患者诱发伽马功率研究汇总


作者被试刺激类型脑区组间差异
Wilson et al., 2007儿童(10例)听觉点击左听觉皮层ASD组40 Hz稳态反应功率降低
Rojas et al., 2008成人(11例)正弦波音调颞上回(STG)ASD组40 Hz功率及ITC降低
Sun et al., 2012成人(13例)Mooney面孔额中央区ASD组低伽马(25–60 Hz)功率升高


  图1:ASD与对照组的试次间变异性对比

  A.ASD患者(蓝线)与对照组(红线)的11Hz振荡ITC时间course。ASD组ITC峰值降低且衰减更早。

  B.视觉诱发电位振幅的中位数绝对偏差(MAD),ASD组变异性显著更高。

  (改编自Milne,2011)

  参考文献(节选)

  · AmericanPsychiatricAssociation.(2013).DiagnosticandStatisticalManualofMentalDisorders(5thed.).

  · Dinstein,I.,etal.(2012).Unreliableevokedresponsesinautism.Neuron,75,981–991.

  · Rojas,D.C.,etal.(2008).ReducedneuralsynchronizationofgammabandMEGoscillationsinfirst-degreerelativesofchildrenwithautism.BMCPsychiatry,8,66.

  (注:完整参考文献请参见原文)

  本文提出,个体内神经变异性可能是ASD的核心内表型,为解释现有研究矛盾、开发生物标志物提供了新思路。未来需结合多模态技术和纵向研究验证其临床价值。