異質腦：自閉癥譜系障礙患者自發連接模式畸變
來自以色列魏茨曼科學研究學院的Avital Hahamy等人在Natureneuroscience上發表文章，發現自閉癥譜系障礙（Autism spectrum disorders，ASD）患者大腦靜息態時功能連接模式異常。以往研究發現的ASD伴隨靜息態功能連接減弱的斷言最近被增加的功能連接挑戰，針對這些矛盾的發現，作者檢驗了來自幾個靜息態數據中心的高功能ASD成年患者和匹配的正常對照成年人半球間和半球內的功能連接。結果在多組ASD中同時發現了增強和減弱的功能連接。作者提出這種異質性源于之前未被識別的ASD特性：功能連接模式相對于標準模板的異質畸變。并且個體等位半球間連接模式畸變幅度與ASD行為癥狀相關。作者提出功能連接組織的改變是高功能ASD的核心特性，并且可能是以往矛盾發現的原因。
背景
靜息態時，典型成年人腦呈現活動模式和腦網絡的相關性。功能磁共振（fMRI）和電生理記錄均發現典型成年人腦半球內和半球間自發功能連接。但這種功能連接在皮層上并不是均勻的，例如，初級感覺運動區顯示高水平的連接，而更高級的聯合區連接程度稍弱。類似的，每個網絡內不同區域間功能連接也不同。
自閉癥譜系障礙（Autism spectrum disorders，ASD）是基于社交語言能力損傷以及大量重復行為診斷的神經發育疾病。大量研究表明ASD大腦非典型性功能連接模式。非典型性包括多種功能連接的減弱，尤其是半球間連接。但是，這種“連接不足”被最近報道的“過連接”研究挑戰。
該研究用大樣本fMRI靜息態掃描來尋找可能解決這些矛盾的潛在原理。結果發現新的魯棒的ASD連接異常：功能連接模式的拓撲特性而非全局強度。特別的，正常對照中功能連接典型模式在孤獨癥患者中顯示出重要的且個體不同（異質）的畸變。這種異質特性導致ASD個體間連接模式的高度差異，包括半球內和半球間連接模式。半球間等位連接個體畸變的幅度與ASD患者的行為測量相關。
結果
半球間等位連接
作者首先分析了等位半球間連接，因為它們提供了相對簡單卻魯棒的腦連接。并且，不同于功能連接的矛盾發現，這類連接被一致報道在ASD中降低。共檢驗了5個中心ASD組相比于正常對照組體素水平的差異，計算了每個中心ASD組和正常對照組全局半球間連接的比例。結果發現所有比值均稍小于1，說明ASD組微弱卻一致的全局半球間連接的減弱。但這種效應并沒有通過多重比較校正。
為了估計ASD樣本等位半球間連接不足是否在皮層拓撲均勻 ，作者檢查群組水平半球間連接圖譜。與之前報道一致，作者在正常組和ASD組均發現了遍布皮層的半球間連接強度局部差異模式。最高的半球間連接位于初級感覺運動皮層（中央前回，中央后回），緊接著是其他感覺皮層（枕葉，橫回），顯示相對低的半球間連接的區域是異模態聯合區域，如額葉和顳葉（顳中回，顳下回）。但是，即使定性評估都顯示ASD組和正常組半球間連接的顯著差異。
為了定量評估ASD組和正常組半球間連接差異，對于每個中心及合并樣本分別做了組間T 檢驗，結果ASD組既顯示了連接增加的區域又顯示了連接減弱的區域（圖1.c）。采用薈萃分析來估計不同中心連接的一致性，結果仍顯示了連接增加和連接減弱的區域。
圖1.合并的等位半球組圖譜和組間差異圖譜。（a）對照組（n = 73）和ASD組（n =68）等位半球圖譜，整合了所有數據集。（b）所有數據集對照和ASD患者平均等位半球圖。（c）合并的組間t檢驗圖譜（對照 >ASD）。箭頭顯示了組差異的方向和等位半球連接的局部變化。ASD組在高半球連接區域顯示降低的半球間連接（橙色箭頭），在低半球連接區域顯示增強的半球間連接（藍色箭頭）。等位半球連接圖譜以中線對稱，所以只顯示了右半球。LOC，外側枕葉皮層；ITG，顳下回；PCG，中央后回；MFG,額中回。
組差異的空間結構
為了尋找連接不足和過連接效應圖譜潛在的原理，作者在合并樣本集用典型半球間連接圖比較了群組間t圖。因為每個實驗組的均值和t檢驗得到的均值間的差異在數學上是獨立的，作者在所有141個被試比較了平均半球間連接圖（圖1.b,c）。比較發現，組差異的方向（control > ASD 或者 ASD >control）由半球間連接的典型數值決定。具體的說，半球間連接高的區域（如，感覺運動皮層，枕葉皮層）在ASD中相比正常對照連接降低。而在半球間連接低的區域（如，額葉，顳葉）在ASD中有增加的功能連接。作者將這種現象稱作“向均數回歸”效應。
在特定數據集中也發現了這種“向均數回歸”效應。為了避免循環，在比較組間差別圖和正常組圖時排除了計算組間差異圖時用到的正常被試。結果再次顯示高半球間連接的區域在ASD病人中顯示了低水平的連接，同樣在低半球間連接的區域出現了相反的結果。
“向均數回歸”效應的直觀預測是在ASD組圖譜中極端體素值（包括高低半球連接）相比于正常組圖譜中體素值會衰弱，這將導致體素連接值的方差下降。在所有組中都發現了這種效應，確認了“向均數回歸”效應的出現（P =0.01）。
“向均數回歸”效應起源
群組水平的“向均數回歸”效應可能來源于個體水平的兩個不同現象。首先，在組水平效應可能來源于ASD組個體的“向均數回歸”。為了驗證，將應用于組圖譜的定量測量用于單個被試圖譜并且測量單個腦連接值半球間連接的方差。但是，單個被試方差的組平均的比例在不同數據集并未顯示組間一致效應，并且在大多數比例表現了相反的趨勢（ASD組高方差），說明在組水平“向均數回歸”效應并非來源于單個個體水平“向均數回歸”。
另一個可能的解釋是“向均數回歸”組效應來源于ASD患者組間半球間連接有更高的個體拓撲畸變。圖2描述了這種個體畸變為什么會導致組水平“向均數回歸”。半球間連接值的平均個體方差在正常對照和ASD患者間無差別。相關，被試間高連接幅度和低連接幅度的未對準導致了高幅度和低幅度的混合，導致組水平“向均數回歸”效應。
圖2. “向均數回歸”效應空間畸變來源，紅-黃表示高的等位半球連接，藍白表示低的等位半球連接。組圖譜由單個被試圖譜疊加生成。正常組低的空間變化導致組水平高低半球間連接的不同區域（左）。但是，在ASD患者中，異質空間畸變導致組圖譜中“向均數回歸”效應（右）：半球間連接高的區域顯示低的連接水平，相反的情況成立。柱狀圖顯示了每行兩個圖譜的定量比較。每個柱代表假設高半球連接的體素的值（H）和假設低半球連接的體素的值（L）。垂直線展示了每個圖值的散布。“向均值回歸”效應在組水平非常明顯因為ASD組值的低離差。這個效應并非來自于單個被試水平，因為在ASD組單個被試內值的離差于對照組無差別。
如果這種可能性存在，不同的ASD個體需要表現半球間連接的異質模式：每個個體顯示一個典型模式的不同畸變。為了評估這種可能性，在每個實驗組計算了被試半球間連接的空間相關性，得到的相似性矩陣一致表明正常對照組相比ASD組高的連接值（圖3.a）。ASD組個體全局連接模式相似性與正常組比例均一致得小于1，證明在ASD組更多樣的半球連接模式。因此，作者明確的指出ASD患者個體間更大范圍的異質連接模式是導致群組半球間連接模式的“向均數回歸”的潛在現象。
圖3. ASD組等位半球間連接的異質分布。（a）分別對于每個中心，對正常組（left）和ASD組（右）呈現相似性（空間相關）矩陣。每行每列代表一個被試和該試驗組其他所有被試等位半球連接圖譜的相似性。每個矩陣內被試按照平均相似性值降序排列。注意正常對照組相比ASD組個體間高相似性。（b）a圖中數據集對照組和ASD組每個矩陣平均被試間相似性值。Error bar代表標準誤。所有數據集正常對照組平均被試間相似性均大于ASD組，說明ASD樣本相比于正常樣本等位半球連接的異質畸變（?χ 2?（10）=31.95，P = 0.01校正，Fisher‘s 方法）。
功能連接模式的替代選擇
作者已經說明在ASD患者中，半球間連接的空間模式相似性更低。但是，很可能在不同數據集在ASD患者中出現相似的空間畸變。這個假設需要ASD患者有標準的ASD模式（包含系統模式畸變）而非一個標準的正常模式（沒有這些畸變）。然而，在目前數據中，作者并未發現這種效應（t（67） =-0.81，P = 0.42）。
作者關注ASD患者的異質模式，還有一種可能是在ASD群體存在幾種不同模式，這可能會使ASD個體構成子組。這些模式在子組內應該相似但在子組間不同。為了驗證，作者將ASD和正常被試等位半球間連接分別用K-means 聚類并且用gap
statistics檢驗得到的團簇。為了避免因為不同中心和采集序列導致的偽團簇，將聚類分別應用到每個數據集。結果顯示不同中心正常組和ASD組的最優團簇數目都是1。因此，并未顯示ASD組相比于正常組在形成團簇上的差異。
最后，ASD組的個體差別也可能來自于解剖差別。比如，ASD患者可能顯示更高的不對稱性。但是，結構不對稱上的組差異非常小，在不同中心間也不一致。因此，不太可能是這個原因導致了功能測量的偏差。
與ASD診斷測試的關系
作者進一步假設ASD患者大腦連接模式畸變的水平與行為癥狀相關。為了給每個ASD患者繪制半球間連接的拓撲畸變，對于每個個體，在體素水平減去對照組半球連接值。得到的單個被試圖譜表示每個體素相對于典型半球間連接模式的偏差程度。圖4a代表ASD診斷觀察量表（Autism
Diagnostic Observation Schedule，ADOS）極值的兩個個體（最低和最高ADOS總分數）。即使是定性來看，ASD癥狀最嚴重的個體表現出更大的離差，相比于嚴重程度稍弱的典型的半球間連接模式既有正值也有負值。換句話說，癥狀最嚴重的患者相比對照模式偏差的方差更大。
因此作者定義了一個變形指標描述對于每個個體腦半球間連接水平差別的方差。發現了變形指標和ADOS測量顯著的正相關。但在Bonferroni校正后，僅有和ADOS總分數（r = 0.32， P =
0.045，校正后, n = 66）及交流分數（r =0.33，P = 0.04，校正后，n =66）的相關性存在（ADOS社交P =0.13，刻板行為P =0.5，校正后）。作者也計算了對于對照被試的畸變水平，同預期一致，正常組的畸變水平低于ASD組（ASD/對照的畸變比例1.13， P = 0.01）。
圖4.個體模式畸變定量化與ASD癥狀相關性。（a）ASD單個被試值減去平均等位連接對照值，這里展示兩個最低（左）和最高（右）ASD總分數的兩個被試。注意低ASD分數的被試等位半球連接差別值最小，表明低水平畸變。相反的情況存在于高ASD分數的個體。（b）單個被試ASD指標與單個被試ASD癥狀的相關性。每張圖都有相關系數。盡管所有的系數在多重比較校正前都顯著，但只有ASD總分數和ASD交流能力（上面一行）通過校正。
異位半球間和半球內模式
異質連接畸變可能并不止獨特于等位半球連接而是反應更一般的腦現象。作者比較了異位半球模式，和正常組及ASD組半球內連接模式。相比正常組，ASD組異位半球模式顯示了被試間空間相似性的一致減弱。在左右兩個半球中，半球內連接模式也發現了同樣的現象。
進而對于異位半球模式也計算了單個被試畸變指標與臨床ASD測量、年齡和IQ分數的相關性。在半球間連接和右半球內連接中均發現了顯著的正相關，但均未能通過多重比較校正。
如果連接不足是ASD腦的全局特征，在ASD組所有的腦連接相比正常組均應顯示低幅值。但是，不像半球間連接的情況，在異位半球模式和左右兩個半球內模式上均未顯示一致的全局連接不足效應。
討論
ASD空間畸變連接模式
該研究顯示了高功能自閉癥的成年人腦異常的新特性，作者發現ASD患者靜息態功能連接的拓撲模式相對于典型對照顯著畸變，并且這種功能連接模式畸變在ASD個體異質程度高于正常對照被試。
對于拓撲變形現象最直接的證據是ASD個體相比于正常對照低個體間相似性。在不同的連接類型中，均一致得發現了這種效應。在每個半球的功能連接模式和半球間的功能連接模式。
增加的空間多樣性導致了“向均數回歸”效應來源于ASD組等位半球間連接方差下降。值得注意的是，組水平“向均數回歸”可能來源于ASD個體兩個半球等位體素的未對齊。但是，這種未對齊必然導致個體水平極端半球間連接值的衰減（“向均數回歸”），實際并不是這樣。
ASD個體增加的個體變異可能來源于ASD不同亞型。但是在等位連接模式，并未發現這種亞型。可能的連接模式非常多，很可能需要大的數據集來發現這種聚類。
與行為測量的聯系
以前的研究將ASD功能連接改變當作分類性狀(區分ASD和非ASD個體)，但其他的神經生理參數被當作維特征（將ASD放在正常人連續譜的末端）。該研究的結果兼容這兩個方面，因為異質的功能模式可以區分ASD個體和非ASD個體，但是異質的程度與ASD在ADOS測量上的嚴重程度對應。需要進一步的神經和行為比較來確定ASD中報道的功能異質是一般群體功能模式在維度上分布的的極值。
不同于在成年人中反映ASD癥狀的ADOS分數，自閉癥訪談量表（ADI）分數并未與異質畸變分數顯著相關。但是，因為僅有將近一半的被試有ADI分數，不太可能確定匯報的效應是否有發育起源，或者與代償機制相關。一并考慮異質畸變和年齡的相關性，需要在兒童ASD上進一步研究來處理本研究發現的發育方面。
行為測量和半球異位及半球內空間畸變的相關性僅有不明顯的趨勢，盡管和半球同位的發現方向一致。這顯示半球同位連接模式是一個更敏感的標記，可能要歸因于相比于其他腦連接信噪比高。作者也注意到異質模式和行為癥狀相關的顯著性比其他效應弱。眾所周知，ASD的行為測量很難定量，這些相關中變化的來源仍需要闡明。
畸變程度和IQ并沒有發現顯著的相關。這說明，盡管在實驗組間發現了顯著的IQ差別，但IQ差別并不是組間畸變差別的來源。
與之前功能連接發現的聯系
該研究并沒有發現腦連接的不同類型顯著的全局連接不足效應。但是，我們的結果顯示了在ASD組相比正常組增加和降低的功能連接均可能導致個體水平的連接模式的空間畸變。在等位半球連接時，個體間平均畸變模式導致高和低連接模式明顯“稀釋”，在ASD組反映出“向均數回歸”效應。因此要小心解釋正常個體和ASD個體局部組差異，因為這可能跟ASD異常連接模式相關。
多中心數據使用
在所有ASD分析樣本中發現的連接異質空間畸變證明了這種效應的魯棒性，尤其是考慮了數據集間的變化。盡管我們并沒有控制實驗相關的差別源（例如，不同的實驗序列），連接模式的空間畸變都足夠斷言超過任何方法上或人口統計上的差異。
另外，作者在不同中心大樣本個體上描述了功能連接特性使得作者可以控制其他可能解釋之前研究不一致發現的變異來源。首先，作者通過將研究對象鎖定為高功能成年ASD患者限制了ASD被試人口統計和臨床特性的變化。其次，不同中心的數據都用了相同的分析方法。最后，通過采用方法降低頭動對功能數據的影響仔細地控制了非神經元對于fMRI信號的貢獻。
異質功能模式的可能來源
什么樣的原因可能引發ASD自發連接模式特異性呢？當考慮等位半球畸變，一個直接的解釋是在ASD中半球結構偏側化改變。另一個可能性是ASD個體具有非典型腦。在這種情況下，向標準空間的變換可能會引起改變的解剖。但是，并沒有發現在畸變水平轉換到標準空間引起的組差別，挑戰了這個選擇。
進一步的可能性是組差別與任務相關的神經活動異質差別相關。在成年人和青少年高功能ASD中，一些研究與這種可能性兼容。特別的，在簡單的運動任務、更復雜的視覺運動學習、面孔處理、自然感覺刺激中半球內和半球間的異質激活有被發現。然而這些研究大多在相對下的樣本中檢查在設計好的實驗任務下特定腦區的活動。該研究提供了一個可以解釋之前研究的更一般的框架。換句話說，在大樣本數據中，所有腦區和連接類型中出現的異質功能連接模式（即使在沒有外顯任務下也出現），提出一個新的ASD功能特異。
進一步，沒有外顯的任務下出現的異質性是非常有意思的，因為自發出現的功能連接模式被日常出現的個體行為塑造。如之前假設，與外界環境的交互驅使的慣常行為可以被編碼為突觸效能，并且在沒有外顯行為時出現。ASD個體異質連接模式同樣可能來源于ASD個體與外界交互的改變。在社交和物理環境因素及他們引起的腦激活在典型的個體由不同個體共享假設下，環境-神經元的交互性會調整網絡組織，導致趨同標準腦。相反，ASD個體與調整后的組織行為分離，加上他們證據充分地對于外界環境不可靠地和過可塑性響應，會導致ASD個體大腦異常和異質的連接模式。值得進一步研究的一個有趣的問題是這種連接異質是否會出現在顯示非正常腦-環境交互的其他臨床群體。
參考文獻：Hahamy, A., M. Behrmann, and R. Malach, The idiosyncratic brain: distortion of spontaneous connectivity patterns in autism spectrum disorder.Nature neuroscience, 2015.18(2): p. 302-309.
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