氯胺酮亚麻醉降低听觉诱发的gamma频段响应与精神分裂症样临床特征

    Curic S等人在Neuropsychopharmacology发文，测试谷氨酸盐NMDAR(N-methyl-D-aspartate receptor,冬氨酸受体)拮抗物对健康被试的听觉诱发的gamma频段响应(aeGBR)以及精神病病理结果的影响，以探究精神病行为的神经机制。
摘要：

     异常的gamma频段震荡(GBO)通常与精神分裂症的病理相关。GBO被一种形成精神分裂症复杂症状谱的神经递质，谷氨酸所调制。为研究精神病行为的神经机制，本研究测试了氯胺酮，谷氨酸盐NMDAR(N-methyl-D-aspartate receptor,谷氨酸受体)拮抗物对健康被试的听觉诱发的gamma频段响应(aeGBR)以及精神病病理结果的影响。用氯胺酮作为亚麻醉试剂，评估25名被试在选择反应任务中的安慰剂对照组、随机交叉测试、aeGBR功率、PLF (锁相因素)、PANSS(阳性和阴性症状量表)以及5D-ASC (意识状态改变)等级量表得分。

     采用LORETA对EEG进行源定位。与安慰剂组相比，氯胺酮组aeGBR和PLF明显降低(p < 0.01)。对产生aeGBR的源空间分析显示，氯胺酮给药期间，前扣带回皮层(ACC)的电流源密度(CSD)显著降低。氯胺酮诱发下，PANSS (p < 0.001)、5D-ASC评分(p < 0.01)、反应时间(p < 0.001)以及错误率(p < 0.01)均升高。多重线性回归表明，只有阴性症状与aeGBR功率下降显著相关(p = 0.033)。这些发现表明，谷氨酸系统在调节gamma频段响应功能失调和精神分裂症的阴性症状方面发挥了重要作用，并与精神分裂症的NMDAR机能减退假说相一致。

 

研究背景

GBO（异常的gamma频段震荡）可能是导致精神分裂症患者感知和认知障碍的神经回路功能失调的原因。在精神分裂症的感觉GBO中，听觉和视觉诱发的gamma频段响应是最常被研究的。在精神分裂症的所有阶段(首发患者、慢性患者、精神病高危人群以及精神分裂症患者的无症状一级亲属)中的研究都显示出aeGBR功率和锁相程度的降低。NMDAR(N-methyl-D-aspartate receptor,谷氨酸受体)被认为是GBO产生的关键，精神分裂症相关的基因功能与NMDAR功能低下有关。因此，GBO的改变被认为是精神分裂症的一种中间表型，并被认为在疾病的早期检测中具有应用价值。

NMDAR拮抗物氯胺酮和苯妥英钠(PCP)可诱导精神病理变化，比如，精神分裂症患者在阳性、阴性和认知症状方面的变化。NMDAR的参与可能在精神分裂症发病机制中发挥重要作用的假设因此被提出。氯胺酮引起的阴性症状的程度与氯胺酮占用NMDAR有关。使用甘氨酸、D -丝氨酸和肌氨酸等NMDAR调节物质进行的几项研究(但不是所有的研究)表明，这些物质可以减轻阴性症状。因此，有必要使用神经生理标志物，如aeGBR，来预测谷氨酸能干预精神分裂症的反应和结果。aeGBR源位于双侧听觉皮质和包括dACC(背侧前扣带回皮层)在内的大脑额中线结构中，然而，dACC源只有在健康受试者的认知需求任务中升高。虽然aeGBR是建立精神分裂症与GBO和NMDAR介导的谷氨酸能神经传递关系最好的神经生理学标记之一，但是迄今为止，还没有对健康被试在氯胺酮治疗下，执行认知任务的研究。

综上，基于谷氨酸能神经递质与NMDAR功能、GBO及阴性症状的密切关系，本研究旨在建立潜伏期研究与调查精神分裂症患者研究证据之间的转化关系。研究假设: 

(1)氯胺酮诱导的精神分裂症样的aeGBR功率降低和锁相程度伴有

(2)精神分裂症样症状的发生和任务相关行为变化(反应时和错误率的升高)

(3)氯胺酮诱导的aeGBR改变与氯胺酮诱导的阴性症状的严重程度之间的特定关系。

此外，根据先前的EEG和MEG研究，我们预计ACC中aeGBR将减少。

方法

被试

   25名健康男性，平均年龄25岁(标准差=2.64)，右利手。

心理评估

    采用阳性和阴性症状量表(PANSS)对精神病症状进行评估。在第一次干预前(基线)和药物实施(安慰剂/氯胺酮)后，由一名经验丰富的精神病学家进行精神病理学的评估。PANSS评分采用van der Gaag等人的五因素模型进行评估。在两次药物实施(氯胺酮/安慰剂)后，采用视觉模拟量表(5D-ASC)问卷评估氯胺酮的主观效应。该自我评定问卷包括94项评估意识状态改变的关键维度。

研究设计

     本研究采用安慰剂对照、随机交叉研究设计。受试者不知道治疗情况，研究人员也没有确认治疗情况。在氯胺酮治疗期间，给被试静脉注射溶于0.9%氯化钠 (NaCl)溶液的氯胺酮盐酸盐的亚麻醉试剂，总时长75分钟。氯胺酮注射开始时，初始量为10 mg/ 5 min，然后维持注射0.006 mg/kg/min。两次治疗之间至少间隔7天。持续注射氯胺酮后血浆水平缓慢升高，剂量每10分钟降低10%。安慰剂类似于0.9%氯化钠注射剂。在两个疗程中持续监测受试者的心率、血压、氧饱和度和警惕性。由于氯胺酮具有明显的临床疗效，临床评分者并没有对病情进行盲测。

范式

    我们使用一个根据难度水平增加aeGBR振幅的听觉反应任务，以伪随机刺激间隔(ISI: 2.5–7.5 s;mean = 5.0 s)，通过耳机呈现约为85dB声压级(SPL)的120个不同音高(33% 800 Hz, 33% 1000 Hz, and 33% 1200 Hz)的声调(tones)(持续时间: 250 ms,使用Presentation软件16.1版本生成)。要求被试在低声调(800 Hz)出现时用左手食指按键、高声调(1200Hz)出现时用右手食指按键，中声调(1000 Hz)声音出现时不按键。每次实验前，要求被试都被尽可能快速且准确地做出反应。在实验过程中记录反应时(刺激开始到按键)和错误率(刺激呈现后2000毫秒内错误反应或没有反应)。

EEG记录与预处理

   使用Brain Vision Recorder软件记录EEG，采样率为1000Hz，64导电极帽。电极位置按10/20扩展系统排布，额外的电极还有 AF7, AF3, AF4, AF8, F5, F1, F2, F6, F10, FT9, FT7, FC3, FC4, FT8, FT10,C5, C1, C2, C6, TP7, CPz, TP8, P5, P1, P2, P6, PO3, POz和PO4，四个EOG电极记录眼动。FCz为参考电极，AFz为接地电极，电阻降至5 kΩ以下。数据分析使用 Analyzer (BVA) 2.1.0.327版本, 由于大多数被试数据中包含持续的肌电伪迹，PO9和PO10通道不被分析。带通滤波(1–100 Hz)。对包含超过5%伪迹以及波幅超过±70μV肌电伪迹数据的电极进行插值。EEG分段为听觉刺激开始的-400~1000ms。gamma频段内眼跳伪迹(SPs)由附加的REOG控制。根据眨眼、眼漂、肌电和SPs的地形图特征、时间进程以及频率分布，应用ICA(独立成分分析)剔除眨眼、眼漂、肌电和SPs伪迹。采用全脑平均进行重参考，基线校正使用刺激前210-10ms，之后计算ERP平均波幅。只保留含有35段以上叠加后的波形。
aeGBR(gamma频段响应)功率PLF(锁相因素)

    使用BVA软件, 使用小波变换计算aeGBR功率和PLF [复Morlet小波公式: w(t) = A exp(−t²/2)exp(i2πct), Morlet参数：c = 5，瞬时振幅(Gabor)标准化]。为了揭示锁相诱发gamma功率，在平均ERP上进行了小波变换。在刺激出现前210 ms开始使用200 ms基线进行基线校正。将20-80Hz范围的频率分为30步。为获取aeGBR峰值,提取中心频率为40 Hz (频率范围: 32–48 Hz)的小波。在前人研究的基础上，将Cz电极上刺激出现后30-100 ms时间范围内的最高值定义为aeGBR峰值。在相位进行平均之前，在单试次水平上,用额外的小波变换(不做基线校正)计算并提取相位信息。将Cz上刺激出现后30–100 ms内，以40 Hz为中心的最大值定义为gamma PLF峰值。

aeGBR的溯源分析

    使用LORETA进行溯源分析。在刺激呈现后30-70 ms的时间窗内，对每个被试35-45Hz aeGBR 的EEG进行源定位。数据分析的兴趣区(ROI)为DACC(DACC ROI)、初级(BA-41-ROI)和次级(BA-42-ROI)听觉皮层。使用单尾t检验(统计显著性阈值p<0.05)对在 sLORETA 软件中的配对组的不同条件下的皮质活动进行体素水平比较。采用非参数映射随机化统计方法，随机5000次。

统计分析

   所有其他的统计分析都使用IBM SPSS版本22进行。采用配对样本t检验比较5D-ASC评分、aeGBR功率和PLF、ROI电流源密度(CSD)、安慰剂和氯胺酮条件下的反应时间和错误率。采用单因素重复测量方差分析(RM-ANOVA)分析PANSS评分，并将治疗期(基线、安慰剂和氯胺酮)作为被试内因素。此外，我们以氯胺酮条件下(五个PANSS因素)精神分裂症样症状的发生率作为预测因子，aeGBR的相对降低(与安慰剂相比)为因变量，进行了多元线性回归分析。5个因子同时进行回归，显著性水平α = 0.05，采用Bonferroni进行多重比较校正。

 结果

氯胺酮引起的行为变化

   与安慰剂组(平均值=774 ms, 标准差=198)相比，氯胺酮显著增加了反应时间(平均值=916 ms,标准差=211；p<0.001)。此外，与安慰剂组(平均值=4.5%, 标准差=4.5%)相比，氯胺酮组(平均值=12.4%, 标准差=11.5%的错误率显著增加; p<0.001) (图1)。

图1. 反应时间(a)和错误率(b)平均值的直方图，误差条代表平均值的±1标准差(***p < 0.001)。
氯胺酮引起的精神病理症状

   RM-ANOVA分析显示，治疗对所有PANSS评分和子评分均有显著影响 (PANSS总分: F(2,76) =117.15, p < 0.001;阳性: F(2,76) = 30.49, p < 0.001;阴性: F(2,76) =54.18,p < 0.001; 分裂: F(2,76) = 90.18, p < 0.001; 兴奋: F(2,76) =38.80, p < 0.001;痛苦: F(2,76) = 51.74, p< 0.001)。 T检验事后比较表明，与安慰剂组和基线相比，氯胺酮组的PANSS总分和所有子评分显著升高。基线与安慰剂条件之间无显著差别(图2a).       

   与安慰剂组相比，氯胺酮导致所有5D-ASC评分在统计学上显著增加(图2b)。两组评分在以下几个子量表间均有显著差异：   

    其中，听力变化亚量表：安慰剂组(平均值=15.3, 标准差=54.5)和氯胺酮组(平均值=213.6, 标准差=253.6,p<0.01)；     

   oceanic boundlessness子量表：安慰剂组(平均值=18.3, 标准差=18.1)和氯胺酮组(平均值=843.4, 标准差=456.4; p<0.001)；     

    警惕性评分：安慰剂组(平均值=89.6, 标准差=114.3)和氯胺酮组(平均值=580.2, 标准差=280.6;p<0.001)；     

   视觉重构子量表：安慰剂组(平均值=25.2, 标准差=58.1)和氯胺酮组(平均值=621.2, 标准差=370.6; p<0.001)。

图2. PANSS五项子评分均值的直方图。

氯胺酮引起的aeGBR和PLF改变

    刺激出现后约50 ms，在两种情况下，CZ电极的诱发gamma活动与基线水平相比均有增加。与安慰剂条件(平均值=0.11，标准差=0.12)相比，在氯胺酮条件下(平均值=0.04，标准差=0.05；p<0.01)aeGBR功率显著降低(图3a，b)。与安慰剂组相比(平均值=0.27；标准差=0.14)，氯胺酮组被试PLF峰值显著降低(14平均值=0.21；标准差=0.10；p<0.01)。氯胺酮也影响基线CSD，在氯胺酮治疗之后，持续观察到较高的静息态gamma振荡(图3d)。为了检验氯胺酮引起的静息态gamma活动增强与aeGBR降低之间的关系，我们对这些测量方法进行了相关性分析，无显著相关。氯胺酮使N100波幅降低，但与aeGBR功率或PFL无关。

图3. A aeGBR功率在刺激前50 ms和刺激后200 ms的时频差异图(安慰剂-氯胺酮)分析。aeGBR功率(B)和PLF(C)小波分析(复Morlet小波)的结果，氯胺酮条件(红线)和安慰剂条件(黑线)下约40Hz附近的活动(**p<0.01)。

 

LORETA ROI 分析

   进行配对样本t检验，比较安慰剂和氯胺酮条件下三种ROI中的CSD(电流源密度）(图4A)。尽管安慰剂组(m=0.80，sd=1.45)和氯胺酮组(m=0.30，sd=0.34)的DACC ROI条件(p=0.047)有显著差异，但BA41-ROI组(安慰剂组：m=0.07，sd=0.10，氯胺酮组：m=0.06，sd=0.08，p=0.296)和BA42-ROI(安慰剂：m=0.18，标准差=0.27；氯胺酮：m=0.18，标准差=0.24；p=0.454)均无显著差异。
LORETA 全脑分析

   通过35–45Hz的aeGBR比较发现，在氯胺酮作用下，DACC(Brodmann24区)的皮质源活性显著降低，多重比较矫正后发现，左半球的皮质源活性不对称，p<0.05(图4b)。

图4. A DACC ROI、BA-41-ROI和BA-42-ROI中的平均电流源密度(μA/m²)，误差条代表平均值±1标准差(*p<0.05；n.s.=不显著)。B比较安慰剂和氯胺酮条件下aeGBR电流源密度(CSD)的gamma频带(35–45Hz)源活动的差异图。红色体素表示矫正多次后存活的显著差异的区域(p<0.05)。

神经心理和精神病理变量之间的关系

   多元线性回归分析表明，当控制其他症状的影响时，只有氯胺酮影响下的PANSS阴性得分能显著预测aeGBR功率的相对下降(p=0.033)，而其他因素与aeGBR功率下降无显著相关(p>0.2)。在事后双变量相关分析中，PANSS的负分与aeGBR功率的相对下降也呈正相关(皮尔逊r=0.352；n=25；p=0.042)(图5)。

图5. aeGBR功率相对下降与PANSS阴性因子(皮尔逊r=0.342)呈正相关。

三句话总结

1.   氯胺酮作用下，背侧ACC内的aeGB神经活动降低。

2.   氯胺酮的NMDAR拮抗作用、NMDAR在产生GBO中的关键作用以及与NMDAR相关的精神分裂症改变，这些结果强烈支持精神分裂症的谷氨酸假设。3.   本研究建立了潜伏期和精神分裂症患者研究之间的联系，强调精神分裂症的氯胺酮模型作为进一步研究谷氨酸治疗方案和确定受益于此类药物的精神分裂症患者群的工具。

 原文：

Curic S , Leicht G , Thiebes S , et al. Reduced auditory evoked gamma-bandresponse and schizophrenia-like clinical symptoms under subanesthetic ketamine[J].Neuropsychopharmacology, 2019.

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