精神分裂症大鼠模型的MRI研究进展

刘晓朋　徐　成

精神分裂症大鼠模型的MRI研究进展

刘晓朋徐成*

目前对于精神分裂症病人的MRI研究取得了迅猛发展，但是动物模型的研究在该病中较少涉及。动物的MRI研究可以进行由于伦理因素在人体不能进行的各种研究，探索生理、病理情况下内在机制。综合国内外近几年研究成果，简单介绍几种常用的MRI成像方法及其在精神分裂症动物模型研究中的应用。

磁共振成像；大鼠模型；精神分裂症；功能磁共振成像；磁共振波谱成像

DOI:10.19300/j.2016.Z3707

精神分裂症是一种常见的、慢性的、病因和发展机制仍未明确的脑功能退化性疾病。近年来，神经精神方面的影像研究逐渐增多，为精神分裂症的各种假说提供了越来越多的证据。目前大多数精神分裂症方面的研究局限于对临床病人的观察，而对精神分裂症动物模型的探索较少。精神分裂症的研究需要可重复性好、可控性强、对比性高的动物模型，才能更方便、更有效地认识该病的发生、发展规律和研究防治措施。

目前常见的实验研究中常用动物为大鼠。由于大鼠具有体积小、体质量轻、影响因素多等特点，因此对其进行MR成像的条件和要求比人的要高。动物实验不仅需要高场强设备，同时需要动物专用线圈。目前国外研究大多采用小孔径7.0 T以上的超高场MR设备及相配套的动物线圈，从而获得分辨力及信噪比（signal to noise ratio，SNR）均较高的影像。而国内研究由于条件限制，大多采用1.5 T或3.0 T场强设备，线圈则使用最小尺寸的人体表面线圈（颈部线圈）或小关节线圈（腕关节线圈）。最近有实验［1-2］采用小孔径动物实验用正交线圈和商用MR设备获得了质量较好的影像。

1　脑结构MRI

脑结构MRI大致分为基于形态学的结构成像和基于扩散张量的扩散张量成像 （diffusion tensor imaging，DTI）。形态学主要是指脑的灰质体积、皮质厚度、皮质表面积及脑室体积等［3］。DTI则是依据水分子的扩散情况来评价脑白质结构的完整性，同时无创显示脑深部组织白质纤维束的走行［4］。通过对脑形态学及白质纤维束的比较得出模型组动物与正常组动物的脑结构差异，为精神分裂症的研究提供理论依据。

脑形态学的异常可以为神经发育假说（大脑在发育成熟前的病理改变引起的）提供有力的证据。Piontkewitz等［5］通过在怀孕大鼠体内注射聚肌苷酸胞嘧啶核苷酸（poly I:C）制作大鼠后代的精神分裂症模型，在后代大鼠4个月时行7.0 T MR检查，发现模型大鼠侧脑室体积增大及海马体积减小，但总脑体积未见明显差异。海马被认为是在记忆中储存信息的神经区域，与个体的工作记忆能力相关。Ellegood等［6］通过对22q11.2缺失［Df（16）A+/-］大鼠结构MRI扫描发现，模型大鼠与正常大鼠脑总体积未见显著差异，进而通过分析62个脑结构发现包括第三脑室扩大、尾状核体积增大、小脑体积及额叶皮质厚度减小等13个脑结构发生了变化。Chin等［7］对腹腔注射甲基氧化偶氮甲基乙酸（methylazoxymethyl acetate，MAM）的大鼠进行脑形态学及DTI研究，发现模型大鼠侧脑室及第三脑室体积较正常大鼠增大，而海马体积较正常组减小，DTI结果显示模型组胼胝体及扣带回的各向异性 （fractional anisotropy，FA）值显著降低，这可能与白质纤维的髓鞘脱失有关，胼胝体及扣带回的纤维束完整性受到损害。Chandran等［8］通过给大鼠喂食含双环己酮草酰二腙（cupferazone，CPZ）的饲料制作精神分裂症模型，发现模型大鼠脑总体FA值相对于正常组是减低的，同时给予抗精神病药物喹硫平的模型大鼠的FA值与正常大鼠无明显差异，说明精神分裂症与白质纤维束的完整性直接相关。Ma等［1］通过对大鼠海马转染早期生长反应因子3（early growth response protein 3，EGR3）构建的大鼠精神分裂症模型的DTI研究表明，与正常组比较，模型组通过双侧海马的纤维束体积和数目均明显减小，通过左侧海马齿状回的纤维束体积明显减小。对精神分裂症的易损脑区扩散张量及纤维束示踪成像，能够反映其脑白质纤维连接情况，对明确精神分裂症发病的结构学基础有重要意义。虽然上述研究结果大致相似，但是脑形态学上的变化不是精神分裂症病人的特征改变，结构MRI的临床应用价值需进一步探索。

2　脑功能MRI

脑功能MRI（functionMRI，fMRI）是基于血氧水平依赖效应 （blood-oxygen-level dependent，BOLD）的无创性脑功能成像技术。BOLD是氧合及脱氧血红蛋白磁化率差异、神经元活动引起血流改变、血氧浓度及代谢率变化的综合机制引起的效应。首先，机体血液中氧与血红蛋白结合后形成氧合血红蛋白，磁化率减小；当氧合血红蛋白释放氧即成为脱氧血红蛋白，磁化率增大。这是因为脱氧血红蛋白是一种顺磁性物质，引起血管及周围组织局部磁场的不均匀。其次，局部脑神经活动时，相应部位脑血流量及脑血容量增加；相反，大脑皮质神经静息时，相应部位血流量及血容量减小。再次，神经活动时氧代谢率不是固定不变的，因为氧合血红蛋白的浓度是随时间的变化而变化的，进而产生一个随时间变化的局部梯度场［9］。上述三方面的综合效应就是BOLD信号产生的机制。

脑fMRI包括任务态和静息态两种，静息态是指被检者保持头脑清醒、不接受任何刺激或者无执行任务的状态［10］，目前用于精神分裂症动物模型的研究多为静息态fMRI。Lu等［11］用9.4 T MR设备对正常大鼠进行扫描，进而运用主成分分析（principal component analysis，PCA）方法处理功能数据得出与人类一致的脑默认网络（default mode network，DMN）等功能网络。White等［12］在2011年联合运用光学特性成像（optical imaging of intrinsic signals，OIS）与fMRI静息态成像对正常大鼠进行功能连接网络研究，两种方法得出一致的功能连接网络，这与Xia等［13］对轻度麻醉大鼠静息态及给予刺激状态下MRI研究结果相同，即大鼠感觉运动系统脑网络在静息态时具有小世界属性，与在人脑和其他动物上的结果类似。正因为大鼠与人类的功能网络具有诸多的相似点，故可以借助大鼠精神分裂症模型进行研究。Song等［2］使用双侧海马注射EGR3建立精神分裂症大鼠模型，对大鼠双侧前额叶、双侧丘脑及双侧海马运用时间簇分析 （temporal clustering analysis，TCA）及Granger因果分析发现：模型组大鼠双侧额叶及海马信号强度增加，这可能与精神分裂症大鼠的注意力障碍及记忆力损害有关；模型组大鼠双侧前额叶及双侧海马异常双向的Granger连接及双侧前额叶与双侧丘脑间异常单向的Granger连接，这可能与精神分裂症的发病机制相关。Gass等［14］对大鼠皮下注射氯胺酮制作精神分裂症大鼠模型，基于种子点的相关分析发现：以海马为种子点时，海马下托、齿状回与前额叶（前额叶皮质、眶额皮质、扣带皮质1区）及岛叶皮质的连接增多，前、后背侧海马与扣带及岛叶皮质的连接增多，腹侧海马与尾状核的连接增多；以前额叶为种子点时，下边缘皮质与眶皮质及扣带皮质2区连接增加，上边缘皮质与后下脚的连接增加，这与Driesen等［15］采用静息态fMRI研究运用氯胺酮后人脑功能连接改变（扣带回、后部海马与前额叶皮质功能连接增加）的结果类似。

3　MRS

MRS是目前唯一无创性观察活体组织代谢及生化改变的技术，其利用氢质子在不同化合物中具有不同的共振频率来区分正常组织和病变组织的代谢产物，从而反映脑内病变代谢的异常，临床中以1H-MRS应用较为广泛。主要观察的代谢物质有N-乙酰天门冬氨酸 （NAA）绝对量及NAA/肌酸（Cr）、NAA/胆碱（Cho）值。NAA主要位于神经元内，反映神经元的完整性和活性，NAA减少被认为与神经元丧失或死亡有关。Cr主要存在于神经细胞和胶质细胞中，是能量代谢的产物，由于其在脑代谢产物中最为稳定，常被用为内部基准值。Cho是细胞膜磷脂代谢的成分并反映膜的代谢，Cho升高提示可能存在细胞膜更新紊乱［16］。

动物模型的MRS研究集中在海马、丘脑、前额叶等部位。Ma等［17］在双侧海马注射EGR3制作精神分裂模型，发现模型组双侧海马的Cho量明显高于正常组，而双侧丘脑的NAA量及NAA/Cr值明显低于正常组。而Llorente等［18］将出生后9 d的大鼠制作为精神分裂症模型，发现模型大鼠与正常大鼠海马内的NAA及Cho含量未见明显差异，但模型组前额叶NAA明显低于正常组。Iltis等［19］也主要研究了前额叶代谢物的变化，但注射苯环己哌啶（phencyclidine，PCP）后制作的精神分裂症大鼠模型与正常组间未发现明显差异。Bustillo等［20］运用11.7 T MRI研究了PCP诱导的精神分裂症模型脑代谢变化，发现模型大鼠内侧额叶皮质中NAA值减低，而海马中的Cho值明显高于正常组。以上研究结果相差较大，可能与精神分裂模型大鼠制作方法或者精神分裂病程阶段不同有关。但是MRS从生化代谢水平证实了病变发生后神经代谢的异常，在精神分裂症的病理机制研究中起到了不可替代的作用。

综上所述，以精神分裂症大鼠模型为对象的MRI研究可以克服精神分裂症潜伏期长、病程长的缺点，并且可以严格控制实验条件以减少个体差异的影响。不同MRI研究方法对精神分裂症模型大鼠的系统研究有助于进一步深入了解精神分裂症的发生、发展及药物治疗过程中脑结构、功能和代谢变化，可全面分析精神分裂症的发病机制和病理生理过程。

［1］Ma ES，Song TB，Zhang H，et al.The reduction of volume and fiber bundle connections in the hippocampus of EGR3 transgenic schizophrenia rats［J］.Neuropsychiatr Dis Treat，2015，11:1625-1638.

［2］Song TB，Nie BB，Ma ES，et al.Functional magnetic resonance imaging reveals abnormal brain connectivity inEGR3gene transfected rat model of schizophrenia［J］.Biochem Biophys Res Commun，2015，460:678-683.

［3］van den Heuvel MP，Fornito A.Brain networks in schizophrenia［J］. Neuropsychol Rev，2014，24:32-48.

［4］Kubicki M，Westin CF，McCarley RW，et al.The application of DTI to investigate white matter abnormalities in schizophrenia［J］.Ann N Y Acad Sci，2005，1064:134-148.

［5］Piontkewitz Y，Arad M，Weiner I.Risperidone administered during asymptomatic period of adolescence prevents the emergence of brain structural pathology and behavioral abnormalities in an animal model of schizophrenia［J］.Schizophrenia Bulletin，2011，37:1257-1269.

［6］Ellegood J，Markx S，Lerch JP，et al.Neuroanatomical phenotypes in amousemodelofthe 22q11.2 microdeletion［J］.Molecular Psychiatry，2014，19:99-107.

［7］Chin CL，Curzon P，Schwartz AJ，et al.Structural abnormalities revealed by magnetic resonance imaging in rats prenatally exposed to methylazoxymethanol acetate para llel cerebral pathology in schizophrenia［J］.Synapse，2011，65:393-403.

［8］Chandran P，Upadhyay J，Markosyan S，et al.Magnetic resonance imaging and histological evidence for the blockade of cuprizoneinduced demyelination in C57BL/6 mice［J］.Neuroscience，2012，202: 446-453.

［9］Zhou Y，Shu N，Liu Y，et al.Altered resting-state functional connectivityandanatomicalconnectivityofhippocampusin schizophrenia［J］.Schizophr Res，2008，100:120-132.

［10］van den Heuvel MP，Hulshoff Pol HE.Exploring the brain network: A review on resting-state fMRI functional connectivity［J］.Eur Neuropsychopharmacol，2010，20:519-534.

［11］Lu H，Zou Q，Gu H，et al.Rat brains also have a default mode network［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2012，109:3979-3984.

［12］White BR，Bauer AQ，Snyder AZ，et al.Bauer.Imaging of functional connectivity in the mouse［J］.PLoS One，2011，6:16322-16331.

［13］Xia Y，Dong K.Study on resting-state functional connectivity of rat sensorimotor system［J］.Prog Biochem Biophys，2012，39:519-523.

［14］Gass N，Schwarz AJ，Sartorius A，et al.Sub-anesthetic ketamine modulates intrinsic BOLD connectivity within the hippocampalprefrontal circuit in the rat［J］.Neuropsychopharmacology，2014，39: 895-906.

［15］Driesen NR，McCarthy G，Bhagwagar Z，et al.Relationship of resting brain hyperconnectivity and schizophrenia-like symptoms produced by the NMDA receptor antagonist ketamine in humans［J］.Mol Psychiatry，2013，18:1199-1204.

［16］McKnight TR，Smith KJ，Chu PW，et al.Choline metabolism，proliferation，and angiogenesis in nonenhancing grades 2 and 3 astrocytoma［J］.J Magn Reson Imaging，2011，33:808-816.

［17］Ma G，Song TB，Chen M，et al.Hippocampal and thalamic neuronal metabolism in a putative rat model of schizophrenia［J］.Neural Regen Res，2013，8:2415-2423.

［18］Llorente R，Villa P，Marco EM，et al.Analyzing the effects of a single episode of neonatal maternal deprivation on metabolite profiles in rat brain:a proton nuclear magnetic resonance spectroscopy study［J］. Neuroscience，2012，201:12-19.

［19］Lltis L，Koski DM，Eberly LE，et al.Neurochemical changes in the rat prefrontal cortex following acute phencyclidine treatment:an in vivo localized 1H MRS study［J］.NMR Biomed，2009，22:737-744.

［20］Bustillo J，Gaolloway MP，Ghoddoussi F，et al.Medial-frontal cortex hypometabolism in chronic phencyclidine exposed rats assessed by high resolution magic angle spin 11.7 T proton magnetic resonance spectroscopy［J］.Neurochem Int，2012，61:128-131.

（收稿2015-08-30）

Research progress of MRI in rat model of schizophrenia

LIU Xiaopeng，XU Cheng.Department of Medical Imaging，Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China

At present，the MRI research on schizophrenia has achieved rapid development，but the animal model is relatively rare in the field.Animal MRI research can overcome the various limitations due to ethical factors in human research，and can explore the physiological and pathological conditions of the internal mechanism.According to worldwide research results in recent years，MRI imaging method and its application in animal models of schizophrenia have been introduced.

Magnetic resonance imaging；Rat model；Schizophrenia；Functional magnetic resonance imaging；Magnetic resonance spectroscophy Int J Med Radiol，2016，39（3）：235-237

山西医科大学医学影像学系，太原030001

徐成，E-mail:xucheng0509@163.com
*审校者

山西省自然科学基金（2014011041-4）