fMRI滞后结构在精神疾病中的状态依赖性：跨ADHD、双相障碍与精神分裂症的神经动力学研究

本研究通过分析静息态与任务态fMRI数据，探讨了超越零滞后功能连接（FC）的滞后结构（lag-structure）在健康对照与三种精神疾病（ADHD、双相障碍、精神分裂症）中的差异。研究发现滞后结构存在显著的状态依赖性（从静息到任务态普遍降低），且与临床行为指标（BPRS评分、反应时间）相关，为精神疾病的神经动力学机制提供了新的生物标志物。

　　

在精神病学研究中，功能磁共振成像（fMRI）长期以来依赖于“零滞后功能连接”（zero-lag functional connectivity, FC）来分析大脑区域间的同步活动。然而，这种方法忽略了神经信号传播中可能存在的时间延迟（lag），难以捕捉大脑动态交互的复杂性。近年来，学者提出“滞后结构”（lag-structure）这一概念，通过计算不同时间延迟下的交叉相关系数，能够更准确地描述神经信号的传播时序。此外，大脑活动在不同状态（如静息与任务）下的动态重组（state-dependence）是否在精神疾病中存在异常，仍是一个未解之谜。针对精神疾病研究的高度异质性问题，本研究以注意缺陷多动障碍（ADHD）、双相障碍（Bipolar Disorder）和精神分裂症（Schizophrenia）三类患者为对象，探讨滞后结构的状态依赖性及其与临床行为的相关性，旨在为精神疾病的神经机制提供新的见解。

本研究利用了UCLA神经精神现象学联盟（UCLA Consortium for Neuropsychiatric Phenomics）发布的开放数据集，包括95名健康对照（HCs）、35名ADHD患者、38名双相障碍患者和23名精神分裂症患者。所有患者均依据DSM-IV-TR标准经结构化临床访谈确诊，并排除了共病其他精神障碍。fMRI数据采集包括静息态（304秒）和停止信号任务（stop-signal task, 386秒）两种状态。预处理使用AFNI软件完成，包括头动校正、空间标准化、滤波（0.01–0.1 Hz）以及去噪处理（如基于ANATICOR的白质信号回归）。滞后结构分析采用AFNI的“3ddelay”命令，计算各体素时间序列与全脑平均信号在不同时间延迟（最高30秒）下的交叉相关系数，提取最大相关系数对应的延迟时间作为该体素的滞后值。统计分析采用非参数检验（Mann-Whitney U检验、Friedman检验）及线性回归，以探究组间差异、状态依赖效应及其与行为指标（停止信号反应时间SSRT）和临床严重程度（BPRS总分）的相关性。

滞后结构在组间的差异

与健康对照组相比，ADHD患者在默认模式网络（DMN）、执行控制网络（ECN）和突显网络（SN）中普遍表现出滞后结构的增加（Z值最低-3.983），而精神分裂症患者在这些网络中则普遍降低（Z值最低-3.716）。双相障碍患者表现出混合模式，部分区域滞后增加（如小脑VI区，Z=-3.912），部分降低（如右侧前扣带回，Z=4.739）。这一发现表明，不同精神疾病在神经信号传播时序上存在特异性异常，可能反映了各自独特的病理生理机制。

状态依赖性滞后结构

所有组别在从静息态转换到任务态时均表现出滞后结构的广泛降低。健康对照的降低幅度最大（最大Q统计量58），而精神分裂症患者降低幅度最小（最大Q统计量17），ADHD和双相障碍患者处于中间水平。这表明，健康大脑在应对任务需求时能更有效地加速全局信息整合，而精神疾病患者这种动态重组能力受损，可能与认知功能灵活性下降有关。

滞后结构与任务表现的相关性

在ADHD患者中，执行控制网络（如颞叶、小脑VI、VII区）的滞后结构与反应时间（SSRT）呈正相关，即滞后越高，任务表现越差。双相障碍患者则表现出混合相关性：后颞叶和钙质沟区域滞后与表现负相关，而突显网络和小脑区域则呈正相关。精神分裂症患者仅在中央执行网络和突显网络中发现负相关。这些结果提示，滞后结构的状态依赖重组可能与疾病特异的认知行为缺陷密切相关。

滞后结构与临床严重程度的相关性

ADHD患者的精神症状严重程度（BPRS总分）与皮层区域（如额叶、颞叶）的滞后结构呈正相关，而与基底节和岛叶区域呈负相关。双相障碍患者的BPRS评分与右侧颞极、杏仁核、海马及小脑区域的滞后呈正相关。精神分裂症患者仅在小脑 crus I 和 VI 区发现负相关。这表明，滞后结构不仅与行为表现相关，还可能作为疾病严重程度的潜在神经标志。

本研究

本研究通过引入滞后结构这一新型fMRI指标，揭示了其在精神疾病中的状态依赖性变化及与临床行为的相关性。主要结论包括：

1. 1.
   滞后结构在ADHD、双相障碍和精神分裂症中表现出疾病特异的异常模式，支持了神经动力学异常的精神病理学意义；
2. 2.
   从静息到任务态的滞后结构重组在健康个体中最显著，而在精神疾病患者中减弱，提示其可能作为大脑动态适应能力的指标；
3. 3.
   滞后结构与任务表现和症状严重度的相关性与疾病类型相关，表明其具备作为跨诊断生物标志物的潜力。

这些发现为理解精神疾病的神经机制提供了新的视角，强调了超越零滞后FC的分析方法在捕捉大脑时空动力学方面的价值。未来研究可进一步探索滞后结构在更大样本中的可靠性，及其在治疗反应预测和个体化医疗中的应用前景。本研究发表于《Brain Topography》，为精神神经科学领域提供了重要的初步证据。