《Journal of Neural Transmission》：Transdiagnostic monoamine-based subtyping for attention-deficit/hyperactivity disorder and autism spectrum disorder via unsupervised machine learning
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神经影像学和分子学研究已探讨了注意缺陷/多动障碍（attention-deficit/hyperactivity disorder, ADHD）和孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder, ASD）的病因学。然而，由于疾病内异质性和跨疾
神经影像学和分子学研究已探讨了注意缺陷/多动障碍（attention-deficit/hyperactivity disorder, ADHD）和孤独症谱系障碍（autism spectrum disorder, ASD）的病因学。然而，由于疾病内异质性和跨疾病表型重叠，其研究结果仍不一致。研究人员试图识别跨ADHD和ASD的基于单胺的亚型，并阐明其脑结构特征。在83名ADHD和/或ASD儿童中，研究人员应用无监督机器学习（NbClust结合K-means），利用尿液单胺代谢物（monoamine metabolite, MM）谱识别神经发育障碍（neurodevelopmental disorder, NDD）表型。对每个NDD表型以及作为对照组的83名典型发育（typically developing, TD）儿童，评估了行为症状、认知表现、皮质表面积和灰质体积（gray matter volume, GMV）。聚类识别出两种由尿液MM定义的NDD表型：NDD-A（n=18，包括5例ADHD、2例ASD和11例ADHD+ASD病例），特征为4-羟基-3-甲氧基苯乙二醇（4-hydroxy-3-methoxyphenylglycol, MHPG）、5-羟基吲哚乙酸（5-hydroxyindoleacetic acid, 5-HIAA）和高香草酸（homovanillic acid, HVA）水平升高；NDD-B（n=65，包括16例ADHD、19例ASD和30例ADHD+ASD病例），特征为这些代谢物水平降低。在NDD-A中，尿液MHPG水平与社会沟通困难呈正相关。NDD-B的认知控制、认知灵活性和抑制控制显著低于TD。在结构上，与TD相比，NDD-A在扣带回峡部（isthmus cingulate gyrus）表现出显著的表面积增大，而NDD-B主要在额-岛盖/眶额区域（fronto–opercular/orbitofrontal regions）表现出显著的GMV减少，并在顶上小叶（superior parietal lobule）和缘上回（supramarginal gyrus）有额外减少。这些发现表明，由尿液MM定义的NDD-A和NDD-B表型与不同的认知和脑结构特征相关。这种表型特异性可能为理解疾病内异质性和跨疾病表型重叠提供新的框架。
**论文解读：基于尿液单胺代谢物的ADHD与ASD跨诊断亚型分类及其脑结构特征**
**研究背景与问题**
注意缺陷/多动障碍（ADHD）和孤独症谱系障碍（ASD）是儿童和青少年中常见的神经发育障碍（NDD），患病率分别超过5%和1.5%。ADHD以注意力不集中、多动和冲动为特征，而ASD则表现为社会沟通与互动困难、限制性重复行为模式及感觉反应异常。然而，尽管《精神障碍诊断与统计手册》（DSM-5）提供了诊断标准，但ADHD和ASD患儿症状常超越单一疾病边界，存在显著的临床重叠、高共病率以及疾病内异质性。既往神经影像学研究发现，与典型发育（TD）个体相比，ADHD患者额叶、楔前叶和基底节区灰质体积（GMV）减少，ASD患者则在前额-颞叶、楔前叶、杏仁核和小脑区域GMV减少，但这些结果并不一致。同样，ADHD和ASD在脑结构上显示出重叠特征（如内侧颞叶、下顶叶皮层和小脑），但研究结论亦存在矛盾。单胺类物质（如多巴胺、去甲肾上腺素、5-羟色胺）因其与ADHD和ASD治疗药物（如哌甲酯、托莫西汀、利培酮）的药理学靶点相关，成为候选生物标志物。然而，针对脑内单胺系统的正电子发射断层扫描（PET）研究结果也不一致，这可能是由于疾病异质性和神经生物学重叠所致。外周单胺能指标，特别是尿液单胺代谢物（MM），如4-羟基-3-甲氧基苯乙二醇（MHPG，去甲肾上腺素代谢物）、5-羟基吲哚乙酸（5-HIAA，5-羟色胺代谢物）和高香草酸（HVA，多巴胺代谢物），因可通过血脑屏障的有机阴离子转运体3系统从脑转运至尿液，有望作为非侵入性脑单胺活性生物标志物。然而，目前关于NDD亚型脑结构的研究多局限于临床症状和认知功能相关亚型，基于尿液MM模式的亚型分类尚属空白。因此，本研究旨在通过无监督机器学习方法，识别跨ADHD和ASD的基于单胺的亚型，并阐明其脑结构特征，以解决疾病内异质性和跨疾病表型重叠问题。
**研究方法**
研究从日本福井大学附属医院招募了83名根据DSM-5诊断为ADHD、ASD或共病的儿童（NDD组），以及83名来自当地社区的TD儿童作为对照，年龄6-17岁，韦氏全量表智商≥70，无神经系统、心血管或精神疾病史，且在实验前在医生监督下停药。主要关键技术方法包括：1）尿液MM测定：收集新鲜中段尿液，采用高效液相色谱-电化学检测法（HPLC-ECD）测定MHPG、5-HIAA和HVA水平，并计算归一化尿液MM值；2）无监督聚类分析：应用NbClust R包（采用欧氏距离和K-means法）基于尿液MM谱对NDD组进行聚类，确定最优聚类数，并通过支持向量机（SVM）结合五折交叉验证评估亚型内部可重复性；3）脑结构分析：采用基于体素的形态测量学（VBM）和基于表面的形态测量学（FreeSurfer）分别评估全脑GMV和皮质表面积，VBM统计分析使用阈值无关簇增强（TFCE）结合5000次置换检验，皮质表面积分析采用线性混合效应模型；4）认知与行为评估：包括社会反应量表（SRS-2）、Conners 3量表、剑桥神经心理学测验自动成套（CANTAB）中的停止信号任务和空间工作记忆任务，以及连线测试（TMT）A和B部分。所有分析均校正了年龄、性别、家庭ID、利手和颅内总体积等协变量，并采用错误发现率（FDR）或族系误差（FWE）校正。
**研究结果**
**人口统计学与MM模式聚类**
应用NbClust，26个有效性指标中有11个支持两簇解，最终确定k=2为最优聚类。NDD-A亚型（n=18，包括5例ADHD、2例ASD、11例ADHD+ASD）特征为尿液MHPG、5-HIAA和HVA水平显著高于TD组（均p-FWE<0.01）；NDD-B亚型（n=65，包括16例ADHD、19例ASD、30例ADHD+ASD）特征为这三种代谢物水平显著低于TD组（均p-FWE<0.01）。SVM重复交叉验证显示高分类性能（测试集准确率0.97±0.03，精确率0.97±0.08，召回率0.92±0.12，F1分数0.94±0.08）。在NDD-A中，MHPG水平与SRS-2总分呈正相关（p-FDR=0.013），表明去甲肾上腺素能活性升高与社会沟通困难相关。
**认知特征**
与TD组相比，NDD-B亚型在连线测试B（TMT-B）执行时间、TMT-Δ（TMT-B与TMT-A差值）时间以及停止信号任务中Go试次的方向错误频率上均显著增大（均p-FWE<0.05），表明NDD-B表现出更低的认知控制、认知灵活性和抑制控制。在NDD-B中，MHPG、5-HIAA和HVA水平与TMT-B执行时间呈正相关（均p-FDR<0.05），提示该亚型中单胺能活性增强与认知控制减慢相关。NDD-A与TD在认知功能上无显著差异。
**脑结构特征**
与TD相比，NDD-A亚型在右侧扣带回峡部（isthmus cingulate gyrus）表现出显著更大的皮质表面积（p-FWE=0.045）；NDD-B亚型未发现显著皮质表面积差异。然而，全脑VBM分析（TFCE）显示，NDD-B亚型与TD相比，存在一个跨越左中央和额下岛盖区域（left central and inferior frontal opercular regions）的大范围显著簇，表示GMV减少，额外峰值还包括右侧顶上小叶（right superior parietal lobule）和右侧缘上回（right supramarginal gyrus）的GMV减少（均p-FWE<0.025）。NDD-A亚型未见显著GMV差异。MM水平与脑结构特征之间未发现显著相关性。
**讨论与结论**
**特异性解读**
NDD-A亚型呈现单胺能功能亢进模式，其MHPG水平与社会沟通困难正相关，但认知功能完好。研究人员认为，这符合单胺水平与认知功能之间的倒U型关系，且去甲肾上腺素能通路（从蓝斑投射至杏仁核和扣带回皮层）可能参与社会行为调节。NDD-B亚型则呈现单胺能功能减退，同时表现出更差的执行功能，这与前额叶皮层中5-羟色胺、去甲肾上腺素和多巴胺系统的交互调控有关。NDD-B中较高的MM水平与更差的认知控制相关，提示可能存在复杂的调节机制。
**脑结构异常特异性**
NDD-A的扣带回峡部表面积增大，该区域连接后扣带回与海马旁回，参与情绪调节和情景记忆，且与ASD社交能力评分相关，可能反映了去甲肾上腺素能神经连接异常导致的皮质过度生长。NDD-B的GMV减少主要位于额-岛盖/眶额区域，与ADHD的meta分析结果一致，特别是左侧额下回岛盖部，其GMV减少与反应抑制受损相关；此外，眶额皮层参与执行功能，可解释NDD-B的执行控制困难。额外顶叶区域（顶上小叶和缘上回）的GMV减少可能提示注意和语言相关过程易损性。
**结论翻译**
研究人员使用非侵入性尿液MM谱识别了ADHD和/或ASD儿童中的NDD亚型，并在考虑多种混杂因素后检查了其神经生物学特征。据研究人员所知，该领域此前尚未描述过这种方法。由尿液MM定义的NDD-A和NDD-B亚型显示出不同的单胺能谱和亚型特异性的神经解剖学特征。本研究为理解ADHD和ASD中的疾病内异质性和跨疾病表型重叠提供了一个新的框架。
