摘要
与脑肿瘤、痴呆和中风等神经系统疾病不同，所有精神障碍的神经机制仍不清楚。通过结构和功能性磁共振成像、正电子发射断层扫描/单光子发射计算机断层扫描和光学成像获得的大量研究表明，在精神障碍发作时和处于此类障碍风险中的个体中，局部和疾病特异性脑改变。许多研究表明，精神药物会引起与临床结果相关的大脑解剖和功能的特定可测量变化。因此，一个新的放射学领域，称为精神放射学，似乎准备在指导精神障碍患者的诊断和治疗计划决策中发挥重要的临床作用。这篇文章将提出在这一领域的艺术的状态，以及关于在放射学领域为它的发展做准备的观点。此外，这篇文章将(a)给一个精神放射学的成像和分析方法的概述；(b)审查抑郁症和精神分裂症等重大精神疾病研究中最有力和最重要的放射学发现及其潜在的临床价值；和(c)描述这一领域的主要挑战和未来方向。开发基于生物学的术语以描述精神障碍和转化研究以预测和跟踪对不同治疗药物的反应的持续和迭代过程，为下一代精神病学诊断实践从基于心理症状的方法向基于影像的方法的转变奠定了基础。这种转变将需要对脑图像的采集、分析和解释进行相当大的创新，所有这些无疑都需要放射科医生的积极参与。©RSNA，2016在线补充资料可供本文参考。
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介绍
心理放射学是一个描述精神病学和放射学领域之间日益增长的交叉的术语，并且是与神经放射学和神经学密切相关的放射学的新兴分支。在临床实践中，心理放射学表明在患有严重精神障碍的患者中使用放射学方法，并涵盖从诊断到治疗计划和监测。精神障碍传统上被归类为由患者主诉和行为观察定义的广义综合征，而不是根据其潜在的神经生物学基础。这导致在描述精神病综合征时缺乏特异性，并限制了药物开发的成功。显然，在精神疾病的治疗中迫切需要精准医疗。
诊断和治疗精神疾病的最大困难之一是人类的行为是复杂的；因此，当试图理解发病机理时，精神障碍可能难以在动物模型中研究。这些挑战减缓了精神病学作为临床医学领域的进展；然而，近几十年来，主要来自临床脑成像以及人类死后大脑研究和遗传研究的进展极大地增加了对这些疾病的神经基质的生物学理解。这些进展为常见精神障碍(如抑郁症和精神分裂症)的大脑异常模式的客观定量测量的发展提供了方向。因此，在新生的精神放射学领域中使用的神经成像不仅被认为是一种根据当前标准促进诊断的方法，而且被认为是一种增加神经生物学信息的方法，以从根本上改变对疾病本身的定义和理解。尽管心理放射学尚未达到临床实践所需的程度，但它是一个快速发展的领域，放射科医生的积极参与对确保其成功至关重要。
人们普遍认为，患有精神疾病的患者很少具有在传统的诊断性成像检查中可见的大脑缺陷，例如放射线照相术、计算机断层扫描(CT)或常规磁共振(MR)成像。因此，放射学在诊断精神疾病中的作用通常被认为是有限的。事实上，精神病学中的神经影像研究已经产生了客观的可理解的证据，以支持主要精神疾病与内在脑障碍相关的观点。在1976年，第一次精神分裂症的CT成像研究显示双侧脑室扩大，这是对该疾病的神经病理学的重要确认(1).从那时起，许多精神病学研究人员使用脑成像来阐明与不同精神疾病相关的大脑异常的概况。近年来，由于磁共振成像、分子成像和其他诊断成像技术的快速和广泛的发展，这种努力大大加快了。
对精神障碍的神经生物学机制理解的增加，人类大脑成像技术能力的提高，以及在大脑解剖和功能方面患者和对照受试者之间差异的许多令人信服的证明，为精神放射学临床子专业的出现提供了基础。尽管心理放射学的临床应用还没有出现，但当人们越来越认识到迫切需要改善严重精神疾病的诊断实践，根据生物学特征、临床病史和症状对患者进行分类时，利用精神病学和放射学发展的机会就来了。此外，在过去的几十年里，根据精神疾病诊断和统计手册(DSM)的不同版本，精神疾病的定义也发生了变化。精神病学正在积极努力转向使用神经生物学参数来诊断疾病和个体化治疗。考虑到大量患有精神疾病的患者以及大多数主要疾病的患病率超过1%的事实，心理放射学的进步可以通过改善许多患者的生活而对医疗保健产生相当大的影响。
这篇综述文章将介绍该领域的最新进展，包括(一)心理放射学的成像和分析方法综述:(二)对主要精神障碍(如抑郁症和精神分裂症)研究中最可靠和最重要的放射学发现以及这些发现的潜在临床价值进行综述；和(三)讨论该领域的主要挑战和未来方向。我们将把我们的讨论限制在已被广泛研究的选定精神障碍上，包括重性抑郁障碍(MDD重性抑郁障碍)、精神分裂症、双相情感障碍(BD双相情感障碍)、注意缺陷多动障碍(ADHD注意缺陷多动障碍)、创伤后应激障碍(PTSD创伤后应激障碍)和自闭症谱系障碍。不讨论各种物质滥用的影响。我们的重点将是解剖和功能磁共振成像研究，而不是磁共振波谱或正电子发射断层扫描(PET)/单光子发射CT (SPECT)研究，这些研究的结果更好地建立。
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方法论上的考虑
精神病学中大脑疾病的两个关键特征特别值得注意。脑缺陷主要与脑功能有关，而不是总体解剖改变，并且变化不大，需要定量分析，而不是图像的视觉检查。因此，开发和使用非侵入性定量方法来观察精神障碍患者体内的结构和功能性脑变化模式是精神放射学的主要任务。
高空间分辨率T1加权结构磁共振成像用于检测灰质形态学的改变，包括局部体积、皮质厚度、脑回和皮质下结构的形状。基于体素的分析是一种基于计算机的技术，可用于识别全脑任何部分给定指标的变化，无需事先假设，通常用于探索精神障碍患者的灰质变化。此外，被认为是精神障碍的内在方面的大体解剖学改变现在已知在治疗后会改变(2).白质缺陷主要通过扩散张量(DT扩散张量)成像和磁化传递成像来表征。使用DT扩散张量成像，MR成像研究感兴趣的目标区域(ROI感兴趣的区域)，并且通过使用基于体素的分析和基于束的空间统计，研究人员已经量化了参数，包括分数各向异性和平均扩散率，以识别精神障碍患者中纤维束的物理性质的变化，例如堆积密度、髓鞘形成和轴突直径(3).精神疾病患者的灰质和白质变化都很轻微，很少根据图像的视觉检查判断为具有临床重要性。然而，现在许多研究表明，这些改变在不同的患者群体中是不同的，并且与疾病的严重程度和治疗结果有关(4).这些缺陷的原因尚不清楚，可能包括遗传因素、生活经历、产前挑战、药物作用和社会经济因素。然而，值得注意的是，在“首次发作”患者(即在任何治疗前经历疾病首次发作的患者)以及受影响患者的未受影响家庭成员中发现了许多异常，因此它们似乎是疾病的基础。
除了结构性MR成像之外，功能性MR成像已经被广泛用于识别精神疾病患者的脑功能或生理异常。基于由特定任务诱发的血氧水平依赖性信号的变化，大量文献记录了感觉、认知和情感脑回路的中断，通过血氧水平依赖性信号的增加或减少反映了神经活动的任务相关变化。功能磁共振成像提供了一个重要的非侵入性的机会来评估体内神经元活动和神经回路。它的使用极大地扩展了对人类大脑和行为系统的理解。大量具有不同任务的功能性MR成像研究已被用于识别精神病患者中特定症状和神经认知损伤的脑机制(5,6).
基于任务的功能磁共振成像，包括检查一个人执行特定心理任务时大脑活动的变化，几乎只用于早期精神病学成像研究。这种方法的基本原理类似于运动负荷超声心动图测试，因为支持特定心理过程的特定功能性大脑系统可以被递增负荷以评估其功能完整性。
最近，静息态功能磁共振成像也得到广泛应用。在受试者安静休息时评估大脑的连通性和活动具有使人们能够探测全脑功能完整性的优点，同时不需要患者执行认知任务。已经测量了休息期间血氧水平依赖信号的低频波动，以研究形成功能整合脑网络并支持不同神经行为功能的皮质区域之间的时间相关性。MR光谱学和PET/SPECT用于获得关于大脑新陈代谢和化学的信息。用定量方法检测神经递质，如γ-氨基丁酸和谷氨酰胺或谷氨酸，是MR波谱在精神障碍患者中最重要的应用之一，因为大多数精神障碍被认为涉及这些神经递质系统中的一种或两种的缺陷。MR灌注加权成像(包括内源性动脉自旋标记技术)和PET/SPECT可以揭示静息脑灌注的变化，作为评估脑局部血供变化的替代方法。
虽然前面提到的模式已经被用于研究大多数精神疾病，但没有证据表明一种技术比其他技术在临床上更有用，因为每种模式对不同的大脑缺陷敏感。例如，在抑郁症患者的结构研究中一直报道海马体的灰质萎缩，而其他研究显示在功能性MR成像中海马体的活性降低，低浓度的N-乙酰-l-天冬氨酸和谷氨酰胺，以及在DT扩散张量成像和静息态功能性MR成像中涉及海马的功能性连接中断。因此，不同模式的研究提供了抑郁症患者海马缺损的趋同证据。
迄今为止，磁共振成像已被证明是最广泛使用和最丰富的精神病学成像策略；然而，其他模式可能提供有用的补充信息。例如，CT已经用于精神分裂症患者来描绘心室增大(1)，这反过来又与较差的急性治疗反应和长期临床结果有关。PET/SPECT是有用的，因为与当前的MR技术相比，这种形式可以更灵敏地检测代谢或灌注变化。这导致了各种混合形式的成像设备的发展，其结合了不同成像技术的优势，例如SPECT/CT、PET/CT和PET/MR成像。脑磁图和光学成像方法，如功能近红外光谱，也可能是互补的。前者能够以高时间分辨率灵敏地检测皮质活动，而后者可用于无创测量血红蛋白浓度的变化，作为脑功能变化的间接测量。
虽然心理放射学中的图像采集方法在很大程度上类似于临床神经放射学中的图像采集方法，尽管涉及更多地使用功能性MR成像和不同的PET配体，但心理放射学中的图像分析方法却相当不同。两个主要的策略被用来探索精神疾病的神经机制。第一种是利用脑功能系统的知识，在观察到的行为问题的基础上，假设大脑出了什么问题。使用基于任务的功能磁共振成像来探测特定大脑系统的功能完整性是这种方法的典型例子。这种方法使图像采集适合于特定患者的问题，并且本质上是跨学科的。例如，注意力缺陷在ADHD注意力缺陷多动障碍患者中很常见，我们使用修改的Stroop任务(测试注意力的经典任务)来检查ADHD注意力缺陷多动障碍患者的前扣带皮层(注意力的核心结构)的功能(7).虽然活动通常是通过大脑来测量的，但行为任务的选择当然预先决定了哪些大脑区域将显示出增加的活动。第二种方法是使用标准成像协议从全脑研究中探索患者的大脑缺陷，然后在事实发生后确定成像结果是否可能与障碍相关的行为问题相关。例如，我们使用静息态功能磁共振成像和基于体素的分析来探索精神分裂症患者的功能缺陷，并发现内侧前额叶皮质的活动减少，这与症状的严重性相关，并被认为与症状的严重性相关(8).前一种策略在精神病学研究中很常见，特别是对于功能性MR成像，后一种策略在临床放射学中更为标准。这两种策略被广泛使用，并具有不同的优势和局限性，随着时间的推移，该领域将需要确定如何最好地利用这两种方法进行心理放射学临床评估。
由于大脑中支持复杂心理过程的神经活动取决于广泛分布的神经网络中的整合活动，研究人员已经开始从神经网络的角度研究精神疾病，而不是孤立地评估大脑区域的完整性。反映大脑区域之间相互作用的功能连接性测量和图论分析(一种量化大脑网络拓扑性质的方法)在这一领域显示出潜力。连通性改变是复杂的，从治疗开始后观察患者获得的证据表明，它们在一定程度上依赖于状态。因此，它们可用于药物对大脑作用的药效学测量；因此，它们可以作为治疗结果评估的生物标志物。我们最近在以这种方式研究的未经治疗的精神分裂症患者的最大样本中确定了不同前额皮质区域的高连接和低连接(n = 129) (9).此外，功能连接性变化的模式与精神分裂症的症状严重程度相关，并在诊断分类(9).此外，在精神分裂症患者的未受影响的家庭成员中观察到一些连接性的改变，并且可能与疾病的遗传易感性有关(10).然而，对这些电路水平变化的可靠性、病理生理学基础和临床重要性的理解仍处于早期阶段。
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揭示精神疾病的神经基础
解剖和功能性脑成像的使用对精神病学产生了巨大的影响，为许多人认为本质上是心理性的疾病提供了一些最有力和最直接的形态学和功能性脑改变的证明。随着时间的推移，这些方法已经产生了关于精神障碍的常见和重叠神经机制的信息，包括MDD重度抑郁障碍、精神分裂症、BD双相障碍、ADHD注意缺陷多动障碍、PTSD创伤后应激障碍和自闭症谱系障碍(餐桌E1【在线】)。以下引用的大多数文章使用DSM精神障碍诊断和统计手册第四版作为诊断标准，但自DSM精神障碍诊断和统计手册第三版以来，DSM精神障碍诊断和统计手册主要障碍的标准没有发生重大变化。
重度抑郁障碍
MDD重度抑郁障碍患者的多个大脑区域，尤其是前额叶-边缘回路().我们最近对未接受药物治疗的MDD重度抑郁障碍患者进行的基于体素的形态学研究的荟萃分析发现，前额叶和边缘区的灰质明显减少，主要包括双侧额上回、外侧颞中回和额下回以及双侧海马旁回和海马(11).皮质下脑改变包括MDD重性抑郁障碍患者海马体积变小，这似乎受发病年龄的影响，复发患者的海马体积大于首次发作患者(12).值得注意的是，海马体积较小的有趣发现与“抑郁症的神经营养假说”有关，该假说提出，MDD重度抑郁症患者下丘脑-垂体-肾上腺轴慢性过度活动相关的糖皮质激素水平升高，可能通过重塑和生长因子(包括脑源性神经营养因子(13).此外，这些解剖变化是不同的(一)在经历首次发作的患者和患有慢性疾病的患者之间(14)和(二)缓解的MDD重度抑郁障碍患者和目前抑郁的患者之间(15).整个大脑皮质厚度增加和减少的可变模式表明，对整个大脑变化的轮廓分析可能比测量任何特定大脑区域的变化更有助于诊断。
图1:
MDD重性抑郁障碍患者涉及的神经网络主要包括内侧额叶皮质、颞叶皮质和枕上皮质。解剖和功能的变化都显示在，A，优越的视野，B，前视图。红色和黄色斑点分别代表灰质体积和功能的变化，绿色斑点代表功能和解剖变化的区域。C，主要白质束(绿线)，通过DT扩散张量成像揭示完整性的变化。ACG。L=左前扣带回；ACG。稀有=右前扣带回；臀部。稀有=右侧海马体；IFGoperc。L=左额下回，盖部；IFGoperc。稀有=右额下回，盖部；IFGtriang。L=左额下回，三角部；IFGtriang。稀有=右额下回，三角部分；制造商。L=左额中回；制造商。稀有=右侧颞中回；ORBinf。L=左额下回眶部；ORBinf。稀有=右额下回眶部；奥比米德。L=左额中回眶部；奥博赛普。稀有=右额上回眶部；PCG。L=左后扣带回；PCG。稀有=右后扣带回；放。L=左侧豆状核，壳核；放。稀有=右侧豆状核，壳核；SFGdor。稀有=右额上回，背外侧；那。L=左侧丘脑；那。稀有=右侧丘脑。
