青少年ADHD双通路模型的神经相关性

**目标：**双通路模型已被提出，通过两种基于不同脑回路的独立心理通路来解释注意缺陷多动障碍(ADHD)症状的异质性。作者试图测试假设的认知和动机通路是否具有可分离的神经相关性。
**方法：**在一项基于1963名青少年的纵向队列研究中，通过体素关联分析确定了ADHD的神经解剖学相关性，然后使用一个独立的临床样本(99名未用药的ADHD患者、56名ADHD患者和267名健康对照受试者)进行验证。通过对工作记忆、注意力调节、停止信号反应时间和延迟折扣任务的神经心理学测试来评估认知和动机通路。我们测试了确定的神经解剖学相关因素与2年后的ADHD症状和ADHD的多基因风险评分之间的关联。
**结果：**前额叶簇和后枕叶簇的灰质体积与注意力不集中呈负相关。与健康对照组相比，未用药患者，而不是用药患者，这两个脑区簇的灰质体积明显较低。工作记忆和注意力调节与后枕叶簇的灰质体积相关，而延迟折扣任务反应都与这两个簇相关。在2年的随访中，后枕叶簇的基线灰质体积预测了注意力不集中症状，并与ADHD的遗传风险相关。
**结论：**双通路模型具有共享的和可分离的神经解剖学相关性，而枕叶皮层的共享相关性有可能作为ADHD的影像特征标志物，特别是注意力不集中症状。

1.引言
注意缺陷多动障碍(ADHD)是最常见的神经发育障碍之一，影响全球5.9%-7.1%的儿童和青少年，其中50%-66%的病例持续到成年。该疾病的特点是其显著的异质性，因为接受诊断的患者经常在不同的症状领域出现神经心理损伤。因此，识别这些异质性损伤背后的神经异常可能会提高这种疾病的诊断准确性和治疗效率。

为了解释这种异质性，双通路模型建议，两个可分离的病理生理通路导致多动症的不同症状，包括认知功能障碍，如工作记忆缺陷，注意力调节（物体内变异）和反应抑制（停止信号反应时间）和动机功能障碍，如相比于更大的延迟奖励喜欢小、直接奖励（延迟折扣）。由于在神经成像研究中，额-纹状体功能障碍经常与ADHD有关，因此提出了一种假说，即这两种途径可以分离成导致认知功能障碍的额-背侧纹状体回路，以及负责认知功能障碍的额-腹侧纹状体回路。先前的行为研究报道，ADHD儿童有认知和动机缺陷，这两种缺陷都独立导致ADHD的症状。然而，认知和动机缺陷是独立的还是相互相关的仍存在争议。最近的研究似乎表明，这两条路径之间存在功能重叠，例如，工作记忆训练也可以改善延迟折扣。在神经影像学研究中，在额-纹状体模型之外的大规模大脑系统也被讨论了，例如，2016年的一项荟萃分析报告了ADHD患者在右侧基底神经节/岛叶和前额叶皮质以及左侧枕叶的结构异常。

因此，本研究是为了测试与ADHD症状有关的这两种通路是否通过共享和/或可分离的神经解剖学相关物。我们首先分析基于大规模的人群样本以确定其神经解剖学相关性，然后使用独立的临床样本验证研究结果。在这个临床样本中，对于药物和未药物的ADHD患者，我们也能够评估药物对这些神经解剖学相关性的影响。据我们所知，这是第一个评估已确定的神经解剖学与认知缺陷（即工作记忆、注意力调节、停止信号反应时间）和动机缺陷（即延迟折扣）相关的独立关联的研究。为了证明我们的研究结果可能是ADHD的中间表型，我们进一步测试了已确定的神经解剖学相关性是否有助于解释2年后的ADHD症状，以及这些相关性是否与该疾病的遗传风险相关。

2.方法
2.1 被试
探索数据集：IMAGEN是一项基于社区的关于青少年大脑发育的纵向研究。关于招聘程序的细节已在其他地方公布。所有参与者及其法定监护人均获得了书面的知情同意。共有1963名参与者（952人，49%男性），他们完成了心理测量评估，其基线（即14岁）质量控制的神经影像数据被纳入分析（表1）。

验证数据集：ADHD-200是一项多中心临床研究，由每个中心的当地研究伦理审查委员会批准。共有233名ADHD患者和267名典型发育对照受试者(141名男性；平均年龄11.98岁[SD=3.04])，他们的质量控制MRI数据被纳入分析。在ADHD患者中，129例为混合亚型，96例为不注意亚型，8例为多动/冲动亚型；56例已用药，99例从未用药，78例患者的药物信息缺失。总智商得分 > 80是纳入标准。

2.2 测量指标
ADHD：注意缺陷多动障碍特征和困难问卷(SDQ)在IMAGEN的基线和随访中进行，是一种有效的儿童和青少年心理健康问题的评估工具，在IMAGEN中被证明是一种有前途的ADHD症状评估。多动-注意力不集中子量表由五个项目组成，涵盖了ADHD的三个关键症状领域；该子量表的内部一致性(克隆巴赫alpha = 0.75)处于可接受的水平。ADHD总分是所有五个项目的总分；注意力不集中得分用两个项目（“注意力不集中”和“注意力良好”）计算，多动-冲动得分用其他三个项目（“不安”、“烦躁不安”和“反思”）计算。在全国流行病学研究中，以6分为间隔简历SDQ总分的3种症状验证程度分类（正常：SDQ < 6, 80%；边界：SDQ = 6, 10%；异常：SDQ > 6, 10%）。我们使用家长报告SDQ是因为它比儿童自我报告版本更可靠，而且家长报告SDQ也与临床评估(报告的ADHD的优势比为32.3和5)有更强的相关性。在14岁和16岁时得分异常的参与者被分为持续性ADHD组，而在两个年龄段时得分正常的参与者被分为典型发育的对照组。

延迟折扣：金钱选择问卷是一种有效和可靠的延迟折扣测量方法，已在青少年中得到验证，并在基线时实施。它包含27个二分选择项目，在三个级别的奖励大小（小、中、大）中，有一个较小的即时奖励和一个较大的延迟奖励。在双曲折扣方程中，每个奖励水平的k系数越高，表示对小的即时奖励和冲动性的偏好越高。几何平均值被计算并进行了对数转换，以用于我们的分析。

工作记忆：由剑桥神经心理测试自动评估的空间工作记忆，在基线时进行了测量。这种测量参与者保存空间信息能力的自有序搜索任务被广泛应用于儿童和青少年ADHD的研究。错误数被用作工作记忆的评估指标。

注意力调节（对象内变异）和停止信号反应时间：在功能MRI(fMRI)中进行该二项任务获得注意力调节（对象内变异）和停止信号反应时间。通过在成功的go试验中，反应时间的标准差来估计受试者内的变异性。停止信号反应时间是通过减去平均停止信号延迟从平均正确的去反应时间来估计的。正确率低于50%且停止信号反应时间为负的参与者被排除在外。

2.3 结构MRI
在IMAGEN中详细描述了MRI采集协议和质量控制。使用3-T扫描仪收集了高分辨率T1加权磁化梯度回波序列，并使用VBM8工具箱进行预处理。

2.4 基因数据
基因分型来自于IMAGEN参与者的血液。利用Illumina人类基因分型BeadChip收集了582,982个标记的基因型信息。经过质量控制，我们的样本纳入1790例病例，共506932个单核苷酸多态性，可用于建立ADHD多基因风险评分(PRS)。

2.5 统计分析
体素级的全脑关联分析：使用SPM12中的一般线性模型在体素水平上进行全脑分析，以识别IMAGEN中与ADHD总分相关的灰质体积团簇。以年龄、性别、偏手性、总颅内容积和站点作为协变量。在神经发育障碍的认知研究中，智商不被推荐作为一个需要控制的变量，因为它经常受到疾病的影响。在体素水平上，未校正的p阈值为0.001，FWE校正的p阈值为0.05，用于识别显著的团簇。

神经心理关联分析：对神经心理测量（工作记忆、注意力调节、停止信号反应时间和延迟折扣）与显著团簇的灰质体积进行相关分析，并控制年龄、性别、偏手习惯、总颅内容积和站点。置信区间由5000次引导给出。接下来，我们将其他变量作为对一个变量进行关联分析的协变量。如果在控制其他变量后，显著关联变得不显著，那么这种关联不是独立于其他变量，而是由认知和动机缺陷之间的一些共同因素贡献的。

前瞻性关联分析：我们将我们的分析扩展到IMAGEN参与者16岁时的ADHD症状。采用分层多元回归法确定基线特征与ADHD症状之间的显著相关性。在这些具有协变量和相应基线症状的回归模型中，行为变量和灰质体积被逐一输入。如果某一变量显著的提升了模型的性能则该变量会被保留(即，一个显著的ΔR2, p < 0.05)。

在控制性别、偏手性、总颅内体积和站点的情况下，在持续性ADHD组和典型对照组之间进行协方差分析。结果的显著性由10,000个随机置换建议(报告为p-perm)表示，并通过匹配良好的样本之间的比较进行验证(健康对照受试者由R包MatchIt选择，以匹配样本量与持续性ADHD组)。

多基因分析：最新的20183名ADHD患者和35191名对照受试者的全基因组关联荟萃分析作为发现数据集；汇总统计数据从精神病学基因组学联盟(http://www.med.unc.edu/pgc/resultsand-downloads)。下载主要的分析是基于p < 0.50的阈值，因为它最大限度地捕获表型方差，使用PRS软件(PRSice；http://prsice。info/)。在控制年龄、性别和站点的情况下，通过偏相关分析控制偏手性和总颅内容积，检验PRS与神经心理变量的相关性，并评估其与显著团簇的灰质体积的相关性。

验证分析：我们将与IMAGEN中相同的结构神经成像数据预处理管道应用于ADHD-200临床样本。使用IMAGEN中识别的重要团簇的mask，提取每个聚类的灰质体积进行分析。我们通过比较对照组患者，测试了ADHD患者是否具有较低的灰质体积；2)通过比较两种ADHD亚型和对照组，哪个ADHD患者亚型的显著聚类的灰质体积最低；3)通过未用药患者、用药患者和对照组的组比较，药物是否对显著团簇的灰质体积减少有任何补救效果。所有分析均对年龄、性别、偏手性、总颅内容积和站点进行了控制。

3.结果
3.1 描述统计
在基线的IMAGEN队列中（表1），工作记忆、受试者内变异性和延迟折扣与ADHD症状呈正相关，且相关性没有相互混淆（表2）。ADHD症状与停止信号反应时间无显著相关性(p > 0.05)，因此不纳入进一步分析。延迟折扣率与工作记忆错误(r = 0.13，df = 1952，p < 0.001, 95%CI = [0.08, 0.17])和注意力调节(r = 0.09，df = 1835，p < 0.001, 95%CI = [0.04, 0.13])呈正相关。

3.2 注意力不集中的神经解剖学相关性
在基线IMAGEN中，我们发现较高的ADHD总分与前额叶皮层的灰质体积相关(x = 219.5，y = 49.5，z = 3；3357体素；峰值= 24.29，df = 1950，pFWE < 0.001)和后枕叶皮层(x = 21.5，y = 91.5，z = 15；1295体素；峰值= 24.32，df = 1950，pFWE = 0.025)。前额叶团簇覆盖左侧腹内侧前额叶皮层、背侧前扣带皮层和前岛叶，后枕叶簇主要位于左侧楔叶，并延伸至左侧距骨皮层（图1）。这些关联没有被站点效应或智商分数混淆。在控制注意力不集中评分后，这些关联变得不显著，但在控制多动-冲动性评分后仍然显著(前额叶团簇：r = 20.08，df = 1949，p < 0.001, 95%CI = [20.03, 20.13]；后枕叶团簇：r = 20.07，df = 1949，p = 0.002, 95%CI = [20.03, 20.11])。

图1. 结果是通过14岁IMAGEN队列的体素全脑分析(N=1963)。以年龄、性别、偏手性、总颅内容积和站点作为协变量。在体素水平上，未校正的p阈值为0.001，cluster-level(FWE)校正后的p阈值为0.05，用于识别显著的团簇。两个簇与ADHD总分呈负相关：前额叶团(x = 219.5，y = 49.5，z = 3；3357体素；峰值= 24.29，df = 1950，pFWE < 0.001)和后枕叶皮层团簇(x = 21.5，y = 91.5，z = 15；1295体素；峰值= 24.32，df = 1950，pFWE = 0.025)。没有发现团簇与ADHD总分呈正相关。

3.3 注意力不集中与神经解剖学相关，与工作记忆、注意力调节或延迟折扣选择性相关
在基线的IMAGEN中，我们发现即使控制了注意力调节和延迟折扣，工作记忆错误也与后枕叶团簇变小的灰质体积相关(r = - 0.07，df = 1831，p = 0.005)，（表2）。与工作记忆类似，即使在控制工作记忆和延迟折扣后，注意力调节增加与后枕叶团簇灰质体积降低相关(r = - 0.05，df = 1831，p = 0.027)（表2）。即使在控制了工作记忆和注意力调节，较大的延迟折扣率与两个团簇的较低的灰质体积相关(前额叶团簇：r = - 0.05，df = 1831，p=0.042；后枕叶团簇：r= - 0.05，df = 1831，p = 0.049)（表2）。

3.4 与注意力不集中有关的前瞻性关联（2年后）
在控制了14岁时相应的ADHD症状后，14岁时的工作记忆和延迟折扣与注意力不集中(t = 2.35，df = 1505，p = 0.019)和多动冲动(t = 2.24，df = 1505，p = 0.025) 选择性相关。在多元回归模型中，我们发现工作记忆(t = 2.04，df = 1404，ΔR2 = 0.002，p = 0.042)和后枕叶团簇灰质体积(t = - 3.55，df = 1404，ΔR2 = 0.005，p < 0.001)与2年后注意力不集中有关（表3）。

与正常发育的对照组相比, 持续性ADHD青少年患者有更小的前额叶团簇灰质体积(N = 1,278; 5.23 mL [SD = 1.03]比6.23 mL [SD = 1.19]；F = 6.37，df = 1,1295，p-perm = 0.012；η2p =0.005)和更小的后枕叶团簇灰质体积(2.06 mL [SD=0.35]和2.19 mL [SD = 0.28]；F = 5.12，df = 1,1295，p-perm = 0.022；η2p =0.004)。

3.5 神经心理学和神经解剖学中间表型与ADHD多基因风险的关系
IMAGEN样本中，我们发现ADHD更高PRS与更高ADHD基线总分(r = 0.14，df = 1779，p < 0.001, 95%CI = [0.097,0.188])，更多的工作记忆错误(r = 0.07，df = 1779，p = 0.002,95%CI = [0.026,0.121])，更大的延迟贴现率(r = 0.06，df =1779，p = 0.007, 95%CI= [0.021,0.109])，和更低灰质体积(r = - 0.06，df = 1777，p = 0.009, 95%CI = [- 0.106，- 0.015])显著相关。

3.6 使用ADHD临床队列进行验证
在ADHD-200样本中，我们证实患者的前额叶灰质体积( 3.86 mL [SD = 1.67] 比4.40 mL [SD = 1.56]；F = 12.18，df = 1,491，p < 0.001；η2p = 0.024)(图2A)和后枕叶团簇(1.21 mL [SD = 0.30]，比1.28 mL [SD = 0.29]；F = 9.28，df = 1,491，p = 0.002；η2p = 0.019)(图2B)。这些体积减少在混合亚型(N=129)患者中不显著，仅在不注意亚型患者中显著（N = 96；前额叶团簇：F = 12.92，df = 1354，p < 0.001；η2p = 0.035；后枕叶团簇：F = 7.29，df = 1354，p = 0.007；η2p = 0.20）（图2C-D）。

图2. 研究结果是基于ADHD-200队列。所有面板的y轴是已识别的团簇的灰质体积随年龄、性别、偏手性、总颅内体积和站点的回归。底部和顶部是最小值和最大值，中间是中位数。显著的组间比较用星号表示。图A描述了典型发育的对照组受试者(N = 267)和ADHD患者(N = 233)之间前额叶团簇灰质体积的差异。图B描述了典型发育组(N = 267)和ADHD患者(N = 233)之间后枕叶团簇灰质体积的差异。图C描述了典型发育组(N = 267)、合并亚型ADHD组(N = 129)和不注意亚型ADHD组(N = 96)之间前额叶团簇灰质体积的差异。图D描述了典型发育组(N = 267)、合并亚型ADHD组(N = 129)和不注意亚型ADHD组(N = 96)之间后枕叶团簇灰质体积的差异。图E描述了典型发育组(N = 267)、服用药物的ADHD组(N = 56)和从未用药的ADHD组(N = 99)之间前额叶簇灰质体积的差异。图F描述了典型发育组(N = 267)、服用药物的ADHD组(N = 56)和未用药的ADHD组(N = 99)之间后枕叶团簇灰质体积的差异。
3.7 药物治疗效果
在ADHD-200样本中，我们发现典型发育的对照受试者(N = 267)在两个团簇中灰质体积最高，服用药物的患者(N = 56)具有中等灰质体积，从未用药的患者(N = 99)的灰质体积最低。与对照组相比，未用药的患者在两组中存在显著差异（前额叶团簇：F = 12.37，df = 1,357，p < 0.001；η2p = 0.033；后枕叶团簇：F = 8.50，df = 1,357，p = 0.004；η2p =0.023）（图2E-F）。然而，典型发育的对照组和用药患者之间的组间差异变得不显著。与从未用药的患者(前额叶团簇：η2p（对照组与用药）- η2p (对照组与未用药) = - 95%CI = [- 0.068，- 0.004]；后枕叶团簇：- 0.022, 95%CI = [-0.055，0.000][5000次bootstraps])相比，相应的效应量显著降低。因此，这些发现不太可能用用药和从未用药的患者之间的人口统计学特征或症状严重程度的组间差异来解释。

4.讨论
据我们所知，这是第一个在基于大样本的青少年队列中区分ADHD的认知和动机通路的神经解剖学基础的研究。一种常见的神经解剖学相关的神经影像学发现，即后枕叶团簇的灰质体积，具有认知和动机缺陷，表明ADHD的双通路模型有重叠的神经解剖学基础。有趣的是，该研究还揭示了在基于人群的队列中，该团簇的灰质体积与未来的ADHD症状和多基因风险之间的关联。与正常发育的对照组受试者相比，从未用药的ADHD患者的灰质体积最低，而接受药物治疗的患者的灰质体积中等。这些发现表明，这种神经解剖学特征有可能成为ADHD的中间表型。

我们在这项神经影像研究中的发现支持视觉注意网络的参与，并强调了先前行为研究中看到的认知损伤的重要性，特别是视觉注意。首先，两个识别的区域，前额叶和后枕叶团簇，都位于视觉注意网络，其次，后枕叶灰质体积与2年后评估的注意力不集中评分的前瞻性关联。在功能神经影像研究中，视觉注意网络的异常大脑活动与ADHD有关，这些发现与目前的结构神经成像研究相补充。在这个功能网络中，枕叶皮层与背侧注意网络相互作用，通过自上而下调节视觉注意，抑制对无关视觉刺激的注意。这些脑区也在结构上连接在一起，特别是额枕下束，是连接额叶、枕叶以及顶叶和后颞叶皮质的直接通路。2016年，一项关于ADHD弥散张量成像研究的荟萃分析报告称，左侧额枕下束的白质差异一致，这与注意有关。假设这些区域可能受到多巴胺活动的调节。除了众所周知的多巴胺对前额叶区域的影响外，2018年的一项研究发现，与多巴胺转运体基因(DAT1)相关的左枕后部灰质体积的减少可能有助于解释ADHD儿童的视觉记忆表现。

我们对用药和未用药的ADHD患者的比较可能表明药物对ADHD患者的灰质萎缩有积极作用。治疗ADHD的刺激药物以多种方式影响大脑，包括其结构、功能和神经传递系统。因此，较低的灰质体积在未治疗ADHD患者中出现，可能排除另一种解释，即较低的灰质体积是由药物引起，而比较灰质体积药物患者和正常对照组的结果表明，药物可能对多动症的大脑结构有治疗效应，这为通过药物治疗改善ADHD患者视觉注意的行为表现提供了一个可能的神经解剖学基础。

ADHD的双通路模型是我们理解这种疾病的神经精神病理的有价值模型。我们的研究结果并不支持独立通路模型（即背外侧前额叶皮层和背侧纹状体之间的认知回路和眶额叶皮层和腹侧纹状体之间的动机回路），而是证明了ADHD患者的认知和动机之间的相互作用。这种交互作用不仅得到了IMAGEN样本中工作记忆和延迟折扣之间以及注意力调节和延迟折扣之间的关联的支持，而且也得到了先前关于金钱激励增强认知和认知偏差增强回避动机的报告的支持。我们的研究结果进一步表明，这种相互作用可能在视觉注意网络中具有其神经基础，特别是后枕叶皮质的左楔骨，该区域的过度激活已在先前的基于任务的fMRI实验中报道过。它与延迟折扣的关联并不完全令人惊讶，因为后枕叶皮质的过度激活和较高的灰质体积已经与选择延迟获得而不是立即奖励有关。它与工作记忆性能(即2-back准确性)的关联也在fMRI实验中被观察到。总之，这些发现可能表明，ADHD的双通路模型可能与这些认知和动机过程的功能障碍有关，特别是在视觉注意系统中，它支持在目标导向任务中从环境中自上而下选择相关信息。

据报道，即使是记忆分数的微小提高（10%），也会对学校表现产生显著差异。在我们的研究中，确定的神经关联的效应大小从小到中等，部分原因是ADHD的多因素性质。然而，如结果所示，这些发现在统计上是可靠的，并使用独立的临床样本进行经验复制。因此，利用后枕叶团簇灰质体积作为ADHD的中间表型，特别是注意力不集中症状，可以提高诊断的准确性。这一神经解剖学特征1)与在一般人群中注意力不集中有关；2)与ADHD的神经心理内表型有关；3)与ADHD的遗传风险相关；4)有助于解释未来的注意力不集中症状；5)在临床ADHD患者中保留下来，不能简单地用药物的混杂效应来解释。这些正是识别精神健康障碍的中间表型所需的证据线。枕骨簇在生命早期发育，在儿童期间功能成熟，因此它也可以作为大脑发育中断的神经影像生物标志物，用于ADHD的早期诊断。正如预期的那样，我们还发现与ADHD相关的前额叶团簇确实与延迟折扣相关，这与ADHD的额纹状体模型一致。然而，考虑到这个前额叶区域在青春期中正在显著发展，具有显著程度的个体变异，可能很难使用这个前额叶团簇的灰质体积作为ADHD的影像特征标记。

本研究的几个局限性。因为临床诊断需要家长和教师的评分，我们使用家长评分的研究可能没有完全捕捉到ADHD的症状。这项研究确定了一种常见的与工作记忆相关的神经关联——注意力调节和延迟折扣——这代表了ADHD中更广泛的认知和动机缺陷的特定方面。然而，该研究并没有发现反应抑制与ADHD症状之间的任何显著关联。我们的研究结果是在青少年中，但后枕叶皮质的发育和成熟被认为是在儿童时期基本完成的。在儿童时期的ADHD队列中进行纵向神经影像将是必要的，以确认是否可以观察到任何枕叶皮质的异常发育，从而导致ADHD症状的表现。

5.结论
通过一种综合的方法，我们揭示了一个常见的神经解剖学相关的认知和动机途径的ADHD的发展。鉴于ADHD的发育和成熟远远早于前额叶区，这些结果可能为发现新的ADHD早期诊断和ADHD先发制人的干预策略提供新的线索。

参考文献：Neural Correlates of the Dual-Pathway Model for ADHD
in Adolescents