急性尼古丁治疗对精神分裂症患者神经可塑性和记忆的影响 (NIC-PAS)

背景：精神分裂症 (SCZ) 通常与明显的工作记忆 (WM) 缺陷相关，其病理生理学与背外侧前额叶皮质 (DLPFC) 依赖性功能障碍密切相关 [1]。 这些缺陷预示着疾病的结果和对抗精神病药物治疗的不良反应[2]。 因此，阐明 SCZ 中 DLPFC 依赖性 WM 缺陷的生理学是更好地理解这种疾病及其治疗的关键。

SCZ 患者的吸烟率异常高，戒烟失败率高通常与 WM 缺陷有关[3]。 中枢烟碱型乙酰胆碱受体 (nAChR) 是尼古丁的主要靶标。 几行证据强烈表明 nAChR 系统是治疗 SCZ 认知缺陷的有前途的目标。 其中包括以下观察结果：(1) 在 SCZ 患者的死后大脑中，包括 PFC 在内的几个大脑区域的 nAChRs 受体表达异常，(2) 编码 nAChR 亚基的基因是 SCZ 和尼古丁成瘾的候选风险基因和 (3) 戒烟会导致 WM 缺陷，这与血液中的尼古丁水平相关，在 SCZ 患者中通过重新吸烟可以缓解并被 nAChR 拮抗剂阻断，但在健康对照吸烟者中则不会（例如，[4] ). 然而，尼古丁和 nAChRs 影响 SCZ 中 DLPFC 依赖性记忆的潜在机制仍然未知。 尼古丁诱导的神经可塑性增加可能代表了这样一种机制。

包括长时程增强 (LTP) 在内的神经可塑性是一种拟议的记忆形成生理机制。 LTP 依赖于谷氨酸 (GLU)、多巴胺 (DA) 和 γ-氨基丁酸 (GABA) 系统之间的最佳相互作用，这些系统中的扰动可能解释了为什么 SCZ 患者表现出 WM 和神经可塑性缺陷[5,6]。 nAChR 存在于 GABA、GLU 和 DA 神经元上，尼古丁可能通过调节这些系统来改善认知。 研究表明，急性尼古丁给药可增强健康人类受试者运动皮层的神经可塑性。 其中一项研究使用配对联想刺激 (PAS)，这是一种在运动皮层中索引 LTP 的强大范例，以评估尼古丁对非吸烟者 LTP 的影响 [7]。 结果表明，尼古丁增强了 PAS 在运动皮层中诱导的 LTP 样机制 [7]。 然而，迄今为止，还没有直接测量人类 DLPFC 的 LTP 样可塑性。 为了克服这一挑战，研究小组开发了一种新的 PAS 技术，结合经颅磁刺激 (TMS) 和脑电图 (EEG) [8]，直接从 DLPFC 索引 LTP。

应用 PAS 的传统方法涉及重复传递两个配对刺激：第一个是手部右侧正中神经的电周围神经刺激，25 毫秒后，第二个 TMS 脉冲传递到对侧运动皮层（因此 PAS-25） . 通过这两种刺激的重复配对，PAS-25 导致输出神经元的激活增加，这代表了人类的直接测量 LTP [9]。 研究人员实验室最近使用 TMS-EEG 新技术记录了 DLFPC 中的 PAS-LTP [8]。 在这里，PAS 通过重复传递应用于 DLPFC：(1) 对右侧进行周围神经刺激，然后在 25 毫秒后进行； (2) 传送到左侧 DLPFC 的 TMS 脉冲。 然后直接从 DLPFC 测量 PAS 诱导的皮质诱发活动增强，并代表该区域中的 LTP，因为中间神经元从皮质刺激和外周刺激激活，反过来，同时激活 DLPFC 输出神经元并在重复超过 30 分钟时增加它们的活动。 因此，周围神经刺激对体感皮层的激活将传播到 DLPFC，并与导致 LTP 的 TMS 脉冲同时到达那里。 该技术的有效性依赖于观察到 TMS 诱发的电机诱发电位与 DLPFC 之间存在很强的相关性 (r=0.8-0.85, p<0.001)[8]。 LTP 被量化为 DLPFC 皮质诱发活动从基线（前 PAS）到 PAS-25（后 PAS）后不同时间点的变化。 来自研究人员使用这些新方法进行的研究的初步数据表明，PAS-25 在 DLPFC 中诱导显着的 LTP。 例如，在健康对照中，DLPFC 中的皮质诱发活动在 PAS 后促进了 56%（最大促进点），而在 SCZ 患者中，PAS 后皮质诱发活动仅增加了 16%（Cohen's d=0.80） . 据研究人员所知，这是第一次在人体 DLPFC 中证实 LTP，也是第一次在 SCZ 患者中报告 DLPFC 中的 LTP 缺陷。 该提案的目的现在是评估尼古丁增强的 WM 是否由 DLPFC 中 LTP 的增强作用介导。

假设：

1. 与健康对照相比，SCZ 患者的 DLPFC LTP 降低，WM 受损。
2. 急性尼古丁口香糖挑战将减轻 SCZ 患者的 DLPFC LTP 和 WM 缺陷。
3. 血浆尼古丁水平将与 DLPFC LTP 的改善相关。
4. SCZ 患者 DLPFC LTP 缺陷的逆转将与 WM 的改善相关。

方法：

受试者：14 名健康的非吸烟者和 14 名患有 SCZ 的非吸烟者将完成这项探索性研究。 该样本量基于之前使用 TMS-EEG 方法的研究，并证明健康对照和 SCZ 患者之间的皮质抑制存在显着差异[10]，并且足以检测中等效应量（Cohen's d = 0.72 ; α=0.05, 1-β=0.80) 尼古丁治疗。 只有接受稳定剂量的抗精神病药物治疗（≥1 个月）的患者才会被纳入本研究。 这可能会混淆结果，因为研究人员正在使用健康的非药物对照进行比较。 然而，受试者内设计是为了控制这种影响。 研究设计：该研究将是一项双盲、安慰剂对照、交叉研究，包括相隔一个月的两次 PAS-25 测试，随后每次进行为期 7 天的 PAS 后续测试。 药物治疗：在基线 TMS-EEG 记录前的两个测试日中的每一天，将给予尼古丁（4 毫克）或匹配的安慰剂口香糖。 30 分钟后达到最大尼古丁血液浓度，此时将抽取血样以评估尼古丁水平。 WM 评估：N-back 任务测量在线维护活动信息的能力（即 WM) 并依赖于 DLPFC 的功能。 字母以连续的顺序呈现，如果受试者认出当前字母与 N（0、1、2 或 3）个字母后面出现的字母相同，即“N-back”，则要求他们做出回应。 N-back 将在预测试训练课程（以控制训练效果）、基线、120 分钟和 PAS 后 1 周进行。 配对关联刺激 (PAS)：配对将在 30 分钟内发生，周围神经刺激和 TMS 将以 0.1 Hz 的频率传送到 DLPFC。 为了确保 DLPFC 定位，将使用使用 MRIcro/reg 软件的神经导航技术和 T1 权重 MRI 扫描。 量化 LTP：为了评估 DLPFC LTP，将使用 PAS 前后 TMS-EEG 记录测量皮质诱发活动的变化。 TMS 脉冲将使用两个 Magstim 200 刺激器（Magstim Company Ltd.，UK）生成，并通过 Bistim 模块连接到一个 7 厘米的八字形线圈。 一连串 100 个脉冲 (0.1 Hz) 将与 EEG 记录一起进行； (1) 在 PAS 之前，以评估基线皮质诱发活动和 (2) 在 PAS-25 之后的不同时间点（0、15、30、60,120 分钟和 7 天）。 将使用 64 通道 Synamps 2 EEG 系统的 DLPFC 对应电极记录 EEG。 皮质诱发活动将定义为平均 EEG 记录（刺激后 50-275 毫秒）的校正曲线下的面积，LTP 将量化为皮质诱发活动相对于基线的变化。 统计：在适当的时候，将使用重复测量、混合因素、方差分析来进行受试者内部和受试者之间的比较。 LTP 和尼古丁水平之间的关系将使用 Pearson 相关性进行评估。 P 值将设置为 0.05，多重比较将进行 Bonferroni 校正。

意义：本研究的结果将为 SCZ 认知增强策略的潜在机制提供重要的新知识。 也就是说，研究人员打算破译烟碱胆碱能增强 DLPFC 可塑性的复杂药理学机制。 这些发现还将有助于产生重要的生物标志物，通过这些生物标志物可以从生物学上测量认知增强策略，这可能会导致针对这种衰弱性疾病的认知缺陷开发出更加个性化的治疗方法。