通过中脑刺激相关神经回路的纤维微解剖建立连接性
目录
1. 引言
2. 方法
2.1 白质解剖
2.2 轨迹描记术（Tractography）
2.2.1 感兴趣区域
2.2.2 脑干
2.2.3 全脑
2.2.4 显微解剖引导纤维束重建
2.2.5 基于连接性的VTA分区
2.2.6 脑深部电刺激靶点分析
3. 结果
3.1 纤维显微解剖
3.2 轨迹描记术（Tractography）
3.3 脑深部电刺激靶点分析（Analysis of deep brain stimulation targets）
4. 讨论
4.1 背缝神经核（Dorsal raphe nucleus）
4.2 下丘脑和基底前脑
4.3 内侧颞叶和岛叶
4.4 苍白球和扩展的杏仁核
4.5 伏隔核和前额叶皮质
4.6局限性
5. 总结
摘要：
全面了解涉及腹侧被盖区的神经回路对于阐明调控人类行为的解剖功能机制至关重要，此外还有深部脑刺激治疗神经精神疾病及其不良反应的作用。尽管腹侧被盖区已成功用于不同神经精神疾病的深部脑刺激，但该区域的轴突连接尚未完全明了。
在此研究中，我们利用人体半球的纤维显微解剖、基于群体的高清晰度纤维束追踪以及先前报道的深部脑刺激热点，发现腹侧被盖区参与了一个复杂的网络，该网络涉及血清素能桥脑核（serotonergic pontine nuclei）、基底节（basal ganglia）、边缘系统（limbic system）、基底前脑（basal forebrain）和前额叶皮层（prefrontal cortex），这些结构与强迫症、重度抑郁症、阿尔茨海默病、丛集性头痛和攻击行为的治疗有关。
1. 引言
腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）是中脑的一个区域，包含多种多巴胺、谷氨酸和GABA释放神经元。除了突触神经递质的释放外，VTA神经元还表现出从细胞体和树突释放神经递质的能力，以调节依赖于多巴胺的行为。VTA支持边缘系统、运动和高级功能，其活动由奖励和社会相关的刺激协调。在过去的二十年里，VTA已被成功用作深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）治疗神经精神疾病的靶点。然而，人类VTA的连接以及实现该区域DBS神经调节效应的潜在回路尚未完全明了。
普遍认为有助于VTA区域深部脑刺激治疗效果的基质是超外侧内侧前脑束（superolateral medial forebrain bundle，slMFB）。slMFB被报道为内侧前脑束（MFB）的一部分，连接VTA、伏隔核（NAc）和前额叶皮层（PFC）。关于slMFB的人类数据来源于扩散磁共振成像（dMRI）研究，在其连接性方面存在不一致。动物研究表明，MFB与苍白球（GP）、杏仁核、海马区和内嗅皮层等区域的连接更为广泛。在缺乏人类组织学证据的情况下，跨物种MFB差异导致了对slMFB的批评，并引发了关于促进VTA深部脑刺激的潜在途径的问题。
详细的解剖学知识对于选择与改善结果和精确导线放置相关的DBS靶点至关重要。在此，我们使用了来自多个数据库的高分辨率dMRI数据集和平均模板，这些数据库包括总共n≈1100名健康受试者和尸体大脑[杜克大学、马萨诸塞州总医院（MGH）、人类连接组计划（六方最密堆积）发育期、六方最密堆积健康成人、六方最密堆积老年期]，通过高清晰度纤维束追踪技术结合尸体纤维显微解剖，进一步阐明了与VTA区域DBS相关的回路组织。我们假设所表征的纤维束与中脑和间脑DBS有关。因此，我们使用Lead-DBS分析先前报道的DBS参数，并确定涉及我们所表征纤维束的DBS靶点。
2. 方法
本研究包含多个层次（图1）。首先通过逐步显微解剖尸体半球，对与VTA相关的纤维束进行了初步表征。根据我们的显微解剖结果，在多个数据库中采用单个VTA感兴趣区域（ROI）的方法进行了纤维束追踪。每个受试者/平均模板进行了多次纤维追踪研究。为了验证我们的纤维束追踪结果，我们采用了双ROI方法：第一个ROI放置在VTA上，第二个ROI用于所有已识别的终止点。基于连接性的VTA分区是在1065名健康成年人的数据生成的平均模板上进行的。使用电极DBS研究了我们解剖学上表征的纤维束与先前使用的DBS靶点之间的关系。纤维显微解剖研究已获得雅典大学生物伦理委员会的批准（协议编号：118/21.05.2019)。
图1. 研究中采用的方法示意图
2.1 白质解剖
十个正常成年尸体的福尔马林固定半球按照克林格制备法处理，随后使用白质显微解剖技术进行研究。纤维显微解剖使用手术显微镜（OPMI卡尔蔡司，Leica M320）和微神经外科工具进行，方法如前所述。VTA被定义为由中线内侧、黑质前部、红核后部及外侧、丘脑下核上方及外侧以及桥脑下方围成的区域。
2.2 轨迹描记术（Tractography）
2.2.1 感兴趣区域
我们使用了MGH单个受试者100微米MRI数据集21和杜克大学单脑干/间脑50/200 μm MRI数据集，根据Trutti等人的VTA图谱和Allen人类大脑参考图谱（补充图1和2），勾画出VTA、缝核、下丘脑、乳头体、隔核、终纹床核（BNST）、梅耶特基底核（NBM）、尾状核、壳核、GP和NAc的感兴趣区域。为了评估手动分割VTA的质量，进行了两次分析。首先，第二位评分者独立使用与第一位评分者相同的手动重建协议重新构建了一个VTA感兴趣区域。然后，使用膨胀Dice分数评估评分者之间的协议一致性，这是一种适用于小而复杂的形状如VTA的可靠度测量方法，如前所述。膨胀Dice分数显示两位评分者的掩模有显著重叠（左= 0.851；右= 0.896)。
2.2.2 脑干
我们使用了由F.-C.Y.开发的专有软件包DSI Studio来生成纤维追踪结果。我们在一个高分辨率扩散加权成像数据集的大脑干数据库中进行了纤维追踪，以VTA为感兴趣区域，追踪并重建了VTA的纤维束。总共采集了208小时的影像数据，使用了120个扩散采样方向，b值为4000 s/mm²。平面内分辨率为0.2毫米，层厚为0.2毫米。通过自动质量控制程序检查了b值表，以确保其准确性。使用受限扩散成像量化了受限扩散。扩散数据使用广义q采样成像重建，扩散采样长度比为0.4。采用确定性纤维追踪算法。在VTA处手动重建了一个感兴趣区域。默认的定量各向异性阈值随机选择在0.5至0.7之间。角度阈值从15°到90°随机选择。步长为0.5毫米。长度小于9或大于100毫米的轨迹被舍弃。当总共5000个种子点时，追踪过程终止。
2.2.3 全脑
我们在HCP-1065,26这一人类群体平均扩散MRI模板上进行了纤维追踪。该模板是基于HCP31（华盛顿大学联盟）提供的1065名受试者的影像数据和个体数据32使用DSI Studio生成的。扩散数据的b值分别为1000、2000和3000 s/mm²。扩散采样方向的数量分别为90、90和90。平面内分辨率和层厚均为1.25毫米。为了确保准确性，b表通过自动质量控制程序进行了审查。随后，使用q空间差分重建技术在蒙特利尔神经研究所（MNI）空间中重建扩散数据，以获得自旋分布函数，扩散采样长度比为1.7。量化受限扩散的过程涉及应用受限扩散成像技术。用于纤维追踪的感兴趣区域是VTA，纤维束重建则根据我们的白质解剖结果进行指导。
2.2.4 显微解剖引导纤维束重建
基于dMRI数据的纤维束追踪结果需要使用尸体数据进行验证，这一点在先前的文献中已有强调。在尸体半球中进行纤维显微解剖是研究人脑纤维束解剖结构的关键技术，被视为验证dMRI结果的“金标准”。因此，我们根据之前描述的方法，定性评估了生成的纤维束追踪结果与我们的显微解剖结果之间的详细轨迹和连接性。在整个纤维显微解剖过程中，记录了细致的逐步解剖描述，并在每个解剖阶段拍摄多张照片，从而能够逐片评估纤维束追踪结果并与显微解剖结果进行定性比较。这项评估是在DSI Studio中进行的，在此过程中，我们评估了3D空间中纤维束的详细轨迹，相对于相邻结构，如皮质结构、白质纤维束、裂隙、沟槽和深核，沿着dMRI流线的路径。我们将纤维束重建结果叠加在100 μm MGH21和50 μm Duke22数据集的部分上，这些数据集以其类似组织学的分辨率而闻名，有助于全面检查纤维束轨迹并与组织学发现进行比较。生成的纤维束图结果与显微解剖结果之间的对比是逐层进行的，通过使用双屏直接比较，以实现更即时和精确的分析（补充图3和4）。偏离显微解剖观察到的轨迹或连接性的流线被视为错误或假阳性，并因此被移除。我们的发现通过照片进行了视觉记录，这些照片随后与纤维束追踪结果在相似的角度下并置，以便进行顺序切片分析和比较。纤维束追踪与解剖之间的对应关系通过七位资深评分员（V.A.C.、L.B.、F.-C.Y.、A.H.、M.K.、A.M.L.和A.K.）独立进行的顺序切片分析进行了定性评估。
2.2.5 基于连接性的VTA分区
我们的纤维显微解剖研究揭示了VTA纤维在VTA内的拓扑组织模式。具体来说，在我们从内向外逐步解剖的过程中，观察到纤维以顺序方式连接大脑的不同区域。根据显微解剖揭示的具体模式，我们假设VTA具有拓扑组织，并可以根据纤维在VTA内的位置进行分区。因此，我们根据纤维与不同脑区的连接性分离了VTA纤维束，并勾勒出每个束在VTA内的空间位置，如前所述。DSI Studio使我们能够使用自动纤维束到ROI转换功能（补充图5）避免手动勾勒每个纤维束。使用HCP-1065模板重建每个纤维束后，我们将纤维束的流线修剪出VTA之外，以确保纤维束的流线位于VTA感兴趣区域的体积内。然后，我们将修剪后的纤维转换为感兴趣区域。我们对所有纤维束重复了这一过程，并为每个生成的感兴趣区域分配不同的颜色。最后，我们将所有生成的感兴趣区域叠加在一起，并在三维空间中可视化。
2.2.6 脑深部电刺激靶点分析
为了确定在VTA中识别出的路径的潜在临床意义，我们对先前研究中关于DBS治疗各种神经和精神疾病的有效性的热点和坐标进行了战略分析。我们进行了全面的文献回顾，以识别过去20年发表的相关研究。关于参与者、干预措施、比较、结果和研究（PICOS）的搜索词和纳入标准列于补充表1和2。具体而言，我们重点关注了腹侧被盖区和腹侧间脑，这些区域在管理强迫症（OCD）、重度抑郁症（MDD）、丛集性头痛、攻击或自伤行为以及阿尔茨海默病方面是常见的靶点。前连合-后连合坐标已转换为MNI坐标，如前所述38，并在Lead-DBS中作为电极轨迹进行可视化。定义的坐标代表了这些轨迹最远接触点的中心。根据相应源出版物中报告的策略和可视化，我们随后重建了铅轨迹。
为了评估电极轨迹与已识别的VTA束之间的空间关系，并确定每次接触时束的招募程度，我们进行了刺激体积建模。这包括使用Vorwerk等人40介绍并实现在Lead-DBS v.2.41中的SimBio/Fieldtrip管道的修改版本，在MNI空间中估计刺激体积。通过有限元建模，我们在由灰质、白质以及电极的金属和绝缘部分组成的四室网格离散域内求解拉普拉斯方程。随后，根据Astrom等人42提出的方法，应用0.2 V/mm的启发式电场阈值生成二进制刺激体积。这种方法使我们能够以单极方式建模刺激幅度与纤维募集程度之间的剂量-反应关系，使用1.0到10.0 mA的刺激电流。对于每个刺激体积，我们计算了与每个识别的兴趣路径的重叠百分比，以确定与每个路径最大重叠相关的接触点。然后，绘制了每个导线在最佳接触点处的剂量-反应关系。
3. 结果
3.1 纤维显微解剖
在切除第三脑室室管膜内表面的室管膜和室管膜下层（图2A)后，在哺乳动物丘脑束（MTT）的内侧可见VTA和基底前脑之间的纤维。这些纤维在到达后联合穹窿（post-commissural fornix）时呈扇形分布。部分纤维向上弯曲，要么与后联合穹窿融合，要么继续向隔核（septal nuclei）延伸；而最下方的纤维则向下弯曲，朝向内侧下丘脑（medial hypothalamus）（图2）。经过侧向解剖后，可以看到MTT，并记录到VTA和隔区之间的纤维位于MTT的外侧（补充图6）。这些纤维在MTT前方呈扇形分布。部分纤维向上弯曲，要么与后联合穹窿融合，要么进入无名质/NBM区域，而最下方的纤维则向下弯曲，朝向外侧下丘脑（补充图6）。进一步逐步解剖显示了连接VTA与乳头体（mammillary body）的腹侧哺乳动物结节束（ventral mammillotegmental tract）（补充图7）。切除腹侧哺乳动物结节束、MTT和穹窿后，暴露出一组纤维，这些纤维连接VTA与BNST和NBM（图3）。在此步骤中，还记录了连接VTA与中缝核（median raphe nuclei）的纤维。移除这些纤维后，暴露了下丘脑核（hypothalamic nuclei）和旁端回（paraterminal gyrus）。此时，不再观察到有纤维沿前后方向运行，即连接基底前脑区域与VTA。逐步解剖VTA中的纤维，揭示了连接VTA与前岛叶（anterior insula）、海马体（hippocampus）、背侧齿状回（dorsal dentate gyrus）、杏仁核（amygdala）和内嗅皮层（entorhinal cortex）的纤维（图4）。切除视束（optic tract）、下丘脑（hypothalamus）、前连合（anterior commissure）、脚间区（ansa peduncularis）、对角带（diagonal band）、旁端回（paraterminal gyrus）、扣带回（cingulate cortex）、前额叶皮层（prefrontal cortex）、下方的U纤维（underlying u-fibres）、胼胝体辐射（小手）（callosal radiations (forceps minor)）和扣带纤维（cingulum fibres）后，腹侧纹状体（ventral striatum）的壳层暴露出来，同时还有穿透腹侧纹状体（ventral striatum）壳层的内囊前肢（ALIC）纤维、枕额下束（inferior occipitofrontal fasciculus）纤维和钩束纤维（uncinate fascicle）。仔细切除腹侧纹状体的壳，并沿尾状核（CN）头部的内侧部分进行皮质显微解剖，可发现一组纤维在PFC和丘脑之间运行，以及VTA和基底节之间的纤维，特别是GP、豆状核（putamen）和NAc（图5）。切除这些纤维，并进一步对CN和NAc进行皮质显微解剖，可以揭示前丘脑辐射纤维以及VTA和PFC之间的纤维，这些纤维参与了ALIC（图6）。切除这些纤维后，可以观察到更多的前丘脑辐射纤维和VTA纤维终止于布罗德曼区（BA）10、11和47/12。在这个水平上，由于ALIC水平处纤维的交叉非常密集，无法进一步分离VTA纤维。
图2. VTA纤维位于乳头丘脑束的内侧
图3. VTA纤维涉及中缝核（raphe nuclei）、NBM和BNST
图4. 颞叶-岛叶纤维
图5. GP和NAc的纤维
图6. VTA PFC纤维（BA10、BA11和BA47/12）
3.2 轨迹描记术（Tractography）
我们成功地通过纤维束成像重建了VTA的连接。我们的提取结果与我们在显微解剖过程中记录的VTA纤维的结构、轨迹和连通性一致。VTA与中缝核（raphe nuclei）、下丘脑、乳头体、隔核（fornix septal nuclei）、BNST、NBM、壳核、GP、岛叶（insula）、杏仁核、海马体、齿状回（dentate gyrus）、NAc、内嗅皮层、BA10、BA11和BA12相连。我们基于连通性的分区方法成功地将VTA内的纤维束转换为感兴趣区域并叠加，从而创建了一个图，用不同的颜色表示VTA内每个纤维束的体积（补充图8）。连接基底前脑的纤维占据了VTA的内侧、前部和上部区域，连接前额叶皮层、NAc和基底节的纤维占据了VTA的外侧下部和后部区域，而连接岛叶和颞叶区域的纤维则位于它们之间（补充图8）。
3.3 脑深部电刺激靶点分析（Analysis of deep brain stimulation targets）
我们确定了10项符合纳入标准的代表性临床研究。这些研究提供了目标坐标、电极轨迹或热点，要么在MNI空间中，要么相对于前连合-后连合线。此外，所选研究包括了≥10名患者，以确保样本量充足。我们成功地利用纤维束成像数据和先前报道的DBS数据，在MNI空间中重建了电极轨迹和表征的VTA束（图7）。通过重建导线轨迹和表征的束，我们能够评估刺激幅度与纤维募集之间的剂量-反应关系（图8）。
在刺激效果方面，所有识别出的纤维束均受到植入腹侧被盖/腹侧间脑内的电极的调节。其中，VTA-BF、VTA-NAc和VTA-PFC纤维束显示出最广泛的覆盖范围。值得注意的是，VTA-NAc的招募效率最高，表现为纤维束重叠百分比与刺激幅度之比最高。对电极轨迹的研究显示，Nowacki等人52（慢性丛集性头痛的VTA刺激）、Meyer等人45（强迫症的slMFB刺激）、Jimenez等人47（强迫症的下丘脑脚（ithp）刺激）、Greenberg等人44（强迫症的Nac DBS）和Coenen等人51（MDD和强迫症的slMFB DBS）确定的目标显示出最全面的覆盖，招募了与所有研究的纤维束相关的纤维束。诺瓦奇等人定义的目标方法在评估的植入位置中，对VTA束的招募最为有效，表明电刺激与多巴胺系统之间存在显著的相互作用。随后，梅耶等人和希门尼斯等人的研究重建了导线轨迹，进一步强调了不同植入位置下共同纤维束的招募。
图7. 分析的VTA相关纤维束和DBS靶点概述
图8. VTA束与已确定的DBS靶点之间的关系
4. 讨论
使用尸体微解剖和体内纤维追踪方法，我们发现腹侧被盖区（VTA）与脚间核、下丘脑、乳头体、杏仁核、海马、背侧齿状回、伏隔核、内嗅皮层和前额叶皮层（PFC）等区域一致地相互连接。VTA是一个扩展网络的重要枢纽，包括促进记忆巩固和中风后全球认知恢复的回路，并且与帕金森病、重度抑郁症（MDD）、创伤后应激障碍、精神分裂症、癫痫中的认知症状和情感行为的病理生理学有关。我们的VTA分割为个性化的DBS方法提供了信息，旨在通过针对或避免特定连接来缓解症状并预防副作用。VTA区域的DBS已经用于治疗丛集性头痛、强迫症（OCD）、MDD、攻击性行为、非典型面部疼痛和厌食症。临床前研究提出VTA作为控制癫痫发作的潜在DBS目标。我们的发现基于直接的人类结构数据，为VTA区域的DBS提供了结构基础。通过重建报告的电极轨迹，我们能够评估患者特定的DBS目标与我们识别的VTA轨迹之间的关系。尽管不能得出临床结论，但这种定性评估使我们能够认识到我们所描述的轨迹在DBS治疗OCD、MDD、阿尔茨海默病、攻击性和丛集性头痛期间被调节。
纤维追踪研究可以通过与正常回路的比较揭示大脑连接性的变化，并且是识别深部脑刺激（DBS）目标所涉及神经回路的主要方法。然而，纤维追踪容易产生假阳性结果，因此需要通过尸体研究来验证结果。我们的纤维微解剖引导的结果有助于探索与VTA相关的神经回路和改变的连接性，通过帮助区分潜在的假阳性连接。此外，我们的发现可以为弥散MRI（dMRI）研究提供信息，并有助于指导纤维追踪引导的DBS。这种方法对于识别与治疗相关和与副作用相关的回路至关重要，以增强术前DBS规划并改善术后结果。规范性连接体构成了表征这些回路的主要来源；然而，它们容易产生假阳性连接。对正常回路的结构知识可以促进根据个体症状和成像特征进行个性化目标选择。这些回路可以通过开环和闭环方法帮助定制DBS。可以通过不同的纤维追踪识别患者中改变的纤维束，并针对与个体症状相关的纤维束。因此，对VTA相关回路的知识可以帮助优化闭环方法中详细的电极放置和选择可以利用症状特定网络的刺激参数。我们的DBS热点分析结果使我们能够评估患者特定的DBS目标与已识别的VTA轨迹之间的关系。尽管不能得出临床结论，但这种定性评估使我们能够认识到我们所描述的轨迹在DBS治疗强迫症（OCD）、重度抑郁症（MDD）、阿尔茨海默病、攻击性和丛集性头痛期间被调节。最近的颅内记录研究试图识别精神病患者中的神经生理特征。我们的发现可以为颅内记录提供潜在目标，并促进相关回路的采样。
4.1 背缝神经核（Dorsal raphe nucleus）
中脑脚间核的传出纤维与腹侧被盖区（VTA）内的突触连接，构成了与GABA和谷氨酸释放VTA神经元突触的主要传入神经元群体，并参与厌恶刺激相关结果。已经确定血清素和脚间核在重度抑郁症（MDD）的病理生理学中的作用。VTA深部脑刺激（DBS）在MDD患者中的治疗效果已被归因于连接VTA、伏隔核（NAc）和前额叶皮层（PFC）的纤维。在此，我们提供了人类证据，证明刺激VTA意味着VTA和脚间核之间的直接通路，这可能有助于DBS对MDD的治疗效果。临床前研究表明，VTA神经元调节脚间核血清素能神经元的活动。这种直接连接可能解释了在诱导抑郁的临床前模型中MFB自我刺激后PFC内测量到的血清素水平的增加。鉴于脚间核参与阿尔茨海默病的病理生理学，这条通路可能在阿尔茨海默病患者的诊断和治疗中具有进一步的临床意义。帕金森病与脚间核的强烈相关性以及在我们发现与VTA连接的区域中发现的显著退化，即腹侧纹状体、尾状核（CN）、苍白球（GP）、岛叶和PFC，表明VTA可能是帕金森病的一个有前景的刺激目标。我们确定的独特连接可能有助于帕金森病和阿尔茨海默病的早期诊断和症状特异性表型的识别中，这条通路可能在阿尔茨海默病的诊断和治疗患者的临床应用中具有进一步的意义。帕金森病与脚间核的强烈相关性以及在我们发现与VTA连接的区域中发现的显著退化，即腹侧纹状体、尾状核（CN）、苍白球（GP）、岛叶和前额叶皮层（PFC），表明VTA可能是帕金森病的一个有前景的刺激目标。我们确定的独特连接可能有助于帕金森病的早期诊断和症状特异性表型的识别。
4.2 下丘脑和基底前脑
由于下丘脑对腹侧被盖区（VTA）的投射在半个多世纪以来因其在食欲、奖赏和目标导向行为中的重要性而得到了全面研究。值得注意的是，这种连接下丘脑和VTA的通路在动物和人类中被描述为中脑边缘系统（MFB）。根据动物研究，这条通路携带VTA起源的轴突，这些轴突除了释放GABA能下丘脑神经元外，还共同释放谷氨酸和GABA。这些连接很可能有助于VTA区域深部脑刺激（DBS）相关的自主神经心脏副作用。尽管刺激下丘脑区域已被建议可以调节超外侧中脑边缘系统（slMFB），但通过VTA刺激对下丘脑的调节效果尚未得到充分评估。我们发现VTA纤维在下丘脑的终止会持续占据VTA内内侧和上侧区域（图8）。在VTA内更后外侧位置放置电极可能会最小化这些纤维的刺激，从而减少自主神经相关的副作用。外侧下丘脑对VTA的传出作用抑制GABA释放VTA神经元，导致多巴胺能NAc活动增加。动物研究表明，与慢性压力相关的下丘脑-垂体-肾上腺轴的变化通过VTA调节多巴胺传递。异常的压力反应是强迫症（OCD）和重度抑郁症（MDD）的常见组成部分，这些状况已成功通过VTA DBS治疗。最近的临床前研究表明，下丘脑回路中VTA神经元的神经调节可能为焦虑障碍提供治疗。动物研究报告了VTA与内侧下丘脑通过MFB的连接。涉及VTA和内侧下丘脑的神经回路在调节孕酮和肾上腺皮质激素方面有进一步的意义，并在攻击行为中起关键作用。我们的发现表明VTA与内侧下丘脑相连，因此这些纤维束可能减轻VTA DBS对攻击行为的治疗效果。
尽管动物研究已经描述了两种平行的通路，它们连接乳头体到背侧和腹侧被盖区，但在人类中，乳头脚间束的连接性尚未明确。我们的发现表明，纤维通过一个独特的腹侧乳头脚间束连接VTA和乳头体，这个束被红核和邻近结构与乳头脚间束分开（补充图4）。在动物中，乳头体和VTA通过MFB相互连接。这条腹侧通路对于支持记忆至关重要。因此，腹侧乳头脚间束可能涉及Korsakoff综合征和其他痴呆症，作为早期诊断或预测DBS反应的生物标志物。涉及VTA和穹窿的通路在记忆方面具有重要意义，并调节连接VTA和PFC的神经元的活动。穹窿DBS对阿尔茨海默病的治疗效果部分归因于穹窿与VTA的间接连接，通过乳头体和VTA的连接。这里，我们提供数据显示穹窿和VTA的直接连接，并证明VTA直接连接到已成功用于阿尔茨海默病DBS治疗的区域，如内嗅皮层、腹侧纹状体和NBM。因此，VTA可能提供一个更有效的DBS目标，调节涉及各种痴呆症病理生理学的多个区域。
连接中隔核和VTA的双向通路调节了VTA和中隔核的活动。在大鼠中，这条通路包含一群食欲素能神经元。最近的研究表明，释放谷氨酸的VTA传入纤维对中隔核调节焦虑行为。此外，释放多巴胺的VTA传入纤维对中隔核有抑制作用，并对GABA能神经元进行调节，从而调节攻击行为。我们描述的VTA和中隔核之间的连接的调节可能减轻VTA DBS后的攻击行为。连接VTA和NBM的通路携带胆碱能传入纤维到多巴胺能VTA神经元，传入纤维到GABA能VTA神经元，以及传入纤维到谷氨酸能NBM神经元，涉及运动、压力和抑郁行为。尽管VTA和NBM在帕金森病和阿尔茨海默病中表现出异常功能，但这条通路尚未在人脑中被识别。因此，进一步的研究应该阐明其作为帕金森病和阿尔茨海默病早期诊断的潜在DBS目标或生物标志物的作用。连接VTA和BNST的纤维携带GABA能BNST传出神经元，并受慢性压力、慢性疼痛和酒精戒断的调节。此外，VTA-BNST回路调节奖励、焦虑、惩罚和适应不良行为。BNST已成功用作OCD和MDD的DBS目标。这引发了一个问题，即BNST和VTA DBS对情感障碍的治疗效果是否都是通过我们识别的通路实现的。我们的发现可以帮助对这条通路进行症状/副作用特征化。
4.3 内侧颞叶和岛叶
我们在海马体/背侧齿状回、杏仁核和内嗅皮层中发现了强大的连接。临床数据显示，在VTA区域接受中脑边缘系统深部脑刺激（MFB DBS）的治疗抵抗性抑郁症患者中，内侧颞叶的代谢升高，从而支持这些区域的连接性。最近在人类中报告了海马体和VTA之间的结构连接性，然而，作者仅使用了间接的扩散MRI（dMRI）数据来研究这种连接，并没有报告有关该通路的解剖学、轨迹或方向性的数据。连接内嗅皮层的VTA神经元编码记忆和学习。VTA和海马体之间的连接性支持记忆，并在阿尔茨海默病的病理生理学中起主要作用。连接VTA和海马体的纤维束在阿尔茨海默病中支持记忆，并在该病的病理生理中发挥重要作用。连接杏仁核和VTA的纤维束调节焦虑相关行为，强调了我们报告的纤维束作为有效刺激靶点和焦虑相关疾病早期诊断生物标志物的潜在意义。
岛叶支持感觉、情感和更高层次的处理。它与精神障碍有关，并被认为是一个有前景的脑刺激成瘾目标。多巴胺和5-羟色胺1a受体在岛叶中过度表达。VTA的光遗传刺激在岛叶中诱导多巴胺释放并调节记忆。在人类中，使用针对肾素-血管紧张素系统的药物会减弱VTA和岛叶对社会惩罚的反应之间的功能连接性，这表明针对肾素-血管紧张素系统的药物可以减少社会惩罚反馈在岛叶中的厌恶情绪效应。岛叶在成瘾的病理生理中的作用及其与VTA的关系得到了进一步的支持，最近的一项研究报告称，长期海洛因戒断的受试者在岛叶-NAc和VTA-NAc纤维中的各向异性分数较低。VTA和岛叶之间的功能连接在网络中起着关键作用，该网络暗示了PFC、前岛叶、杏仁核和VTA，这在自我效能信念形成期间被激活。适应不良的自我效能信念导致感觉无价值感，这是重度抑郁症（MDD）的一个标志性特征。与健康个体相比，MDD患者在奖励预期期间VTA和岛叶之间的功能连接减弱。慢性酒精暴露显著改变结构和功能。慢性酒精暴露显著改变了岛叶与VTA之间的结构和功能连接。在最近一项研究中，探讨了与亲社会行为相关的神经回路，发现VTA和岛叶参与的是为自己做选择，而不是为了他人做选择，这突显了这一通路在高级功能中的独特作用。因此，岛叶与VTA之间的异常连接可能与精神疾病中的自我信念和社会功能障碍症状有关，针对连接VTA与岛叶的通路进行VTA深部脑刺激治疗，可能会特异性地减轻这些症状。
4.4 苍白球和扩展的杏仁核
据报道，针对苍白球（GP）的深部脑刺激（DBS）可以缓解强迫症（OCD）患者的症状。我们的分析表明，四种不同的DBS目标（slMFB、ithp、BNST和GP内）成功用于治疗OCD，它们调节了同一组连接VTA与GP和扩展杏仁核的纤维束（图8）。最近显示，这条通路与可卡因戒断相关的焦虑有关。扩展的杏仁核在与恐惧、焦虑和成瘾相关的过程中发挥重要作用，并从内侧嗅皮层接收输入，这最近被建议作为OCD的潜在DBS目标。直接针对扩展杏仁核的DBS已经改善了自闭症和自伤的情感、社交和认知症状。未来的帕金森病患者研究应该探索VTA DBS或纤维束引导的DBS是否可以通过调节连接VTA与GP的纤维来提供认知和情感症状的缓解，同时减少副作用。
4.5 伏隔核和前额叶皮质
VTA与NAc之间的连接与VTA-下丘脑回路密切相关，这是一个由瘦素调节的网络，支持奖励喂养行为。此外，这种连接在慢性情绪压力和焦虑相关行为中起关键作用。在人类中，连接VTA与NAc的纤维束与冲动性有关。VTA对PFC的传出纤维受慢性压力调节，这会引发不同的结构和功能性别依赖变化。
VTA和PFC之间的连接由一条在ALIC中运行的纤维束促进，这一结构在许多先前的成像研究中被复制，并被命名为slMFB。slMFB的连接性和名称一直存在争议。基于动物研究的不适当命名的论点是，这些研究将内囊和MFB视为解剖学上不同的结构。值得注意的是，动物研究报告了MFB和内囊之间的紧密解剖关系或重叠。然而，我们的研究并不旨在解决任何命名相关的争议。我们关于连接PFC与VTA的轨迹和结构的结果与先前对slMFB的描述一致。我们的研究通过白质微切割证据首次定义了该轨迹的详细3D重建，并通过双ROI纤维追踪方法验证了我们的微切割结果。PFC内运行的slMFB的谷氨酸能传出纤维最近在一项大型非人灵长类动物研究中被报告。slMFB的DBS与MDD和OCD患者的高治疗反应率有关。slMFB的结构改变与酒精使用障碍、双相情感障碍、MDD和精神病障碍有关。
4.6局限性
尽管在这项研究中进行了彻底的调查，但Klinger技术（一种用于研究大脑纤维束的解剖学方法）和纤维追踪的固有局限性仍应始终被考虑在内。这两种方法都容易产生假阴性结果，特别是在高白质密度区域和大量交叉纤维的区域。纤维追踪容易产生假阳性结果，应通过组织学数据进行验证。然而，组织学和成像数据之间的比较只能定性地实现。尽管存在这些挑战，Klinger技术仍然是直接检查人脑内纤维束的唯一可用方法。未来的研究应关注技术发展，这将允许在共同空间中对组织学和成像数据进行定量比较。此外，我们基于从1065名健康受试者中创建的平均模板来划分VTA内不同纤维束所占据的体积，从而得出VTA的连接性推导分割。因此，我们的发现只能建议VTA内纤维束组织的广义拓扑模板。然而，在临床环境中仔细考虑每位患者的个体成像特征以及在纤维追踪引导的神经调节过程中至关重要。此外，我们的研究在确定内囊内的纤维时遇到了挑战，可能未能捕捉到与其他人类大脑区域的连接。此外，连接VTA与内侧苍白球、外侧苍白球和外侧杏仁核的纤维的区分证明是困难的。此外，值得注意的是，本文中使用的纤维显微解剖技术无法区分一条线的起源和终止。
5. 总结
我们的显微切片和纤维追踪发现一致表明，VTA与脚间核、下丘脑、乳头体、额叶、中隔核、NBST、尾状核、GP、岛叶、杏仁核、背侧海马/齿状回、NAc、内嗅皮层、BA10、BA11和BA12相连。VTA是边缘系统、纹状体、基底前脑和前额叶皮层回路的重要组成部分。我们的发现表明，VTA是一个扩展网络的重要枢纽，涉及血清素能桥核、边缘系统、基底前脑、基底神经节和PFC，这些网络调节行动、奖励、记忆、药物寻求、成瘾、攻击和焦虑相关行为。因此，VTA为神经精神障碍如Korsakoff综合征、帕金森病和阿尔茨海默病提供了一个有前景的复杂DBS目标，应通过未来的临床前研究进行评估。VTA内的连接显示出根据它们与下丘脑和基底前脑、岛叶和颞叶以及NAc和PFC的连接性而具有拓扑组织。
参考文献：
Skandalakis, G. P., Neudorfer, C., Payne, C. A., Bond, E., Tavakkoli, A. D., Barrios-Martinez, J., ... & Kalyvas, A. (2024). Establishing connectivity through microdissections of midbrain stimulation-related neural circuits. Brain, 147(9), 3083.