Pathology of microstructural brain connectivity in paranoid schizophrenia (according to diffusion-tensor tractography data)

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

AIM: revealing microstructural brain connectivity alterations in patients with paranoid schizophrenia.

MATERIALS AND METHODS: 25 patients diagnosed with paranoid schizophrenia were examined. The control group was 30 healthy people without neurological and somatic diseases. Studies were carried out on the Philips Ingenia magnetic resonance tomograph, with a magnetic field strength of 1.5 T using the DTI pulse sequence. Data processing was carried out using the tractographic module “DSI Studio”.

RESULTS: According to the group assessment of the obtained tractographic brain data, significant differences in microstructural connectivity in the group of patients with paranoid schizophrenia were detected. A pathological conglomerate of cortical-subcortical structure connectivity was found, different from the sets of normal connections in the control group, consisting of a cingulate gyrus, hippocampus and thalamus. Such a pathological control center is one of the possible tractographic patterns of schizophrenia. In our opinion, the pathological connectivity of the hippocampus and thalamus, as one of the main components of the limbic system of the brain, reduces the controlling emotional function of the cingulate cortex, the control center of this system. In this case, excessive connectivity of the hippocampus with the cingulate cortex may indicate an incorrect implementation of their interaction, which also affects the occurrence or progression of emotional-will disorders. The thalamus, being the center of transmission of sensory and motor information from the sensory organs, can transmit incorrect redundant data about what is happening around the body and participate in the formation of auditory and visual hallucinations. Also, the pathological work of the thalamus may be involved in the progression of autism. Thus, the patient is increasingly losing touch with reality, increasingly preferring unknowingly fantasy, erasing ties with reality. Data from one of the characteristics of the artiformal neural network – the clustering coefficient – were significantly increased in patients compared to the control group, which may indicate the presence of excess, abnormal microstructural connectivity in the network.

CONCLUSION: The study confirms the presence of microstructural and neural network changes in the hippocampus, thalamus, cingulate cortex and basal ganglia. These changes are peculiar tractographic semiotic signs of brain pathology in paranoid schizophrenia. This study is a step in the search for a tool to identify the features of neuroplasticity disorders in this disease and schizophrenia screening (2 figures, 3 tables, bibliography: 13 refs).

About the authors

Nikolay A. Puchkov

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Author for correspondence.
Email: kolya_puchkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2703-9883
SPIN-code: 6234-9055

6th year cadet

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Peterburg, 194044

Dmitry A. Tarumov

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Email: Tarumov@live.ru
ORCID iD: 0000-0002-9874-5523
SPIN-code: 7608-5045

MD, DSc (Medicine), Associate Professor

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Peterburg, 194044

Kirill V. Markin

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Email: kolya_puchkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6242-1279
SPIN-code: 5416-7490

6th year cadet

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Peterburg, 194044

Yaroslav E. Prochik

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Email: kolya_puchkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3861-641X
SPIN-code: 9120-1907

5th year cadet

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Peterburg, 194044

Alexander V. Tyomniy

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Email: kolya_puchkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8813-5708
SPIN-code: 2072-1868

6th year

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Peterburg, 194044

Vasiliy E. Maslov

S.M. Kirov Military Medical Academy of the Russian Defense Ministry

Email: kolya_puchkov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1494-3945
SPIN-code: 6980-8520

6th year cadet

Russian Federation, 6, Akademika Lebedeva str., Saint Peterburg, 194044

References

  1. Aleksandrovsky YuA, Neznanov NG, editors. Psychiatry: a national guide. Moscow: GEOTAR-Media Publisher; 2018. 1008 p. (In Russ.)
  2. Shamray VK, Kurasov ES, Nechiporenko VV. Possibilities of using Mexidol in comprehensive therapy of mental disorders. Neuroscience and Behavioral Physiology. 2020;120(5):160–164. (In Russ.) doi: 10.17116/jnevro2020120051160
  3. Tarumov DA, Trufanov AG, Zheleznyak IS, et al. Abnormalities in microstructural brain connectivity in patients with opioid or alcohol dependence. Doktor.Ru. 2020;19(4):35–42. (In Russ.) doi: 10.31550/1727-2378-2020-19-4-35-42
  4. Mwansisya T. Task and resting-state fMRI studies in first-episode schizophrenia: A systematic review. Schizophr Res. 2017;(189):9–18. doi: 10.1016/j.schres.2017.02.026
  5. Deng Y. Tractography-based classification in distinguishing patients with first-episode schizophrenia from healthy individuals. Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry. 2019;(88):66–73. doi: 10.1016/j.pnpbp.2018.06.010
  6. Gómez-Gastiasoro A. Altered frontal white matter asymmetry and its implications for cognition in schizophrenia: A tractography study. Neuroimage Clin. 2019;(22):101781. doi: 10.1016/j.nicl.2019.101781
  7. Ji E. Increased and Decreased Superficial White Matter Structural Connectivity in Schizophrenia and Bipolar Disorder. Schizophr Bull. 2019;45(6):1367–1378. doi: 10.1093/schbul/sbz015
  8. Seitz J. Tractography Analysis of 5 White Matter Bundles and Their Clinical and Cognitive Correlates in Early-Course Schizophrenia. Schizophr Bull. 2016;42(3):762–771. doi: 10.1093/schbul/ sbv171
  9. Shon S, Yoon W, Kim H, et al. Deterioration in Global Organization of Structural Brain Networks in Schizophrenia: A Diffusion MRI Tractography Study. Front Psychiatry. 2018;(9):272. doi: 10.3389/fpsyt.2018.00272
  10. Zvartau EE, Patkina NA. Motivational components and self-stimulation in behavioral responses caused by electrical stimulation of the cat hypothalamus. Zhurnal vysshei nervnoi deyatelnosti imeni I.P. Pavlova. 1974;24(3):529. (In Russ.)
  11. Tarumov DA. Magnetic resonance diagnostics of morphofunctional brain changes in mental and behavioral disorders caused by opioid and alcohol use [dissertation]. Saint Petersburg; 2019. (In Russ.)
  12. Paré D, Collins D, Pelletier J. Amygdala oscillations and the consolidation of emotional memories. Trends Cogn Sci. 2002;6(7): 306–314. doi: 10.1016/s1364-6613(02)01924-1
  13. Khadka S. Is aberrant functional connectivity a psychosis endophenotype? A resting state functional magnetic resonance imaging study. Biol Psychiatry. 2013;74(6):458–466. doi: 10.1016/j.biopsych.2013.04.024

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Differences in connectivity matrices in patients with schizophrenia (a) compared with the norm (b)

Download (63KB)
3. Fig. 2. Model of interaction of cortical and subcortical structures of the limbic system in patients with paranoid schizophrenia (a) and in the control group (b)

Download (106KB)

Copyright (c) 2021 Puchkov N.A., Tarumov D.A., Markin K.V., Prochik Y.E., Tyomniy A.V., Maslov V.E.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».