数学模型能解释临床抑郁症吗?UPES教员告诉我们怎么做
作为一名训练有素的计算神经科学家和UPES通识研究学院的助理教授,Melissa Reneaux博士正在建立数学模型,以了解炎症相关的抑郁症,以及抗抑郁药和抗组胺药对缓解抑郁症的影响
当我们谈论精神障碍时,我们通常只从心理学的角度来看待它们,而忽略了身体功能的作用。然而,我们大脑中发生的事情与我们的身体有直接的联系。例如,临床抑郁症与身体炎症有直接关系。
“一开始,临床抑郁症被认为是由血清素水平下降引起的大脑化学失衡,血清素是大脑中与个人情绪相关的神经化学物质。然而,最近的文献表明,抑郁症也可能与身体肿胀(也称为外周炎症)有关,”UPES大学文科学院助理教授梅丽莎·雷诺克斯博士解释说。
外周炎症会增加大脑中的组胺水平,这种化学物质通常与过敏、流鼻涕和打喷嚏等症状有关。她说:“组胺的增加会降低大脑中的血清素水平,从而导致抑郁。”
雷诺博士是一名受过物理训练的计算神经科学家,他正在建立数学模型,以了解与炎症相关的抑郁症,以及抗抑郁药和抗组胺药对缓解抑郁症的影响。
数学如何适用于解决生物学和心理学问题?“如果你想到用于检测体内疾病的x射线、CT扫描和功能性磁共振成像(fMRI)等医学成像技术,以及使用概率和统计来验证药物的有效性,所有这些措施都是由受过数学科学培训的个人开发的。在这里,我用数学原理来解决精神障碍问题。”她说。
雷诺博士强调,在精神障碍方面,治疗所遵循的方法是心理上的,然而,所使用的指标是建立在数学基础上的。“例如,抑郁症有自我报告评估,如患者健康问卷(PHQ)。在这个测试中,研究人员会根据个人的情绪向他们提出一系列问题,并对抑郁的严重程度进行分级。根据获得的分数,将个体分为轻度、中度或重度抑郁,从此开始药物治疗。”
作为她硕士论文的一部分,Reneaux博士利用物理学原理研究类风湿关节炎——一种自身免疫性疾病,会导致患有这种疾病的人的关节剧烈疼痛和炎症。她惊讶地发现,物理学和数学可以用来解决生物学中的问题。随着她对理解人类疾病的兴趣的增长,她决定用物理和数学的概念来理解精神疾病。
在伦敦帝国理工学院做博士后研究时,她发现了一个惊人的发现。“我的研究小组正在寻找抑郁症小鼠体内的生物标志物。我们测量了老鼠大脑中的血清素,同时给老鼠注射了脂多糖——一种能提高身体炎症的化学物质。小鼠也经历了慢性轻度应激模式。我们发现另一种化学物质,组胺,它是身体炎症的标志,也在老鼠大脑中升高,导致血清素减少。组胺和血清素之间的这种相互作用导致了临床抑郁症,”雷诺博士解释说。
这项研究表明,体内的炎症会导致大脑的变化。雷诺博士开发了一种名为“压力指数”的衡量标准。“这是一个从零到正的刻度。压力指数的正数值越大,个体的压力水平越高。身体炎症会导致压力水平的增加,导致神经化学物质水平的改变,这是可以测量的,”她补充道。
在查阅有关临床抑郁症的文献时,雷诺博士震惊地发现,根据2017年世界卫生组织(WHO)的报告,全球有超过3亿人患有抑郁症。COVID-19的这些数字急剧增加。大约有一半的抑郁症患者——这个数字是如此之大——对抗抑郁药物没有反应。那些对药物有反应的人,需要几周甚至几个月的时间才能让药物起作用,让他们感觉更好。
“抗抑郁药,如选择性血清素再摄取抑制剂(SSRIs),是治疗抑郁症的第一线药物,其改善效果有限。直到最近,人们才知道血清素是抑郁症中唯一降低的神经化学物质。所以,用ssri类药物治疗抑郁症患者,应该会让他们感觉好一些。然而,事实并非如此,”她说。
这一事实让她的团队想知道,在对抑郁症的理解中是否存在缺失的环节。有关抑郁症的文献表明,大约四分之一的抑郁症患者同时患有身体炎症,这意味着他们的组胺水平升高。“我的团队进行的实验观察到,组胺升高会降低血清素,随后血清素帮助产生更多的组胺。因此,当给这些老鼠服用血清素药物时,血清素确实升高了,但组胺水平也升高了,这导致了血清素的降低。组胺和血清素之间存在双向相互作用。我们发现,对于那些抑郁的潜在原因是炎症的老鼠来说,当它们接受SSRIs和组胺抑制剂的联合治疗时,血清素水平上升,”Reneaux博士说。
这项研究发表在神经炎症杂志在小鼠身上进行,并使用小鼠大脑的化学记录。然而,这种侵入性方法在人类受试者中是不可行的。瑞诺博士目前正致力于建立一个数学模型以脑电波频率的形式为炎症程度的变化提供可测量的输出。这些脑电波频率可以用无创脑电图(EEG)记录来测量。“在抑郁症患者中,前额叶皮层(大脑中与思考有关的区域)的θ波段(3.5到7.5赫兹)减少,而前扣带皮层(大脑中与情绪有关的区域)的θ波段活动增加。这个数学模型将显示抗抑郁药和抗组胺药对这些脑电波的影响,”雷诺博士描述道。
与抑郁症相关的主要担忧之一是全球抑郁症患者的高自杀率。雷诺博士还与俄亥俄州迈阿密大学(Miami University)的研究人员合作,开展一个联合项目,调查印度北部年轻人产生自杀念头的原因。Reneaux博士对她的研究充满热情,因为她认为她的研究工作有可能直接影响人们的福祉。