Altered functional connectivity networks in patients with OCD and schizophrenia, and its association with symptomatology and cognition

Abstract

Introduction: This work examines the robustness and stability of resting-state fMRI connectivity aberrations in psychiatric diseases. The first study focuses on obsessive-compulsive disorder (OCD), replicating findings from prior meta-analyses describing altered functional connectivity between and within resting networks in patients with OCD (PwODC). The second study investigates negative symptoms in patients with schizophrenia (PwSZ), focusing on striatal connectivity abnormalities as potential biomarkers. In the third study thought patterns (TP) were associated with functional connectivity gradients in PwSZ and controls. Methods: OCD study: We analyzed a new dataset of PwOCD and controls, using seed-to-wholebrain voxel analyses with prior meta-analysis-derived seeds. We validated findings using Independent Component Analysis and an alternative functional atlas. SZ study 1: We ran striatal seed-to-whole-brain voxel analyses in a longitudinal two-center setting, focusing on stable threemonth group changes. We linked stable connectivity aberrations with cognition and negative symptoms. In SZ patients, we associated baseline striatal connectivity with negative symptoms at baseline and with symptoms nine months later. SZ study 2: We used self-report questionnaire to collect participants' thought patterns during rsMRI. We reduced dimensionality over the cortical functional connectivity matrixes, creating functional connectivity gradients and focusing on the first three gradients. Using TPs and brain parcel gradients, which varied between the groups, we linked TP and parcels. Results: OCD study: Lateral parietal seed (DMN) showed a stronger correlation with lateral occipital cortex and precuneus in PwOCD, positively correlating with symptom severity. Stronger negative connectivity between visual and DMN regions in PwOCD was observed and was replicated via two methods. SZ study 1: Stable striatal- parietal-frontal-cerebellar hypoconnectivity was seen in PwSZ over three months. Weaker sensorimotor striatum to superior parietal lobule connectivity at baseline correlated with higher severity of diminished expression at follow-up. SZ study 2: Network segregation abnormalities were found in PwSZ with auditory parcels showing stronger DMN coupling and weaker sensorimotor network coupling. In HC, DMN decoupling was associated with abstract TP. In PwSZ parcels from the Dorsal Attentional Network were more dissociated from DMN and correlated with intrusive-negative thoughts. Discussion: Robust and stable resting state connectivity changes were found in patients with OCD and SZ. In both patient groups the involvement of sensorial regions was revealed. PwOCD showed stronger negative connectivity between DMN and visual cortex regions. PwSZ presented a coupling of auditorial parcels and the DMN and the involvement of sensorimotor-related regions. Repicaility and stability of network alterations underly the potential to serve as biomarkers in psychiatric disorders.

Einleitung: Diese Arbeit untersucht Robustheit und Stabilität von Veränderungen funktioneller Konnektivität im Ruhezustand bei psychiatrischen Erkrankungen. Studie 1 befasst sich mit Zwangsstörungen (OCD) und repliziert Ergebnisse früherer Meta Analysen zu veränderter funktioneller Konnektivität in Ruhe-Netzwerken bei Patienten mit OCD (PwODC). Studie 2 untersucht Negativsymptome bei Patienten mit Schizophrenie (PwSZ) und Anomalien striataler Konnektivität als potenzielle Biomarker. Studie 3 assoziiert Denkmuster (TP) mit funktionellen Konnektivitätsgradienten bei PwSZ und Kontrollpersonen (KP). Methoden: OCD-Studie: Wir analysierten einen neuen Datensatz von PwOCD und KP mit Seed-to-Brain-Voxel-Analysen mit Seeds aus einer Meta-Analyse. Wir validierten die Ergebnisse mit Unabhängigkeitsanalyse und einem alternativen Funktionsatlas. SZ Studie 1: Wir führten striatale Seed-to-Brain-Voxel-Analysen in einem longitudinalen 2- Zentren-Setting durch; Fokus war stabile Gruppenunterschiede über 3 Monate. Wir untersuchten den Zusammenhang von stabilen Konnektivitätsveränderungen, Kognition und Negativsymptomen. Bei PwSZ assoziierten wir striatale Baseline-Konnektivität mit Negativsymptomen zu Studienbeginn und 9 Monate später. SZ-Studie 2: Wir erfassten TP der Teilnehmer im fMRT mit Selbstbeurteilungsfragebögen. Wir analysierten die kortikale Konnektivität durch Dimensionsreduktion und erstellten Konnektivitätsgradienten. Mit TP und Hirnparzellengradienten, die sich zwischen den Gruppen unterschieden, assoziierten wir TP und Parzellen. Ergebnisse: OCD-Studie: Bei PwOCD zeigt der laterale parietale Seed (DMN) stärkere Korrelation mit lateralem okzipitalem Kortex und Precuneus, positiv korreliert mit Symptomschwere. Stärkere negative Konnektivität von visuellen und DMN-Regionen bei PwOCD wurde beobachtet und zweifach repliziert. SZ-Studie 1: Stabile striatale-parietal frontal-cerebelläre Hypokonnektivität wurde bei PwSZ über 3 Monate beobachtet. Schwächere Konnektivität von sensomotorischem Striatum und superiorem Parietallappen zu Beginn korreliert mit verstärktem vermindertem Ausdruck beim Followup. SZ-Studie 2: Netzwerksegregationsabnormalitäten wurden bei PwSZ gefunden, wobei auditorische Parzellen stärkere DMN- und schwächere sensomotorische Netzwerk-Kopplung zeigen. Bei KP war DMN-Entkopplung mit abstrakten TP assoziiert. Bei PwSZ waren Parzellen des dorsalen Aufmerksamkeitsnetzwerks stärker vom DMN dissoziiert und korrelierten mit intrusiv-negativen Gedanken. Diskussion: Robuste und stabile Veränderungen der Ruhezustand-Konnektivität zeigte sich bei PwOCD und PwSZ. In beiden Gruppen waren sensorische Regionen beteiligt. PwOCD zeigten stärkere negative Konnektivität von DMN und visuellen Kortexregionen. PwSZ präsentierten eine Kopplung von auditiven Parzellen und DMN sowie Beteiligung sensomotorisch-assoziierte Regionen. Replizierbarkeit und Stabilität der Netzwerkveränderungen unterstreichen ihr Potenzial als Biomarker psychiatrischer Störungen.