Common and specific patterns of functional and structural brain alterations in schizophrenia and bipolar disorder: a multimodal voxel-based meta-analysis

Abstract

Background: Schizophrenia and bipolar disorder have been linked to alterations in the functional activity and grey matter volume of some brain areas, reflected in impaired regional homogeneity and aberrant voxel-based morphometry. However, because of variable findings and methods used across studies, identifying patterns of brain alteration in schizophrenia and bipolar disorder has been difficult. Methods: We conducted a meta-analysis of differences in regional homogeneity and voxel-based morphometry between patients and healthy controls for schizophrenia and bipolar disorder separately, using seed-based d mapping. Results: We included 45 publications on regional homogeneity (26 in schizophrenia and 19 in bipolar disorder) and 190 publications on voxel-based morphometry (120 in schizophrenia and 70 in bipolar disorder). Patients with schizophrenia showed increased regional homogeneity in the frontal cortex and striatum and the supplementary motor area; they showed decreased regional homogeneity in the insula, primary sensory cortex (visual and auditory cortices) and sensorimotor cortex. Patients with bipolar disorder showed increased regional homogeneity in the frontal cortex and striatum; they showed decreased regional homogeneity in the insula. Patients with schizophrenia showed decreased grey matter volume in the superior temporal gyrus, inferior frontal gyrus, cingulate cortex and cerebellum. Patients with bipolar disorder showed decreased grey matter volume in the insula, cingulate cortex, frontal cortex and thalamus. Overlap analysis showed that patients with schizophrenia displayed decreased regional homogeneity and grey matter volume in the left insula and left superior temporal gyrus; patients with bipolar disorder displayed decreased regional homogeneity and grey matter volume in the left insula. Limitations: The small sample size for our subgroup analysis (unmedicated versus medicated patients and substantial heterogeneity in the results for some regions could limit the interpretability and generalizability of the results. Conclusion: Patients with schizophrenia and bipolar disorder shared a common pattern of regional functional and structural alterations in the insula and frontal cortex. Patients with schizophrenia showed more widespread functional and structural impairment, most prominently in the primary sensory motor areas.

Neurodevelopmental disturbances in schizophrenia: evidence from genetic and environmental factors

“…One of the first neuroimaging findings in SZ was the enlargement of ventricles (Johnstone et al 1976). This was followed by magnetic resonance imaging (MRI) studies demonstrating more subtle grey matter volume loss especially in the prefrontal cortex, superior temporal gyrus and cingulate cortex (Qi et al 2022). A meta-analysis of voxel-based morphometry and diffusion tensor imaging studies revealed widespread white matter alterations including decreased fractional anisotropy in fronto-temporal-limbic pathways (Vitolo et al 2017).…”

Resting-state functional magnetic resonance imaging in bipolar affective disorder. A systematized umbrella review

“…Отобранные мета-анализы использовали различные методы количественного синтеза данных, такие как, оценка вероятности активации [41,52], многоуровневый анализ плотности ядра [20] и различные варианты картирования на основе областей интересов [19,37,51]. При оценке вероятности активации всех областей мозга было обнаружено достоверно значимое изменение вентральной части задней поясной извилины (область СПРР), характерное, преимущественно, для депрессивной фазы БАР [41], в то же время, при детальном изучении вероятности активации структур СПРР, была зафиксирована сниженная активность задней поясной извилины и предклиний в рамках депрессивной фазы [52] и противоречивые данные об изменении ФК структур СПРР при сравнении пациентов с БАР и нейротипичных респондентов.…”

“…В то же время эутимия характеризовалась компенсаторным повышением ФК внутри СПРР при снижении между АС и постцентральной извилиной [20,51]. При прицельном изучении активности интересующих областей повышение было выявлено в нижней лобной извилине, правой верхней лобной извилине, островковой коре, правом полосатом теле, а снижение характерно для передней поясной коры, височных областей, правого таламуса, предклиний, левой постцентральной извилины [19,37]. Примечания: фМРТфункциональная Магнитно-резонансная томография; БАРбиполярное аффективное расстройство; БАР-Ддепрессивный эпизод биполярного аффективного расстройства; БАР-Мманиакальный эпизод биполярного аффективного расстройства; БАР-Эфаза эутимии/ремиссии биполярного аффективного расстройства; КГконтрольная группа нейротипичных респондентов; CNKI -Chinese National Knowledge Infrastructure; WoS -Web of Science; ФКфункциональная коннективность покоя областей интереса со всем остальным мозгом; ALFFизменения низкочастотных колебаний; ReHoрегиональная гомогенность; ДКдинамическая коннективность; ICAанализ независимых компонент; VMHCанализ коннективности гомотопических областей; ECMэффективная коннективность; AES-SDM картирование на основе областей интересов с учетом размера эффекта с учетом сглаживания; SDM-PSIкартирование на основе областей интересов с применением пермутационных тестов; MKDAмногоуровневый анализ плотности ядра; ALEоценка вероятности активации; АСаффективная нейросеть; СПРРсеть пассивного режима работы мозга; СВЗсеть выявления значимости; ЦИСцентральная исполнительная сеть; СМСсенсомоторная нейросеть; ДСВ/ВСВдорсальная/вентральная нейросеть внимания.…”

“…Для маниакальной фазы наиболее характерные изменения включали увеличение активности миндалевидного тела и снижение его ФК с лобными областями, отражающее ослабление когнитивного контроля над возрастающей доминацией связанных с эмоциями структур [8,14,20,23,26,44,51], что по некоторым данным может отражать усиление так называемой «иллюзии превосходства» [53] за счет повышения дофаминергической передачи, обуславливающей клинические проявления мании [14,19,20,29,37,41]. Два мета-анализа [20,51] определяют повышенную активность АС, включающей в себя основные структуры лимбической системы [45], а также отражают явное ее преобладание в период маниакальной фазы.…”

Functional connectivity gradients of the insula to different cerebral systems

“…The diverse functional roles of the insula may emerge from its heavy connectivity to an extensive network of cortical and subcortical areas (Benarroch, 2019 ; Cauda et al, 2011 ; Cloutman et al, 2012 ; Gasquoine, 2014 ; Ghaziri et al, 2017 ; Gogolla, 2017 ; Taylor et al, 2009 ). Moreover, a large number of clinical neuroimaging studies have identified the insula as a core region affected across many psychiatric and neurological conditions including, but not limited to, autism (Lukito et al, 2020 ; Nomi et al, 2019 ; Uddin & Menon, 2009 ), schizophrenia (Qi et al, 2022 ; Sheffield et al, 2020 ; Xu et al, 2022 ; Zhu et al, 2015 , 2017 , 2018 , 2020 ; Zhuo, Zhu, Qin, et al, 2017 ), depression (Kim & Han, 2021 ; Nord et al, 2021 ; Yu et al, 2020 ; Zhuo, Zhu, Wang, et al, 2017 ), addiction (Ghahremani et al, 2021 ; Perez Diaz et al, 2021 ; Qiu & Wang, 2021 ; Turel et al, 2021 ; Wei et al, 2017 ), anxiety disorders (Chavanne & Robinson, 2021 ; Cui et al, 2020 ; Feurer et al, 2021 ), Parkinson's disease (Carey et al, 2021 ; Pan et al, 2022 ; Tremblay et al, 2020 ), frontotemporal dementia (Gordon et al, 2016 ; Mandelli et al, 2016 ; Panman et al, 2019 ) and Alzheimer's disease (Jones et al, 2019 ; Liu et al, 2018 ; Nunez et al, 2020 ), highlighting its critical involvement in cross‐disorder neuropathological mechanisms. Collectively, these empirical insights from brain structural and functional data have exposed the insula as an integral component of behavior in various non‐disease and disease states, such that this brain structure has gained considerable attention in basic and clinical neuroscience.…”