本研究由美国伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois, Chicago）的Andrew P. Burns、Igor Fortel、Alex Leow等研究人员，联合匹兹堡大学、威斯康星大学麦迪逊分校、加州大学旧金山分校等多个机构的学者共同完成，并于2025年发表在《自然》旗下期刊《通讯-生物学》（Communications Biology）上。
本研究属于神经科学与阿尔茨海默病（Alzheimer‘s Disease， AD）早期神经病理机制交叉领域。其核心科学问题聚焦于大脑宏观尺度的兴奋与抑制（Excitation/Inhibition， E/I）平衡在AD病程中的动态变化。
长期以来，E/I平衡被公认为维持正常认知功能（如记忆）的关键。AD患者中普遍存在E/I失衡，表现为神经元过度兴奋（hyperexcitation），并与认知能力下降加速相关。抗癫痫药物左乙拉西坦（levetiracetam）被证明可通过调节E/I平衡改善部分AD患者的认知，提示E/I失衡是AD的重要治疗靶点。
然而，关于E/I失衡在AD临床前阶段（即认知未受损阶段）的出现和发展模式，尤其是如何受已知AD风险因素（如性别和载脂蛋白E ε4等位基因，即APOE-ε4）的影响，尚不清楚。此前研究，包括本团队的前期工作，发现认知未受损的女性APOE-ε4携带者与男性携带者相比，存在“过度兴奋”的表型，但这仅是横断面观察，缺乏纵向证据支持。鉴于女性，特别是携带APOE-ε4的女性，患AD的风险是男性的两倍，阐明这一高风险群体是否在临床前阶段就表现出独特的E/I失衡轨迹，对于理解AD的性别差异病理机制和开发精准的早期干预策略（如靶向E/I的抗癫痫疗法）至关重要。
因此，本研究旨在：通过一项纵向研究设计，探究性别与APOE-ε4状态如何交互影响认知未受损老年人大脑全脑E/I平衡随时间的动态变化轨迹，并检验女性APOE-ε4携带者是否存在特异性的过度兴奋发展轨迹。
本研究是一项纵向神经影像学研究，工作流程主要包括参与者招募与评估、多模态神经影像数据采集与预处理、E/I平衡指标的计算与建模、以及统计分析。
1. 研究参与者： 研究数据来源于OASIS-3公开数据库。共纳入106名基线时认知未受损的老年人作为主要分析对象。所有参与者均进行了APOE基因分型，并且每人都完成了至少3次（大多数为3-4次）静息态功能磁共振成像（resting-state fMRI， rs-fmri）和弥散张量成像（diffusion tensor imaging， DTI）扫描。参与者在至少一次扫描事件中的临床痴呆评定量表（Clinical Dementia Rating， CDR）评分为0（认知正常）。为了建模从认知正常到早期轻度认知障碍（Mild Cognitive Impairment， MCI）过渡期的E/I轨迹，研究还纳入了22名在后续扫描中出现CDR=0.5（疑似MCI）或1（轻度痴呆）评分的参与者，但他们至少有一次CDR=0的记录。这确保了模型能够覆盖临床前连续体直至早期损害阶段。参与者样本构成存在一定不平衡性：女性多于男性（65:41），非ε4携带者多于ε4携带者（77:29），但研究者采用了适合处理不平衡数据的统计模型。此外，部分参与者还有淀粉样蛋白正电子发射断层扫描（Amyloid PET）数据，用于探索性亚组分析。
2. 神经影像数据采集与预处理： * 结构像与功能像预处理： T1加权解剖像经过去头皮、强度不均一性校正等标准预处理。rs-fmri数据经过头动校正、层时间校正、空间标准化（至MNI空间）、平滑以及去除干扰信号（如白质、脑脊液信号、头动参数）等步骤。最终，基于预先定义的105个大脑感兴趣区（Region of Interest， ROI， 排除脑干和小脑），提取每个ROI的血氧水平依赖信号时间序列，并通过计算皮尔逊相关系数，构建每个参与者的功能连接矩阵。 * 弥散像预处理与结构连接构建： DTI数据经过头动和涡流校正、配准等处理。使用概率性纤维追踪算法，计算各ROI之间的结构连接强度，构建结构连接矩阵，并进行归一化以便跨参与者比较。 * 淀粉样蛋白PET处理： 对于有PET数据的参与者，通过计算特定脑区的平均标准摄取值比值来确定全局淀粉样蛋白负荷，并将其二分为淀粉样蛋白阳性或阴性。
3. E/I平衡指标的计算——创新性多模态连接组学方法： 本研究的关键创新在于采用了一种名为“静息态结构连接组”（Resting-State Structural Connectome， RSSC）的混合模型来估算宏观尺度的E/I平衡。该方法整合了功能（rs-fmri）和结构（DTI）连接信息，克服了仅依赖功能数据可能无法充分重建兴奋动力学的局限性。 * 模型原理： RSSC基于正则化的逆伊辛模型（inverse Ising model）。该模型将每个ROI视为一个具有二元状态（活跃/不活跃）的“自旋”，其状态由预处理并二值化的fMRI时间序列定义。模型的目标是找到一个最优的“连接系数矩阵”（即RSSC），该矩阵既能最大程度地解释观测到的功能活动模式（通过最大伪似然估计），其绝对值又受到经验性结构连接矩阵的约束（即结构正则化项）。 * 核心优势： 这种结构正则化允许连接系数为负值，这些负值连接可被解释为在功能网络传播中具有净抑制性影响的连接。这是从宏观影像数据中推断抑制性相互作用的创新尝试。 * 指标提取： 从优化后的RSSC中，计算两个核心指标： 1. 全脑兴奋抑制比（Excitation-Inhibition Ratio， EIR）： 将RSSC中所有正连接系数的总和除以所有负连接系数总和的绝对值。EIR > 1表示全脑兴奋占优。 2. 特定功能网络EIR： 研究者特别关注了在AD中 consistently 报道的功能网络，即默认模式网络（Default Mode Network， DMN）和边缘系统。仅使用涉及这些网络内节点的连接来计算网络水平的EIR。
4. 统计分析： 为了检验EIR轨迹是否受性别和APOE-ε4状态的调节，研究采用了线性混合模型（Linear Mixed Model）。该模型能有效处理纵向重复测量数据和不平衡的样本。 * 固定效应： 包括性别、APOE-ε4状态（二分变量）、距首次扫描时间（年）、基线年龄，以及这些变量之间的交互项（特别是关注性别×ε4状态×时间的三阶交互）。 * 随机效应： 包含参与者随机截距，以考虑个体间差异。 * 参考组： 设定为女性非ε4携带者。 * 亚组与敏感性分析： 为检验结果的稳健性，研究者进行了一系列分析，包括：使用“兴奋百分比”替代EIR作为因变量；仅纳入淀粉样蛋白阴性参与者进行分析；将淀粉样蛋白状态作为非交互或交互协变量纳入模型；以及进行敏感性分析（例如剔除随访时间极长的参与者）。
1. 全脑EIR轨迹存在显著的性别×APOE-ε4×时间三阶交互作用。 线性混合模型结果显示，距首次扫描时间、性别和APOE-ε4状态之间存在显著的交互效应。进一步分析发现，女性是驱动这一三阶交互作用的主要群体。 * 在女性中，APOE-ε4状态与时间存在显著的二阶交互作用。具体而言，携带APOE-ε4的女性表现出显著更高的过度兴奋轨迹（即EIR随时间上升的斜率更陡），与不携带APOE-ε4的女性相比有显著差异。同时，携带APOE-ε4的女性与携带APOE-ε4的男性相比，也显示出近乎显著的更高过度兴奋轨迹趋势。 * 在男性中，未观察到APOE-ε4状态对EIR轨迹的显著影响。 * 年龄调节效应： 研究还发现，女性过度兴奋轨迹的显著性与她们入组时的年龄有关。年龄更大的女性（约75岁）在ε4携带者与非携带者之间的EIR轨迹差异更明显，而较年轻女性（约58岁）则无此差异，提示年龄可能是女性ε4携带者E/I失衡加速的一个风险因素。 * 稳健性检验： 上述主要结果在将淀粉样蛋白状态作为非交互协变量纳入模型后依然保持显著，表明该效应独立于淀粉样蛋白负荷这一常见AD病理的直接影响。敏感性分析剔除两个超长随访参与者后，效应方向不变，虽p值略有上升，但支持全脑E/I平衡变化是一个长期、渐进的过程。
2. 默认模式网络/边缘系统在基线时存在女性特异性的过度兴奋。 在假设驱动的网络水平分析中，研究者发现： * 与男性相比，认知未受损的女性在基线时（即首次扫描时）就在DMN-边缘系统网络中表现出显著更高的EIR，意味着该网络在静息状态下已存在女性特异性的过度兴奋“基线”状态。 * 该网络的EIR随时间呈下降趋势。 * 与全脑结果不同，DMN-边缘系统网络的这种女性特异性过度兴奋，并未显示出与APOE-ε4状态或时间的显著交互作用。这表明，女性在该核心记忆相关网络中固有的兴奋性增强，可能是一个独立的、更早出现的风险特征，而APOE-ε4基因则可能在此基础上，进一步加剧了全脑范围的E/I失衡进程。
3. 探索性亚组分析。 由于样本量限制，基于淀粉样蛋白PET的亚组分析（如仅淀粉样蛋白阴性组，或将淀粉样蛋白作为交互项）未显示出显著效应，这很可能源于统计效力不足，而非效应不存在。
本研究首次在人类纵向研究中证实：在临床前AD阶段，大脑全脑兴奋抑制平衡的进行性失调轨迹具有性别和基因特异性。具体结论是：认知未受损的女性APOE-ε4携带者，相较于男性携带者和非携带女性，表现出独特的、随时间推移而加剧的全脑过度兴奋轨迹。
科学价值： 1. 连接宏观表型与风险因素： 该研究将AD的两个核心风险因素（女性性别和APOE-ε4）与一个关键的、可干预的神经生理机制（宏观E/I平衡）的动态变化直接联系起来，为理解AD风险差异的潜在神经生物学基础提供了新证据。 2. 提出阶段化病理假说： 结果提示AD的神经生理异常可能分阶段出现：首先，女性可能在涉及记忆的核心网络（如DMN-边缘系统）中表现出固有的、与基因无关的兴奋性增高“基线”；随后，APOE-ε4基因的携带会进一步推动全脑范围的E/I失衡加速恶化，这可能先于或独立于显著的淀粉样蛋白沉积。 3. 支持早期干预靶点： 研究结果为针对临床前女性APOE-ε4携带者开展预防性治疗（例如使用低剂量左乙拉西坦等调节E/I平衡的药物）提供了强有力的理论依据和潜在的生物标志物（即EIR轨迹）。