Science Center, National Taiwan University. The interdisciplinary collaborative work of basic neurobiology, cognitive science and clinical psychopatho

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1 計 畫 編 號 :BM08-00 計 畫 名 稱 : 精 神 分 裂 症 的 致 病 病 理 研 究 : 基 因 神 經 生 物 學 與 認 知 科 學 取 向 計 畫 主 持 人 : 梁 庚 晨 / 胡 海 國 / 符 文 美 計 畫 摘 要 ( 中 ): 精 神 分 裂 症 致 病 病 理 研 究 (SOPAS) 是 依 據 基 因 神 經 生 物 與 認 知 功 能 障 礙 之 三 種 基 礎 精 神 病 理 所 設 計, 是 台 灣 大 學 神 經 生 物 與 認 知 科 學 中 心, 整 合 基 礎 與 臨 床, 跨 理 學 院 醫 學 院 生 命 科 學 院 公 衛 學 院 工 學 院 之 跨 院 際 跨 學 門 的 研 究 計 畫, 它 含 有 一 個 核 心 主 計 劃 與 6 個 子 計 畫, 研 究 期 限 為 三 年 由 主 要 的 三 個 研 究 領 域 負 責 人 共 同 主 持 由 臨 床 病 人 相 關 之 精 神 科 教 授 負 責 研 究 行 政 之 執 行 此 SOPAS 的 6 個 子 計 畫 含 :(1) 精 神 分 裂 症 候 選 致 病 基 因 的 臨 床 與 神 經 生 物 學 研 究,(2) 精 神 分 裂 症 患 者 工 作 記 憶 的 功 能 與 結 構 連 絡 障 礙 研 究,(3) 精 神 分 裂 症 的 神 經 心 理 功 能 輪 廓 像 (profile) 與 基 礎 認 知 機 轉 研 究,(4) Orexin( 下 視 丘 胜 肽 鏈 激 發 物 ) 於 精 神 分 裂 症 致 病 病 理 研 究,(5) 性 賀 爾 蒙 與 心 理 社 會 壓 力 在 精 神 分 裂 症 致 病 性 基 因 DISC1 與 NRG1 基 因 缺 損 鼠 的 交 互 作 用 研 究 ;(6) 精 神 分 裂 症 致 病 性 基 因 DISC1 與 NRG1 基 因 在 神 經 細 胞 的 發 展 與 退 化 作 用 之 研 究 精 神 分 裂 症 是 一 個 病 情 嚴 重 且 具 明 顯 烙 印 之 精 神 疾 病, 並 具 高 遺 傳 致 病 性 (h2=0.70) 本 SOPAS 團 隊, 由 過 去 系 列 性 的 研 究, 已 發 現 精 神 分 裂 症 有 不 同 亞 型 有 潛 在 神 經 心 理 功 能 障 礙, 並 發 現 多 個 候 選 致 病 性 基 因, 與 20 個 致 病 性 SNP 多 態 型 此 拔 尖 SOPAS 計 畫 立 意 完 成 下 列 二 項 研 究 工 作, 以 探 究 精 神 分 裂 症 的 致 病 病 理, 期 能 據 以 發 展 全 新 的 有 效 治 療 與 預 防 方 法, 以 解 除 精 神 分 裂 症 病 人 及 其 家 屬 的 人 生 折 磨 :(1) 功 能 性 基 因 群 與 神 經 心 理 / 神 經 生 物 學 功 能 障 礙 與 臨 床 亞 型 病 理 相 互 間 的 相 關 性 ;(2) 以 精 神 分 裂 症 致 病 性 基 因 中 DISC1 與 NRG1 基 因 有 缺 損 的 老 鼠, 在 有 壓 力 與 無 壓 力 之 下, 探 討 由 DISC1 與 NRG1 基 因 所 導 致 的 神 經 生 物 學 與 認 知 功 能 障 礙 計 畫 摘 要 ( 英 ): This Excellency Program Project (EPP) entitled Study on Pathogenesis of Schizophrenia: genetic, neurobiological and cognitive approaches" (SOPAS) is sponsored by the Neurobiology and Cognitive

2 Science Center, National Taiwan University. The interdisciplinary collaborative work of basic neurobiology, cognitive science and clinical psychopathology schizophrenia is the main emphasis of this Research Center. The PIs are, thus, of three responsible professors from three main research domains. The research administration is executed by the Professor from Psychiatry as the study sample of patients is from clinically settings. And subsequently SOPAS is designed based on the psychopathological dimensions of genetic, neurobiological and cognitive disturbances of schizophrenia (SCH) and comprises one Core Major project and 6 subprojects in a 3-year research period. This EPP-SOPAS comprises 6 subprojects of (1) A Clinical and Neurobiological Study on Candidate Vulnerability Genes of SCH; (2) Functional and Structural Disconnectivity of Working Memory in Patients with SCH; (3) Psychological profiles of SCH and the underlying cognitive mechanisms; (4) Role(s) of Orexins, the Hypothalamic Peptide Agonists of a Novel Orphan GPCR, in the Pathogenesis of SCH; (5) Interaction between psychological or social stress and gonad hormones in pathogenesis of SCH: A study on DISC1 and NRG1 mice; (6) Role of SCH-related genes of NRG1 and DISC1 in neuron development and neuronal degeneration. This EPP-SOPAS team includes complimentary research expertise from related neuroscience Departments or Institutes including Psychology, Pharmacology, Anatomy, Life Science, Electric Engineer, Neuroimaging, Nuclear Medicine, Neurology and Psychiatry. SCH is a devastating and stigmatized psychiatric disorder with high genetic loading (h2 = 0.70). This SOPAS team of National Taiwan University Hospital (NTUH) has found underlined neurocognitive dysfunctions and a three-subtype model of SCH. Besides, we have also found 28 candidate vulnerability genes (CVGs) of SCH, and potentially 30 risk SNP polymorphisms (RPMs) of SCH for further functional study. This EPP-SOPAS intends to accomplish the following two major tasks to understand the pathogenesis of schizophrenia for developing novel treatment and prevention methods for the relief of the grave sufferings of SCH patients and the family. The first, we want to find the correlation among the functional

3 genetic cluster (oligogeneitc etiological factor or gene x gene interaction epistasis effect), the neurocognitive / neurobiological impairments and clinical subtypes of SCH. Besides, we want to validate these CVGs and/or gene clusters of SCH using human postmortem brain tissues and human cell lines or lymphocytes. The second, we want to search for the neurobiological and cognitive evidences caused by the vulnerability genes of SCH by using DISC1 and NRG1 genetic defective mouse model with or without stress effects. This EPP-SOPAS also want to investigate the single and double genetic effects on the neurobiological and cognitive variables. These 6 subprojects are designed using the same clinical and animal samples for mutual hypotheses testing and for economic purpose. This EPP-SOPAS team has sound infrastructure for smooth coordination and operation. 計 畫 編 號 :BM08-01 計 畫 名 稱 : 精 神 分 裂 症 致 病 性 基 因 的 臨 床 與 神 經 生 物 學 研 究 計 畫 主 持 人 : 胡 海 國 計 畫 摘 要 ( 中 ): 精 神 分 裂 症 是 一 慢 性 重 大 的 精 神 疾 病, 有 明 顯 的 神 經 生 物 的 異 常, 屬 多 基 因 遺 傳 模 式 的 複 雜 疾 病 過 去 的 研 究 已 發 現 許 多 可 能 的 候 選 基 因, 但 候 選 基 因 彼 此 之 間 的 交 互 作 用, 基 因 神 經 生 物 異 常 及 臨 床 症 狀 亞 型 之 間 的 關 聯 性 目 前 仍 不 清 楚, 是 此 第 一 個 子 計 畫 的 研 究 主 題 台 大 醫 學 院 精 神 醫 學 基 因 體 研 究 群 (GENOP) 研 究 團 隊 過 去 在 台 灣 的 精 神 分 裂 症 家 族 中 已 找 到 28 個 精 神 分 裂 症 的 候 選 基 因, 並 以 直 接 定 序 的 方 法 尋 找 其 中 15 個 與 神 經 傳 遞 神 經 發 展 功 能 相 關 之 基 因 中 的 危 險 基 因 多 型 性, 將 可 找 到 30 個 危 險 性 基 因 多 型 性 本 研 究 團 隊 已 確 認 本 土 精 神 分 裂 症 病 患 有 神 經 心 理 功 能 神 經 生 理 功 能 缺 損 及 腦 影 像 的 異 常, 並 根 據 治 療 後 臨 床 症 狀 的 表 現 將 此 病 分 為 三 個 臨 床 亞 型, 並 發 現 與 神 經 心 理 功 能 缺 損 有 相 關, 也 發 現 個 別 基 因 (DISC1, CACNG2,ANXA,PPP3CB) 與 神 經 心 理 功 能 缺 損 有 相 關 本 計 畫 的 目 標 為 (1) 以 統 計 及 生 物 資 訊 的 方 法, 澄 清 候 選 基 因 彼 此 間 的 交 互 作 用 及 候 選 基 因 間 形 成 的 基 因 生 化 路 徑 (2) 於 神 經 細 胞 株 以 sirna 減 低 特 定 候 選 基 因 的 表 現, 以 microarray 研 究 受 該 候 選

4 基 因 影 響 的 基 因 以 澄 清 基 因 彼 此 的 關 聯 性 ; 研 究 精 神 分 裂 症 患 者 死 後 大 腦 組 織 的 各 候 選 基 因 的 表 現 量 及 其 之 間 的 關 聯 性 ; 以 細 胞 生 物 學 的 實 驗 方 法, 證 實 目 標 一 中 形 成 的 基 因 交 互 作 用 的 假 設 及 闡 明 其 分 子 生 物 層 次 的 交 互 作 用 細 節 (3) 收 集 完 整 的 神 經 生 理 功 能 及 腦 影 像 檢 查 的 資 料, 定 出 23 個 危 險 性 基 因 多 型 性 及 文 獻 報 告 四 個 基 因 (COMT, GRM3, G72, BDNF) 的 7 個 功 能 性 的 基 因 變 異 的 基 因 型 ( 總 共 30 個 危 險 性 基 因 多 態 型 ), 了 解 臨 床 症 狀 亞 型, 神 經 生 物 異 常, 及 根 據 目 標 (1) 及 (2) 形 成 的 基 因 交 互 作 用 及 生 化 路 徑 的 候 選 基 因 群 之 間 的 關 係 計 畫 摘 要 ( 英 ): Schizophrenia (SCH) is a chronic debilitating mental disorder with neurobiological abnormalities, and it is a genetic complex disorder. Many candidate vulnerability genes (CVGs) of SCH have been found. However, the interaction between these CVGs, the correlations between these CVGs and neurobiological abnormalties and clinical subtypes of clinical samples remain unclear. This functional study on CVGs of SCH is the main task of this Subproject No.1. Our research team, Group of Genomic Study on Psychiatric Disorders (GENOP), have found 28 potential CVGs of SCH on Taiwanese samples. We have being undergoing direct sequencing on 15 most promising CVGs. We expect to find a total of 30 risk polymorphisms for further functional study. We have confirmed the neuropsychological and neurophysiological impairments and brain image abnormalities in Taiwanese schizophrenia. We also found that there are potential 3 clinical subtypes of SCH, which is related to different neuropsychological impairments. We also found the association between individual CVG and specific neuropsychological impairments, including DISC1, CACNG2, ANXA7, and PPP3CB. The specific aims are (1) To clarify the gene-gene interactions and genetic pathways using statistical and bioinformatic methods; (2) To clarify the interactions between specific CVGs and other genes by performing gene expression microarray after knocking down specific CVGs by sirna, to clarify the correlations of gene expression in the postmorten brain tissue between these CVGs by realtime PCR method, and to confirm the hypothesis of gene-gene interactions proposed by

5 specific aim 1 and to clarify the detail molecular interaction mechanisms by molecule biology methods; (3) To clarify the correlations between clinical subtypes, neurobiological abnormalities, and the gene clusters proposed by specific aim 1 and 2, after obtaining 23 risk SNP polymorphisms (RPMs) from our sequencing study and 7 RPMs reviewed in literature (a total of 30 RPMs for this study). The novelties of this project are (1) to validate the CVGs by clarifying and confirming the interactions and genetic pathways of CVGs to form gene clusters, which is novel in delineating the neurobiological mechanism of the oligogenetic etiological model of SCH. (2) to clarify the correspondence between genotypes and neurobiological phenotypes of SCH by analysis of a comprehensive data of clinical subtypes, neurobiological abnormalities and CVGs clusters. This will substantiate a future novel approach in clinical application. 計 畫 編 號 :BM08-02 計 畫 名 稱 : 以 功 能 性 磁 振 造 影 與 擴 散 頻 譜 造 影 研 究 精 神 分 裂 症 患 者 工 作 記 憶 之 功 能 性 與 結 構 性 聯 結 異 常 計 畫 主 持 人 : 曾 文 毅 計 畫 摘 要 ( 中 ): 先 前 的 研 究 已 經 顯 示 精 神 分 裂 症 是 一 個 同 時 受 到 異 源 性 基 因 以 及 環 境 影 響 的 疾 病, 其 異 源 性 使 得 意 圖 用 單 一 理 論 去 闡 釋 致 病 機 轉 變 得 極 端 困 難, 近 來, 胡 教 授 團 隊 針 對 139 位 精 神 分 裂 症 病 人 進 行 了 為 期 五 年 之 追 蹤, 根 據 病 人 的 臨 床 症 狀, 社 交 能 力 和 神 經 心 理 功 能, 分 離 出 三 種 亞 型, 分 別 是 持 續 的 妄 想 症 / 幻 覺, 明 顯 的 遲 鈍, 以 及 緩 解 型 三 種, 根 據 三 種 亞 型 不 同 的 臨 床 表 現, 三 個 假 設 性 的 神 經 組 織 病 變 也 被 提 及 :(1) 持 續 妄 想 症 / 幻 覺 可 能 源 於 神 經 退 化 性 疾 病,(2) 明 顯 遲 鈍 可 能 源 於 神 經 發 育 性 疾 病,(3) 緩 解 型 則 為 多 巴 胺 精 神 錯 亂 另 一 方 面, 我 們 也 了 解 精 神 分 裂 症 是 神 經 系 統 之 間 的 整 合 發 生 問 題, 亦 即 神 經 的 聯 結 異 常 基 於 這 個 假 說, 本 子 計 畫 致 力 於 應 用 神 經 聯 結 造 影 的 先 進 技 術, 如 功 能 性 磁 振 造 影 (fmri) 及 擴 散 頻 譜 性 磁 振 造 影 (DSI), 來 釐 清 三 種 亞 型 病 人 在 大 腦 功 能 以 及 構 造 上 聯 結 異 常 的 情 況 這 假 說 和 近 年 來 精 神 分 裂 症 的 功 能 性 模 型 是 一 致 的, 即 皮 質 - 小 腦 - 視 丘 - 皮 質 - 路 徑 的 聯 結 異 常, 最 後 導 致 認 知 辨 距 不 良 此 外, 語 言 工 作 記 憶 被 認 為 是 精 神 分 裂 症 神 經 心 理 缺 陷 的 核 心,

6 而 語 言 工 作 記 憶 的 大 小 腦 神 經 聯 結 網 絡 是 廣 為 人 知 的, 因 此, 本 子 計 畫 將 會 著 重 於 語 言 工 作 記 憶 的 功 能 及 構 造 聯 結 方 法 : 我 們 將 蒐 集 總 共 60 位 右 利 者 之 精 神 分 裂 症 病 人, 每 種 亞 型 20 位 另 外 45 位 性 別, 年 齡, 以 及 教 育 程 度 相 仿 的 右 利 自 願 者 病 人 會 在 子 計 畫 一 中 被 診 斷 及 分 類, 在 三 年 期 間, 我 們 將 陸 續 研 究 此 三 種 亞 型, 每 個 病 人 及 受 試 者 都 會 在 3T 磁 振 造 影 儀 中 接 受 fmri 和 DSI 的 掃 描 fmri 的 資 料 用 以 定 量 語 言 工 作 記 憶 的 皮 質 功 能,DSI 的 資 料 則 用 以 評 估 工 作 記 憶 迴 路 上 神 經 聯 結 節 點 處 白 質 的 完 整 性 然 後 再 結 合 fmri 和 DSI, 並 使 用 結 構 方 程 式 模 型 來 計 算 每 個 節 點 的 有 效 聯 結 預 期 結 果 : 相 較 於 正 常 受 試 者, 我 們 期 望 看 到 三 種 亞 型 在 工 作 記 憶 網 絡 的 功 能 構 造 及 有 效 聯 結 均 發 生 不 同 程 度 之 改 變 特 別 是, 緩 解 型 病 人 將 會 表 現 幾 乎 完 整 的 大 小 腦 聯 結, 而 明 顯 遲 鈍 型 病 人 將 會 在 大 小 腦 聯 結 的 結 構 上 出 現 明 顯 損 傷, 而 持 續 性 妄 想 / 幻 覺 的 病 人 不 論 是 在 功 能 構 造 或 是 有 效 聯 結 方 面, 將 會 表 現 出 全 面 性 的 錯 亂 我 們 會 逐 年 分 析 三 種 臨 床 亞 型 的 功 能 構 造 以 及 有 效 聯 結 的 資 料, 並 和 正 常 人 相 比 在 第 三 年 末, 三 種 亞 型 的 資 料 將 互 相 比 較, 以 顯 示 出 每 種 亞 型, 各 有 其 特 異 之 聯 結 異 常 結 論 : 藉 由 本 研 究, 我 們 能 夠 了 解 精 神 分 裂 症 中 易 損 基 因 群 對 神 經 組 織 之 傷 害, 並 明 確 找 出 此 傷 害 乃 是 構 成 工 作 記 憶 網 絡 受 損 之 主 因 計 畫 摘 要 ( 英 ): Previous studies have shown that schizophrenia is a disease with heterogeneous genetic and environmental attributes. The heterogeneity of schizophrenia makes it extremely difficult to elucidate the mechanism of this disease with a single theory. Recently, three clinical subtypes of schizophrenia have been distinguished by Hwu et al. according to disparate clinical profiles, social functioning and neuropsychological functions in a 5-year follow-up study on a cohort of 139 patients. These are the persistent delusion/hallucination, marked blunting, and remitted subtype. Corresponding to different clinical manifestations of three subtypes, three hypothetical neurobiological disorders were proposed: (1) neurodegenerative disorder for the persistent delusion/hallucination, (2)neurodevelopmental disorder for the marked blunting, and (3) dopamine psychosis for the remitted. It has been realized that schizophrenia is a result of abnormal functional integration of neural

7 systems, i.e., dysconnectivity. We further hypothesize that neurobiological disorders of the three clinical subtypes manifest three discernable patterns of functional and structural dysconnectivity. Based on this hypothesis, this subproject aims to combine advanced techniques for imaging connectivity, functional MRI (fmri) and diffusion spectrum imaging (DSI), to characterize functional and structural dysconnectivity in these three subtypes of patients. These hypotheses are consistent with current functional models of schizophrenia where dysconnectivity has been proposed in the cortico-cerebellar-thalamo-cortico circuit (CCTCC), resulting in the phenomenon of cognitive dysmetria. In addition, working memory (VWM) has been identified as a core neuropsychological deficit in schizophrenia, and we do have a 16 well-established cerebro-cerebellar neural circuitry in VWM. Therefore, in this subproject we will focus on functional and structural connectivity of VWM. Methods: A total of 60 right-handed patients, 20 in each subtype, and 45 gender-, age-, and education-matched right-handed volunteers will be recruited and examined. The patients will be diagnosed and categorized by subproject #1, the three subtypes will be studied consecutively across the three years. Functional MRI and DSI will be performed on the subjects with a 3T MRI scanner. We will measure cortical function of the VWM based on fmri data, assess white matter integrity of the fibers connecting nodal points of the VWM circuit using DSI and apply structure equation modeling to compute the effective connectivity between the nodal points. Expected Results: We expect to see different patterns of altered functional, structural and effective connectivity of VWM in all three clinical subtypes compared to normal controls. Specifically, the remitted subtype will present virtually intact structural and cerebrocerebellar connectivity, the marked blunt subtype will show predominant impairment of structural and cerebrocerebellar connectivity, and the persistent delusion/hallucination subtype will manifest global derangement of functional, structural and effective connectivity. For each year, results of functional, structural and effective connectivity of a clinical subtype will be analyzed and their alterations with respect to normal control will be

8 characterized. At the end of the third year, the results of three subtypes will be compared to show the significant characteristics of dysconnectivity among three groups. Conclusion: this study could help understand the effects of candidate vulnerable genes on neurobiological systems and provide the structural and functional underpinnings of working memory impairment in schizophrenia. 計 畫 編 號 :BM08-03 計 畫 名 稱 : 精 神 分 裂 症 心 理 特 徵 與 認 知 機 制 : 臨 床 常 模 與 發 展 的 研 究 計 畫 主 持 人 : 鄭 昭 明 / 花 茂 棽 計 畫 摘 要 ( 中 ): 本 子 計 畫 旨 在 探 討 透 過 臨 床 症 狀 所 分 離 出 來 的 三 種 不 同 的 精 神 分 裂 症 病 患 的 心 智 功 能 狀 態 過 去 有 一 個 理 論 認 為 精 神 分 裂 症 患 者 由 於 基 因 異 常, 導 致 其 無 法 如 正 常 人 一 般 形 成 左 右 腦 的 功 能 分 化, 因 此 造 成 某 些 與 皮 質 相 關 功 能 由 於 左 右 腦 半 球 分 工 的 不 平 衡 而 產 生 各 式 的 症 狀 有 鑑 於 此 本 子 計 畫 將 以 四 組 不 同 的 研 究 探 討 與 左 右 腦 半 球 分 化 共 細 緻 為 密 切 的 語 言 與 自 我 功 能 三 個 類 型 的 精 神 分 裂 症 患 者 是 否 有 所 差 異 第 一 組 研 究 將 以 神 經 心 理 測 驗 對 於 三 個 類 型 的 病 人 作 全 面 性 的 心 智 能 力 篩 檢 以 及 自 我 / 社 會 功 能 的 測 試 第 二 組 研 究 將 專 注 於 三 個 類 型 的 精 神 分 裂 症 患 者 語 言 知 覺 的 研 究, 以 期 瞭 解 病 人 其 語 音 知 覺 變 化 並 探 討 其 腦 部 的 變 化 與 經 歷 聽 覺 幻 覺 的 關 係 第 三 組 研 究 將 探 討 三 種 不 同 類 型 的 病 人 對 於 語 意 瞭 解 的 處 理 情 形, 並 探 討 其 語 意 瞭 解 的 腦 部 活 化 及 聯 結 狀 態 與 正 常 人 的 差 異 第 四 組 研 究 將 探 討 三 個 不 同 類 型 的 精 神 分 裂 症 患 者 在 自 我 相 關 注 意 力 概 念 以 及 工 作 記 憶 上 的 表 現 情 形, 並 與 正 常 人 加 以 比 較, 以 瞭 解 自 我 功 能 在 精 神 分 裂 症 患 者 的 運 作 同 時, 以 上 所 有 的 認 知 與 社 會 行 為 資 料 都 將 以 Multinomial processing tree (MPT) 統 計 / 認 知 模 型 加 以 模 擬, 以 期 瞭 解 此 一 統 計 認 知 模 型 的 相 關 參 數 在 不 同 類 型 的 病 人 與 正 常 人 是 否 具 有 不 同, 並 企 圖 尋 求 模 型 參 數 所 代 表 的 實 質 意 義 這 些 研 究 將 有 助 於 吾 人 深 入 的 了 解 精 神 分 裂 症 症 狀 表 面 底 下 的 認 知 機 制, 並 進 一 步 推 斷 其 疾 病 成 因 與 發 展 治 療 方 法 計 畫 摘 要 ( 英 ): Schizophrenia has been viewed to be caused by failure of achieve hemispheric asymmetry in cerebral hemisphere caused by aberrant genes

9 (Crow, 2007). This abnormality yields functional imbalance of the two cerebral hemispheres and leads to indecision. It predicts that symptoms of schizophrenia should be related to deficits in language and other mental functions, such as self, attention control, and emotion/social functions, in which the left and right hemispheres are activated differentially in normal humans. Clinical evidence collected by Taiwan's Schizophrenia Research Group suggests that patients with schizophrenia in Taiwan may be categorized into three different subtypes. This subproject aims to test whether cognitive and social deficits may be differentially associated with subtypes of schizophrenia by comparing functions in language and self between patients with schizophrenia and normal controls. For the language abnormalities, this project will focus on speech perception and semantic processing. As for study of self, this project will focus on comparing attention, concept and working memory related to self. Four studies will be included in this subproject. First, various language, cognitive and social functions will be assessed by neuropsychological tests and correlated with the various clinical symptom profiles of schizophrenia to detect clustering of specific psychological deficits under different subtypes. Second, whether patients with different 16 subtypes of schizophrenia show deficits in categorical speech perception and a distort speech organization will be examined, and the brain activation pattern for organizing speech sounds is examined in an fmri study using the SVM data analysis. A longitudinal design will be adopted to examine whether speech perception, narrative ability and general cognitive ability are the predictors for later schizophrenia in adolescents at high-risk. A logistic regression and growth curve model will be used to assess the power and developmental pattern of predictors. Third, anomalies in the brain mechanism underlying semantic processing of language will be inferred from functional magnetic resonance imaging (fmri) and the inherent effective connectivity delineated by dynamic causal modeling. This will be accomplished by comparing the patients with schizophrenia with normal subjects as they are carrying out a character association task in which the relatedness in meaning of two Chinese characters has to be judged. Finally, a model of deficits in theory

10 of mind (ToM) modularity and dissociation ability is proposed to account for the symptoms of schizophrenia. The Stroop task, modified implicit association task and n-back task will be applied to test the model on self related attention, self concept and self-related working memory. Multinomial processing tree models will be used to analyze various lines of experimental data gathered by this subproject and to test whether the three subtypes of schizophrenia could be delineated by evaluating different parameters in the models. It is expected that the cohesive effort through from studies proposed in this subproject will further our understanding on psychological profile associated with and neuro-cognitive mechanisms underlying different subtypes of schizophrenia based on biogenetic analysis. 計 畫 編 號 :BM08-04 計 畫 名 稱 :Orexins, 一 個 新 的 孤 兒 G 蛋 白 偶 合 受 器 的 下 視 丘 生 肽 受 質, 在 精 神 分 裂 症 的 致 病 機 轉 所 扮 演 的 角 色 - 基 礎 與 臨 床 研 究 計 畫 主 持 人 : 邱 麗 珠 計 畫 摘 要 ( 中 ): Orexin A 和 B ( 又 稱 hypocretin 1 和 2), 源 自 preprohypocretin (HCRT), 是 新 的 孤 兒 G 蛋 白 偶 聯 受 體 OX1R (HCRTR1) 和 OX2R (HCRTR2) 的 內 生 受 質 Orexin neurons 主 要 分 佈 在 lateralhypothalamus 並 投 射 至 許 多 腦 區, 包 括 掌 管 認 知 功 能 的 視 丘 及 前 額 葉 (PFC) MRI 顯 示 首 發 精 神 分 裂 症 (schizophrenia) 患 者 在 orexin fibers 密 佈 的 丘 腦 -PFC 途 徑 可 能 有 缺 損 臨 床 發 現 可 活 化 orexin neurons 的 提 神 藥 物 modafinil 能 改 善 schizophrenia 的 注 意 力 及 認 知 功 能, 且 非 典 型 精 神 病 藥 物 能 活 化 orexin neurons 並 增 加 PFC dopamine 濃 度 因 此, 我 們 假 設 orexin 系 統 功 能 低 落 可 能 是 schizophrenia 病 人 注 意 力 缺 損 的 原 因 之 一, 而 非 典 型 藥 物 之 有 別 於 典 型 者 能 改 善 負 性 症 狀, 可 能 是 激 活 orexin 系 統 所 致 為 驗 證 假 設, 我 們 將 以 subproject-1 募 集 的 受 試 者, 配 合 subproject-3 的 認 知 功 能 測 驗, 與 subproject-2 的 fmri 與 DSI 掃 描, 檢 驗 注 意 力 缺 損 的 schizophrenia 病 人 的 丘 腦 皮 質 前 束 是 否 缺 損 ( 目 標 一 ), 以 RIA 測 得 的 血 中 orexin A 是 否 較 低, 並 定 其 HCRT, HCRTR1 和 HCRTR2 基 因 的 SNP ( 目 標 二 ), 分 析 臨 床 特 徵, 影 像 資 料 與 orexin A 濃 度 及 基 因 SNP 的 關 聯 性 動 物 實 驗 將 在 d-amphetamine 與 phencyclinde 動 物

11 模 式 及 DISC1 基 因 轉 殖 小 鼠, 分 別 以 PET 掃 描 [18F]Fallypride 或 [11C]-(+)-PHNO 顯 像 與 microdialysis/hplc 的 技 術, 測 量 大 鼠 PFC 的 dopamine, 評 估 orexins 的 影 響 ; 並 擬 在 衝 動 前 抑 制, 潛 在 抑 制, 五 項 選 擇 連 續 反 應 時 間 等 三 種 動 物 注 意 力 行 為 模 式, 比 較 非 典 型 藥 物 (clozapine) 與 典 型 藥 物 (haloperidol) 的 差 別 影 響, 觀 察 orexin 在 其 中 所 扮 演 的 角 色 ( 目 標 三 ) 此 計 畫 結 合 基 礎 和 臨 床 研 究, 期 能 揭 開 orexin 在 schizophrenia 的 角 色, 進 而 有 助 治 療 之 發 展 計 畫 摘 要 ( 英 ): Orexin A and B, also known as hypocretin 1 and 2, derived from preprohypocretin (HCRT) are the endogenous agonists of the newly deorphanized orphan G-protein coupled receptors, OX1R (HCRTR1) and OX2R (HCRTR2). Orexin-containing neurons are localized mainly in the lateral hypothalamus and project widely to many brain regions, including the thalamus and prefrontal cortex (PFC), two crucial areas involved in cognitive function. An MRI study suggests schizophrenic patients with first episodes have a deficit in the thalamocortical system, where orexin fibers form synapses densely. A wake promoting agent, modafinil which could activate orexin neurons in animal studies, was unexpectedly found to improve attention and cognitive function in schizophrenia patients. The atypical, but not typical, antipsychotic agents, were found to activate orexin neurons and increase the dopamine levels in the PFC. We, therefore, hypothesize that orexin system hypofunction might contribute to attention deficit and cognition impairment in schizophrenia and atypical antipsychotics might exert their clinical effect, different from that of typical ones, through activating orexin system. To validate these hypotheses, we propose to examine if those schizophrenic patients with attention deficit have thalamocortical tract defects (specific aim 1) and lower orexin levels or SNP in HCRT, HCRTR1and HCRTR2 genes (specific aim 2), and to elucidate the role of orexins in the differential effect of atypical antipsychotic (clozapine), as compared with the typical one (haloperidol), on dopamine release in the PFC and the behavioral tasks resembling attention performance in animal models (specific aim 3). Clinical studies will be conducted in subjects recruited in subproject 1, with the neurocognitive function tests in subproject 3 and fmri and DSI

12 imaging in subproject 2. Plasma orexin A levels measured with RIA and SNP in HCRT, HCRTR1and HCRTR2 genes revealed by genotyping will be correlated with the clinical features and imaging data of these patients. The dopamine levels in the PFC of rats will be measured by microdialysis with HPLC and the binding potential displacement of [18F]Fallypride or [11C]-(+)-PHNO, the selective and potent PET ligand of D2 dopamine receptors. We will use three animal models resembling schizophrenia based on the dopamine hypothesis (d-amphetamine-treated rats) and the glutamate hypothesis (phencyclinde-treated rats and mice), and the genomic study, the transgenic mice with a schizophrenia vulnerable risky gene, DISC1. Three behavioral tasks, prepulse inhibition, latent inhibition and 5-choice serial reaction time task, will be used to evaluate the attention performance of rats or mice. The effects of orexin A and B in those behavioral tasks and dopamine release in these three models will be examined. SB , an OX1 selective antagonist and [Ala11,D-Leu15]-Orexin B, an OX2R selective agonist (no OX2 selective antagonist available now), respectively, will be used to verify if the effects are mediated by OX1R or OX2R. Schizophrenia is a devastating psychiatric illness with the pathogenesis remained unclear. From basic to clinical approach, this study hopeful can reveal the role of orexins in the pathogenesis of schizophrenia and might be of help in future development of novel therapeutic strategy. 計 畫 編 號 :BM08-05 計 畫 名 稱 : 生 殖 賀 爾 蒙 與 心 理 或 社 會 壓 力 間 的 交 互 作 用 於 精 神 分 裂 症 的 致 病 病 理 研 究 : 致 病 性 DISC1 與 NRG1 基 因 缺 損 小 鼠 為 模 式 計 畫 主 持 人 : 梁 庚 辰 / 賴 文 崧 計 畫 摘 要 ( 中 ): 研 究 中 發 現 基 因 遺 傳 在 精 神 分 裂 症 上 扮 演 重 要 角 色, 但 從 同 卵 雙 生 子 的 研 究 中 也 發 現 雙 生 子 的 共 病 率 從 未 超 過 百 分 之 五 十, 這 些 證 據 顯 示 表 觀 遺 傳 扮 演 一 定 的 調 控 角 色 從 精 神 分 裂 症 通 常 好 發 於 青 春 期 可 以 推 測 青 春 期 階 段 的 心 理 與 社 會 壓 力 可 能 促 成 精 神 分 裂 症 之 症 狀 的 出 現, 特 別 好 發 於 有 基 因 缺 損 的 群 體 中 為 了 進 一 步 測 試 這 個 假 說, 在 這 個 子 計 畫 中 使 用 了 DISC1 與 NRG1 基 因 缺 損 小 鼠 為 模 式, 去 探 討 壓 力 與 賀 爾 蒙 對 於 小 鼠 在 與 精 神 分 裂 症 症 狀 相 關 之 行 為 測 驗

13 中 的 行 為 表 現, 包 括 了 前 脈 衝 抑 制 痕 跡 恐 懼 制 約 與 社 會 記 憶 等 作 業 這 幾 項 作 業 可 以 作 為 測 試 精 神 分 裂 症 的 三 個 重 要 症 狀, 即 注 意 力 認 知 能 力 以 及 社 會 能 力 不 良 的 模 式 在 心 理 壓 力 的 部 分, 將 給 予 電 擊 與 中 性 聲 音 或 環 境 連 結 的 制 約 學 習 後 並 用 該 中 性 刺 激 的 重 複 呈 現 作 為 心 理 壓 力 源 ; 在 賀 爾 蒙 調 控 的 部 分, 將 利 用 手 術 閹 割 及 睪 固 酮 注 射 的 方 式 來 調 控 小 鼠 體 內 雄 性 激 素 含 量, 將 利 用 這 些 壓 力 與 賀 爾 蒙 的 操 弄 去 研 究 是 否 會 在 基 因 缺 損 小 鼠 中 有 促 發 或 舒 緩 精 神 分 裂 症 相 關 症 狀 的 效 果 在 這 個 子 計 畫 中 將 利 用 DISC1 與 NRG1 基 因 缺 損 小 鼠 為 模 式 去 探 討 四 個 主 要 的 目 標 :(1) 評 量 心 理 與 社 會 壓 力 對 於 精 神 分 裂 症 成 因 的 影 響 ;(2) 評 估 賀 爾 蒙 睪 丸 酮 對 於 精 神 分 裂 症 的 促 發 所 扮 演 的 角 色 ;(3) 研 究 壓 力 及 賀 爾 蒙 兩 種 因 素 對 於 神 經 生 理 活 動 影 響 ;(4) 用 電 生 理 的 方 法 去 研 究 壓 力 及 賀 爾 蒙 對 於 神 經 突 觸 活 動 的 影 響 計 畫 摘 要 ( 英 ): While evidence indicates a genetic basis for schizophrenia, the concordance rate in homozygotic twins inflicting schizophrenia never reaches 50%, suggesting epigenetic involvement in this disease. In view of appearance of major schizophrenic symptoms after the juvenile stage, it is conjectured that psychological or social stress encountered at the puberty may be a factor of precipitating the symptoms in a genetic prone population. To test this hypothesis, matured DISC1 or NRG1 mutant mice and the wild-type controls will be subjected to stress or hormonal manipulations and then tested on pre-pulse inhibition, trace fear conditioning and social memory tests, which are used to model the attention, cognitive and social or emotional impairments in schizophrenic patients. Psychological stress will be induced by pairing an otherwise neutral stimulus with a foot shock, while social stress will be induced by group housing of the subjects. It is expected that psychological or social stress will either precipitate or aggravate behavioral deficits in the mutant mice which are sexually matured. Further, sex hormones may play an enabling role in these deficits, thus gonadectomy before stress should be able to attenuate the effects of stress on the various behavioral indices. Findings from this project should contribute to our understanding of how

14 external factors in the environment or internal milieu in the body interact with genetic endowment to induce symptoms of schizophrenia. This subproject is expected to achieve four specific aims: (1) To assess the behavioral effects of psychological or social stress on pre-pulse inhibition, trace fear conditioning and social memory in DISC1 and NRG1 mice. (2) To evaluate the effects of gonad hormone depletion and supplement on pre-pulse inhibition, trace fear conditioning and social memory and involvement of these hormones in influences of stress in DISC1 and NRG1 mice. (3) To study the neurophysiological correlates of the stress or hormonal effects on pre-pulse inhibition, trace fear conditioning and social memory in behaving DISC1 and NRG1 mice. (4) To study the synaptic mechanisms underlying neurophysiological correlates of the stress and hormonal effects in brain slices or reduced preparation of DISC1 and NRG1 mice. 計 畫 編 號 :BM08-06 計 畫 名 稱 : 探 討 與 精 神 分 裂 症 相 關 之 基 因 NRG1 及 DISC1 在 神 經 發 育 及 神 經 退 化 之 角 色 計 畫 主 持 人 : 符 文 美 計 畫 摘 要 ( 中 ): 在 本 子 計 畫 中 我 們 主 要 是 探 討 與 精 神 分 裂 症 相 關 的 遺 傳 基 因 Neuregulin-1 (NRG1) 和 Disrupted-in-Schizophrenia-1 (DISC1) 在 神 經 發 育 及 神 經 退 化 之 角 色, 以 期 了 解 精 神 分 裂 症 的 病 理 機 轉 在 本 子 計 畫 中 我 們 將 運 用 基 因 變 異 鼠 的 模 式, 致 力 於 了 解 NRG1 和 DISC1 基 因 變 異 鼠 造 成 精 神 分 裂 的 分 子 作 用 機 轉 在 家 族 遺 傳 所 致 的 精 神 分 裂 症 常 見 是 由 多 個 遺 傳 基 因 異 常 所 造 成 的, 因 此 我 們 已 引 進 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 鼠, 並 計 畫 將 此 二 種 小 鼠 交 配 得 到 二 種 基 因 均 產 生 變 異 之 小 鼠, 發 展 NRG1 和 DISC1 同 時 變 異 的 基 因 轉 殖 鼠, 以 便 瞭 解 多 重 基 因 缺 陷 產 生 之 影 響, 我 們 將 評 估 這 些 老 鼠 的 神 經 發 育 神 經 可 塑 性 及 神 經 退 化 受 到 之 影 響, 以 研 究 精 神 分 裂 症 的 致 病 機 轉 此 外, 我 們 要 將 小 鼠 放 在 有 壓 力 的 環 境 下 觀 察 NRG1 和 DISC1 變 異 對 壓 力 感 受 性 之 影 響 我 們 在 此 三 年 計 畫 將 探 討 下 列 事 項 : 1. 在 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 對 新 生 鼠 及 成 鼠 腦 部 各 區 域 包 括 大 腦 腦 室 大 腦 皮 質 海 馬 迴 ventral tegmental area, amygdala 以 及

15 小 腦 等 區 域 之 神 經 或 glia 之 巨 觀 變 化 除 了 以 組 織 染 色 外 將 用 MicroMRI 來 掃 瞄 動 物 腦 部 在 有 壓 力 之 環 境 下 觀 察 NRG1 和 DISC1 變 異 對 結 構 之 影 響 2. 在 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 對 新 生 鼠 及 成 鼠 腦 部 區 域 frontal cortex, ventral tegmental area 的 dopaminergic neuron 之 影 響, 除 了 做 免 疫 染 色 外 將 用 MicroPet 以 F18-DOPA 為 probe 來 掃 瞄 動 物 腦 部 將 小 鼠 關 在 束 縛 的 小 籠 子 並 給 予 浸 水 下 半 身 之 壓 力, 觀 察 NRG1 和 DISC1 變 異 對 dopaminergic neuron 之 影 響 3. 在 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 對 新 生 鼠 及 成 鼠 腦 部 之 大 腦 皮 質 海 馬 迴 ventral tegmental area 及 amygdala 之 dendritic spines 的 影 響, 在 有 束 縛 - 浸 水 壓 力 之 環 境 下 觀 察 NRG1 和 DISC1 變 異 對 dendritic spines 之 影 響 4. 給 予 小 鼠 急 性 或 慢 性 之 情 緒 上 的 壓 力, 觀 察 在 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 對 學 習 及 記 憶 能 力 之 影 響, 對 電 生 理 及 long-term potentiation 之 影 響 也 一 併 探 討 5. 觀 察 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 對 神 經 滋 養 因 子 ( 包 括 glial cell line-derived neurotrophic factor, brain-derived neurotrophic factor, EPO, VEGF) 及 glucose transporters 表 現 之 影 響 6. 以 斑 馬 魚 為 實 驗 動 物 模 式, 將 神 經 特 別 以 GFP 螢 光 標 定, 再 注 入 NRG1 或 DISC1 之 變 異 基 因, 觀 察 神 經 發 育 及 神 經 退 化 受 到 之 影 響 在 體 外 細 胞 培 養 的 實 驗 中, 利 用 已 建 立 的 神 經 細 胞 株 SH-SY5Y Neuro2A 和 PC-12, 以 細 胞 轉 殖 的 方 式 將 NRG1 和 DISC1 的 shrna 或 human mutant 送 到 細 胞 內, 或 直 接 以 NRG1 及 DISC1 基 因 變 異 胎 鼠 做 primary cultures, 以 探 討 在 神 經 細 胞 抑 制 該 等 基 因 正 常 表 現 時, 對 神 經 軸 的 生 長 神 經 細 胞 的 分 裂 細 胞 存 活 dendritic spine 的 產 生 以 及 細 胞 移 行 的 影 響 在 神 經 系 統 中, 神 經 生 長 因 子 對 於 神 經 細 胞 生 理 功 能 的 調 節 極 為 重 要, 包 括 Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) 或 platelet-derived growth factor (PDGF) 等, 都 會 刺 激 神 經 細 胞 的 分 化 存 活 以 及 神 經 軸 的 生 長 因 此 本 計 畫 也 將 探 討 抑 制 NRG1 和 DISC1 的 功 能 對 於 這 些 神 經 滋 養 因 子 的 表 現 有 何 影 響 DISC1 及 NRG1 在 glial 細 胞 也 有 表 現 我 們 也 將 探 討 這 些 基 因 在 glial cells 之 功 能, 使 用 human glial cell A172 來 探 討 BDNF

16 GDNF EPO VEGF 等 神 經 滋 養 因 子 的 表 現 受 到 DISC1 及 NRG1 的 調 節 作 用 此 外, 精 神 分 裂 症 病 人 所 發 現 的 功 能 性 失 調 包 括 在 病 人 的 大 腦 皮 質 會 發 現 減 少 葡 萄 糖 的 利 用, 我 們 將 在 神 經 及 glial cells 探 討 在 NRG1 和 DISC1 抑 制 或 產 生 變 異 的 情 形 下, 對 於 glucose transporter GluT1 和 GluT4 的 影 響 計 畫 摘 要 ( 英 ): In this subproject, we will concentrate on the exploration of the molecular mechanism regarding the pathogenesis of the schizophrenia-related genes NRG1 or DISC1 using both transgenic mice and cell culture system. The NRG1 or DISC1 human mutant transgenic mice have been imported. Since schizophrenia patients appear to have multiple genes' defect, we will backcross these two kinds of transgenic mice to produce NRG1 and DISC1 double mutant mice. We will then evaluate the neuron development and neuronal degeneration in these mice in order to further understand the molecular pathology of schizophrenia. The following experiments will be performed in neonatal and adult mice in order to study the effects of NRG1 and DISC1 mutant on synaptic plasticity and structural plasticity. (1) Macrosopic histological examination in lateral ventricle, frontal cortex, hippocampus, ventral tegmental area (VTA), amygdala and cerebellum. Both neuron and glia will be examined. (2) Effect on dopaminergic neurons in ventral tegmental area and frontal cortex. (3) Effect on dendritic spines in various brain regions. (4) Since schizophrenia patients can not tolerate the stress, we will examine the mutant of NRG1 and DISC1 on dendritic spine formation or learning and memory activity under exposure to water immersion-restraint stress. The effect of stress on long-term potentiation in hippocampus or amygdala will also be examined. In addition, the electrical properties of dopaminergic neurons in ventral tegmental area in response to drug treatment or psychological stress will also be explored. (5) Effect on the regulation of neurotrophic factor expression in both neuron and glia (including glial cell line-derived neurotrophic factor, brain-derived neurotrophic factor, EPO, VEGF). In addition, the mutation of NRG1 and DISC1 on the expression of glucose transporters will also be explored in the mutant mice. (6) We will also use zebra fish as an

17 animal model to examine the role of both NRG1 and DISC1 on neuron development and neuronal degeneration. The neuron will be specifically labeled with GFP in order to examine the neuronal morphology in whole body. In cell culture systems, we will knockdown the genes of NRG1 or DISC1 or transfect with human mutants of NRG1 or DISC1 in SH-SY5Y, Neuro2A, PC12 or glial cells (human glial cell line A172) to explore the role of these genes in neuronal proliferation, survival, migration, neurite outgrowth and neurotrophic factor secretion. In addition, the primary cultures derived from NRG1 or DISC1mutant mice will also be used. Neurotrophic factors are very important factors for regulating various neuronal functions. We have got preliminary data to show that DISC1 knockdown or overexpression of DISC1 mutant inhibited GDNF or BDNF expression in various brain regions of mutant mice and cell cultures. Therefore, we will examine the role of DISC1 and NRG1 in the synthesis and release of neurotrophic factors in both neuron and astrocyte. Furthermore, schizophrenia patients also show reduced glucose utilization in the prefrontal cortex. We will also investigate the regulatory role of NRG1 or DISC1 in the expression of GluT1 and GluT4 in neurons or glial cells.