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心理所系列国际合作研究推动人脑功能连接组学及其应用
作者: 行为科学重点实验室 左西年研究组 ║ 日期: 2013/03/21 

  尽管人脑功能连接组学(Functional Connectomics)正成为快速发展的神经影像领域之一,其重测信度得到了初步研究,开始被逐步用于刻画脑结构、功能以及心理行为在个体间和个体内的差异,但是此领域目前仍存在众多问题和挑战[1]。比如:1)缺乏人脑功能连接组的构建和数据分析标准,各种噪声信号成为干扰并阻碍建立标准的主要因素;2)人脑结构与功能连接组学的有效整合成为人脑连接组学的挑战性问题;3)在应用领域,存在着大量的小样本、疾病-对照研究,缺乏多中心、大样本、谱系疾病对比、可重复性高的研究,精神疾病临床实践仍然面对“缺乏精神疾病临床生物学测试与诊断金标准”的局面。中科院“百人计划”学者,心理所行为科学重点实验室左西年研究员参与一系列人脑功能连接组学合作研究,围绕上述问题展开了初步探索。

  (一)目前,静息态功能磁共振成像是研究人脑功能连接组的主要技术,但是其在刻画人脑功能连接组个体差异方面,仍然存在各种噪声干扰。比如,最近研究指出即使是在扫描时表现出的轻微的头动变化也会影响个体及组间差异。但是,对于如何减轻头动干扰以及解释与这种影响有关的神经机制,尚无结论。基于“千人功能连接组计划[2]”和“国际神经影像数据联盟[3]”提供的多中心、大样本数据,系统地研究了影像扫描期间头动与血氧依赖水平(BOLD)信号之间的关联[4],发现(图1):

  1) 头动与初级/辅助运动区的BOLD信号呈现正相关,而与前额叶皮层的BOLD信号呈负相关。有趣的是,在微小头动情形下,这种负相关会消失,但是正相关仍然存在;预示着“这种正相关反映了头动的神经机制而负相关则是头动引起的干扰”,揭示了头动相关因素的复杂性;

  2)系统地考察了目前存在的各种头动矫正方法,指出没有一种方法可以完全去除头动对各种人脑功能连接组测量指标的干扰,揭示在组水平上建模和回归掉个体头动差异的必要性;

  3)全局信号和个体Z分标准化能够减轻个体头动差异对组分析的影响;

  4)头动可显著影响各种人脑功能连接组指标的重测信度,特别是降低诸如ALFF等基于频谱特性的指标的重测信度。上述发现将对在实际应用中如何处理头动的影响提供方法学依据,对推动人脑功能连接组的构建和数据分析标准的建立提供参考。

图1.头动与BOLD关系的区域差异

  (二)人脑两个半球之间的功能连接很大程度上反映了其结构连接。借助于多发性硬化症(MS)这一特殊临床群体(病因为中枢神经系统和免疫有关的发炎及去髓鞘),研究了这种结构-功能关联及其在多发性硬化症上表现出的异常。基于前期开发的对称体素同伦连接方法(VMHC)[5],发现:MS病人在初级视觉、体感和运动皮层表现出降低的VMHC,而在感觉处理和运动控制区域(如脑岛、丘脑、苍白球和小脑)则表现出VMHC升高。全局VMHC的个体间差异与胼胝体平均FA的个体差异呈正相关;有趣的是,VMHC的降低恰好反映了半球间纤维连接髓鞘完整性在病人中的显著降低(图2)[6]。这些发现对于如何将人脑结构与功能连接组学进行有效的整合提供应用参考。

图2. 结构-功能关联及其在多发性硬化症表现

  (三)自闭症(ASD)患者往往也表现出注意缺陷与多动障碍(ADHD)症状。对于这两种疾患,以往分布式功能异常的观测说明大尺度脑网络连接异常;然而,这两种疾患的脑网络关联特性的异同尚未被辨识。采用静息态功能磁共振技术和功能连接组中心度算法[7]来检测学龄儿童中ASD、ADHD和正常儿童的脑连接组失连接模式,发现[8]:

  1)ADHD和ASD都在楔前叶(脑连接组网关区域)表现出中心度异常;

  2)只有ADHD在右侧纹状体、苍白球表现出中心度升高;

  3)只有ASD在双侧颞叶边缘区域的中心度增高。这些结果提示:ADHD和ASD同为神经发育疾患,具备不同与共同临床表现,并为其大尺度网络神经机制提供证据。


图3.儿童自闭症与儿童多动症的脑功能连接组异常

 

  致谢国家自然科学基金面上项目(81171409)、重大国际合作与交流项目(81220108014)、中科院心理研究所特聘研究员启动基金(Y0CX492S03)、中科院“百人计划”(Y2CX112006)、中科院重点部署项目(KSZD-EW-TZ-002)的资助。

参考材料

[1] 左西年*, 张喆, 贺永, 臧玉峰. 人脑功能连接组: 方法学、发展轨线和行为关联[J]. 科学通报, 2012, 57(35): 3399-3413.

[2]  http://fcon_1000.projects.nitrc.org 

[3]  http://fcon_1000.projects.nitrc.org/indi/indi_ack.html

[4] Yan CG, Cheung B, Kelly C, Colcombe S, Craddock C, Di Martino A, Li Q, Zuo XN, Castellanos FX, Milham MP. A comprehensive assessment of regional variation in the impact of head micromovements on functional connectomics. NeuroImage. 2013; In Press.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811913002127

[5] Zuo XN*, Kelly C, Di Martino A, Mennes M, Margulies DS, Bangaru S, Grzadzinski R, Evans AC, Zang YF, Castellanos FX, Milham MP*. Growing together and growing apart: regional and sex differences in the lifespan developmental trajectories of functional homotopy. J Neurosci. 2010; 30 (45):15034-43.

[6] Zhou YX, Milham MP, Zuo XN, Kelly C, Jaggi H, Herbert J, Grossman RI, Ge YL. Functional homotopic changes in multiple sclerosis with resting-state functional MRI. Am J Neuroradio. 2013; In Press.

http://www.ajnr.org/content/early/2013/01/24/ajnr.A3386.abstract

[7] Zuo XN*, Ehmke R, Mennes M,Imperati D,Castellanos FX, Sporns O, Milham MP. Network centrality in the human functional connectome. Cerebral Cortex. 2012; 22(8):1862-1875.

[8] Di Martino A, Zuo XN, Kelly C, Grzadzinski R, Mennes M, Schvarcz A, Rodman J, Lord C, Castellanos FX, Milham MP. Shared and distinct intrinsic functional network centrality abnormalities in Autism and Attention-Deficit /Hyperactivity Disorder. Biol Psychiatry. 2013; In Press.

http://journals.elsevierhealth.com/periodicals/bps/content/1201343abs

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