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心理所合作研究揭示个体化功能“脑纹”特异性和可重复性
作者: 中国科学院行为科学重点实验室 左西年研究组 ║ 日期: 2016/09/09 

  人类大脑皮层功能分区是神经科学领域的一个基本问题。上世纪初,根据神经元细胞组织形状、大小、密度等的区域差异对人类大脑皮层进行了分区。如今,活体神经成像技术可以基于细胞组织形态、结构、髓鞘发育、生理代谢、认知功能等等,充分考虑人类大脑皮层的结构、功能、拓扑特性变异,对大脑进行系统层面的分区研究,这为理解人类脑功能提供了更加全面和深入的科学视角。 

  近年来,利用高时空精度的静息态脑成像,可快速计算人脑内在功能连接在皮层的空间梯度分布,这为人脑皮层分区提供了重要的功能特征,据此可将大脑皮层划分为不同功能区。经研究,这一方法得到的脑功能分区在群体上与前人基于细胞组织形态特性建立的脑分区保持较高一致性,而个体的功能分区也与其执行相关认知任务时的激活区具备较好的重合性。然而,这一脑功能分区方法尚未在神经影像大数据上进行验证,尤其是其个体水平特异性和群体水平可重复性未被研究。 

  中国科学院行为科学重点实验室左西年研究组与来自美国儿童心理研究所和澳大利亚昆士兰大学的合作者,采用人脑功能连接组学方法,系统地绘制了多个脑连接组指标变化的空间梯度分布与功能边界[1]。该研究利用国际神经影像“信度与可重复性联盟(CoRR)”数据库[2],发现:1)个体化脑功能分区边界具有非常高的独特性,在10分钟的静息态影像扫描内对个体辨别度高达99.26%,与人类指纹特征相比可以类似地认为是人类脑纹特征;2)随着扫描时间增加,大脑皮层内在功能纹路的重测信度也随之增加,但510分钟的扫描时长还不足以获得较高重测信度,其至少需要20分钟静息态脑功能扫描;3)双生子的内在功能脑紋的研究证实其具有家族性,遗传和共同环境因素会共同调控个体功能脑紋差异;4)个体间功能脑紋差异主要集中在高级联合皮层,个体内功能脑紋差异则主要分布于视觉和体感运动皮层;5)不同脑功能连接组指标表现出高度相似而也特定的功能脑紋。 

  上述研究成果,在个体水平上重构了多个指标的大脑皮层功能空间梯度与分区边界,为人脑内在脑功能绘制了皮层纹路,即内在功能脑紋。进一步,系统评估了人类内在功能脑紋的重测信度,为人脑特异性指纹提供了新图谱,为其在脑疾病和人工智能方面的扩展应用提供了统计计算和方法学基础。 

  该研究受中国博士后国际交流派出计划、中国博士后基金、中国国家重点基础研究发展计划(973)、中国国家自然科学基金、中国科学院百人计划基金和美国NIMH基金的联合资助。相关文章已在线发表于神经科学期刊Cerebral Cortex 

相关文章 

[1] Xu T, Opitz A, R. Craddock C, Wright M, Zuo XN, Milham MP*. Assessing Variations in Areal Organization for the Intrinsic Brain: From Fingerprints to Reliability. Cerebral Cortex. 2016, doi: 10.1093/cercor/bhw241. 

[2] Zuo XN*, Anderson JS, Bellec P, Birn RM, Biswal BB, Blautzik J, et al. An open science resource for establishing reliability and reproducibility in functional connectomics. Nature Scientific Data. 2014, 1:140049. 


1. 大脑皮层内在功能纹路。功能连接相似度的空间梯度分布(A)和边界密度图谱(D),以及它们的群体空间相关矩阵(BE)和在个体相关分布(CF)。 


2. 大脑皮层内在功能纹路图谱的重测信度及其随扫描时间变化

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