中国科学院自动化研究所等通过多中心脑功能影像准确刻画阿尔茨海默病脑活动和脑网络异常

正阿尔茨海默病(Alzheimer Disease, AD)是一种不可逆的神经退行性疾病。大量基于功能磁共振影像的研究提示AD可能是一种失连接综合征。但是由于缺乏大样本、多站点的数据集交互验证,迄今为止与AD脑功能活动、脑连接的异常模式还没有得到清晰一致的结论,脑功能活动是否可以作为AD的早期影像学标记也有待进一步验证。为准确刻画AD的脑活动、脑连接和脑网络异常模式,并探索功能磁共振影像指标作为AD早期识别标记的     

国家自然科学基金重点项目“大脑皮层中兴奋和抑制的动态平衡机制研究”介绍

<正>大脑皮层是由神经元通过突触连接形成的超级神经网络,网络中的各种神经环路是实现大脑认知活动的功能模块。皮层网络主要由兴奋性锥体细胞和抑制性中间神经元组成,这些神经元介导的兴奋性和抑制性信号是相辅相成的,两者间的平衡是大脑发挥正常功能的前提,当平衡被打破时会导致皮层网络活动异常以及脑疾病的发生,如焦虑、精神分裂症、癫痫等。因此,研究大脑皮层中兴奋和抑制的动态平衡机制对了解正常脑功能的神经基础和     

大学新生网络成瘾的静息态脑功能结构特征

为了找出涉及网络成瘾(IAD)机制的关键脑区,同时探查IAD者脑功能和结构特征,招募IAD组和对照组大学新生被试,扫描和比较分析静息态功能磁共振和结构磁共振数据.结果表明:网络成瘾者的右枕叶和右舌回的静息态脑自发活性呈亢进,左眶额叶呈降低;右海马旁回、右枕叶和右舌回的皮层灰质密度显著降低;右枕叶的功能和结构异常水平都与网络成瘾量表(IAT)分显著相关.右枕叶在网络成瘾的发病机制中的作用值得进一步探察.     

基于局域社团的人类脑功能网络生成模型

研究了人类脑功能区域间拓扑结构与解剖结构两种因素对脑功能网络建模的影响,提出了基于局域社团的人类脑功能网络生成模型.模型中的局域社团拓扑结构采用功能区域间的共同邻居及邻居间的局域连接表示,解剖结构用人脑区域间的解剖距离代表.为了衡量模型生成网络与基于fMRI数据构建的真实数据网络之间的相似性,提出了用于校验网络间接近程度的相似性能量指标.实验结果表明,相比传统生成模型,基于局域社团的脑功能网络生成模型在网络效益、聚集系数、模块性、度分布等属性方面都能够更精确地模拟真实数据网络.     

脑弥漫性轴索损伤后持续性植物状态的影像学分析

目的: 探讨脑弥漫性轴索损伤(DAI)后持续植物状态患者影像学特点并为临床治疗和预后提供影像学建议.方法: 分析30例DAI后持续植物状态病人CT资料,总结、分析其特点及其与临床转归的关系.结果: 本组颅脑外伤后PVS均超过3个月,病人早期昏迷并头颅CT如出现大脑半球多发散在和/或融合的高密度出血灶,主要累及额叶、颞叶、基底节区者,则预后不良.结论: 脑弥漫性轴索损伤(DAI)后持续植物状态患者影像学特点可给临床治疗和预后提供较可靠的影像学建议,累及额叶、颞叶、基底节区者,预后不良.     

孤独症儿童静息态脑电Gamma频段功能网络研究

有研究表明,孤独症儿童的功能障碍可能和脑电中的Gamma频段异常有关。通过采集17例孤独症儿童和17例正常儿童睁眼静息态脑电,利用定向传递函数方法计算导联间的因果连接,构建Gamma频段(35~50 Hz)功能网络。用图论方法分析两组差异。结果表明相同阈值下,孤独症儿童脑功能网络全局效率、局部效率以及节点度均低于正常对照组儿童。提示孤独症儿童认知、行为异常可能与其大脑Gamma频段连接较弱、信息整合效率较低有关。     

脑网络社团连接在轻度认知障碍分类中的应用

轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)发展成为阿尔茨海默病(alzheimer’s disease,AD)的概率极高,因此对于MCI的早诊尤为重要。本研究首次选取模块桥梁连接数作为分类特征,精确直观地反映出各功能脑区连接的异常损失。首先利用"堆结构"的贪婪算法模块化MCI和正常人(normal control,NC)的静息态功能脑网络,之后根据连接介数中心性去除网络中冗余功能连接,选取模块间与模块内桥梁连接数作为分类特征。该研究利用支持向量机对NC和MCI进行识别,平均分类正确率达92.89%,且统计分析显示两组被试在模块内及模块间的桥梁连接数有明显差异,其中默认网络、边缘系统的差异最为显著,这与先前研究基本一致。     

基于光学脑成像的抑郁症前额皮层静息态网络的研究

抑郁症患者通常表现出心境低落，并且伴随许多认知和生理症状. 文中使用功能性近红外光谱成像技术(fNIRS)来测量28名抑郁症患者和30名对照组8 min前额皮层的自发血液动力活动. 通过图论和拓扑分析对大脑前额皮层静息态网络属性进行分析，结果表明，抑郁症患者前额皮层网络表现出异常的模式:显著降低的网络密度（低的平均节点等级）、显著降低的聚集程度（低的聚类系数）、显著降低的网络信息传输效率（高的平均路径长度）以及显著增加的随机性（低的小世界属性）. 这些结果表明使用近红外光谱技术能够揭示抑郁症患者脑网络的异常特性.     

基于分层同步的脑结构和功能网络关系研究

脑通过结构分割和功能整合达到局部专注又整体协作的工作模式,因此了解脑结构网络和功能网络之间的关系对深入理解脑活动具有重要意义.将耦合神经元群模型作为脑结构网络中的节点,其协同动力学可以重现脑神经活动的主要特征.基于模型分层同步的时间序列,构造脑功能网络并通过对比脑结构与功能网络的拓扑研究二者的关系.在猫和猿猴脑结构网络上进行的分层同步实验表明,脑结构和功能网络具有相似的连接模式,分层同步活动与结构网络的层次结构具有一致性,并基于结构网络中节点之间的相似性对二者的一致性进行了定量研究.数值试验的结果支持了脑结构网络的分层结构是脑功能分割和整合的基础,并且脑功能的整合和分割是通过神经元集群的协同活动实现的.     

复杂脑网络研究:现状与挑战

以大脑网络研究为例,详细介绍了大脑网络的构建、结构网络、功能网络以及结构与功能的联系等方面的研究进展.基于复杂网络理论,对大脑结构网络和功能网络的分析得到很多重要的拓扑性质,如"小世界"、"无标度"、模块化以及核心脑区的分布等;另外发现认知功能、神经精神疾病与大脑结构和功能网络的拓扑结构变化或异常有关;总结了国内外在此领域的研究成果,提出了大脑网络研究工作面临的挑战,并展望了将来发展方向.     

利用多模态光学脑成像研究前额叶静息态功能连接

多模态光学脑成像包括近红外光谱及漫射相关谱,前者探测大脑皮层的血氧代谢水平,而后者测量皮层的脑血流.皮层血氧代谢和血流是不同的两类血液动力学参量,可以从不同方面反映大脑的神经活动强度. 本研究利用多模态光学脑成像测量了人脑前额叶的静息态功能连接. 10个正常成年人参加了实验测量,分别用近红外光谱和漫射相关谱在前额叶的相同位置记录了大脑8分钟的自发波动信号,测量覆盖区域包括左侧额下皮层及左背外侧前额叶. 低频段血氧代谢信号（包括含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白及总血红蛋白浓度）用来揭示基于血氧信号的静息态功能连接,而相同频段的脑血流信号用来确定基于脑血流的静息态功能连接. 两类血液动力学参量的静息态功能连接均揭示:背外侧前额叶区域内的连接大于背外侧前额叶与额下皮层之间的区域间连接,显示相邻的背外侧前额叶和额下皮层是不同的功能区域. 此外定量比较基于两类血液动力学参量的功能连接发现,基于血氧代谢的连接有更大的连接强度,表明在同一个功能区内,静息时血氧代谢信号的时间同步性更高.     

脑网络组学构建分析及应用研究

大脑是自然界最为复杂的系统之一。脑网络作为复杂网络理论在神经科学中的重要应用,极大程度上表现了不同尺度的脑结构或功能连接模型,提供了解释人脑这一复杂系统在结构组织及信息加工模式等问题的重要工具。同时,脑网络在脑疾病的临床应用研究中,也已证明很多脑疾病,在网络层面中均体现了不同程度的拓扑结构差异。这些成果为在系统水平上揭示脑疾病的病理机制提供了新的思路。笔者将以脑网络研究为重点,介绍脑网络的构建方法,包括不同影像类型下节点及边的定义方法;关联矩阵的阈值选择及稀疏度的划分方法;网络度量指标的计算,包括度、小世界属性、模块化等;脑网络的比较方法及其在抑郁症的临床应用及未来可能的研究方向。     

孤独症脑调控康复与效果评估研究?

基于新兴脑调控技术,针对孤独症核心异常,对将重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic atimulation,rTMS)和神经反馈技术(neurofeedback,NFB)应用于孤独症康复的作用机制和效果进行了深入研究.首先利用视觉认知任务,结合量化脑电(qEEG)分析方法,对与高级认知机制密切相关的皮层Gamma脑电节律在孤独症组和正常组之间进行比较和分析,进一步开展rTMS调控Gamma节律的效果和机制研究;同时,利用ERP视觉实验任务,对孤独症组和正常组的视觉认知机制进行比较研究,并在此基础上开展利用rTMS调控孤独症视觉认知机制的研究;基于孤独症存在脑电Gamma节律异常的这一特征,本文进一步开展了以"40Hz Gamma"脑电信号为操作条件的孤独症神经反馈干预研究.通过设置神经反馈(NFB)方案,来训练孤独症被试对Gamma节律脑电活动的自我控制和调节能力,通过强化和维持Gamma节律脑电活动来改善孤独症的高级认知功能.研究结果表明,rTMS和NFB能够以无损伤的方式,实现对孤独症异常认知和生理机制的调控,改善孤独症异常脑功能,进而减少孤独症的行为异常.     

长期参与有氧运动大学生执行功能相关脑网络特征

本研究旨在探索长期参与有氧运动的男性大学生执行功能相关脑网络的特征,并与静坐少动的对照组进行比较。收集15名规律参与有氧运动的男性大学生以及15名静坐少动对照组男性大学生脑结构及静息态功能磁共振成像数据。使用度中心度和独立成分分析两种方法评价脑网络特征：计算并提取14个执行功能相关脑区度中心度值（degree centrality, DC）,采用独立成分分析方法（independent component analysis, ICA）提取四个与执行功能相关的脑网络成分。组间对比发现：1）有氧运动组双侧后扣带回皮层以及双侧海马区度中心度水平显著高于静坐少动组（p < 0.05）,而静坐少动组右侧顶下小叶度中心度水平显著高于有氧运动组（p < 0.05）;2）有氧运动组在默认网络、背侧注意网络及腹侧注意网络均有脑区激活高于静坐少动组,峰值分别出现在右颞下回、颞极以及左腹侧后扣带回（AlphaSim校正,p < 0.001）;而静坐少动组腹侧注意网络在左侧在壳核高于有氧运动组（AlphaSim校正,p < 0.001）。研究结果表明：长期参与有氧运动的大学生,其执行功能相关脑网络激活模式优于静坐少动大学生,而这种差异主要是通过增加海马和后扣带回皮层而不是额叶皮层在脑网络中的重要性来实现的。     

基于功能性近红外光谱技术的脑机接口

为了探究功能性近红外光谱技术(fNIRS)对相同动作的运动想象和运动执行区分可行性以及前额皮层对运动想象和运动执行分类准确率的影响,研究测量了15位受试者手臂伸展和手指敲击的运动想象过程和运动执行过程的前额皮层和运动功能皮层的血氧变化信号.提取均值,斜率,二次项系数和近似熵特征建立基于支持向量机的四分类模型.对应于手臂伸展和手指敲击的四分类模型,分别实现了87.65%和87.58%的分类准确率.相对于单独运动功能皮层区域建立的运动功能皮层-fNIRS-脑机接口,引入前额皮层血氧变化信息能显著提高脑机接口分类性能,且对手指敲击动作的提高效果大于手臂伸展动作.因此,前额皮层区域的血氧响应生理特征能提高fNIRS-脑机接口的分辨性能,同时验证了fNIRS-脑机接口应用于多种肢体动作脑功能活动提取的可行性.     

基于解剖距离的功能脑网络建模方法研究

为了分析解剖距离对静息态功能脑网络建模的影响,在解剖距离的基础上将节点共同邻居引入到功能脑网络的建模中。设计三个模型,分别是基于解剖距离,节点共同邻居个数和解剖距离与节点共同邻居个数。借鉴残差的方法创建最优静息态功能模型网络评价标准。在每种模型网络中选出最优的模型网络。然后将每种模型中的最优网络与真实数据fMRI网络对比选出能够最大程度模拟真实网络的模型网络。结果证明在AAL模板下单独基于解剖距离建立的功能脑网络能最大化的模拟真实的网络。     

脑功能网络建模及分析研究进展

大脑是一种典型的复杂系统,理解大脑的结构以及运作机制对生命科学、医药工程、人工智能等领域重大问题的研究具有重要意义.功能核磁共振成像(fMRI)等技术可以实现比较精细的大脑神经活动信号的无创采集,是观察和分析大脑功能活动的重要辅助技术;同时,复杂网络理论与方法则为探索大脑的工作机制提供了重要的理论和技术基础.本文回顾了近年来基于fMRI等大脑神经活动信号采集技术进行脑功能网络建模与分析的研究进展,包括脑功能连接的相关性、因果性分析,白质纤维束投射连接分析,脑活动状态空间的能量图景分析等.文中介绍了这些方法的原理、适用性及局限性.目前基于数据分析的脑网络建模研究已经取得了丰硕的成果,然而,随着神经影像技术的不断发展及高质量神经活动数据的不断积累,复杂系统理论在脑科学领域的应用仍然具有广阔的前景.     

小鼠杏仁中央核逆向投射的研究

杏仁核作为边缘系统的重要组成部分,与情绪异常的精神疾病相关,而杏仁中央核和基底核在恐惧条件化、动机奖赏、药物成瘾以及颞叶癫痫等疾病中起到重要作用。神经连接是神经元行使功能的生理学基础,近年来嗜神经病毒已经成为方便有效的神经环路示踪技术。本文采用一种新型的狂犬病毒RV,该病毒是一种嗜神经病毒,能在神经中逆向传导,且不跨突触。将该病毒注射到杏仁中央核,7d后取脑组织进行切片观察,发现病毒标记到杏仁核区域,如纹状体、杏仁核基底核、外侧核、前端杏仁核背侧、杏仁核纹状体过渡区,以及皮层各区域。此外还包括丘脑和下丘脑的某些区域。本文研究证明杏仁中央核接收来自很多脑区的广泛、直接的纤维输入,研究结果对于后续杏仁中央核的功能研究具有重要的参考价值。     

运动态人脑默认模式网络脑电信息传递动力学行为分析

为探究人体进行运动相关任务时大脑默认模式网络与其他脑区间的连接规律，基于运动及运动想象脑电信号公开数据集，通过快速傅里叶变换对不同状态下的脑电信号划分频段并进行滑动加窗处理，得到静息与运动态下同皮层不同频段的平均时间序列。采用动态传递熵的构造方法，分析默认模式网络到运动皮层、默认模式网络到前额叶皮层的信息交互，并在多个数据集下进行显著性检验。将动态传递熵的分析方法结合逻辑回归、决策树、XGBoost算法对不同任务进行分类研究，结果表明：大脑不同皮层功能区在进行不同任务时具有显著差异；相较于静息态，前额叶皮层和运动皮层在运动过程中更加活跃，γ频段相较其他频段也更加活跃；相较于静息态，运动态及运动想象态下默认模式网络到运动皮层、默认模式网络到前额叶皮层的信息交互都更强烈，其结果在不同样本空间的显著性检验P值小于0.025,此方法稳健；脑电信号动态传递熵方法可以将机器学习算法的分类准确率提高20%以上。研究可为运动态脑电信号辨识提供理论参考。     

节点属性的功能脑网络连接方法比较研究

为了比较构建功能脑网络时,不同功能连接定义方法所构建脑网络的可信度,弥补传统方法忽略网络结构特征的不足,提出了基于节点属性,通过多种网络结构属性,研究不同功能连接定义方法所构建功能脑网络差异的方法,比较功能脑网络的可靠性。实验结果说明,本方法对衡量网络连接定义之优劣非常有效。此外,实验结果还表明对于使用皮尔逊相关、偏相关与小波相关方法所构建功能脑网络边的可靠性而言,皮尔逊方法优于小波相关方法,偏相关方法略差于小波相关方法。