静息态脑功能网络的神经电生理基础研究

Human brain is a complex functional system. Resting-state fMRI being as a critical tool have been widely used to investigate functional brain networks. However, the unclear relationship between BOLD signal and neural activity has been highly hindering the understanding of functional brain networks. The current project plans to collect resting-state fMRI data from healthy controls and epileptic patients who will receive a craniotomy for clinic treatment as well as electrocorticographic data from the same patient population. Using complex network analysis approaches and information processing modeling, this project aims to explore electrophysiological basis of resting-state BOLD signal in three aspects of local brain activity, functional sub-networks and the whole brain networks. The measures mainly concerned include frequency characterization of electrophysiological signal of locally spontaneous activity, electrophysiology-related frequency specificity of coherent inter-regional activity across multiple functional systems, topological organization of multiple level large-scale functional brain networks as well hub regions and connectivity, and cross-frequency coupling of spontaneously electrophysiological activity. In the end, this project would reveal the direct relationship between spontaneous BOLD signal and neural activity, and provide a critically theoretical basis for investigating the dynamics of functional brain networks. In addition, the frequency-characteristic distribution generated from this project could serve as an important reference for probing pathologic mechanisms of major neuropsychiatric disorders.

人脑是一个极其复杂的功能系统，大量研究借助功能磁共振成像（fMRI）方法研究人脑功能网络，但BOLD信号与神经电活动之间的关系尚不明确，这阻碍了对脑功能网络神经机制的理解。本项目拟采集正常被试和癫痫病人的静息态fMRI数据及癫痫病人的颅内皮层脑电数据，运用复杂网络的分析算法和信息处理模型，从脑区局部活动、功能子网络和全脑网络三个层次上分析静息态脑功能网络的神经电生理基础，具体研究内容包括：局部自发低频活动在神经电信号上的频率表征，不同功能子系统内部功能活动相互关系的频率特异性，不同尺度的全脑功能网络的拓扑组织、重要节点和连接，功能网络内自发神经活动的频间耦合特性等。本研究将直接揭示自发BOLD信号与神经电信号之间的对应关系，为研究脑功能网络动力学行为的神经机制提供重要的理论基础。此外，本项目构建的全脑频率特征分布图有望为探索重大神经精神疾病发展的病理机制提供参考。

静息态脑功能网络对于理解人脑功能具有重要意义，然而目前脑功能网络主要基于fMRI的脑影像数据进行构建，其内在神经电生理基础并未得到清晰阐释。本项目通过采集癫痫病人的颅内脑电数据，从脑区局部活动、功能网络内部和功能网络之间三个层次上分析静息态脑功能网络的神经电生理基础。通过术前MRI与术后CT数据进行融合，自动提取电极触点并根据功能网络进行归类，对不同功能网络的局部场电位活动及功能网络内和网络间局部场电位活动关联进行分析。研究结果显示，基于BOLD信号构建出来的脑功能网络存在特异性的神经振荡频率，为不同脑功能网络的划分提供了神经电生理方面的支持。不同脑功能网络内部的同步神经振荡活动集中于不同频段，这从神经元群之间同步活动的角度提示了脑功能子网络的构成机理。此外，在不同频段下，静息状态下脑功能子网络内部的连接强度强于网络间的连接，验证了功能子网络的模块化，同时，额顶、注意、视觉等子网络间在静息态下仍在特定频段下呈现高相关，这体现了静息态下子网络之间依然存在信息交互的神经机制。本研究基于大样本颅内脑电数据，通过多空间尺度、高时间精度的局部与全局连接分析，提示了脑功能子网络局部处理与协同工作的复杂神经电生理机制，为进一步理解脑功能网络提供了重要参考。