基于磁共振成像的人脑功能一致性研究

Non-invasive Magnetic Resonance Imaging (MRI) technique can be used to observe anatomical structure and dynamics of human brain in vivo, however, how to use the huge number of data produced by MRI to describe the dynamical characteristics of human brain and how to decode the intrinsic physical mechanisms from anatomical structure to dynamical evolution and then to individual behaviors, remain a major challenge in the field of computational neuroscience. Functional homogeneity, which describes regional dynamical synchrony, has been successfully used to distinguish a variety of neuropsychiatry patients from healthy subjects based on brain imaging. Further investigations on its structural basis, phenotypic correlations and verifications of computational model will help elucidate the above physical mechanisms. The project intends to collect a sample of resting state functional MRI, diffusion tensor imaging and phenotypic data such as intelligence and sex, and investigate hemispheric asymmetry, structural basis and phenotypic correlation maps of functional homogeneity. By using quantitative comparison of whole brain distribution characteristics of functional homogeneity between computation model and realistic MRI data, the project tries to reveal intrinsic physical mechanisms of population diversity of human brain structure, function and behaviors. The project, focusing on functional homogeneity of human brain, extends the research system of theoretical system biology and fMRI methodology, expected to provide a theoretical reference for pathological mechanisms of neuropsychiatric diseases, and ultimately provide a new perspective and theoretical verification for drug development.

非侵入性磁共振成像技术可以观测活体人脑解剖结构及其动力学状态，然而，如何利用其产生的海量数据刻画大脑的动力学行为特征以及如何解码从解剖结构到动力学状态演化再到个体行为输出的内在物理机制，一直是计算神经科学领域的难点问题。功能一致性指标描述大脑局部区域的动力学同步性，已经成功区分多种神经精神疾病患者与健康被试的脑成像差别，对其结构基础、表型相关及计算模型的验证研究将有助于解决这一难题。本项目拟通过采集静息态功能磁共振、弥散张量成像及智商、性别等表型数据，研究功能一致性指标的半球分布不对称性、结构基础及表型相关图谱，并利用计算模型与实际磁共振数据对这一指标全脑分布特征的定量比较，试图揭示人群中脑结构、功能及行为多样性的内在物理机制。本项目以人脑功能一致性为研究对象，扩展了理论系统生物学及磁共振成像方法学研究体系，有望为神经精神疾病的病理机制提供理论参考，最终为药物开发提供新的视角和理论验证。

磁共振成像技术可以观测活体人脑的解剖结构及其动力学状态，虽然时空分辨率均有限，但却是目前为止对活体人脑观测最有效最常用的手段。如何利用海量磁共振成像数据刻画大脑动力学特征，进而成为正常及异常精神心理行为的生物标记，是磁共振成像方法学及计算神经科学的重点问题。局部一致性，描述大脑局部紧邻区域多个时间序列的同步性，已经成功检测出多种神经精神疾病病人与正常人之间的脑成像差异。然而，对其方法学及应用的系统研究目前还没有。本项目利用公开数据库及采集的大样本磁共振成像数据对局部一致性进行了系统研究，主要研究内容包括：局部一致性的神经生物学意义（区域变异，形态学基础，局部一致性功能协变网络）、自闭症中的应用、早发及成人精神分裂症中局部一致性及其与远距离连接的异常。除了对局部一致性进行这一系列研究，还撰写了综述文章总结局部一致性为多模态多尺度的神经影像标记。下面简要介绍一下本项目的主要发现。（1）局部一致性的神经生物学意义：腹侧视觉通路中的各脑区的平均局部一致性随着信息加工复杂度（或等级）的增加而减小；在前额叶及后内侧皮层这两个联合皮层，局部一致性也有着等级分布规律；局部一致性的协变网络由五个等级组织的模块构成。（2）跟健康人相比，自闭症病人的中额皮层、左侧楔前叶、右侧颞上沟局部一致性增加；右侧脑岛局部一致性减小。并且右侧额中回与右侧颞上沟局部一致性与自闭症的行为学测量有显著相关。（3）在早发及成人精神分裂症病人中，均发现右侧额上回局部一致性升高，并且在成人精分病人中与PANSS量表中的阳性症状显著相关。仅在早发精分中检测到局部一致性减小的脑区包括右侧中央后回及左侧中枕叶。这些脑区与其对侧半球对应脑区之间的远距离连接也受损了。而且仅仅在典型发育儿童中存在局部与远距离连接的显著相关。这些发现证实了精神分裂症是一种距离相关的神经发育连接异常疾病。总之，本项目以人脑局部一致性为突破口，扩展了磁共振成像方法学及计算神经科学理论体系，有望为神经精神疾病的病理机制提供理论参考。