结构脑网络组的出生前发育与可视化

Brainnetome as a new “ome” in which the brain network is the basic research unit to investigate the hierarchy in human brain from genetics and neuronal circuits to behaviors. One of the most important research contents is the development of brain networks. Previous research mainly focused on the brain network development after birth , but there are few research before birth. This project firstly propose that using high field intensity MRI data collected from 420 cases of fetal specimens（14-27 gestational weeks） and computer image processing and analysis technology to: (1) calculate and analyze the cortical thickness, cortical partition and DTI fiber tracing to build the probabilistic brain template and structural brain network; (2) calculate the topological properties of brain network using the graph-based theory and performing linear-regression analysis between "small-worldness" and gestational weeks to reveal the origin and prenatal development process; (3) develop the visualization toolbox of the fetal brain networks. The results of the study will enrich and replenish the human brain network development theory, provide theoretical basis for clinical intrauterine fetal brain development condition assessment and prevention and treatment of congenital neuropsychiatric disorders, contribute to eugenics, enhance the quality of newborn and provide a scientific basis for investigating the brain network in the micro-scale.

基于图论的复杂网络理论近来被用于研究脑网络, 从而形成了脑网络组学（Brainnetome ），其重要研究内容之一就是脑网络组发育。有关结构脑网络组的出生后发育已有研究，而出生前发育至今鲜见报道。本项目以420例胎儿标本（14-27孕周）脑高场强MRI数据和计算机图像处理与分析技术研究：（1）通过对大脑皮质厚度测量、皮质分区、DTI纤维追踪等的精确计算和统计分析，构建胎儿概率脑模板和结构脑网络；（2）利用计算机图论分析计算每个受试者大脑解剖网络的拓扑属性，同时将不同孕周胎儿脑网络的“小世界”属性与孕周做线性回归分析，观察结构脑网络的起源与发育过程；（3）研发胎儿脑网络的可视化平台。研究结果将丰富和完善人脑网络组发育的理论，为临床宫内胎儿脑发育状况评估、先天性神经精神疾病的预防与诊治提供理论基础，有助于优生优育和提高人口出生质量，也为进一步在微观水平上探讨人脑网络组提供科学依据。

本课题收集了420例12-35孕周发育正常的人类胎儿标本，采用3T和7T的MRI进行扫描，进行图像处理和统计学分析。取得以下研究结果：（1）利用14-22孕周胎儿标本数据，量化了皮质板的形态学发育情况，全脑皮质板的形态学参数均随孕龄的增加显著增长，且皮质板的局部发育是不均一的，该阶段未发现皮质板形态学数据的半球差异。研究结果可为皮质板早期发育研究提供影像学参考。（2）本研究构建了妊娠中期和新生儿期这两个发育时期的结构协变脑网络，探讨胎儿时期结构脑网络的发育规律。孕期大脑经历了复杂快速的发育变化，脑网络的拓扑结构不断重组优化，出生时脑网络变得更加整合、高效。本研究为结构和功能网络的早期发育研究提供了参考。（3）本研究选择35例15-22孕周的胎儿T2数据，计算小脑的绝对体积和相对体积；创建了小脑平均模板；探讨了妊娠中期胎儿小脑的形态发育规律。结果发现小脑的绝对体积随孕龄增加呈二项式曲线性增加。第二妊娠初期小脑半球的两外侧区域发育最慢，小脑前叶比后叶发育快，这与小脑不同区域的系统发生特征及参与不同功能相关。（4）本研究利用46例14-22孕周的胎儿标本的7.0T MR图像，描述胎儿早期纹状体的形态发育特征。结果表明，尾状核和壳核的体积随孕周呈明显的线性增长的趋势。尾状核的外侧和内侧部分的生长发育快于中间部分，具有明显的“吻侧-尾侧”和“由外而内”生长梯度；壳核的背侧和腹侧的发育明显快于其他区域，呈背侧-腹侧双向发育模式。（5）本研究纳入标本84例，孕龄范围14-35孕周。发现侧脑室的体积先轻度下降，之后波动性增加的变化，最后又开始下降。侧脑室径线值随孕周增大。侧脑室的形态经历从圆形到窄长的变化，最后逐渐类似于成人形态。（6）本研究纳入93例14-33孕周的胎儿。距状沟形态根据在旁正中矢状位的MRI图像上的形态被分为5种类型。距状沟深呈线性增长，距状沟长经过短暂的增长后快速增长。右侧距状沟沟长和沟深比左侧大。本结果将为大脑内侧皮质折叠的不对称发育提供线索。