人脑结构连接网络在青少年阶段的变化研究

脑结构变化是青少年阶段(10-18岁)认知能力发育的物质基础和前提条件，但迄今为止，科学界对于大脑的结构连接网络在青少年阶段的变化模式尚不清楚。本项目拟采用结构磁共振和弥散磁共振成像技术，构建人脑的结构连接网络（包括解剖连接网络和形态相关连接网络），通过利用现代复杂网络分析技术，确定脑结构网络的拓扑属性（如"小世界"属性、网络模块化、节点效率等）在青少年阶段的变化。本项目将具体地研究脑结构连接网络的拓扑属性与青少年阶段年龄和性别的准确关联模型。此外，我们还将进一步分析脑结构连接网络的拓扑属性与青少年特定认知行为能力（如记忆、执行功能和注意力等）的相关性。本项目利用复杂脑网络的研究方法，从全局的角度来审视青少年阶段的脑发育变化，是对已有脑发育研究的重要补充。本研究的预期成果将极大地提高我们对青少年认知行为变化的理解，并且为提前预防、诊断及治疗青少年的易感精神疾病提供潜在的科学依据。

人脑结构网络的发育变化是青少年认知能力发育的物质基础和前提条件。本项目以人脑结构网络的发育为核心科学问题，主要研究内容和目标包括：采用结构磁共振和弥散磁共振成像技术，构建人脑的结构连接网络，通过利用现代复杂网络分析技术，解析脑结构网络的拓扑属性在青少年阶段的变化，并探索不同性别的脑网络发育差异及其与认知能力发展的关联性。本项目的成果主要包括： 1）揭示了人脑结构网络的发育变化规律；2）发展了一系列的针对脑网络发育研究的影像计算方法。在人脑结构网络的发育变化规律方面，我们发现从青少年到成人阶段，随着年龄的增长，脑网络的全局效率与局部效率都呈现先增加后降低的模式，并且在局部效率上存在明显的性别差异，而全脑hub区域的分布并未出现明显的年龄效应。此外，我们还发现在儿童早期发育的这三个关键时间点（新生儿组，幼儿组和少儿组）上，脑白质结构网络的连接强度，全局和局部效率，以及稳定性在发育过程中随年龄单调递增。从出生开始，小世界属性和模块性显著存在，模块数目和模块间连接随发育过程逐渐增加。在针对脑网络发育研究的影像计算方法方面，我们1）提出了LDH的弥散新测度、2）评价了不同网络构建方法对脑网络属性个体差异的影响、3）并开发了系列软件工具（PANDA， PCBrain和Surfview）。综上，本项目的研究发现是对已有脑发育研究的重要补充，发展的新计算方法为脑网络发育研究提供了重要的技术支持。本研究的成果将极大地提高我们对青少年认知行为变化的理解，并且为提前预防、诊断及治疗青少年的易感精神疾病提供潜在的科学依据。