基于神经影像和心理行为多模态数据的脑老化个体差异图谱绘制与计算

Exploring the mechanism of the aging brain, one of the hotspots of brain science, meets the national strategic requirement of healthy aging. Focusing on the individual differences of the aging brain, this project aims at mapping the individual variability and analyzing the networks of the aging brain.. The following contents are studied: 1) mapping individual variability in brain function, morphology and fiber tracts based on multimodal neuroimaging computation; 2) examining the psychological and behavioral meanings of the individual difference maps, and extracting the multimodal brain index and relevant regions or networks that are with cognitive or emotional correlations in individual differences; and 3) investigating the methodological challenges of Bayesian networks (BN), and using BN to investigate the directed interactions and information transmission mechanism in the cognitive or emotional networks as mentioned above, to further illustrate the meanings of individual variability maps and relevant critical networks.. We expect that our findings will make contributions in providing novel clues or theoretical and practical reference to studies of brain aging and relevant diseases such as Alzheimer disease and geriatric depression, and also expect that the BN-based network computations will provide an alternative tool or perspective in brain network research.

探索脑的老化机理既是脑科学前沿热点，又符合促进健康老龄化的国家战略需求。本项目以老年人脑的个体差异为切入点，开展脑老化个体差异图谱绘制和环路计算。. 主要内容包括：1）基于神经影像计算，系统绘制反映老年人脑的功能、形态学、纤维连接等个体差异规律的一整套图谱；2）结合心理行为数据关联计算，论证脑老化个体差异图谱的心理行为意义，提取个体差异具有认知和情绪关联的脑指标及其脑区和网络；3）基于贝叶斯网络方法学框架，通过完善一系列方法学问题，针对基于个体差异的认知环路和情绪环路研究脑区间的有向交互及信息传递机制，进一步明确个体差异图谱及关键脑环路的心理行为学关联。. 预期研究成果会对脑老化机理研究以及痴呆和老年抑郁等相关脑疾病早期预警等应用研究提供新的线索和理论模型参考；同时，基于贝叶斯网络的脑环路计算可为当前的脑网络研究提供一种新的研究工具和视角。

本项目以老年人群体为研究对象，基于磁共振成像技术，以脑的个体差异为切入点，研究脑老化个体差异规律及其行为学意义，并针对关键脑认知功能探索相应神经环路的计算机制及其心理行为学关联。主要发现：1）系统层面，老年人脑结构和功能个体差异全脑分布不均衡，额顶网络和默认网络等区域的灰质密度以及与全脑的功能连接表现出相对更高的个体差异；脑功能个体差异分布模式与脑功能的认知关联度分布模式显著相关，尤其提示长距离、跨网络连接（如小脑-大脑连接）与老年人的认知表现存在密切联系；2）关键脑认知功能层面，老年人默认网络局部活动一致性和脑区间功能连接分别表征不同记忆过程（短时记忆和长时记忆）的个体差异；突显网络背侧前脑岛与默认网络内侧前额叶前部的功能连接预测老年人的幸福感；肾脑表达蛋白基因多态性调节老年人大脑结构完整性，并进一步影响到个体认知表现；3）基于贝叶斯网络的有向连接研究发现突显网络额岛皮层调控默认网络和额顶叶网络的功能活动，进而影响老年人的记忆和执行任务表现；局部的自发性神经振荡是与全脑神经信息交互的结果，其中海马和内侧前额叶分别在驱动和汇聚自发脑功能活动方面扮演重要角色，前额叶的整合能力在阿尔茨海默病进程中表现为先升高后下降的衰退过程，而海马在晚期认知障碍阶段丧失对默认网络的驱动能力。本项目通过对老年群体脑结构和功能个体差异规律的研究，揭示了一些如小脑与大脑皮层长距离连接等以往老化研究容易忽视的神经环路对认知的重要性，这些发现将对脑老化机理研究以及相关脑疾病应用研究提供新的线索和参考；此外，基于贝叶斯网络的有向连接模型在建立认知关联方面比传统的无向功能连接表现出优势，提示其可作为一种新的进行脑认知机制研究的计算工具。