基于大尺度功能与结构连接网络分析方法的脑发育研究

The development and maturation of the human brain is a complex dynamic process. The advanced brain imaging techniques can detect the developmental features of human brain function and structure. However, the brain development on the level of large-scale brain networks is still unclear. In the current project, we intend to combine multi-modal brain imaging techniques of fMRI, MRI and DTI to study the development and maturation of human brain. Our research mainly includes: (1) exploring the organizational pattern of memory network in children, adolescents and adults, and extending it to the whole-brain functional networks; (2) developing suitable methods to construct brain structural networks of children and adolescents; (3) developing multi-modal function-structure fusion methods and investigate the relationship between function-structure coupling and brain maturation. Based on these researches, we aim to establish the model of brain developmental track from the angle of large-scale functional, structural and functional-structural fusion networks, and to provide systematic and quantitative methods and scientific evidence to study brain development.

人类大脑皮层的发育成熟是一个复杂的动态过程，现代脑成像技术已经能够探测脑功能和结构的发育特征，但是在大尺度网络水平上的功能与结构发育过程仍缺乏相应的研究。本项目拟针对脑发育的功能分离与整合这一科学问题，从大尺度功能连接、结构连接以及功能-结构网络融合的角度全面探究脑发育的神经机制。研究内容包括：（1）利用功能连接分析方法,比较儿童、青少年和成年人大脑记忆模块的信息加工与组织模式，并扩展到全脑大尺度网络水平，探究全局拓扑属性的发育轨迹；（2）发展适合儿童、青少年脑影像学数据特征的结构连接网络分析方法，通过脑形态学连接与白质纤维束连接刻画脑发育的结构变化特征；（3）发展多模态脑网络融合技术，探测脑发育过程中大脑结构和功能变化的一致性。通过这些研究为脑发育研究提供定量化的分析方法和科学依据，并在系统水平上揭示脑发育的神经机制，为脑发育疾病的早期诊断与治疗评价提供新的途径与角度。

本项目拟针对脑发育的功能分离与整合这一科学问题，从大尺度功能连接、结构连接以及功能-结构网络融合的角度全面探究脑发育的神经机制。项目主要成果包括：（1）采集了40例健康儿童受试、40例健康成人受试及40例儿童孤独症患者多模态MRI数据及认知评估数据；（2）发展局部和远距离的功能连接分析方法，研究空间距离依赖的功能连接随年龄的变化情况，及其在儿童孤独症中的异常变化模式，表明了空间距离对脑功能连接随年龄的变化有显著性的影响；采用低频振荡幅度方法研究局部脑活动随年龄变化的发育轨迹，发现低频振荡幅度在健康被试中与年龄变化的趋势呈二次曲线，但该趋势在孤独症患者中并没该趋势；（3）发展了适合儿童、青少年脑影像学数据特征的结构与功能多模态数据融合方法，发现儿童焦虑特质与增大的杏仁核形态学特征及其与大脑注意、情感认知和调节系统间升高的连接有关；（4）发展了多模态脑影像模式识别分析方法，实现个体水平的特征分类，为脑发育疾病的早期诊断与治疗评价提供了重要的辅助工具。以上研究成果在脑成像领域著名学术刊物Biological psychiatry, NeuroImage等发表和录用SCI论文9篇，其中影响因子大于5的有4篇；培养硕士研究生3名；项目组成员通过积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问及合作研究等方式，与国外同行进行了深入的学术交流和合作。