基于磁共振成像的人脑功能连接组生理代谢基础研究

Human brain connectomics represent structural and functional connectivity patterns of human brain and is one of the central topics of current neuroscience research. The human brain networks exhibit many optimized organizational and topological features facilitating efficient information processing across the brain. However, the underlying physiological basis of such advantageous topological properties is still unclear. In our previous studies, we have demonstrated a tight coupling between blood supply and brain functional topology, which suggests that the metabolic activities may play vital roles in shaping the brain’s functional network architecture. However, to date there are very few reports studying the effects of modulating brain’s metabolism on the organizational features of human functional connectome. In our proposed project, we will induce mild acute hypoxia in a group of healthy subjects to modulate brain’s metabolic processes during rest and cognitive task (working memory) states, by combing multi-modal functional MRI techniques and complex network theory, we will record and analyze hypoxia-related alterations in regional cerebral blood flow and organizational structures of the functional connectomes, and evaluate their coupling characteristics and relationships with cognitive performance. These studies will provide important experimental evidences for understanding the metabolic and physiological basis of human functional connectomes from a new perspective, and contribute to the clinical research of neurological and psychiatric disorders.

人脑连接组研究是当前神经科学领域非常重要的研究课题之一。人脑连接组所具有的许多优化的连接模式和组织特点有利于大脑进行高效的信息处理，但它们背后的生理基础目前仍尚不明确。申请人等首次发现了大脑功能网络的连接模式和大脑代谢水平（局部脑血流量）之间的高度空间相关性，提示了大脑能量代谢活动对于脑功能网络架构的形成具有重要的潜在作用。然而，脑代谢活动的变化对人脑功能网络组织结构的的影响和调控规律，迄今国内外尚无报道。本项目拟利用轻度急性低氧手段干预大脑在静息和认知任务（工作记忆）状态下的能量代谢过程，并结合多模态功能磁共振成像技术和复杂网络理论，观察和分析局部脑血流量和脑功能连接组拓扑结构的变化，探索两者之间的关联规律及其与认知能力的关系。本课题将从一个新的视角为阐明脑功能网络组织模式的代谢生理机制提供实验证据，对加深理解人脑认知加工，以及神经精神疾病中脑功能连接组变化的神经机制也具有重要意义。

脑连接组的网络化组织结构是认知加工和行为的基础，但其背后的代谢生理基础仍未得到清晰阐释。本项目围绕脑连接组的代谢生理基础，尤其是脑能量代谢变化对脑连接组的影响规律，结合多模态磁共振影像数据以及复杂网络分析方法，研究了脑功能网络从局部到全局不同层面的拓扑组织特征，分析了其与脑代谢水平的关联性，并采用多种调控方式研究了脑代谢水平变化时，脑功能网络拓扑结构的改变模式，及其与代谢水平关联性的变化规律。研究结果显示，（1）脑功能网络具有“富人俱乐部”等优化的拓扑结构，且“富人俱乐部”中的核心脑区具有更高脑血流水平，为脑功能网络优化的拓扑特征有其代谢生理基础提供了新的证据支持；（2）当脑代谢水平受到外界调控被抑制时，脑代谢水平变化的空间分布具有明显的异质性特征，且与初始代谢水平的空间分布显著相关，提示了脑代谢活动的调控机制；（3）当脑代谢水平被抑制时，脑功能网络的连接强度也呈现出显著降低，且其与脑代谢水平之间的关联性也明显减弱；而当脑代谢水平与脑功能网络连接都被抑制时，脑功能网络的模块化结构呈现出与脑代谢水平更高的相关性，提示了脑能量代谢过程对于脑功能网络拓扑结构形成和重组的重要作用。这些研究结果揭示了脑功能连接组的代谢生理基础和调控机制，为理解脑功能网络组织结构的形成与重组提供了重要参考，也为理解代谢相关的脑疾病的病理机制提供了新的视角。