基于多模态磁共振成像的半脑网络偏侧化的计算方法学及遗传度研究

Recent connectomics has provided an important way for observing the asymmetry of human brain from the perspective of the system. Although initial progress has been made, a number of methodological and theoretical issues remain unsolved. Our project is proposed to exclusively address these issues. Specially, we systemically estimated the reliability and the individual difference of the hemispheric topological asymmetry. Besides, we explored the genetic and environmental contributions to the hemispheric topological asymmetry. We expect that this work would help us deepen the understanding of the inherent organization pattern of the human brain network and might provide methodological support for application research of brain lateralization. Moreover, the project might provide insights into the formation and development of structural and functional asymmetry/lateralization of human brain and the relationships among gene-brain-behavior .

近年来 “脑连接组学”的发展提供了从系统的角度观测人脑偏侧化特征重要手段。尽管半脑网络偏侧化研究已取得了初步进展，但到目前为止，领域内仍缺乏对相关计算方法学和基础理论的系统研究，限制了半脑网络偏侧化的应用。针对以上现状，本项目拟从半脑网络拓扑属性偏侧化的可靠性和个体差异两个重要角度开展相关计算方法学研究：1)系统研究人脑半球网络不同层次拓扑属性的偏侧化特征及其可靠性；2)评价个体的半脑网络拓扑属性的偏侧化差异在不同预处理方案、不同构建方案下的异同；最后，为了进一步揭示个体间半脑网络偏侧化差异的来源问题，将利用双生子实验模型开展；3)人脑半球网络偏侧化的基因/环境影响研究。本项目将加深我们对大脑内在组织结构的理解，并为基于脑网络偏侧化的脑疾病应用研究提供方法学支持。此外，本项目还有助于揭开大脑结构和功能特异化形成和发展的奥秘，可能为理解基因-脑-行为之间的关系提供理论基础。

基于磁共振成像的半脑网络偏侧化研究为观测人脑偏侧化提供了了新的视角。然而半脑网络研究相关的计算方法学研究仍很少，并且半脑网络偏侧化的遗传机制仍不清楚。本项目针对现有的半脑网络构建存在的问题，提出结构信息约束的半脑功能网络构建新方案以及利用先验的解剖结构信息的半脑结构网络构建新方案。这两种方案可为后期半脑网络偏侧化研究提供方法学指导。此外，以疾病状态下半脑网络偏侧化为研究背景，探讨半脑网络的个体差异，包括构建方案对脑网络拓扑属性个体差异的影响。结果发现正常被试脑网络偏侧化随着年龄的增加而降低，而自闭症谱系患者的脑网络偏侧化程度不随年龄变化。此外，研究发现无论采用哪种节点定义方式，自闭症谱系患者的异常偏侧化模式都存在。该研究为自闭症谱系的脑机制提供偏侧化层面的理论依据。在半脑网络的遗传机制层面，我们还揭示了左右脑的遗传关联规律，发现左右半球脑白质连接和功能连接均具有高度相关和耦合的遗传度模式，然而网络连接的平均遗传度和左右半球遗传相关具有模态特异的空间模式，例如白质连接的平均遗传度呈现皮下核团连接高于皮层间连接的模式，而功能连接的平均遗传度呈现皮下核团低于皮层间连接的模式。这种遗传空间模式的结构和功能连接间的差异，可能与结构偏侧化和功能特异性的差异有关。此外，我们发现脑区间的结构连接长度影响脑区功能和结构连接遗传度和左右半球同源连接的遗传关联程度。半脑网络的遗传关联研究相关的结果，为理解健康和疾病状态下半脑不对称性及共性的遗传发生机制提供了重要线索，也为探索左右半脑的遗传关联规律提供了新的研究范式。.综上，本项目组取得了系列的研究进展，完成了既定研究目标。