注意网络的影像遗传学研究

Attention is the central theme in cognitive science, but its neural network and genetic mechanism remains unclear. We found in our previous studies that attention involves three separated components using resting-state functional MRI(fMRI) and diffusion tensor imaging(DTI).The fMRI study suggested that significant functional connectivity between anterior cingulate cortex and dorsolateral prefrontal cortex was found, which was negatively associated with the behavioral scores of executive control. But the neuronal mechanism remains unclear. Based on previous studies,we will recruit one hundred pairs of healthy twins and acquire their DTI,fMRI and DNA data. The brain anatomical network and functional network for each subject will be constructed and their topological properties are then calculated.Twin study is used to compute the heritabilities of the behavioral perforamnce, parameters of brain anatomical and functional networks in order to understand the effects of genetics, common environment and specific environment on attention.In addition, several candidate genes are chosen to examine the effects of genetic polymorphism on the individual variations. In conclusion, this program aims to elucidate the mechanisms of attention from the levels of genetics, brain and behavior by means of advanced brain network analysis and imaging genetics. Our study will make a great contribution to the progress in the diagnosis and treatments for the atypical attention in patients.

注意功能是认知神经科学的中心课题，然而相关的神经网络特征及其遗传机制仍不清楚。我们先前的研究利用静息态功能磁共振和弥散张量（DTI）技术发现注意三个子网络的独立性，利用功能磁共振（fMRI）发现前扣带回和背外侧额前皮质之间存在显著地功能连接，并与行为学表现呈负相关，但其遗传机制尚待探明。本项目拟在先期研究基础上，获取100对健康双生子的DTI、fMRI和DNA数据，分别构建每个个体的结构脑网络和功能脑网络，计算其网络拓扑属性。使用双生子法测定注意行为学表现、脑结构网络和功能网络拓扑属性的遗传度，分析遗传因素、共同环境因素和个体环境因素对注意功能的影响程度，并选取多个基因进行多态性鉴定，探索候选基因变异的影响。本课题利用先进的脑网络和神经影像学方法，从基因、脑和行为学水平全面探索注意的神经机制，对注意能力损伤病人的早期诊断和治疗具有重要意义。

我们的研究利用静息态功能磁共振和弥散张量(DTI)技术获取100对健康双生子的DTI、fMRI和DNA数据，分别构建每个个体的结构脑网络和功能脑网络，计算其网络拓扑属性。使用双生子法测定注意行为学表现、脑结构网络和功能网络拓扑属性的遗传度，分析遗传因素、共同环境因素和个体环境因素对注意功能的影响程度。取得了以下研究结果：（1）人类大脑的发育受到基因的调控。大脑白质的体积的遗传度超过了80%。大脑白质纤维束的部分各向异性指数（FA）的遗传度约为52%。不同的白质纤维束参与了注意功能的三个子网络，小脑丘脑束参与了警觉网络，定向网络主要由上纵束参与完成。执行控制网络主要受前放射冠的控制。（2）大脑的默认网络受遗传因素影响，执行控制的个体差异与任务状态相关的大脑活动紧密相关。静息状态下右侧楔前叶（PCUN）和左侧前额叶内侧皮质（msFC）的低频振幅跟执行控制个体的行为学相关，左侧梭状回、右侧额下回、左侧额上回和右侧中央前回与它们之间的功能连接也与执行控制的行为学相关。并且它们一起可以控制67%的个体差异。进一步分析发现，不同区域之间的功能连接对执行控制个体差异有更强的预测性，表明区域之间的整合作用在静息状态下起着更重要的作用。（3）发现构建的大脑解剖网络具有明显的小世界属性，并且执行控制功能与大脑解剖网络的全局效率呈显著正相关。执行控制与一系列脑区的节点效率显著相关，包括左侧背外侧额上回、左侧海马旁回、双侧丘脑、双侧苍白球等。警觉功能与左侧丘脑、右侧顶下回的节点效率显著相关，定向功能与右侧中央旁小叶和右侧枕下回的节点效率显著相关。进一步研究发现了注意的三个子系统与大脑脑区皮质厚度的相关性，警觉功能与左侧额上回眶部和右侧中央旁小叶的皮质厚度显著相关，定向功能与右侧梭状回、右侧海马旁回、右侧内侧额上回和左侧楔前叶的皮质厚度显著相关，执行控制功能与左侧前扣带回和右侧顶下回的皮质厚度显著相关。