大脑皮层沟回功能分工的全局动态交互研究

Cortical folding, which is composed of convex and concave neural folding structures of gyri and sulci, is one of the most prominent features of human brain. The studies of functions of gyri and sulci will significantly advance the understanding of brain function mechanisms. A variety of recent studies have demonstrated the specific functional division and interaction between gyral and sulcal regions within specific brain regions and networks assuming the temporal stationarity. However, the potential dynamical functional division and interaction between gyral and sulcal regions in the whole brain scale is largely unknown. In this project, we will study the dynamical functional interactions between cortical gyri and sulci in the whole brain scale. Specifically, we will adopt multi-modal brain imaging data (including structural MRI, DTI, fMRI, etc.) to analyze the ‘functional connectivity’ and ‘functional overlap regions’ in the whole brain, which are two representative measurements of brain functions. The potential dynamical interactions in terms of ‘functional connectivity’ and ‘functional overlap regions’ between cortical gyri and sulci will be assessed afterwards. Based on the findings, we aim to propose novel theoretical understandings of brain functions in terms of dynamical functional interactions between cortical gyri and sulci. This project will provide new way to understand the brain function and neural computing mechanisms, which have enormous potential applications in information and automation science fields in the future.

大脑皮层褶皱形成凸起的脑“回”和凹陷的脑“沟”，是大脑最重要的特征之一，是人类大脑高级功能的生物基础。对大脑皮层“沟”“回”的功能分工的探索，将极大促进对大脑功能机制的探索。然而已有研究“沟”“回”功能分工的工作未考虑其在大脑全局尺度，即参与大脑活动的所有功能特征点和网络上的特性，也未考虑其具有随时间变化的动态交互性，因此在一定程度上具有片面性。本项目拟在已有工作基础上，研究大脑皮层“沟”“回”功能分工在大脑全局尺度上的随时间变化的动态交互特性。方法上，我们拟重点研究在大脑全局功能特征点和网络中，“功能连接”和“功能重叠区分布”这两个反映大脑功能的重要指标在大脑皮层“沟”“回”上的动态交互特性，进而探索大脑皮层“沟”“回”功能分工的动态交互模型及理论。本项目将为破译大脑功能机制开辟新的研究路线，为大脑神经计算原理的深入理解提供理论依据，为其在信息和自动化科学领域的广泛应用提供理论支持。

大脑皮层褶皱形成凸起的脑“回”和凹陷的脑“沟”，是大脑最重要的特征之一，是人类大脑高级功能的生物基础。对大脑皮层“沟”“回”的功能分工的探索，将极大促进对大脑功能机制的探索。然而已有研究“沟”“回”功能分工的工作未考虑其在大脑全局尺度，即参与大脑活动的所有功能特征点和网络上的特性，也未考虑其具有随时间变化的动态交互性，因此在一定程度上具有片面性。本项目的研究目标是探索大脑皮层沟回功能分工在大脑全局尺度上的随时间变化的动态交互特性。理论上，我们提出了大脑皮层沟回功能分工的全局动态交互模型理论。方法上，我们基于多模态大脑磁共振数据，采用图像、信号等分析处理方法，结合机器学习、深度学习等技术手段，提出了大脑全局特征点和特征网络的识别方法，并开发了动态功能连接和功能信号时频特性分析方法，为该模型理论提供了数据结果支撑。研究结果发现了大脑皮层沟和回在功能连接、功能信号表达准确度、信号时频特性等方面均具有显著差异，阐明了沟回之间的动态全局功能分工特性。我们还研究了该功能分工模型的结构基础，并初步探索了该理论在进化、发育、以及脑疾病等领域的初步应用。该项目研究为大脑功能运作机制的探索提供了新颖的思路。