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Schizophrenia Bulletin: 精神分裂症的神经系统软体征和结构脑网络异常

一、研究背景 按照传统的定义方法,神经系统软体征(Neurological Soft Signs, NSS)被定义为一组轻微的神经系统功能障碍体征,其常见于精神分裂症(Schizophrenia, SZ),当然其他精神疾病甚至正常人也会表现出NSS。在精神分裂症患者中,NSS主要表现为运动、感觉功能的异常。但是,NSS的神经机制目前似乎并不十分清楚。借助神经成像技术,越来越多的证据表明NSS与一些特定脑区的功能或形态异常密切相关。比如说,一些结构MRI研究表明,精神分裂症的NSS与前额叶、颞叶、丘脑、小脑等脑区的灰质形态特征相关。此外,越来越多的研究表明精神分裂症表现出异常的功能和结构连接异常,但是目前似乎很少有研究对精神分裂症的脑结构网络异常与NSS之间的联系展开探索。近期,一篇发表在《Schizophrenia Bulletin》杂志的题目为《Neurological Soft Signs and Brain Network Abnormalities in Schizophrenia》的研究论文对上述问题进行了研究,该研究利用图论方法对基于灰质形态构建的结构脑网络特征与NSS之间的关系展开研究。本文对该研究进行解读。

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慢性睡眠剥夺对大脑功能网络的影响

对于我们人来说,人生中大约三分之一的时间都在睡觉。睡眠严重不足会导致各种健康状况,如心血管疾病、肥胖、糖尿病、免疫系统功能障碍以及许多认知和情感障碍。尽管睡眠不足会损害人体的所有器官,但它对中枢神经系统的影响似乎最为严重。目前,研究者利用神经影像学方法,对睡眠缺失对情绪、记忆力、注意力以及学习力的影响展开了研究。但是,这些研究似乎主要基于静息态fMRI,因此,来自美国的研究团队近期在Frontier in neuroscience杂志发表题目为《Effects of Chronic Sleep Restriction on the Brain Functional Network, as Revealed by Graph Theory》的研究论文,采用任务态fMRI,研究了慢性睡眠剥夺对大脑功能网络的影响。笔者在这里对该项研究进行解读,希望对大家有所帮助。

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ucinet网络分析实例(网络分析app)

UCINET为菜单驱动的Windows程序,可能是最知名和最经常被使用的处理社会网络数据和其他相似性数据的综合性分析程序。与UCINET捆绑在一起的还有Pajek、Mage和NetDraw等三个软件。UCINET能够处理的原始数据为矩阵格式,提供了大量数据管理和转化工具。该程序本身不包含 网络可视化的图形程序,但可将数据和处理结果输出至NetDraw、Pajek、Mage和KrackPlot等软件作图。UCINET包含大量包括探测凝聚子群(cliques, clans, plexes)和区域(components, cores)、中心性分析(centrality)、个人网络分析和结构洞分析在内的网络分析程序。UCINET还包含为数众多的基于过程的分析程序,如聚类分析、多维标度、二模标度(奇异值分解、因子分析和对应分析)、角色和地位分析(结构、角色和正则对等性)和拟合中心-边缘模型。此外,UCINET提供了从简单统计到拟合p1模型在内的多种统计程序。

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Cytoscape插件1:Centiscape

Cytoscape的插件或多或少都有一些弊端,Centiscape是目前(文章时间2009)唯一一个可以一次计算多个中心值的插件(相对于network analysis等).它可以根据拓扑和生物学属性寻找最显著差异的基因。它只适合于无向网络,可以计算的参数有(average distance,diameter直径,degree度数,stress压力,betweenness中介性,radiality放射性,closeness紧密度(接近中心性),centroid value质心值,eccentricity离心值。插件的帮助文件有以上的定义,描述,生物学意义和计算的复杂性。每个参数的max,min,mean值都有提供。还可以可视化。右边的滑动块可以调整作者的值(默认是mean)。如果必要的话,可以把其中几个参数给deactive掉,也就是不勾选acitive复选框。用户可以选择其中几个参数more/equal而另外的选择less/equal,也可以假如AND-OR 参数。这些可以马上知道结果例如“哪些节点有高中介性值和高stress同时低离心值?”要注意的是,threshold也可以手动设置。一旦根据用户的选定设置,相应的子图就可以提取显示。两类图的输出可以被支持,根据centrality 画图,根据node画图,以上两种都支持其他工具所不支持的分析。 The plot by node 可以提供任何一个node 的所有计算的centiscape值,并以bar 图展示。Mean,max,min以不同颜色显示。图中的所有值都是标准化的,当用鼠标指向某一个时候显示的是真实值。 The plot by centrality 根据中心性画图。可以有五种方式画图 1 centrality vs centrality 2.centrality vs experimental data 3.experimental data vs experimental data 4.centrality vs itself 5.experimental vs itself 仔细看怎么用(plot by centrality可以发掘根据特殊的拓扑或实验特性聚成一类的群。并可以提取子网络进一步分析。拓扑特性和实验数据的结合可以用来对子网络的功能进行更多的有意义的预测或实验证实。 文章作者然后用一个例子来具体说明 整个网络的拓扑性质的总体会首先看到诸如min,max,mean等。例如,degree的平均值是13.5,平均距离是3显示这是一个高度连接的网络,也就是其中蛋白发生了强烈的相互作用。为了找到最高分蛋白的找出,我们可以应用“plot by centrality”。 画degree over degree,显示,分布是不均匀的,大多数nodes有低degree,很少的有高degree的。这和已知的生物网络的无尺度架构一致。下面这个是我的ucco的值,结果差不多,低degree的多余高degree的。

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静息态fMRI+图论+机器学习实现阿尔兹海默症的高准确度诊断

阿尔兹海默症AD是痴呆中最为普遍的病症,约占痴呆病例的60-80%。AD的病理性标志是Aβ蛋白的沉积。近些年来,利用静息态fMRI对AD发病机制和影响标志物的研究发现AD患者许多脑区之间的功能连接如默认网络DMN出现异常。此外,图论方法可以通过计算全局和局部参数来表征脑网络的不同方面。这里,笔者为大家分享一篇发表在Clinical Neurophysiology杂志上的题目为《Identifying patients with Alzheimer’s disease using resting-state fMRI and graph theory》的研究论文,该论文利用静息态fMRI构建脑网络,计算脑网络的图论参数,以图论参数作为特征值,结合机器学习实现AD的100%准确率分类诊断。

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Cytoscape插件2:CytoHubba

CytoHubba:发现复杂网络的关键目标和子网络 网络对呈现包括PPI,基因调控,细胞路径和信号转导等多种类型生物数据非常有用。我们//+重要性,并且这也能帮助我们发现网络中的中心元素。 cytoHubba根据nodes在网络中的属性进行排名。它提供了11中拓扑分析方法,包括,Degrre度,Edge Percolated component边过滤成分,Maximum neighborhood component,Density of Maximum Neighborhood Component,Maximal Clique Centrality and six centralities(Botteleneck,EcCentricity,Closeness,Radiality,Betweenness, Stress)以上这些基于最短路径,MCC是新提出的方法,在酵母PPI网络中对关键蛋白的预测有更好的表现。比如依据给定的重要性概念对网络中心性对节点进行排名可以发现重要信息。 研究发现,一个蛋白的degree和他的基因的重要性直接相关,换句话说,具有高degree的蛋白更倾向于是关键蛋白。 已经有几个插件可以对网络数据进行节点排名,比如NetworkAnalyzer和CentiScaPe,他们可以计算有向或无向网络的拓扑参数。这些插件比其他常用的插件提供了更多的中心性测定指标,但是一些其他重要的特性和最近发展的方法他们并未包括进去。不同的方法聚焦不同的拓扑特点或者,相似的特征有着不同的计分策略。为了让生物工作者对网络特点的利用更加辩解,我们编写了cytoHubba插件以执行我们最新发展的算法和几个流行的算法。 加强的node 获取功能控制面板可以帮助研究者搜索和探索网络,并且可以提取感兴趣的子网络。 使用方法 CytoHubba界面提供了一个简单的交互界面有11个得分方法的分析界面。 首先,所有11中方法在每个node中的得分都会被赋予,当然前提是加载了PPI网络,并执行了“compute hubba result”功能。

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六个主要的社会网络分析软件的比较

UCINET为菜单驱动的Windows程序,可能是最知名和最经常被使用的处理社会网络数据和其他相似性数据的综合性分析程序。与UCINET捆绑在一 起的还有Pajek、Mage和NetDraw等三个软件。UCINET能够处理的原始数据为矩阵格式,提供了大量数据管理和转化工具。该程序本身不包含 网络可视化的图形程序,但可将数据和处理结果输出至NetDraw、Pajek、Mage和KrackPlot等软件作图。UCINET包含大量包括探测 凝聚子群(cliques, clans, plexes)和区域(components, cores)、中心性分析(centrality)、个人网络分析和结构洞分析在内的网络分析程序。UCINET还包含为数众多的基于过程的分析程序,如 聚类分析、多维标度、二模标度(奇异值分解、因子分析和对应分析)、角色和地位分析(结构、角色和正则对等性)和拟合中心-边缘模型。此外,UCINET 提供了从简单统计到拟合p1模型在内的多种统计程序。

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差异共表达网络-Co-expression networks

第一步,基于每对基因间的相关性或相互信息定义每2个基因之间的个体关系。这些关系描述了所有样本中基因对表达模式之间的相似性。不同的相关性方法已经被用了构建网络,包括皮尔逊或斯皮尔曼相关系数。可选择的,最小绝对误差回归或贝叶斯方法也可以用来构建共表达网络。后2个有个附加优势,因为他们可以用来鉴定随机联系,这已经在其他地方描述。对于其它相似性方法的讨论,请参考参考文献30。很多这种相似性矩阵也可以用了构建PPI网络,已经用癌症数据进行比较了,ref31。 第二步,共表达相关性用了构建网络,每个node代表一个gene,每条边代表共表达关系的强度。下面fig1。 第三步,使用其中一种可行的聚类方法鉴定modules(共表达基因groups)。共表达分析的聚类用来把所有样本中相似genes归组,产生共表达基因group而不是仅仅共表达基因对。这种聚类方法在选择的时候需要考虑,因为这会严重影响结果,和分析的意义。许多聚类方法是可行的,包括k-means聚类和等级聚类,这在ref33中。Modules然后可以被功能富集分析解释,这是一种鉴定排序在一个genes list中overrepresented功能范畴的方法。

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领券