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Cerebral Cortex: 大脑的功能发育与成长环境紧密相关

《本文同步发布于“脑之说”微信公众号,欢迎搜索关注~~》 一、背景    大脑的发育受多方面因素影响,较高的社会经济地位(higher socioeconomic status, SES)就是其中一个重要的因素。儿童、青少年时期的SES与其较强的认知能力,学业成就和较低的精神疾病发病率有关,甚至会影响婴儿时期的大脑皮层发育。已有的一些研究发现SES与大脑的结构发育呈现紧密关系,具体表现为低SES个体的大脑结构发育加速,这表明SES会调节年龄和大脑结构发展之间的关系,目前尚不清楚其在大脑功能发育中是否存在这种调节关系,这促使人们深入地研究社会经济地位是否以及如何影响青少年大脑功能网络的发育。在大多数这些研究中,关于SES的研究是在家庭层面进行的,包括家庭收入,成员学历等,部分研究也关注了邻里社区SES的影响。然而已有的研究结果还不足以清晰的揭示SES与儿童、青少年的大脑功能发育之间的关系,以及SES是如何影响的发育的,特别是与年龄的交互作用。该研究利用费城跨年龄段的大样本横断面影像数据来研究年龄,SES和大脑功能网络拓扑之间的关系,分别从全脑水平,网络水平,以及单个大脑区域三个层次,利用图论的聚类系数和模块化指数两个网络指标,从整体到局部的研究了在青少年发育过程中,SES对其功能网络拓扑结构的影响。该研究为SES与功能网络拓扑的发展之间的联系提供了证据,为早期成长环境影响大脑神经活动提供了更深入的见解。 二、材料和方法 1、被试和数据    从Philadelphia Neurodevelopmental Cohort(PNC)数据集中选取符合排除标准的,年龄在8到22岁之间的,1012名儿童和青少年的神经影像数据,其中平均年龄15.78,女性552名。SES的测量结合了被试社区的结婚率,贫困人口比例,家庭收入以及邻里家庭收入,教育占比,人口密度,就业率等多个特征计算其SES得分。结构和功能数据的预处理借助ANTs和XCP工具包处理,将功能数据映射到皮层上进行后续功能网络分析 2、构建功能网络    对每个被试,提取N = 360 个皮层区域的BOLD信号,通过计算皮尔逊相关系数来表示每两个区域之间的功能连接,最后得到了一个360*360的功能连接矩阵,如图1。基于个体数据的差异性与局限性,只有359个节点被纳入到后续分析中。

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大脑状态的重构与认知行为之间的映射

对人脑非侵入性成像的诞生促进了研究人员对大脑和行为之间关系的深入理解。神经科学家通过人类进行复杂行为时的脑活动信号进行间接测量,对人脑内支持不同功能的不同区域的特异性有了深入的理解。就功能性神经成像而言,早期的研究旨在确定在某种任务或某种功能下最"活跃"的特定大脑区域(如图1左所示)。这种方法产生了一系列新的研究,这些研究假定大脑的特定区域会映射到特定的心理结构(例如,考虑梭状回在面部感知中的作用),但这种方法的实现具有一定的挑战性。特别是,很难将一个区域具有统计学意义的“激活”转化为其在大脑中的算法实现。同样,很难明确相对分离的特定区域在网络水平是如何协调不同区域活动,以促进复杂的行为的,因此,需要在连接的水平考虑大脑区域和功能之间的关系。

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互联网拓扑是怎样构成的?又代表了什么?

数学家和物理学家在研究网络的时候,为了抓住本质,通常进行一定的抽象,表现在既不关心节点的特定物理位置、大小,也不在意边的长短、曲直、相交与否,只关心节点和节点间是否相连。例如,欧拉在解决哥尼斯堡七桥问题的时候,虽然1736年讨论长短大小的几何学是主流,而不考虑长短大小、不牵涉量计算的情形几乎没人研究,但他却撇开研究对象的长短、大小、面积、体积等度量性质和数量关系,把2座小岛和河的两岸分别抽象成4个点,而把7座桥抽象这4个点之间的连线,开创了拓扑研究的先河。当人们把网络抽象成这种不依赖于节点的位置、大小和边的具体形态,所得到的性质就成为网络的拓扑性质,相应的结构称作网络的拓扑结构。

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Nature Reviews Neuroscience:脑网络组织的经济性

大脑是昂贵的,相对于身体大小而言,大脑会产生高昂的物质和代谢成本,而脑网络可以通过改变组织形式来减少这些成本。但是,脑网络连接组也有很高的拓扑效率、鲁棒性、模块化和连接hub的“富人俱乐部”,这些和其他有利的拓扑特性都有可能增加布线成本(即脑网络连接的物理成本)。作者认为,大脑组织是在最小化成本和最有价值的拓扑模式之间进行经济性权衡决定的。随着脑网络的发展,在增长和适应不断变化的认知需求中,布线成本和拓扑价值之间权衡取舍的过程将持续进行,无论是在较长(数十年)和较短(毫秒)的时间尺度。对神经精神疾病的经济性分析突显了昂贵的脑网络元素在病理发作或异常发育中的脆弱性。Nature Reviews Neuroscience上的这篇文章,可以加深我们对脑网络组织形式的理解。

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Cerebral Cortex:有向脑连接识别帕金森病中广泛存在的功能网络异常

帕金森病(PD)是一种以大规模脑功能网络拓扑异常为特征的神经退行性疾病,通常通过脑区域间激活信号的无向相关性来分析。这种方法假设大脑区域同时激活,尽管先前的证据表明,大脑激活伴随着因果关系,信号通常在一个区域产生,然后传播到其他区域。为了解决这一局限性,我们开发了一种新的方法来评估帕金森病参与者和健康对照组的全脑有向功能连接,使用反对称延迟相关性,更好地捕捉这种潜在的因果关系。我们的结果表明,通过功能性磁共振成像数据计算的全脑有向连接,与无有向方法相比,识别了PD参与者与对照组在功能网络方面的广泛差异。这些差异的特征是全局效率的提高、聚类和可传递性与较低的模块化相结合。此外,楔前叶、丘脑和小脑的有向连接模式与PD患者的运动、执行和记忆缺陷有关。总之,这些发现表明,与标准方法相比,有向脑连接对PD中发生的功能网络差异更敏感,为脑连接分析和开发跟踪PD进展的新标志物提供了新的机会。

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