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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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Nature Communications:基因对人类连接组中hub连接的影响

脑网络hubs间高度连接且其内部也高度连接,为连通神经动力形成了一个重要的通信主干。但是,对该机制的研究很少。本文使用双胞胎的弥散加权磁共振成像数据,确定了基因的主要作用,表明它们优先影响人类连接组的网络hubs间的连接强度。使用转录图谱数据,结果表明连接的hubs表现出与细胞结构相似和代谢相关的转录活动的紧密耦合。最后,通过比较13个网络的生成模型,本文发现仅靠随机过程不能解释hubs的精确分布模式,另外,可以通过引入基因约束来提高模型性能。本文的研究结果表明,基因在形成hubs间的连接中起重要而优先的作用,这些连接具有功能性价值且代谢成本高。

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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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阿尔茨海默病中的人类连接组及它与生物标记物和遗传学的关系

阿尔茨海默病(AD)损害了大脑的结构和功能网络,导致认知障碍。最近的连接组学研究结果已经将AD中结构和功能网络组织的变化与淀粉样蛋白-β和tau蛋白的积累和扩散模式联系起来,为该疾病的神经生物学机制提供了见解。此外,对基因相关的连接组变化的研究可能有助于AD的早期诊断,并促进在该疾病的早期阶段有效的个性化治疗策略的发展。在这篇文章中,我们回顾了连接组变化与淀粉样蛋白-β和tau蛋白病理之间的关系以及分子遗传学的研究。我们还强调了连接组衍生的计算模型在复制先验发现和跟踪与预测AD病理生理学生物标记物进展方面的应用。

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精神分裂症和双相情感障碍患者的年轻后代的脑网络在富人俱乐部和结构-功能耦合方面受到遗传影响

当前生物精神病学的一个紧迫问题是阐明导致主要精神疾病表现的大脑发育模式,其中一个很有价值的范例是对精神分裂症和双向情感障碍风险增加的年轻人研究。精神分裂症和双向情感障碍可由遗传介导,从而使这些疾病患者的后代也成为了高危人群。除了遗传倾向外,父母患有精神疾病也会增加儿童期环境压力,从而进一步增加患精神疾病的风险。确定这些高危后代的精神障碍可能有助于阐明在已确定的疾病中观察到的大脑异常的发育起源,并有助于制定旨在改善或预防精神病的早期检测和干预策略。

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PNAS: 默认模式网络与语言以及控制系统的耦合信息流

导读 人脑在静息状态下,可以利用功能连接将其划分为一些经典大尺度功能网络。这些网络分管不同的认知功能,例如,一个极为重要的网络——默认网络(DMN)主要参与人的内在导向认知活动,像是记忆、社交思维以及奖赏机制。在之前基于平均后的群组水平数据的研究中,尽管参与了多重认知活动,默认网络仍被划分为一个网络整体。这令人不禁遐想,默认网络是否存在稳定的负责不同单一认知功能的子网络呢?这篇于近期发表在《PNAS》的文章 ”Default-mode network streams for coupling to language and control systems” 不同之前研究的方法,其利用多次重复采集的个体水平静息态数据,来探究这一问题。本文即对该研究进行解读。

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个性化大脑连接组指纹:它们在认知中的重要性

人脑的神经网络结构模式可能与个体在表型、行为、遗传决定因素和神经精神障碍的临床结果方面的差异有关。最近的研究表明,个性化的神经(大脑)指纹可以从大脑的结构连接体中识别出来。然而,个性化指纹在认知方面的准确性、可重复性和翻译潜力尚未完全确定。在本研究中,我们引入了一种动态连接体建模方法来识别一组关键的白质子网络,可以用作个性化指纹。我们进行了几个个体变量评估,以证明个性化指纹的准确性和实用性,特别是预测中年成年人的身份和智商,以及幼儿的发育商。我们的发现表明,我们的动态建模方法发现的指纹足以区分个体,也能够预测整个人类发展的一般智力能力。

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Neurology:早期、未用药帕金森病存在特异的白质连接

神经影像研究认为PD(帕金森症)是一种网络失连接综合征,并可通过网络神经科学方法进行研究。网络神经科学将大脑从结构与功能上看作大尺度神经网络。该方法假设脑区之间的解剖连接与功能交互的异常,会引起网络功能的障碍。近期基于图论的研究发现,早期PD的功能连接组受到模块化破坏,虽然白质连接发生微小改变,但结构组织仍旧相对保留。因此,重要的是我们需要了解众所周知的解剖网络的固有变异性是否构成了早期PD中未检测到的结构异常的基础。此外,PD的病理和症状异质性可能影响发现一致的疾病相关结构变化的能力,尤其是在PD疾病的早期阶段。

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【中国脑计划与众神计算】AI芯片大航海时代,打造新一代脑模拟计算系统

【新智元导读】3月11日,北京脑科学和类脑计算论坛召开,以“众神(经)计算”为主题,由中科院计算所研究员孙毓忠首次提出,众专家分析讨论,探索用于脑科学和脑疾病的新一代脑模拟计算系统。AI芯片浪潮下,我们能否更进一步,找到一种既拥有生物特征,又具有计算系统特性的新型模拟系统?从脑到计算的跨度是否太远?深度学习更靠近数学和脑科学的哪一端? 会议由北京市科委、中科院计算所主办,中科曙光协办,计算所孙毓忠研究员和赵地副研究员担任大会主席。瞄准产业下一个风口,凸显学者前瞻性和预见性。 人脑是自然界最复杂精密的系统,而

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双相情感障碍的异常子网络和hub连接:多中心图论分析

神经影像学证据提示双相障碍(BD)的结构网络水平异常;然而,由于样本量的限制和临床异质性的限制,目前的文献中仍然存在一些矛盾的结果。在这项研究中,我们对109名BD1型受试者和103名精神健康志愿者的结构和扩散加权磁共振成像数据进行了横断面多中心研究,以评估BD患者神经解剖学连接障碍的程度。全脑指标、基于排列的统计数据和高度连接节点的连通性被用来比较双相障碍患者与对照组的网络级连通性模式。与健康对照组相比,BD组表现出较长的特征路径长度、弱连接的左额颞网络和增加的富俱乐部连接障碍。我们的多位点研究揭示了双相情感障碍患者的情感和奖励网络连接障碍,并可能指导全球更大规模的研究,以了解人类大脑结构如何影响双相情感障碍患者的情绪调节。

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中学再不学编程就晚了?MIT、JHU研究:程序员大脑思考代码的机制不对劲

机器之心报道 编辑:泽南、小舟 MIT、约翰霍普金斯大学的研究人员发现,思考编程并不像组织语言,但也不靠纯粹的逻辑。这是因为我们通常是在成年之后才开始学代码? 很多时候,我们认为优秀的程序员需要拥有以数学为中心的思想,而编程时大脑的活跃区域与解决数学问题时所用的区域相同。又有些时候,我们会觉得编程语言之所以为语言,是因为编程时大脑的基础神经机制和语言处理区域相同,也可能是大脑的一部分用于逻辑推理或「执行控制」的问题解决机制。 然而最近来自麻省理工学院(MIT)、约翰霍普金斯大学(JHU)的一些研究告诉我

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Biological Psychiatry:抑郁症,神经影像学和连接组学

抑郁症是一种全球流行的精神疾病,以情感、认知和躯体症状为特征。神经心理学研究表明抑郁症患者在执行功能、记忆和情绪处理方面存在障碍。神经影像学研究表明,抑郁症患者的大脑区域(2-4个)表现出局灶性功能和结构异常,这些脑区涉及:海马、内侧前额叶(MPFC)、背外侧前额叶(DLPFC)、前扣带回(ACC)、后扣带回/楔前叶(PCC/PCU)、杏仁核和尾状核。相关研究也说明了区域间的异常功能联系,涉及默认网络(DMN)、ACC-丘脑、和前额叶-丘脑;前额区域之间的结构协变;以及下纵束、下额枕束、丘脑后辐射和胼胝体的解剖连接,这表明抑郁症会导致多个神经元回路中大脑连接的改变。

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人脑hub枢纽和功能连接的时间动态性

神经成像技术观察到大脑网络连接的枢纽hub,普遍认为枢纽对建立和维持一个功能平台至关重要,在这个平台上可以发生有认知意义和高效的神经元交流。然而,枢纽是静态的(即大脑区域始终是枢纽),还是这些属性会随时间变化(即大脑区域的枢纽波动),我们知之甚少。为了解决这个问题,我们引入了两个新的方法概念,脑连接流和节点惩罚最短路径,然后应用于时变功能连接fMRI BOLD数据。我们表明,激活的枢纽以一种非平凡的方式随时间而变化,枢纽的活动依赖于研究的时间尺度。激活的枢纽数量中较慢的波动超过了预期的程度,这主要是在皮层下结构检测到的。此外,我们观察到枢纽活动的快速波动主要存在于默认模式网络中,这表明大脑连接中的动态事件。我们的结果表明,连接枢纽的时间行为是一个多层次和复杂的问题,必须考虑到特定方法对时变连接性的时间敏感性的特性。我们讨论的结果与正在进行的讨论有关,即静息大脑中存在离散和稳定状态,以及网络枢纽在为神经元跨时间通信提供支架方面的作用。

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