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Cerebral Cortex:基因和环境对大脑功能连接的影响

详细绘制基因和环境对功能连接体的影响是发展基因与临床诊断或认知能力之间的中间表型的关键一步。我们分析了来自两个成年双胞胎样本的静息状态功能磁共振成像数据,以量化遗传和环境对264个大脑区域(35000个功能连接)之间所有成对功能连接的影响。整个连接体的非共享环境影响较高。大约有14-22%的连接在每个样本中具有显著的遗传影响,4.6%的连接在两个样本中显著,12%的遗传力估计大于30%。共享环境影响的证据是微弱的。一种新的全连接体双变量遗传建模程序揭示,连接上的遗传影响不同于连接体整体总结测量、基于网络的连接估计和静息状态扫描期间的运动的遗传影响。大脑的遗传结构是多样的,并不像人们想象的那样,仅仅依靠非遗传信息数据或低分辨率数据的结构。作为后续研究,我们对功能连接进行了新的分类,并研究了具有特别强遗传影响的高度局部性连接。这种脑连通性的高分辨率遗传分类学将有助于理解基因对脑疾病的影响。

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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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脑网络的小世界属性

自小世界网络的概念被首次使用高聚类系数和短路径长度的结合被定量定义以来,已经过去了将近20年;大约10年前,作为连接组学新领域快速发展的一部分,这种复杂网络拓扑度量开始广泛应用于神经影像和其他神经科学数据的分析。本文简要回顾了图论方法和小世界网络生成的基本概念,并详细考虑了最近使用高分辨率轨迹追踪方法绘制猕猴和小鼠解剖网络的研究的意义。在本文章中需要区分二进制或未加权图的拓扑分析和加权图的拓扑之间的重要方法区别,前者在过去为脑网络分析提供了一种流行但简单的方法,后者保留了更多的生物学相关信息,更适合于先进的图分析和其他成像研究中出现的越来越复杂的脑连接数据。最后,本文强调了加权小世界进一步发展的一些可能的未来趋势,将此作为哺乳动物皮层各区域之间强弱联系的拓扑和功能价值研究的一部分进行了更深更广泛的讨论。本文发表在The Neuroscientist杂志。

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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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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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AJP:大脑功能连接的内在模式在调节重度抑郁患者抗抑郁治疗反应中的作用

重度抑郁症是一种精神科慢性疾病,最常见的治疗方法是使用单胺类抗抑郁药。临床发现药物治疗的预后因人而异,一些病人的症状在服用抗抑郁药后得到了极大改善而其他人则反应平平甚至没有作用。然而,目前我们对于调控抗抑郁药疗效的神经影像学机制知之甚少。因此来自四个临床中心(德克萨斯大学西南医学中心、麻省总医院、哥伦比亚大学和密歇根大学)的研究者们通过一项多中心纵向随机双盲安慰剂对照试验(EMBARC),采用基于感兴趣区域的方法,按照意向性分析原则利用线性混合效应模型来确定大脑各区域之间的静息态连接模式是否能预测抗抑郁药物(舍曲林)与安慰剂的疗效差异。该研究由德克萨斯大学西南医学中心精神科的Cherise R. Chin Fatt等人发表在The American Journal of Psychiatry期刊上,具体内容如下:

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Cerebral Cortex:老年人生活方式与脑功能连接的关系及其与认知能力下降的联系

本研究探讨了参与不同生活方式活动与大范围脑功能网络连接的关系,以及网络连接是否独立于脑淀粉样蛋白水平而改善认知能力下降。参与者(N = 153,平均年龄= 69岁,包括N = 126淀粉样蛋白成像)在完成静息状态功能磁共振成像、生活方式活动问卷和认知测试后,认知正常。他们每年接受长达5年的认知测试(平均= 3.3年)。线性回归表明,认知活动参与与背侧注意网络内的连接,以及身体活动水平与默认模式、边缘和额顶叶控制网络内的连接以及全局网络内连接之间存在正相关关系。此外,较高的认知和身体活动水平与较高的网络模块化(功能网络专业化的衡量指标)独立相关。这些相关性在很大程度上独立于APOE4基因型、淀粉样蛋白负担、全脑萎缩、血管风险和认知储备水平。此外,背侧注意、默认模式和边缘网络的高连通性,以及更大的全局连通性和模块化与认知能力下降相关,与APOE4基因型和淀粉样蛋白负担无关。这些发现表明,大脑功能连接的变化可能是生活方式活动减少认知能力下降的机制之一。

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