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科研動態

腦網絡組研究中心團隊通過腦影像分析實現定量計算個體發展、老化差異

  • 發表日期:2021-04-12 【 【打印】【關閉】
  •   生命發展過程一直都是遺傳基因與各類環境相互融合發展的結果。在人發育、發展、衰退過程中,人腦始終伴隨著腦結構修剪及功能持續重組。且不說不同家庭背景不同教育背景的人之間的比較,即使同樣高學歷的人群,其老化過程的個體差異也極其明顯,包括運動、情緒、記憶等各種能力(圖1)。例如,同樣是70歲的群體,有的人還能清晰推導數學公式,有的人可能邏輯、記憶等已經衰退了一大半。這種個體之間腦認知差異的定量測量技術,對個體發育、老化過程的監測,以及臨床個體化精準治療、神經調控等個體化干預都有極其重要的指導作用。

      

        

    1. 認知行為的個體差異隨年齡增長而變大 

      針對上述人腦老化過程的個體不同的社會現象,能否基于腦影像數據定量刻畫這種個體差異?該類型個體差異背后的神經機理是什么?中科院自動化所腦網絡組研究中心左年明博士及研究小組對上述問題展開了系統性研究,利用磁共振影像技術,探索了人腦在成年之后的發展和衰老過程的個體差異模式及其變化規律,并發現了與認知功能之間的關系。 

      衰老過程的個體差異在不同腦區表現相同嗎? 

      該項研究基于近600人的大數據集(包含多模態磁共振影像及行為測量),結合醫學圖像處理及模式識別方法,發現基于腦影像的功能連接特征可以刻畫隨年齡增長而變大的個體差異發展趨勢,同時也發現個體內部不同腦區之間的差異隨年齡增長而變小。在全腦尺度上比較不同腦區個體差異隨年齡變化,團隊進一步發現,初級皮層和高級皮層具有兩種不同的變化模式:高級皮層個體差異一直處在較高的水平,而初級皮層則從成年初始的較低水平一直往個體差異擴大的趨勢改變(圖2)。這正印證了人作為一般動物大腦對環境適應的首要需求為基于視覺、運動等對環境的基本適應能力(初級皮層功能);其次,人與人之間的個體差異著重表現在高級認知思維功能(高級皮層功能),并且這種差異體現在整個生命周期。 

      

      2. 不同腦區的個體差異隨年齡變化表現出不同模式 

      不同解剖距離的功能連接如何影響個體差異? 

      為了研究上述個體差異的神經功能基礎,作者把全腦的功能區按照短、中、長劃分為三類解剖距離,研究不同長短解剖距離的功能連接在個體差異中的貢獻。研究發現,三種距離的功能連接對個體差異均有顯著貢獻,但是比較而言,長程連接在功能個體差異中貢獻最大(p(z-test) < 0.005)(圖3)。腦神經科學中普遍認為,長程連接可以有效整合大腦不同區域的計算資源,這種長程連接在兒童發育過程是顯著增長的;而在衰老過程,該研究發現上述長程連接的變化也最能反映個體差異的發展趨勢。

      

       3. 不同解剖距離的功能連接對個體差異的貢獻不同 

      影像學的計算能否反映認知能力的個體差異? 

      以上基于腦影像計算的發現是否在認知行為上得到驗證?為了回答此問題,作者進一步采用最常規的運動功能(包括力量感知、運動計劃合成等)評估來論證影像學的發現。結果證實了認知功能(運動能力)隨年齡增大而個體差異增大,同時,該個體差異與影像學表達的個體差異顯著相關(圖4)。這說明上述基于腦影像的發現與認知行為能力有很好的一致性。

    4. 基于影像學的個體差異表征與行為能力(運動感知)顯著相關 

     

      該項研究對個體差異隨著年齡增長而增大的現象提供了基于腦影像的定量計算以及神經科學解釋,將為個體化教育,以及臨床疾病個體化診療和神經調控干預等提供神經科學基礎。基于物理的神經調控技術,如經顱電刺激等,可以定量的調節靶區的神經活動,為研究大腦的神經活動、疾病機理及認知智能的神經基礎等開辟了新途徑,但該技術在臨床尚未得到完全普及,其根本原因在于個體差異造成的療效不一致。上述關于個體差異的計算度量研究將從調控方案制定、療效評估等各方面促進神經調控的臨床精準實施。 

      (該論文在線發表在Cerebral Cortex 2021https://doi.org/10.1093/cercor/bhab059;該項研究受到國家自然科學基金、北京市腦計劃等支持) 

      

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