科研进展
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  • 青少年阶段的大脑白质网络偏侧化发育研究
     
            近期,北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室龚高浪课题组及其合作者以人脑半球白质网络偏侧化的发育发展为主题,通过系列研究揭示了健康人脑半球白质网络偏侧化的青春期发育模式及其在自闭症谱系患者中的异常发育轨迹。相关研究成果分别于2017年4月和12月在《Cerebral Cortex》和《European Neuropsychopharmacology》杂志上发表。

            众所周知,人类大脑在结构和功能上均具有显著偏侧化,揭示人类大脑偏侧化规律将有助于理解人类大脑的认知加工模式。特别是,许多研究发现,各类神经精神疾病患者的大脑偏侧化会呈现显著性的异常模式,因此解析脑疾病状态的大脑偏侧化规律将有助于理解疾病病理机制。

            为了揭示人脑半球白质网络偏侧化的青春期正常发育模式(论文[1]),龚高浪课题组利用106名健康青少年(11-16岁)和98名健康成年(21-26岁)的弥散磁共振影像数据,构建了每个被试的两个半脑白质网络,并采用复杂脑网络计算模型,解析了左右半脑白质连接的拓扑结构效率的差异。结果表明,青少年和成年人群的半球脑白质网络的拓扑效率和大部分节点效率均呈现显著的右偏现象(右侧>左侧),说明右半球具有相对高的整体信息传导能力(图1);进一步分析发现,从青春期到成年期的发育过程中,大脑网络拓扑效率的右偏程度显著降低,且相关脑区主要集中在旁外侧裂、颞-顶叶交界区域的后部以及梭状回等语言和社会认知相关区域(图2)。这种半脑网络拓扑属性偏侧化的发育变化,反映了左右半球发育的不同步性,而这种成年人阶段右偏程度的降低,主要来源于左半球的拓扑结构发育变化。这些发现的半脑白质拓扑结构偏侧化变化可能与青春期高级语言能力及社会认知能力的发展相关。

            在此基础上,龚高浪课题组与上海理工大学合作者采用类似的实验范式,通过分析ABIDE II公共数据库中的58名右利手男性自闭症谱系患者(5-26岁)和70名年龄性别相匹配的正常发育被试(5-25岁)(论文[2]),探索了自闭症谱系患者的半脑白质结构网络的偏侧化发育轨迹。结果表明,随着年龄增长,正常发育被试组的半球白质网络效率右偏程度降低,这与论文[1]的研究结果一致;而自闭症谱系患者组的网络效率偏侧化则不随年龄而变化,这种偏侧化异常主要来源于右半脑拓扑结构发育的异常晚熟(图3)。

            上述研究发现对于理解人脑结构网络的儿童青少年正常及异常发育、理解神经发育性脑疾病的病理机制等提供了重要线索。这些研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、北京市科委、北京师范大学等机构的科研资助。


     
    图1. 健康人脑半球脑白质网络的偏侧化

    图2. 青春期健康人脑半球脑白质网络偏侧化程度的发展轨迹


    图3. 健康人脑及ASD患者左右半球脑白质网络的发育轨迹

    1.       Zhong, S., He, Y., Shu, H., Gong, G.* (2017). Developmental Changes in Topological Asymmetry Between Hemispheric Brain White Matter Networks from Adolescence to Young Adulthood. Cerebral Cortex, 27: 2560-70. https://doi.org/10.1093/cercor/bhw109
     
    2.       Wei, L.#, Zhong S#., Nie, S.*, Gong, G.* (2017). Aberrant development of the asymmetry between hemispheric brain white matter networks in autism spectrum disorder. European Neuropsychopharmacology. In press. https://doi.org/10.1016/j.euroneuro.2017.11.018