科研进展
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  • 贺永课题组及合作者在《Cerebral Cortex》发表论文揭示了婴儿脑功能网络的个体差异及其发育模式
     
            2018年12月7日,国际神经科学杂志《Cerebral Cortex》在线发表了贺永课题组及其合作者的研究论文(“Development and Emergence of Individual Variability in the Functional Connectivity Architecture of the Preterm Human Brain”),揭示了婴儿脑功能连接网络的个体差异及其发育模式 (Xu, et al., 2018)。

            我们每个个体都是独一无二的。人脑作为个体认知和行为的神经基础,在结构和功能上具有明显的个体差异。无损的功能磁共振成像技术可以被用来探索人脑功能连接网络的个体差异模式(Mueller et al., 2013; Gao et al., 2014)。研究发现,成人群体的脑功能连接具有显著的个体差异,且具有脑区特异性,即:初级皮层个体差异值较低,而联合皮层脑区个体差异较高。然而,人脑功能连接网络的个体差异是何时出现的,以及如何在早期发育阶段发展变化尚不清楚。

            贺永团队及其合作者在基于神经影像学的人脑发育连接组领域开展了多年研究,取得了多项成果(Cao, et al., 2017a; Cao, et al., 2017b; Cao, et al., 2014; Huang, et al., 2015; Zhao, et al, 2018)。为了回答上述问题,贺永课题组与宾夕法尼亚大学的黄浩教授合作,以40名胎龄为31.3-41.7孕周(孕期第三阶段,以磁共振扫描时为准)的足月和早产婴儿为研究对象,解析了他们在自然睡眠状态下的静息态脑功能影像数据。正常出生之前的孕期第三阶段是神经环路形成和快速发育的关键时期。在该阶段,脑室区的神经细胞彼此之间通过突触形成、树突分化和轴突生长,产生神经连接,成为神经环路形成与分化的重要来源。因此,采用足月和早产婴儿作为脑发育模型,对于揭示脑功能连接网络的发育规律具有重要价值。

            在该研究中,通过计算每个婴儿的全脑灰质体素两两之间的时间序列相关性,构建了基于个体的高精度脑功能连接组(3毫米分辨率,7101个节点),分析了全脑功能连接的个体差异模式及其发育规律,并探索了其与解剖距离的关系(图1)。研究发现,在31孕周时人脑在初级感觉运动和视觉区域功能连接个体差异较低,联合皮层功能连接个体差异较高,这与成人大脑个体差异空间分布情况相似(图2)。而且,不同的脑功能系统显示出不同的发育模式(图3):感觉运动网络个体差异值随年龄显著降低,视觉、背侧和腹侧注意网络及皮层下系统的个体差异呈现降低趋势(38周后),而默认模式网络、额顶网络和边缘系统在该阶段基本保持不变。这一模式反映了婴儿为了满足出生后的基本生存需求进行了初级脑功能系统的快速发育,体现出了人脑从初级系统到高级系统的等级发育规律。最后,研究发现该阶段脑功能连接个体差异的变化与较短距离连接的快速发育高度相关,而且在36孕周之后,解剖距离对脑功能连接的约束作用显著加强(图4)。这些结果揭示了人脑在孕期第三阶段的个体差异模式及其发育规律,对于理解脑认知个体差异的来源具有重要参考。

            该论文第一作者为贺永课题组博士生徐悦华和博士后曹淼,通讯作者为贺永教授和黄浩教授(美国宾夕法尼亚大学)。该研究得到了教育部长江学者特聘教授基金,国家自然科学基金海外合作项目,美国NIH项目等资助。
     
    图1 脑功能网络个体差异的计算框架
      
    图2 孕期第三阶段的脑功能网络个体差异及其发育模式
      
    图3 孕期第三阶段不同脑功能系统呈现出不同的发育模式
     
    图4 孕期第三阶段脑功能网络个体差异的发育受到解剖距离约束
     
    论文链接:
    https://academic.oup.com/cercor/advance-article/doi/10.1093/cercor/bhy302/5232539
     
    贺永教授课题组主页:
    http://helab.bnu.edu.cn/
     
    参考文献:
    Xu, Y., Cao, M., Liao, X., Xia, M., Wang X., Jeon, T., Ouyang, M., Chalak, L., Rollins, N., Huang, H., He, Y. (2018) Development and Emergence of Individual Variability in the Functional Connectivity Architecture of the Preterm Human Brain. Cerebral Cortex, in press.
    Cao, M., Huang, H., He, Y. (2017a) Developmental Connectomics from Infancy through Early Childhood. Trends in Neurosciences, 40:494-506.
    Cao, M., He, Y., Dai, Z., Liao, X., Jeon, T., Ouyang, M., Chalak, L., Bi, Y., Rollins, N., Dong, Q., Huang, H. (2017b) Early Development of Functional Network Segregation Revealed by Connectomic Analysis of the Preterm Human Brain. Cerebral Cortex, 27:1949-1963.
    Huang, H., Shu, N., Mishra, V., Jeon, T., Chalak, L., Wang, Z.J., Rollins, N., Gong, G., Cheng, H., Peng, Y., Dong, Q., He, Y. (2015) Development of human brain structural networks through infancy and childhood. Cerebral Cortex, 25:1389-404.
    Cao, M., Wang, J.H., Dai, Z.J., Cao, X.Y., Jiang, L.L., Fan, F.M., Song, X.W., Xia, M.R., Shu, N., Dong, Q., Milham, M.P., Castellanos, F.X., Zuo, X.N., He, Y. (2014) Topological organization of the human brain functional connectome across the lifespan. Developmental Cognitive Neuroscience, 7:76-93.
    Zhao, T., Xu, Y., He, Y. (2018) Graph theoretical modeling of baby brain networks. NeuroImage, in press.