科研进展
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  • 贺永课题组与合作者在NeuroImage发表中国儿童标准脑结构发育图谱
     
          2019年1月6日,国际著名神经影像学杂志NeuroImage在线发表了贺永课题组及合作者的研究论文“Unbiased age-specific structural brain atlases for Chinese pediatric population”。该文章采用328例6至12岁中国儿童的高质量磁共振脑影像数据,绘制出精细年龄分段下的“中国儿童标准脑结构发育图谱”,为研究我国儿童群体的正常脑发育和异常脑发育(如自闭症、儿童多动症等)提供了重要基础性工具(Zhao, et al., 2019)。

          人类的脑结构形态千差万别。利用不同个体的脑成像数据进行儿童群体的脑结构和功能发育研究,必须建立一个标准脑模板图谱作为参照,将不同儿童个体的脑影像配准到标准空间。然而,当前国际主流的儿童标准脑结构图谱(如美国国立卫生研究院儿童脑图谱,NIH-PD)大多是基于高加索人群的脑影像数据生成。由于遗传与环境等因素的影响,中国儿童具有与西方儿童不同的脑结构及脑发育轨迹,基于西方人群的脑结构模板并不能准确表征中国儿童脑。因此,绘制我国儿童特有的“脑发育图谱”、建立儿童脑发育图谱的“中国标准”,十分必要。

          近年来,贺永团队与合作者在基于多模态神经影像的儿童脑发育领域已取得了多项成果(Cao, et al., 2017a; Cao, et al., 2017b; Cao, et al., 2014; Xu, et al., 2018; Zhao, et al., 2018a; Zhao, et al., 2018b; Zhao, et al., 2015)。在本研究中,他们基于328名认知正常中国儿童(6至12岁)的高质量磁共振脑影像数据,采用严格规范的图像处理与质量控制流程,通过无偏迭代的模板图谱生成算法,构建了中国儿童标准脑结构图谱集(CHN-PD)。这些图谱包括左右非对称和对称类型的标准头/脑T1像结构模板、T2像结构模板以及对应的脑组织分割图谱。类别涵盖6-12岁全年龄段标准脑图谱,性别特异标准脑图谱(图1),以及以一岁为间隔的精细年龄分段标准脑发育图谱(图2)。随后,该研究对绘制的CHN-PD模板进行了系列方法学及应用评价。发现中国CHN-PD儿童标准脑图谱相比于西方NIH-PD儿童标准脑图谱,在双侧额叶和顶叶区域具有明显的结构差异(图3),为建立中国儿童标准脑图谱的必要性提供了实证。利用两组独立的中国儿童磁共振脑影像数据集,他们还发现相比于西方NIH-PD儿童脑图谱,采用中国CHN-PD儿童脑图谱不仅可以显著提高我国儿童个体“脑龄”的预测准确度,而且可以显著提升个体脑灰质、白质以及脑脊液的组织分割精度(图4)。这些结果表明,CHN-PD脑图谱集对我国儿童群体的正常及异常脑发育研究具有重要意义。

          该研究绘制的中国CHN-PD儿童标准脑图谱集已在神经影像学权威工具网站NITRC上发布(https://www.nitrc.org/projects/chn-pd),供研究者免费下载。这些模板将为我国儿童脑发育研究提供重要的基础性工具,对于揭示我国学龄儿童脑结构和功能发育规律,开展儿童发育障碍(如自闭症、儿童多动症)的神经影像学研究具有重要价值。该论文第一作者为赵腾达博士,通讯作者为贺永教授。论文合作者包括来自北京师范大学的董奇教授、陶沙教授、秦绍正教授、王延培,北京大学的高家红教授和门卫伟博士,北京回龙观医院的谭淑平教授,加拿大麦吉尔大学的Alan Evans教授和Vladimir Fonov博士,以及贺永团队的廖旭红博士、王秋实。该研究得到了国家自然科学基金创新群体和国际合作重点项目,教育部长江学者特聘教授基金,北京市脑计划等项目的资助。

     
     
    1中国儿童标准脑图谱集(612岁年龄范围,T1加权像模板,T2加权像模板和脑组织分割图谱)。
     
     
    2中国儿童标准脑发育图谱集(612岁精细年龄分段,T1加权结构像和脑组织分割图谱)。
     
    3中外儿童标准脑模板在双侧额顶皮层上具有明显结构差异。

     
      
    4在中国儿童影像数据的“脑龄”预测准确度与脑组织分割精度上,采用中国CHN-PD儿童标准脑结构图谱要优于西方NIH-PD儿童脑图谱。
     
    论文链接:
    https://authors.elsevier.com/a/1YNng3lc~r72NS
     
    贺永教授课题组主页:
    https://helab.bnu.edu.cn/

     
    参考文献:
    Zhao, T., Liao, X., Fonov, V., Wang, Q., Men, Wei., Wang, Y., Qin, S., Tan, S., Gao, J., Evans, A., Tao, S., Dong, Q., He, Y. (2019) Unbiased age-specific structural brain atlases for Chinese pediatric population. NeuroImage, in press.
    Zhao, T., Xu, Y., He, Y. (2018a) Graph theoretical modeling of baby brain networks. NeuroImage, 185:711-727.
    Zhao, T., Mishra, V., Jeon, T., Ouyang, M., Peng, Q., Chalak, L., Wisnowski, J.L., Heyne, R., Rollins, N., Shu, N., Huang, H*. (2018b) Structural network maturation of the preterm human brain. NeuroImage, 185:699-710
    Zhao, T., Cao, M., Niu, H., Zuo, X.-N., Evans, A., He, Y., Dong, Q., Shu, N*. (2015) Age-related changes in the topological organization of the white matter structural connectome across the human lifespan. Hum. Brain Mapp., 36:3777-92.
    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., He, Y., Dai, Z., Liao, X., Jeon, T., Ouyang, M., Chalak, L., Bi, Y., Rollins, N., Dong, Q., Huang, H.  (2017a) Early Development of Functional Network Segregation Revealed by Connectomic Analysis of the Preterm Human Brain. Cerebral Cortex, 27:1949-1963.
    Cao, M., Huang, H., He, Y. (2017b) Developmental Connectomics from Infancy through Early Childhood. Trends in Neurosciences, 40:494-506.
    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.