科研进展
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  • 贺永课题组在《Cerebral Cortex》发表论文揭示新生儿脑功能连接组的个体独特性
     
          2021年3月23日,国际神经科学杂志《Cerebral Cortex》在线发表北师大认知神经科学与学习国家重点实验室贺永课题组研究论文“Individual Uniqueness in the Neonatal Functional Connectome”,揭示了新生儿脑功能连接模式的个体独特性,为理解早期发育阶段认知行为个体差异的脑机制提供了重要线索 (Wang et al., 2021)。


          成年人脑的结构和功能网络呈现明显的个体差异,构成个体认知、情感和行为差异的神经基础。最近的研究表明,成人脑网络连接模式具有个体独特性,能作为“脑指纹”在人群中进行准确的个体识别。新生儿作为脑发育的初级阶段,其脑的功能网络架构远未成熟,该阶段脑的功能连接网络是否具备个体独特性有待阐明。

          贺永课题组及其合作者在婴幼儿脑发育连接组及其个体差异方面取得了多项成果(Huang et al., 2015; Cao et al., 2017a, 2017b; Xu et al., 2019; Zhao et al., 2019)。在该研究中,他们以足月新生儿作为研究对象,采用欧盟发育人脑连接组计划公布的40名健康足月新生儿(36.0-41.6 孕周)的静息态功能磁共振数据,解析在自然睡眠状态新生儿脑功能连接模式的个体独特性。该研究采用数据分半分析方法以及基于解剖约束的新生儿脑区分区图谱,对每名新生儿分别构建了两个不同时段的全脑功能网络。基于功能连接模式进行个体识别的研究范式,系统探索了新生儿脑功能连接的个体独特性及其空间异质性。发现新生儿脑功能连接可用于准确地个体识别,识别率高达100%,表明新生儿脑功能连接模式已具备个体独特性(图1);不同脑区或功能系统以及长短连接对个体识别作出不同贡献:对个体识别具有重要贡献的脑区主要位于与高级认知功能相关的高级皮层,比如前额叶系统和颞顶系统(图2),表明在生命早期这些脑区的连接模式已呈现高度的个体特异性;不同功能系统之间的连接以及短中距离(0-60mm)的连接也对个体识别起到较大贡献(图3),这些功能连接的个体独特性与其连接强度的个体差异显著相关。在严格控制头动以及移除弱连接情况下,以上结果依然成立。研究进一步指出扫描时长为3.5分钟的功能影像数据已经能够捕捉脑功能连接组个体特异的组织架构(图4)。这些结果阐释了新生儿脑功能连接组的个体独特性,对于理解发育早期个体认知和行为发展的脑网络机制提供了科学依据。

          该论文第一作者为贺永课题组博士生王秋实,通讯作者为贺永教授和系统科学学院的廖旭红副教授。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、教育部长江学者特聘教授基金、中央高校科研经费等项目的资助。
     
     
    图1 基于全脑功能连接模式的新生儿个体识别
     
     
    图2连边对个体识别的贡献的空间异质分布
     
     
    图3不同空间距离的连边对个体识别的贡献

     
    图4扫描时长对个体识别准确率的影响
     
    贺永教授课题组主页:
    http://helab.bnu.edu.cn/
     
    参考文献:
    Cao M, Huang H, He Y (2017) Developmental connectomics from infancy through early childhood. Trends Neurosci 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 (2017) Early Development of Functional Network Segregation Revealed by Connectomic Analysis of the Preterm Human Brain. Cereb Cortex. 27:1949-1963.
     
    Huang H, Shu N, Mishra V, Jeon T, Chalak L, Wang J, Rollins N, Gong G, Dong Q, He Y (2015) Development of human brain structural networks through infancy and childhood. Cereb Cortex 25: 1389-1404.
     
    Xu Y, Cao M, Liao X, Xia M, Wang X, Jeon T, Ouyang M, Chalak L, Rollins N, Huang H, He Y (2019) Development and Emergence of Individual Variability in the Functional Connectivity Architecture of the Preterm Human Brain. Cereb Cortex. 29:4208-4222.
     
    Zhao T, Xu Y, He Y (2019) Graph theoretical modeling of baby brain networks. NeuroImage. 185:711-727.
     
    Wang Q, Xu Y, Zhao T, Xu Z, He Y, Liao X (2021) Individual Uniqueness in the Neonatal Functional Connectome. Cereb Cortex. https://doi.org/10.1093/cercor/bhab041.