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王征组发现人类大脑内在功能灵活性的联接图谱
发布日期:2016-09-30    浏览次数:364

9月28日,中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心、中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所王征研究组在《神经科学杂志》发表了题为《Dissociable Changes of Frontal and Parietal Cortices in Inherent Functional Flexibility across the Human Lifespan》的研究论文。该研究提出一种新的计算方法,展示了人类大脑内在功能灵活性图谱,并发现大脑额——顶皮层功能灵活性随年龄变化的规律。

人类具有一种无与伦比的能力,就是可适应性地执行各式各样有目的的认知任务。此前功能影像证据表明,人类大脑执行特定功能时,在额——顶叶相关脑区的动态功能重构是人类认知灵活性的神经基础。然而,在没有执行任何外界特定认知任务时,大脑是否仍然进行动态功能调配呢?为研究这一问题,研究人员收集了112例健康人群磁共振影像数据,构建了从青少年到中老年的(13~76岁)动态功能连接图谱,提出了一种概率模型来定量地描述每个脑区的功能灵活性。在概率模型中,假设每个脑区都是以一定的概率与其它脑区不断地进行相互作用(图A),再应用香农——熵定量描述这种概率分布,熵的大小即反映该脑区与其它脑区之间动态功能连接的异质性(功能灵活性)。结果发现大脑高级联合皮层(如侧前额叶,侧顶叶和侧颞叶)具有较高的功能灵活性,然而单模态的初级感觉区(如视觉和听觉区)具有较低的功能灵活性(图B)。通过多元回归分析,进一步发现侧前额叶功能灵活性随年龄呈∩形变化,而侧顶叶功能灵活性随年龄呈∪变化(图C)。综上所述,本研究提出了一种新颖的方法来定量描述自发性脑活动的时空动力学特征,为大脑内在功能执行机理提供了一个新的见解。这些发现有助于深入理解人类认知发育和老化的神经机理,提示了如果选择性强化额-顶叶功能,有可能为提升青少年认知能力和缓解老年认知灵活性衰退提供新思路。

此项工作在王征研究员和上海市精神卫生中心程文红主任医师共同指导下,主要由尹大志博士完成。本项目得到中国科学院百人计划,中国科学院战略性先导(B类)科技专项(XDB02050006),国家自然科学基金(81471651、81571300),上海市教育委员会(HJTY2012-A06)以及中国科学院上海生命科学研究院优秀青年领域前沿项目(2014KIP206)的资助。

图注:(A)概率模型框架图,利用滑动时间窗方法建立时间序列的功能连接矩阵,对时间窗内每个脑区的功能连接模式进行阈值化处理后,再计算每个功能连接在所有时间窗中出现的概率,最后应用香农——熵定量描述概率分布,(B)人类大脑内在功能灵活性图谱,颜色编码不同脑区功能灵活性的大小,红色表示功能灵活性高的脑区,蓝色表示功能灵活性低的脑区,(C)大脑额——顶皮层内在功能灵活性随年龄的变化。