PNAS: 青少年期人脑网络结构-功能耦合性的发展
Development of structure–function coupling in human brain networks during youth. PNAS.2020;117(1):771-778.
【研究背景】
大脑皮层从单个的感觉皮层到跨模块的联合皮层,是按照功能层级结构排布的。而这种功能的层级排布,是受到白质结构通路的制约。正是由于跨模块联合皮层的扩张和重塑,灵长动物/人类才得以对感觉表达进行整合,理解在任务执行中的抽象规则。跨模块联合皮层的长时间发育,为依赖活性的髓鞘形成和突触修剪提供了一个延长的时间窗口。这一时期皮层的可塑性,塑造了跨模块联合皮层区域的功能专门化,这对高级执行功能(如工作记忆,思维的灵活性和抑制性控制)有着重要的意义。
理解大脑组织的层级结构,主要通过功能连接模式来确定皮层的功能特异性。网络理论为神经生物系统的结构-功能关系的构建提供了一个简单,跨物种的框架。许多研究都证明了大脑的结构和功能连接在不同的时空尺度上,从神经元群,到特定的脑区,再到大规模脑网络中,都具有高度的相关性。但是,有关大脑发育过程中白质结构的成熟对认知功能背后神经元的协同活动有什么样的影响,现存的数据(证据)十分稀少。此外,制约功能连接的结构异常发育,可能会导致青少年时期执行功能的异常,以及神经心理疾病的出现。
结构-功能的耦合描述了这种功能连通的结构基础,当皮层区域间的白质连接能够预测区域间功能连接强度的时候,这种耦合就出现了。本文中,研究者描述了皮层的结构-功能耦合的的拓扑形态,以及它是怎样随着发育演变的。在这里,研究者提出了三个假设:
1、结构-功能耦合可以反映一个皮层区域的功能专门化,比如,由于感觉系统的结构层级发育过程高度固定,躯体感觉皮层的结构-功能耦合程度较高,相反的,如跨模块联合皮层的发育在快速的进化扩张过程中,可能已经摆脱了基因和形态学的限制所以结构-功能的耦合会相对较低。
2、发育过程中活动依赖的髓鞘化过程较长,研究者假设结构-功能耦合性的增强可能局限于跨模块联合皮层。
3、在结构-功能耦合反映皮层区域功能特殊化的前提下,研究者假设额顶叶皮层中较高的结构-功能耦合主要与执行功能相关的计算有关。
【方法】
所有被试来自于Philadelphia Neurodevelopmental Cohort (PNC),监护人签署知情同意书,研究通过批准。被试身体健康,研究期间没有服用精神类药物,扫描T1w,DWI,rs-fMRI和n-back fMRI,扫描过程经过严格质量控制。最终入组727名被试,8-23岁(420女性15,9±3.2岁)。从原样本中,147名~1.7年后随访数据(83女性,共294个扫描数据)。详细数据处理过程见补充材料(SI Appendix, SI Methods).
为了估计结构-功能耦合性和先验皮层层级结构之间的关系,研究者从先验模公开图集中获取了进化扩张区域和内在功能连接主梯度。脑区空间一致性的显著性使用保守的空间置换检验获得,通过对原始图像进行旋转来生成零假设集,这样能够保原始数据的空间协方差结构。
使用带惩罚样条的GAM模型来估计每个脑区结构-功能耦合与年龄相关的线性和非线性变化。GAM的非线性估计使用限制的最大似然法,为了避免过拟合而进行了惩罚。为了估计脑区上结构-功能耦合与执行功能之间的关系,执行表现是作为一个因素分来评价的,汇总了心理灵活性,注意,工作记忆,语言推理和空间任务能力(SI Appendix, SI Methods)。
结构-功能耦合性的纵向发展使用两种方法评价:1、研究者使用混合线性模型来对纵向的年龄效应进行了评估,其中还包括对被试和其他协变量随机截取;2、使用线性回归模型和纵向变化分数。被试内的纵向耦合性(ΔCoupling)和参与系数(ΔPC)的改变通过两个时间点间脑区参数的差值计算得到。基线期的年龄,性别和平均相对框架位移,前后扫描时间间隔等作为协变量。
【结果】
为了描述青年时期结构-功能耦合的发展,量化了大脑区域结构连接支持神经活动协调波动的程度。利用727名8-23岁被试的多模态影像数据,使用概率性纤维追踪,并计算了n-back工作记忆任务中的脑区间功能连接的强度。静息态功能连接所描述的是无约束的认知状态下神经元的自发活动,工作记忆任务中所得到的功能连接则放大了执行任务时的个体差异。对每一个被试,使用同一个大脑分区,建立了400*400的结构和功能的连接矩阵。结构-功能耦合性使用每个脑区结构连接和功能连接之间的Spearman 秩相关来衡量(Fig1)。
Fig 1:结构-功能网络耦合性的计算
(A)初级感觉和内侧前额叶皮质表现出较高的结构-功能耦合性,而外侧颞区和额顶区的耦合性相对较低。 (B)结构-功能耦合与模块间连通性多样性的结构参与系数(PC)和功能参与系数(C)显著相关。 (D)结构-功能耦合的变异性反映了大脑区域沿着从单模式到多模式处理的大尺度功能梯度的位置. (E)从猕猴到人类皮层表面区的进化扩展的概括模式。使用非参数空间排列检验来评估区域相关性的显著性,并将相关的P值表示为PSPI. 概括了从猕猴到人类皮层表面积的进化扩展模式。用非参数空间置换检验评价区域相关性的显著性,并表示相关的P值Pspin
(A)-年龄相关的升高在双侧颞顶联合和前额皮层,年龄相关的降低主要在视觉,运动和脑岛区域。 (B)-相对于其他网络,年龄相关的差异在DMN区域不成比例的增加(F = 12.54, P < 10-10). 年龄相关差异的幅值与功能参与系数 (C)-结构-功能耦合的年龄相关差异的大小与功能梯度参与系数(PC)、从单模块到跨模块处理的功能梯度(D)和皮层进化扩张的表面积(F)显著相关。 区域相关显著性使用非参空间置换检验获得,p值使用pspin表示。 C-E中红点表示DMN区域,蓝点表示其他功能系统。B中星号表示P<0.001 . VIS, visual;SOM, somatomotor; DOR, dorsal attention; VEN, ventral attention; LIM, limbic;FPC, frontoparietal control; DMN, default mode network.
(A) 横断面(n =727)和纵向数据中年龄对结构-功能耦合的影响(n =294)之间存在显著的一致性。 使用线性回归来检验结构-功能耦合(B)的纵向变化是否与功能参与系数(C)的纵向变化有关。 (D)耦合的纵向增加与外侧额顶和颞叶区域的参与系数(功能整合)增加和内侧视觉区域和前额叶区域的参与系数(功能分离)减少有关。
(A)执行性能与rlPFC,前脑岛、后扣带,和内侧枕叶皮质区的结构-功能耦合正相关,与躯体运动皮质的结构-功能耦合负相关。 (B)rlPFC(在A中圈出)的结构-功能耦合系数部分中介了与年龄相关的执行功能的改善。 中介结果报告为标准化回归系数,统计显著性评估使用95% bootstrap置信区间。
对结构连接网络使用基于一致性的阈值(Fig. S4) 使用确定性追踪和衡量间接连接的网络连通程度作为结构连接强度指标(Fig. S5) 从工作记忆负载高(1-back,2-back)的任务区块中提取功能连接,而不是从全任务的时间序列中提取(Fig. S6) 在量化结构-功能耦合的时候考虑区域间距离(Fig. S7) 5) 在计算年龄相关的结构-功能耦合的差异时,考虑节点的度(Fig. S8) 在计算年龄相关的结构-功能耦合的差异时,考虑节点的连接强度 (Fig. S9) 此外,研究者还考察了工作记忆任务和静息态中,结构-功能耦合的脑区模式是否表现出相同的组织。当使用组上的平均值时,在n-back和静息态过程中,结构-功能耦合的全局空间分布是一致的(r = 0.95, pspin< 0.001; Fig. S10)。但是研究者任务/静息态的结构-功能的耦合性之间的关系在脑区上具有较大的个体差异(mean r = 0.53; Fig. S10)。进一步研究发现,相对于静息态而言,n-back任务态中结构-功能耦合在脑区上的变化与个体执行表现差异的相关性更为稳定(SI Appendix, SI Results)。
结构磁共振(sMRI)数据处理 弥散磁共振(dMRI)数据处理 静息态功能磁共振(rs-fMRI)数据处理 任务态功能磁共振(task-fMRI)数据处理 小动物磁共振数据处理 脑电、脑磁图(EEG/MEG)数据处理 近红外成像(fNIRS)数据处理 动脉自旋标记(ASL)数据处理 正电子断层成像(PET)数据处理
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