脑影像数据质量影响功能连接与行为的相关

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近年来，基于静息态功能影像的人脑连接组学快速发展，被广泛地应用到探索大脑与各种认知行为关联的研究中。研究证据表明，脑影像数据的成像质量（特别是头动噪声)会影响脑区间功能连接强度的计算，然而，脑影像数据质量对功能连接与行为关联的影响尚不清楚。

最近，华盛顿大学的Siegel等人系统地研究了静息态功能影像数据处理，特别是对头动噪声的控制，对功能连接与行为评分关联的影响。结果表明，头动噪声会改变多种行为学指标与功能连接强度间的相关关系。这一研究成果发表在国际著名神经科学杂志《Cerebral Cortex》上。

研究方法

1.被试

457名年龄22~25岁的健康被试，来自人脑连接组计划（Human Connectome Project，HCP）Q3公开数据集。

2.影像数据的预处理与功能网络构建

（1）对经过HCP最小化预处理(Glasser et al., 2013, NeuroImage 80:105–124)和FIX-ICA去噪后的HCP Q3影像数据进行两种类型的去噪处理，分别是：

A型处理：使用Gordon et al. (2016) Cereb Cortex 26:288–303提出的皮层划分方法将每名被试的影像数据划分为324个脑区，并对每个脑区的时间序列去除均值和线性趋势；

B型处理：对经过A型处理之后的影像数据进一步使用回归协变量、带通滤波和删除坏点的方式尽可能地去除成像噪声（图1）；

（2）对每名被试经过A/B两种类型处理的影像数据，分别计算324个脑区时间序列之间的Pearson相关，构建功能连接矩阵。

 图1：影像数据的预处理及网络构建流程图

3.行为指标

122个人口和行为指标，主要包括：人口统计学指标（性别，收入，受教育水平等）、心理学测量指标（智商，语言能力等）、DSM诊断指标（抑郁程度，焦虑程度等）、生理学测量指标（血压，体重指数等）。

4.行为指标与头动的相关

（1）分别计算122个行为指标与头动参数FD和DVARS的Pearson相关；

（2）使用置换检验确定行为指标与头动参数相关性的显著性水平。

5.功能连接强度与头动的相关

功能连接强度与头动的被试内相关：

（1）计算每名被试两天功能连接强度的差值；

（2）计算每名被试两天头动参数FD的差值；

（3）计算功能连接强度差值与FD差值的Pearson相关（FC:FD）。

功能连接强度与头动的被试间相关：

针对每条连边，在组水平上计算被试功能连接强度与头动参数FD的Pearson相关。

6.头动对功能连接与行为的相关的影响

（1）分别计算122个行为指标与功能连接强度的Pearson相关（FC:behavior）；

（2）在连边水平上计算FC:FD与FC:behavior的Pearson相关；

（3）使用置换检验确定相关值的显著性水平。

7.结果的可重复性验证

在457名被试中随机抽取100人，重复185次以上分析，验证结果的可重复性。

研究结果

1.行为指标与头动的相关结果

122个行为指标中，23个与头动参数FD存在显著相关（表1）；所有行为指标与头动参数DVARS无显著相关。

表1：行为指标与头动参数FD的相关结果

2.功能连接强度与头动的相关结果

头动对被试内功能连接强度变化和被试间功能连接强度变异的影响模式显著相似（r=0.64，p<0.0001），均会造成默认网络内功能连接强度的降低以及默认网络与部分其他功能网络间的功能连接强度的增强（图2）。

图2：被试内功能连接强度变化和被试间功能连接强度变异与头动的相关结果

3.头动对功能连接与行为的相关的影响

对影像数据进行A型处理，FC:FD与FC:IQ之间存在显著的负相关（图3（a）），而对影像数据进行B型处理，即进一步去除头动等各种成像噪声，FC:FD与FC:IQ之间相关的显著性消失（图3（c））；

在另外19个行为指标上，也发现了类似的结果（图3（b）(d)）。

图3：头动对功能连接与行为的相关的影响

4.可重复性验证结果

在457名被试中随机抽取100人，重复185次以上分析。结果表明与进行A型处理的影像数据相比，经过B型处理的影像数据得到的功能连接强度与行为指标显著相关的连边数明显下降（图4）。

图4：可重复性验证结果

 研究结论和意义

该研究使用HCP Q3数据分析了头动对功能连接与行为关联分析结果的影响，发现在对头动噪声控制不充分的情况下，功能连接与行为存在明显的假阳性相关结果。这些研究结果提示研究者在功能连接与行为关联分析研究中，应当严格控制头动噪声；且在解释影像研究结果时，需要充分考虑头动噪声引起的假阳性结果。

值得注意的是，该研究中B型处理方式与A型处理方式相比，不仅去除了头动噪声，还去除了全脑信号、白质信号和脑室信号，并进行了带通滤波。这表明针对A/B两种数据处理方式导致的功能连接与行为测量指标相关关系的差异，并不仅仅是由于头动噪声引起的，其他的生理噪声，如呼吸、心跳也有可能对相关分析有较大影响。

参考文献

Siegel, J. S., Mitra, A., Laumann, T. O., Seitzman, B. A., Raichle, M., Corbetta, M., & Snyder, A. Z. (2017) Data Quality Influences Observed Links Between Functional Connectivity and Behavior. Cereb Cortex. 27(9):4492-502.

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