国际权威杂志也玩大尺度？
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国际神经影像权威杂志《Human Brain Mapping》2017年5月刊登了题为“识别人脑功能网络中的拓扑模体联结模式”（Identifying Topological Motif Patterns of Human Brain Functional Networks）的研究论文，为解析人脑功能联结图的组织规律提供了新的思路和方法。
人脑是自然界中最复杂的系统之一。近年来，随着功能磁共振成像技术的快速发展，研究者可以无损地提取大脑各个脑功能区之间的联结信息，在宏观水平绘制人脑功能网络联结图。定量描述人脑功能网络的拓扑特征，揭示其组织规律和运作机制是人脑连接组学的核心科学问题。
模体（motif）是网络联结的最基本构建单元，模体的不同类型描述了构成网络的最小拓扑联结特征。比如，在有向网络中，二节点模体有2类，即单向模体与双向模体；三节点的模体有13类，表现为各种链状和环状的联结形式（图1）；而四节点模体则可多达199类。近似于各种音符通过各种特定的组合形成美妙动人的乐章，各类模体也通过一定的组织原则相互组合，决定了大脑的联结模式，支持我们的各种认知行为。
图1. 二节点模体与三节点模体类型示意图
在该项工作中，研究者采用了10名被试在清醒放松的静息状态和在“屏息”任务状态下的脑部快速采样功能磁共振影像数据。首先，研究者通过“屏息”任务的图像评估了每名被试脑内局部血氧动力学延迟时间，以此校正了被试静息态图像以提高脑区间有向联结估计的准确性。
然后，基于校正的静息态图像，研究者构建了每名被试脑区水平的全脑有向功能联结网络，并识别了有向网络中的功能模块以及联结数量稠密的核心区域（图2）。
图2. 有向人脑功能网络中的功能模块（A）与核心区域（B）
通过解析嵌入在脑网络中的12万个基本构建单元模体的联结模式，研究者发现，人脑有向功能网络中二节点双向模体的出现次数显著高于随机情况，提示大多数脑区间的通讯是以双向的方式进行。在三节点模体的分析中，研究者发现5类携带双向联结的链式和环式模体在人脑中显著出现，大脑核心区域较多地出现在链式模体的顶点位置，并且链式模体主要出现在功能模块之间的信息传输，而环式模体主要出现在模块内部的信息传输。
研究结果印证了大脑核心区域在信息传输中的重要地位，并揭示了大脑功能的“分化与整合”的网络拓扑组织规律。有意思的是，研究者通过分析猴脑结构网络的模体联结模式，发现了其与人脑功能网络类似的模体分布特征，这在一定程度上反映了脑网络组织规律在进化中的保守性（图3）。
图3. 三节点模体在人脑有向功能网络中的分布
该研究论文第一作者为硕士研究生魏永斌（已毕业，现为荷兰乌德勒支大学医学中心博士研究生），通讯作者为夏明睿副研究员，来自北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室、神经影像大数据与人脑连接组学北京市重点实验室和麦戈文脑科学研究院。
原文文献：
Wei Y, Liao X, Yan C, He Y, Xia M. (2017) Identifying topological motif patterns of human brain functional networks. Hum Brain Mapp 38(5):2734–50.
图文编辑：贺永教授课题组
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