縱向神經影像大數據研究揭示人腦功能連接組個體差異變化規律

　　人們在日常生活中的心理和行為每時每刻都在變化。盡管長期以來科學家相信這樣一個普通生活現象的腦科學基礎是腦功能的個體差異，但是局限于神經影像領域一直缺乏縱向采樣大數據，這些個體差異未被系統研究。個體差異通常包括兩個部分：橫向個體間差異（即不同人之間變化）和縱向個體內差異（即同一個人不同時間的變化）。在任何與人有關的研究中，上述個體差異均扮演著極為重要的角色，盡管形形色色的實驗設計可以調控實驗變量在兩個個體差異成份間的分布，但是實驗設計和與之相關的數據分析都應該細致而謹慎地處理個體差異。另一方面，臨床研究需要高信度的神經生物學指標來指導疾病的診斷實踐，高信度要求一項指標既在不同場合與時間測量非常穩定（即個體內差異小）又易于區分不同的人（即個體間差異大）。因此，縱向神經影像大數據是揭示人腦功能個體差異變化規律的物質基礎，解讀正常人群的人腦功能個體差異變化規律對于將現代神經影像技術應用于臨床重大神經與精神疾病研究具有重要價值。 

　　廈門大學信息與工程學院、杭州師范大學認知與腦疾病研究中心和中國科學院行為科學重點實驗室左西年研究組的一項合作研究[1]，通過橫縱向混合設計采集了30名健康被試的多模態腦成像數據。在一個月時間內，每名被試每三天進行一次腦成像掃描，獲取關于人腦形態學、結構纖維、靜息態血氧依賴水平、靜息態腦血流等結構功能樣本，共300個縱向多模態腦成像數據，提供了目前世界范圍內樣本量最大的兼顧個體間與個體內采樣腦成像數據，這套數據已經通過“國際神經影像信度與可重復性聯盟（CoRR）”公開共享[2]。基于這個大數據，本合作研究采用人腦功能連接組學方法，在多尺度、多指標上系統地揭示了人腦功能的個體差異及其重測信度分布規律，以及與人類認知成份的關系：1）相比局部性腦指標，全局性腦功能指標的個體內差異更大，或更趨于動態變化；2）工作記憶、抑制和注意功能、語言及其相關腦網絡表現較高的個體內差異；3）邊緣系統、默認網絡、額頂控制網絡和視覺網絡及其相關認知成分則表現出較高的個體間差異；4）各種人腦功能連接組學指標的重測信度分析不僅驗證了我們以前基于元分析的結果[3]，而且基于皮層表面的計算方法改進了重測信度。圖1展示了人腦功能連接組七大功能模塊空間分布和功能連接及其個體差異和重測信度分布。所有的計算和分析均通過自主研發的人腦連接組計算系統實現[4]。 

　　上述研究成果，為人腦功能連接組學各類計算規范和標準的建立提供了支撐數據，不僅填補了人腦功能連接組個體差異研究的空白，而且可為腦疾病研究提供正常參考。所有與之相關的計算程序、預處理數據等都會于近期通過中國科學院心理研究所的神經影像大數據共享平臺向全世界公開共享。 

　　該合作研究部分受國家重點基礎研究發展計劃（973）、國家自然科學基金委面上和重點國際合作項目、國家社科基金重大項目以及中國科學院重點部署項目的資助。該合作研究形成的文章已經發表于國際開放獲取系列期刊《公共科學圖書館》的PLoS One上，文章通訊作者為中國科學院行為科學重點實驗室左西年研究員和杭州師范大學認知與腦疾病研究中心翁旭初教授。 

圖1. 人腦皮層七大功能網絡及其個體差異和重測信度圖譜

相關文獻 

[1] Chen B^？, Xu T^？, Zhou C, Wang L, Yang N, Wang Z, Dong HM, Yang Z, Zang YF, Zuo XN*, Weng XC*. 2015. Individual Variability and Test-Retest Reliability Revealed by Ten Repeated Resting-State Brain Scans over One Month. PLoS One, 10(12): e0144963. 

[2] Consortium for Reliability and Reproducibility (CoRR) at Nature Sci Data. 

[3] Zuo XN*, Xing XX*. 2014. Test-retest reliabilities of resting-state FMRI measurements in human brain functional connectomics: a systems neuroscience perspective. Neurosci Biobehav Rev., 45: 100-118.