大脑皮层形态网络在回与沟之间的差异
大脑皮层形态网络在回和沟之间的差异
引言
人类大脑作为一个互联复杂的网络，可以通过多模式磁共振成像（MRI）技术的虚拟影像进行映射。使用图论的方法分析这一网络，许多研究发现了大脑网络的一些非平凡的拓扑特性，如小世界组织、模块结构和高度连接的枢纽。这些发现提供了有关大脑连接组织原则的重要见解。然而，这些拓扑特性并没有均匀分布在大脑皮层上。例如，小世界组织在左右大脑半球之间存在显著差异。此外，一个更重要的因素，即高度卷曲的皮层折叠模式，也被发现对大脑网络拓扑产生影响。
皮层折叠模式由凸起的回和凹陷的沟组成，这是人类大脑结构最显著的特征之一。结构和功能MRI研究的证据表明，由回构成的大脑网络相比于由沟构成的大脑网络具有更强的连接性和更高的网络效率。尽管已经取得了这些进展，但关于回和沟对从结构MRI数据衍生出的脑结构网络的影响的研究仍然较少。
在本研究中，我们旨在全面分析回和沟对单个被试形态脑网络的影响。特别是，我们采用了之前开发的方法，构建了四种单个被试形态脑网络，并使用多种独立的数据集进行分析，从多个方面检查回和沟形态脑网络的差异，包括区域间形态相似性、小世界组织、测试-重测可靠性、对行为和认知的解释能力及对重度抑郁症（MDD）的敏感性。
研究来源
本研究由南中国师范大学脑研究与康复研究所的Qingchun Lin, Suhui Jin, Guole Yin, Junle Li及其他各高校和研究机构的合作者共同完成。本文发表于《Neuroscience Bulletin》杂志，并于2024年3月28日被接受。
研究方法
参与者及数据收集
研究包括了四个独立的数据集：
- Human Connectome Project (HCP) 数据集：包含1113名参与者，进行了T1加权结构MRI扫描。其中444名参与者被纳入，平均年龄在22-35岁之间。
- Beijing Normal University (BNU) TRT 数据集：包含57名健康参与者，进行了两次MRI扫描，平均间隔天数为40.94天。
- Southwestern University (SWU) TRT 数据集：包含121名健康参与者，完成了三次MRI扫描，扫描间隔在120至653天之间。
- MDD 数据集：包含100名首次发作、未经药物治疗的重度抑郁症患者和99名健康对照组。
影像预处理
使用CAT12工具箱对个体结构图像进行表面基础的顶点分析，从中提取皮层厚度（CT）、分形维数（FD）、回旋指数（GI）和沟深度（SD）四种形态特征。按照工具箱手册，二维CT图像被平滑处理，同时其他图像根据其本质被用高斯核平滑处理。
单个样本形态脑网络的构建
使用Destrieux图谱将皮层表面分成每个半球74个感兴趣区域（ROIs）, 最终排除了含糊区域，保留了每半球60个区域。然后通过计算每个ROI的形态特征分布，用Jensen-Shannon散度（JSD）法估算区域间的形态相似性，得到CTN、FDN、GIN和SDN这四种形态脑网络。
网络分析
在网络分析中，对HCP数据集采用比例阈值法将低相似性边排除。并计算小世界参数（包括聚类系数Cp和特征路径长度Lp），并通过生成的随机网络进行归一化。此外，利用组内相关系数（ICC）评价短期和长期测试-重测可靠性。对于行为和认知关联分析，使用多变量方差成分模型来评估形态脑网络对认知和行为差异的解释能力，并进一步进行边缘相关分析。
研究结果
回和沟之间的形态相似性差异
CTN和GIN显示，在回-回网络中的形态相似性显著高于沟-沟网络，而在FDN中则显示沟-沟网络的相似性更高。各区域内部在回和沟间的形态相似性存在显著差异，尤其是对CTN和GIN而言，表现为回之间的形态相似性更高。
小世界参数的差异
回和沟网络均显示出小世界组织，但回网络相对于沟网络在CTN和GIN中显示了显著更低的聚类系数以及更高的特征路径长度。这些结果表明回网络在功能整合方面更加突出。
测试-重测可靠性的差异
无论时间间隔如何，回和沟网络都表现出了高测试-重测可靠性。然而，长时间间隔下，沟网络在CTN、GIN和SDN中显示出显著更高的可靠性，而在FDN中则呈现相反的结果。
解释行为和认知差异的能力
形态脑网络显著解释了个体间在认知和运动领域的差异。特别是回与沟网络和连接对这些关联作出重要贡献，表明回区域在支持认知和运动功能中的重要性。
对重度抑郁症（MDD）的敏感性
只有沟-沟网络在CTN、FDN和GIN中表现出MDD患者形态相似性的显著下降，这表明沟网络更容易受MDD影响。
结论
本研究系统地探讨了回和沟对单个被试形态脑网络的影响。结果显示，在多个方面如形态相似性、小世界组织、测试-重测可靠性、行为和认知关联以及对MDD的敏感性上，回和沟网络之间存在显著差异。这些发现深化了我们对皮层折叠模式对大脑网络组织影响的理解。