Réseaux morphologiques corticaux de sujet unique : associations phénotypiques et substrats neurobiologiques
Contexte de l’étude et énoncé du problème
Cet article est une étude sur les réseaux cérébraux morphologiques d’un sujet unique en ce qui concerne leurs associations phénotypiques et leurs bases neurobiologiques. Cette étude intègre des données multimodales et à multi-échelles pour révéler les différences de réseaux cérébraux morphologiques entre les sexes, leur potentiel en tant que marqueurs spécifiques individuels, ainsi que leurs relations avec l’expression génétique, les structures cellulaires spécifiques aux couches et les structures chimiques. Ces découvertes approfondissent notre compréhension du rôle et de l’origine des réseaux cérébraux morphologiques d’un sujet unique et fournissent une base solide pour leur application future dans les études de connectomes personnalisées.
Les réseaux cérébraux morphologiques se réfèrent aux relations morphologiques entre les régions cérébrales estimées à partir de l’imagerie par résonance magnétique structurelle (sMRI). Les premières recherches estimaient ces relations en calculant la covariance régionale d’un indice morphologique (comme le volume de matière grise, l’épaisseur corticale ou la surface) au sein d’un groupe, mais cette méthode groupée ignorait les différences interindividuelles, rendant la signification neurobiologique des réseaux cérébraux morphologiques floue. Ces dernières années, des progrès méthodologiques ont été réalisés pour construire des réseaux cérébraux morphologiques au niveau individuel, rendant possible l’étude de leur rôle et de leur origine pour comprendre la neurobiologie des réseaux morphologiques. Cependant, il existe encore de nombreuses questions sur les associations phénotypiques et les bases neurobiologiques des réseaux cérébraux morphologiques d’un sujet unique. Ces questions incluent : les différences des réseaux morphologiques entre les sexes, leur potentiel en tant qu’empreintes digitales pour prédire les comportements et cognitions des individus, ainsi que leur héritabilité.
Source de l’étude
Cet article a été réalisé par Zhen Li, Junle Li, Ningkai Wang, Yating Lü, Qihong Zou, et Jinhui Wang de l’Institut de recherche et de réhabilitation cérébrale de l’Université Normale de Chine du Sud (South China Normal University) et a été publié dans la revue « NeuroImage ». La publication en ligne de l’article date du 30 octobre 2023.
Processus de recherche
L’étude a utilisé plusieurs grands ensembles de données publiques, y compris le Human Connectome Project (HCP) s1200 dataset, le dataset Test-Retest de la Beijing Normal University, le dataset longitudinal sur la corrélation cérébrale du traitement du vocabulaire multisensoriel chez les enfants (LBCMLPC Dataset), ainsi que l’Atlas cérébral humain d’Allen (Allen Human Brain Atlas Dataset).
Aperçu du processus :
- Prétraitement des données et extraction de cartes morphologiques : Extraction de l’épaisseur corticale, de la dimension fractale, de l’indice de gyrification et de la profondeur des sillons de chaque image pondérée selon le T1.
- Parcellation cérébrale : Division de la surface corticale en 148 régions d’intérêt (ROI) à l’aide de l’Atlas Destrieux.
- Estimation de la similarité morphologique : Évaluation de la similarité interrégionale de chaque indice morphologique, construction de quatre types de réseaux cérébraux morphologiques d’un sujet unique (CTN, FDN, GIN et SDN).
- Construction de réseaux morphologiques multiples : Fusion des réseaux d’indices morphologiques différents pour former un réseau multiplex.
- Détection communautaire et délimitation des modules : Réalisation de détections communautaires au niveau du groupe pour identifier les modules dans les réseaux cérébraux.
- Corrélation comportementale et cognitive : Évaluation du degré dans lequel les connexions morphologiques peuvent expliquer et prédire les variations comportementales et cognitives à l’aide de modèles de composants de variance multivariés et du modèle BBS.
- Identification individuelle : Examen du potentiel des réseaux morphologiques pour identifier les individus en tant qu’empreintes digitales à l’aide de méthodes de correspondance de réseaux.
- Évaluation de l’héritabilité : Quantification du degré de contrôle génétique des réseaux morphologiques à l’aide du modèle génétique ACE.
- Analyse de la corrélation génétique et structurelle cellulaire : Association des réseaux morphologiques avec l’expression génétique, la structure cellulaire et les réseaux de neurotransmetteurs pour identifier les gènes, caractéristiques cellulaires et récepteurs de neurotransmetteurs contribuant significativement à ces associations.
Résultats principaux
- Différences entre les sexes : Des différences évidentes apparaissent entre les réseaux morphologiques cérébraux des hommes et des femmes, en particulier dans les CTN et SDN.
- Corrélation et prédiction comportementales et cognitives : Les réseaux cérébraux morphologiques d’un sujet unique montrent des effets significatifs pour expliquer et prédire les performances individuelles dans les domaines cognitifs et moteurs. Les CTN et SDN démontrent une forte corrélation et un pouvoir de prédiction dans ces deux domaines. De plus, les connexions morphologiques entre les modules et au sein des modules présentent une efficacité similaire dans la corrélation comportementale et cognitive et dans la prédiction.
- Identification individuelle : Les connexions morphologiques montrent une haute précision pour identifier les individus, y compris les jumeaux.
- Comparaison des réseaux multiplexes et unimodaux : Les réseaux morphologiques multiplexes présentent de meilleures performances dans la corrélation et la prédiction comportementales et cognitives par rapport aux réseaux composés d’un seul indice morphologique.
- Héritabilité : Les connexions morphologiques ont une héritabilité moyenne dans l’ensemble, avec des niveaux d’héritabilité différents selon les réseaux d’indices morphologiques particuliers. Les connexions entre les modules sont plus héritables que les connexions au sein des modules.
- Corrélation génétique et structurelle cellulaire : Les réseaux cérébraux morphologiques présentent des corrélations positives significatives avec l’expression génétique et les structures cellulaires. Les CTN montrent des corrélations significatives avec la transcription génique et les caractéristiques cellulaires, les gènes étant principalement enrichis sur la couche supérieure et la couche granulaire de la surface corticale.
- Corrélation structurelle chimique : Les réseaux morphologiques cérébraux montrent des corrélations significatives avec les structures chimiques (comme les récepteurs de neurotransmetteurs), les différents types de réseaux morphologiques étant régis par des récepteurs de neurotransmetteurs différents.
Signification et valeur de l’étude
Cette recherche révèle les associations phénotypiques et les bases neurobiologiques des réseaux cérébraux morphologiques d’un sujet unique, souligne l’importance des différences de sexe dans l’étude des réseaux morphologiques cérébraux et démontre leur potentiel pour prédire les performances comportementales et cognitives individuelles, l’efficacité de l’identification individuelle, ainsi que leurs bases héréditaires et neurobiologiques. Ces résultats approfondissent notre compréhension des connectomes structurels du cerveau humain et fournissent une nouvelle perspective pour l’application des réseaux cérébraux dans la recherche cognitive personnalisée et la neuroscience clinique.
Ouverture des données et outils
Les données et outils utilisés dans cette étude sont publics et accessibles, permettant des recherches et des validations supplémentaires susceptibles de consolider et d’étendre ces découvertes importantes. Ces découvertes sont non seulement significatives pour la recherche fondamentale en neurosciences, mais aussi pour les applications cliniques et la médecine personnalisée.