基于静息态fMRI的人脑功能网络的小世界特性

静息态脑功能网络中核心节点的定位及其方法比较

生物医学工程研究ＪｏｕｒｎａｌｏｆＢｉｏｍｅｄｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ ２０１３，３２（３）：１４５～１４９国家自然科学基金资助项目（６１０７５１０７）；江苏省临床医学科技专项基金项目（ＢＬ２０１２０４１）。 △通信作者　Ｅｍａｉｌ：ｗｊｆｙｕｎｚｈｕ＠１６３．ｃｏｍ静息态脑功能网络中核心节点的定位 及其方法比较 武江芬１△，钱志余１，陶玲１，丁尚文１ （南京航空航天大学自动化学院，江苏南京　２１００１６） 摘要：本研究致力于对核心节点的定位方法进行比较，并将核心节点映射到相应的解剖区域。分别采用节点度法和介数中心度法求出网络中的核心节点，并通过参数易损性对两种方法进行比较，即分别去掉每一个核心节点，比较网络的全局效率受影响的程度，再进一步将采用介数中心度法将求出的核心节点定位到相应的解剖区域。结果表明采用介数中心度求出的核心节点易损性更大、实验结果的一致性更好，是更为有效的核心节点定义方法，正常人核心节点对应的解剖区域主要集中在顶叶和额叶。结果为进一步探索核心节点在脑网络中的作用奠定了基础，并为进一步研究功能网络的信息传输在解剖结构上的映射提供了帮助。 关键词：静息态脑功能网络；核心节点；节点度；介数中心度；易损性；脑区定位 中图分类号：Ｒ３１８；Ｑ－３１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２６２７８（２０１３）０３０１４５０５ ＴｈｅＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄＭｅｔｈｏｄｓｏｆＨｕｂｓ ｉｎｔｈｅＲｅｓｔｉｎｇＳｔａｔｅＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＢｒａｉｎＮｅｔｗｏｒｋ ＷＵＪｉａｎｇｆｅｎ１，ＱＩＡＮＺｈｉｙｕ１，ＴＡＯＬｉｎｇ１，ＤＩＮＧＳｈａｎｇｗｅｎ １（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓｏｒｉｅｎｔａｔｉｎｇｏｆｈｕｂｓａｎｄｍａｐｐｉｎｇｉｔｔｏｔｈｅａｎａｔｏｍｉｃａｌｂｒａｉｎｒｅｇｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｉｓｓｕｅ，ｗｅａｐｐｌｉｅｄｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｔｏｆｉｎｄｔｈｅｈｕｂｓｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｎｏｄｅｄｅｇｒｅｅａｎｄｂｅｔｗｅｅｎｎｅｓｓｃｅｎｔｒａｌｉｔｙ（ＢＣ）．Ｔｈｅｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙｗａｓｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓ，ｗｈｉｃｈｎｅｅｄｓｔｏｄｅｌｅｔｅｎｏｄｓｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｃｏｍｐａｒｅｔｈｅｇｌｏｂａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｔａｃｔｎｅｔｗｏｒｋａｎｄｌｅｓｉｏｎｅｄｎｅｔｗｏｒｋ．ＩｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＢＣｍｅｔｈｏｄｗａｓａｍｏｒｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｍｅｔｈｏｄｓｉｎｃｅｔｈｅｈｕｂ′ｓｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙｏｆＢＣｍｅｔｈｏｄｗａｓｌａｒｇｅｒｔｈａｎｎｏｄｅｄｅｇｒｅｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙｗａｓｂｅｔｔｅｒ．ＷｅｆｕｒｔｈｅｒａｐｐｌｉｅｄＢＣｍｅｔｈｏｄｔｏｔｈｅａｎａｔｏｍｉｃａｌｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｕｂｓ，ｗｈｉｃｈｆｏｕｎｄｔｈａｔｈｕｂｓｇａｔｈｅｒｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔａｌａｎｄｐａｒｉｅｔａｌｌｏｂｅｏｎｔｈｅｐｒｅｖｉｏｕｓｒｅｓｕｌｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｌａｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｕｂｓｉｎｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋ．Ｉｔｉｓｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｔｈｅｆｕｒｔｈｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅａｎａｔｏｍｉｃａｌｍａｐｐｉｎｇｉｎｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｅｌｉｖｅｒｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｅｓｔｉｎｇｓｔａｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂｒａｉｎｎｅｔｗｏｒｄ（ＲＳＮ）；Ｈｕｂｓ；Ｎｏｄｅｄｅｇｒｅｅ；Ｂｅｔｗｅｅｎｎｅｓｓｃｅｎｔｒａｌｉｔｙ；Ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ；Ｂｒａｉｎｒｅｇｉｏｎｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ １　引　言 人脑是由多个神经元、神经元集群以及多个脑 区相互连接而成的复杂结构网络，各部分之间的神 经元相互配合完成脑的各种功能［１－２］。相对于解剖结构上存在的神经网络而言，大脑功能网络是个抽 象的网络，众多研究结果表明大脑功能网络具有小世界属性和模块化结构等拓扑属性［３－４］。网络的基本结构是节点和连线。网络中存在的少量核心节点对网络的全局信息传递效率起着非常重要的作用，其损失将会严重影响整个网络的完整 性和连通性［５－６］。准确寻找核心节点，并将核心节

2型糖尿病患者认知障碍静息态脑功能连接分析

2型糖尿病患者认知障碍静息态脑功能连接分析 [摘要] 目的利用?o息态脑功能磁共振成像的fALFF值及功能连接方法分析T2DM患者脑功能改变，探讨病情严重程度和认知障碍对于T2DM患者脑功能连接改变的影响。方法本研究基于静息态fMRI的方法，对31 例T2DM患者及27例健康对照者基于比率低频振幅技术进行脑功能连接分析研究。得到病例组和对照组的所有被试者的fALFF值并进行组间比较，获取fALFF值有差异的脑区；以这些脑区为种子点进一步进行基于全脑体素水平的功能连接分析，最后将患者的MMSE评分与异常功能连接的脑区进行相关分析。结果结果显示多个脑区功能连接异常，T2DM患者与健康对照者相比共有7个脑区的fALFF值出现异常增加或减低；基于这些脑区进行全脑体素水平的功能连接分析，有多个脑区出现功能连接的异常增强或减弱；患者的MMSE评分与异常功能连接的脑区存在一定的相关性。结论T2DM患者存在多个脑区fALFF值异常及多个功能连接异常的脑区，其中部分脑区可能是其产生认知功能及视觉功能障碍的神经病理机制，同时部分脑区存在认知及运动功能异常及代偿的神经调控机制；患者临床认知障碍与多个不同脑区的功能连接强度均有不同程度的相关。

[关键词] 2型糖尿病；认知障碍；比率低频振幅；功能连接 [中图分类号] R587.1；R445.2 [文献标识码] A [文章编号] 1673-9701（2018）09-0008-05 Analysis of resting brain functional connectivity in type 2 diabetic patients with cognitive impairment LIU Yongbo1，2 LU Li1 1.Basic Medical College of Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China； 2.Shanxi Lu'an Group General Hospital，Changzhi 046204，China [Abstract] Objective To analyze the changes of brain function in patients with T2DM by using fALFF value of resting state functional magnetic resonance imaging and functional connection method，and to explore the effect of severity of disease and cognitive impairment on the changes of brain function in patients with T2DM. Methods The brain functional connectivity analysis of 31 patients with T2DM and 27 healthy controls based on the fractional amplitude of low-frequency fluctuation was studied，based on the resting state fMRI method. The fALFF values of all subjects in the case group and the control group were obtained and compared between the groups to obtain the brain regions with different fALFF values.

重点：静息态功能连接与解剖结构连接在人脑中联合研究

国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2010Sep ;33(5)作者单位：510515广州，南方医院影像中心通讯作者：邱士军,E-mail:qiu-sj@https://www.360docs.net/doc/b85281213.html, *审校者 DOI:10.3784/j.issn.1674-1897.2010.05.Z0501 【摘要】 大脑半球多个脑区血流低频振荡信号变化存在同步性，它反映了这些脑区的神经活动存在相关性，这 些脑区间神经活动相互关系被定义为功能连接。扩散张量成像是目前唯一可以无创伤地获取人脑白质纤维束信息的技术。联合应用功能连接与扩散张量白质纤维束成像技术，可以探讨研究人脑静息态功能连接与解剖结构连接之间的关系。就静息态功能连接与扩散张量成像的基本原理、特点以及两者联合应用进行综述。 【关键词】 静息态；功能连接；结构连接；扩散张量成像 静息态功能连接与解剖结构连接在人脑中联合研究 Combination of resting-state functional MRI and anatomical links in assessing human brain connectivity 刘珍银邱士军神经放射学 * 综述 脑的结构组织所体现的功能特征主要表现在功能分区与功能整合。大脑半球多个脑区血流低频振荡信号变化存在时域相关性，它反映了这些脑区的神经活动存在相关性，脑区间神经活动相互关系被定义为功能连接。已有证据证明大脑神经元在解剖学上和功能上都是分组的（形成神经元簇），解剖上也已经发现了功能柱的结构存在。通常认为脑部功能连接反映脑部解剖结构连接，但是关于两者的确切关系仍未完全明了。 1静息态功能连接的概念 Biswal 等[1]首次以左侧大脑半球运动皮质作为感兴趣区（ROI ），检测其血氧水平依赖（blood oxygen level dependent,BOLD ）信号低频成分（f <0.08Hz ）的时间序列，并与全脑其他脑区的低频BOLD 信号时 间序列作相关分析。结果表明，即使在没有任务状态下，左右两侧大脑运动皮质BOLD 信号低频成分存在显著的时间相关性。功能连接被定义为“空间上分离的部位在神经生理活动过程中的相互关系”。静息态功能磁共振成像（resting -state functional magnetic resonance imaging,resting -state fMRI ）是近年来脑功能研究热点之一，与任务态脑 功能成像不同，其不需外部刺激或任务设置，反映人脑处于静息状态下的神经活动。对于任务相关的脑功能成像研究，常采用组块（BLOK ）实验设计方法，其数据处理常采用模型驱动（mold-based ）的方法，即根据任务态与静息态脑区BOLD 信号的差异值确定激活脑区，这间接反映了任务相关的局部脑区神经元活动；然而，人脑处于静息状态时，多个脑 区仍存在自发神经元活动，并且呈现时间相关性。在没有任何外部刺激的静息态下进行脑功能实验研究，需采用新的分析方法，如选取某感兴趣区作为种子体素，以种子体素的BOLD 信号时间序列与全脑其他体素作相关分析，但此方法亦存在局限性，ROI 的选择可能因手工操作者不同而存在差异，同时此方法亦可出现假阴性结果[2]。为避免这些问题，常联合应用独立成分分析（independent compon- ent analysis,ICA ）方法进行BOLD 信号数据处理，ICA 方法将四维BOLD 信号分解成三维空间信息与一维时间序列信息。这些BOLD 信号中既包含了 反映脑部神经元活动信息，又包含了机体运动或生理活动产生的噪声[3]，虽然联合应用ICA 方法可以一定程度分离出诸如心脏博动、呼吸运动等噪声，但仍有不少残留噪声[4]。收集这些生理噪声信息，并在BOLD-fMRI 信息数据处理过程中减去相应的生理噪声信息数据，可成为解决此问题的方法之一。应用上述方法可以显示脑部功能连接图，但仅反映大脑皮质的神经元活动情况，不能显示脑白质信息。 2扩散张量成像的基本原理 纤维束成像是近年来在扩散加权成像 （diffusion weighted imaging,DWI ）基础上迅速发展起来的MRI 新技术，它使得在活体研究人脑白质纤维结构成为可能。Pierpaoli 等[5]首先应用扩散张量成像 (diffusion tensor imaging,DTI)技术在活体人脑勾画出脑白质主要纤维束结构走向。DTI 基本原理：在均质 的水中，水分子的扩散运动表现为三维随机运动，其在不同的方向扩散程度相同，称为各向同性（isotropic ）；但在人脑组织中，水分子的运动则因为 :411-415;431

静息态功能核磁共振发展及其应用

静息态功能核磁共振技术发展及其应用 一、什么是静息态功能核磁共振技术 （一）、功能磁共振技术及其原理 人脑是自然界进化最为复杂的产物，揭示脑的奥秘是当代自然科学面临的最重大的挑战之一。近年来随着脑成像技术及神经科学的发展，人们对脑的研究已不仅局限于解剖定位，更多的是对脑功能活动基本过程的深入研究。功能磁共振成像是90年代以后发展起来的一项新技术，它结合了功能、影像和解剖三方面的因素，是一种在活体人脑中定位各功能区的有效方法，它具有诸多优势，如无创伤性、无放射性、具有较高的时间和空间分辨率、可多次重复操作等，因此，功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI )作为脑功能成像的首选方法已被较广泛应用。功能磁共振成像主要是基于血流的敏感性和血氧水平依赖性(blood oxygenation level dependent，BOLD )对比度增强原理进行成像。所谓血氧水平依赖性是指大脑皮层的微血管中的血氧浓度发生变化时，会引起局部磁场发生变化，从而引起核磁共振信号强度的变化。采用基于 BOLD的功能磁共振成像技术进行脑活动研究在近十年中得到了迅速的发展，BOLD f MRI以空间和时间分辨率均较高的优势,逐渐成为对活体脑功能生理、病理活动研究的重要手段之一。其无创性和可重复性使之在临床得以迅速而广泛的应用和认同功能磁共振检查方法对人体无福射损伤，并且其时间及空间分辨率较高，一次成像可同时获得解剖影像及功能影像。功能磁共振成像原理是通过磁共振信号检测顿脑内血氧饱和度及血流量，从而间接反映神经元的活动情况，达到功能成像的目的。BOLD 技术是功能磁共振成像的基础；神经元活动增强时，脑功能区皮层的血流量和氧交换増加，但与代谢耗氧量增加不成比例，超过细胞代谢所需的氧供应量，其结果可导致功能活动区血管活动氧合血红蛋白増高，脱氧血红蛋白相对减少。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有４个不成对电子，磁矩较大，有明显的Ｔ２缩短效应。因此，脱氧血红蛋白减少，导致Ｔ２＊和Ｔ２弛豫时间延长，信号増高，使脑功能成像时功能活动去抑制的皮层表现为高信号。功能磁共振成像应用于人脑功能的研究，最常用的方法是利用各种刺激诱导局部脑组织血氧水平依赖信号发生变化，间接反映神经元的活动,这种方法被称为“事件相关功能性磁共振( event-related f MRI)”。

静息态FMRI分频段系统性研究

Different Neural Manifestations of Two Slow Frequency Bands in Resting Functional Magnetic Resonance Imaging: A Systemic Survey at Regional,Interregional, and Network Levels Shao-Wei Xue,1,2Da Li,1,2Xu-Chu Weng,1,2Georg Northoff,1,3 and Dian-Wen Li 1,2 Abstract Temporal and spectral perspectives are two fundamental facets in deciphering ?uctuating signals.In resting state, the dynamics of blood oxygen level-dependent (BOLD)signals recorded by functional magnetic resonance im-aging (fMRI)have been proven to be strikingly informative (0.01–0.1Hz).The distinction between slow-4(0.027–0.073Hz)and slow-5(0.01–0.027Hz)has been described,but the pertinent data have never been system-atically investigated.This study used fMRI to measure spontaneous brain activity and to explore the different spectral characteristics of slow-4and slow-5at regional,interregional,and network levels,respectively assessed by regional homogeneity (ReHo)and mean amplitude of low-frequency ?uctuation (mALFF),functional con-nectivity (FC)patterns,and graph theory.Results of paired t -tests supported/replicated recent research dividing low-frequency BOLD ?uctuation into slow-4and slow-5for ReHo and mALFF.Interregional analyses showed that for brain regions reaching statistical signi?cance,FC strengths at slow-4were always weaker than those at https://www.360docs.net/doc/b85281213.html,munity detection algorithm was applied to FC data and unveiled two modules sensitive to frequency effects:one comprised sensorimotor structure,and the other encompassed limbic/paralimbic system.Graph the-oretical analysis veri?ed that slow-4and slow-5differed in local segregation measures.Although the manifes-tation of frequency differences seemed complicated,the associated brain regions can be grossly categorized into limbic/paralimbic,midline,and sensorimotor systems.Our results suggest that future resting fMRI research addressing the three above systems either from neuropsychiatric or psychological perspectives may consider using spectrum-speci?c analytical strategies. Key words:community detection;functional connectivity;functional magnetic resonance imaging;graph theory; mean amplitude of lower frequency ?uctuation;regional homogeneity Introduction T he human brain is a large and complex network or-ganized by spatial,temporal,and spectral principles.In active mental operation,frequency effects are task sensitive in a topographical manner.For example,electroencepha-lography (EEG)studies reveal that short-term memory pro-cesses are re?ected by theta oscillation in the anterior limbic system,whereas long-term memory processes are re?ected by upper alpha oscillations in the posterior thalamic system (Klimesch,1996).Synchronization in gamma spec-trum can enable object representation and contribute to the maintenance of information in memory (Bertrand and Tallon-Baudry,2000).In resting state,neural characteristics also confer physiological and neuropsychological signi?cance.Neuronal oscillation provides supporting context for various functions,including input selection,plasticity,perceptual binding,psychological representation,and learning (Buzsaki and Draguhn,2004).Frontal alpha asymmetry has long been regarded as a potential indicator of temperament and affec-tive reactivity (Davidson,1992;Hagemann et al.,1998),and connectivity strengths over several brain regions may have implications in depressive disorder (Fingelkurts et al.,2007;Lee et al.,2011a). 1Center for Cognition and Brain Disorders,Hangzhou Normal University,Hangzhou,China. 2 Zhejiang Key Laboratory for Research in Assessment of Cognitive Impairments,Hangzhou,China.3 Mind,Brain Imaging and Neuroethics,Institute of Mental Health Research,University of Ottawa,Ontario,Canada. BRAIN CONNECTIVITY Volume 4,Number 4,2014aMary Ann Liebert,Inc. DOI:10.1089/brain.2013.0182 242