人脑功能连接组计算方法学重测信度及发展轨线仍在修改中.PDFVIP

人脑功能连接组：计算方法学、重测信度及发展轨线 （仍在修改中。。。） 左西年（研究员） 人脑功能连接组及其发展实验室 中国科学院心理研究所 摘要：本文综述与静息态功能磁共振技术相关的计算方法学，同时主要强调重测信 度和人脑功能发展轨线研究。在整个生命历程中，人脑功能发展极其复杂。因此，一直以来， 神经科学家致力于揭示人脑功能发展在不同生命历程阶段的特征及其深层机制。人脑功能发 展轨线能够极大地改善对人脑功能发展的理解，改进长期以来必须依赖于动物脑功能发展模 型的状况，为重大神经精神疾病脑发展的病理机制研究提供正常参考，进而有助于及时、准 确地对其进行诊断、预警、干预和后期评价。但限于实验技术和计算方法，脑功能发展模式 颇具挑战性而尚未被系统地展开研究；静息态功能磁共振技术的出现正在改变这种人脑功能 连接组的研究现状。 一、简介 美国“脑十年”计划(1990-1999)最显著的成果之一是关于脑发展的研究。上世纪90 年 代，Giedd 等人启动了一项里程碑式的儿童及青少年脑结构发展研究并取得系列成果[1-3]。 但是，当时的样本只采集少量的表型数据，影像学数据也受限于当时成像技术。为克服这些 问题，最近一项研究则采集更具代表性的样本，使用更新的成像方法[4-6]。值得指出的是， 上述人脑发展研究都没有考察脑功能。究其原因，是限于当时成像技术和计算方法，使得研 究人脑功能发展极其复杂，特别是整个生命周期的发展轨线。直到目前，人脑功能发展轨线 的相关研究仍然相当缺乏。 最初由Biswal 等人提出[7]，经过15 年的发展，静息态功能磁共振成像已经被广泛 地应用于研究脑功能。不必执行特定的认知任务，这项技术可以测量人脑血氧水平依赖低频 波动信号，其反映了人脑自发神经活动，进而可以用来研究人脑内在功能架构[8]。2010 年， Biswal 等人通过联合全世界35 个实验室（中国包括：北京师范大学、中国科学院心理研究 所、东南大学和台湾阳明大学）共享 1414 人的静息态功能磁共振数据，首次在大样本数据 上展示了静息态功能磁共振方法在研究人脑功能内在架构及其与年龄、性别表型关系的可行 性[9]。在此基础上，结合人脑连接组[10] （即全脑解剖连接整体）概念，提出了人脑功能连 接组（即全脑功能连接整体）并建议将其作为探索人脑功能的研究对象。目前，已有大量的 静息态功能磁共振计算方法被提出，从功能分化和功能整合两个角度，考察局部脑功能，功 能子系统、完整功能连接组三个层次上的人脑功能。国内方面，功能磁共振技术最初由中国 科学院心理研究所的翁旭初教授引入；中国科学院自动化研究所蒋田仔的研究组最早开始关 注静息态功能磁共振并开展了一系列的方法学研究[21,45,72]，培养了一系列的静息态功能 磁共振研究骨干，促使国内静息态计算方法学研究在国际上很具影响力。 由于不受任务设计的限制（即 Task-free ），静息态功能磁共振非常适合用来研究脑 功能发展轨线和临床神经精神疾病，而这要求必须开发具备非常高重测信度的方法学指标。 重测信度是一种衡量测量指标在不同测量时间上测量时表现出的统计稳定性，其综合考虑个 体自身和不同个体间的变化。高重测信度反映了较低个体自身测量差异（不同时间）和较高 个体之间测量差异（不同被试）。重测信度已经广泛地用于各个应用领域的质量监控[11]， 包括神经影像领域[12]。自2009 年起，静息态功能磁共振方法的重测信度研究也开始受到 重视。与此同时，各种相关静息态功能磁共振方法也被尝试用来研究不同生命阶段的脑功能。 静息状态（闭眼、清醒、无特定认知任务）下测量的人脑基础代谢达到人体总能耗 的五分之一，凸显出静息态脑功能研究的重要性[13]。长期以来，正电子发射断层成像(PET) 是研究人脑功能的主要技术[14]，但是其最明显的限制是侵入性（注射示踪剂）并且费用昂 贵。相较而言，基于血液氧合水平的脑功能磁共振成像技术(fMRI)具备非侵入、高时空分辨 率，为研究人脑功能提供了一种重要手段[15]。特别是，自Biswal 于 1995 年关注静息态功 能磁共振以来[7]，这项技术经过最初15 年的快速发展，已经被广泛用来研究正常脑功能及 各种神经精神疾病引起的脑