大尺度人腦有向功能網路基本構建單元的聯結模式

國際神經影像權威雜誌《Human Brain Mapping》2017年5月刊登了題為「識別人腦功能網路中的拓撲模體聯結模式」（Identifying Topological Motif Patterns of Human Brain Functional Networks）的研究論文，為解析人腦功能聯結圖的組織規律提供了新的思路和方法。

人腦是自然界中最複雜的系統之一。近年來，隨著功能磁共振成像技術的快速發展，研究者們可以無損地提取大腦各個腦功能區之間的聯結信息，在宏觀水平繪製人腦功能網路聯結圖。定量描述人腦功能網路的拓撲特徵，揭示其組織規律和運作機制是人腦連接組學的核心科學問題。

模體（motif）是網路聯結的最基本構建單元，模體的不同類型描述了構成網路的最小拓撲聯結特徵。比如，在有向網路中，二節點模體有2類，即單向模體與雙向模體；三節點的模體有13類，表現為各種鏈狀和環狀的聯結形式（圖1）；而四節點模體則可多達199類。近似於各種音符通過各種特定的組合形成美妙動人的樂章，各類模體也通過一定的組織原則相互組合，決定了大腦的聯結模式，支持我們的各種認知行為。

圖1. 二節點模體與三節點模體類型示意圖

在該項工作中，研究者採用了10名被試在清醒放鬆的靜息狀態和在「屏息」任務狀態下的腦部快速採樣功能磁共振影像數據。首先，研究者通過「屏息」任務的圖像評估了每名被試腦內局部血氧動力學延遲時間，以此校正了被試靜息態圖像以提高腦區間有向聯結估計的準確性。

然後，基於校正的靜息態圖像，研究者構建了每名被試腦區水平的全腦有向功能聯結網路，並識別了有向網路中的功能模塊以及聯結數量稠密的核心區域（圖2）。

圖2. 有向人腦功能網路中的功能模塊（A）與核心區域（B）

通過解析嵌入在腦網路中的12萬個基本構建單元模體的聯結模式，研究者發現，人腦有向功能網路中二節點雙向模體的出現次數顯著高於隨機情況，提示大多數腦區間的通訊是以雙向的方式進行。在三節點模體的分析中，研究者發現5類攜帶雙向聯結的鏈式和環式模體在人腦中顯著出現，大腦核心區域較多地出現在鏈式模體的頂點位置，並且鏈式模體主要出現在功能模塊之間的信息傳輸，而環式模體主要出現在模塊內部的信息傳輸。

研究結果印證了大腦核心區域在信息傳輸中的重要地位，並揭示了大腦功能的「分化與整合」的網路拓撲組織規律。有意思的是，研究者通過分析猴腦結構網路的模體聯結模式，發現了其與人腦功能網路類似的模體分布特徵，這在一定程度上反映了腦網路組織規律在進化中的保守性（圖3）。

圖3. 三節點模體在人腦有向功能網路中的分布

該研究以快速採樣的功能磁共振成像為技術手段，採用新穎人腦連接組計算方法解析了人腦有向功能網路中的模體聯結模式，揭示了大腦功能「分化與整合」的網路拓撲構建組織規則，可能為類腦智能系統的設計提供啟發。同時，研究所建立的計算分析方法為揭示人腦高級認知功能和重大腦疾病臨床評估研究提供新的方法與思路。

該研究論文第一作者為碩士研究生魏永斌（已畢業，現為荷蘭烏德勒支大學醫學中心博士研究生），通訊作者為夏明睿副研究員，來自北京師範大學認知神經科學與學習國家重點實驗室、神經影像大數據與人腦連接組學北京市重點實驗室和麥戈文腦科學研究院。

原文文獻：

Wei Y, Liao X, Yan C, He Y, Xia M. (2017) Identifying topological motif patterns of human brain functional networks. Hum Brain Mapp 38(5):2734–50.

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！