人类小脑的功能连接组学

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背景:神经连接组理论在系统神经科学领域的广泛应用,促进了我们对人类大脑皮层拓扑组织的认识。然而,功能性连接体在小脑中的拓扑结构仍不清楚。

方法:收集例健康成人的静息状态功能连接(rs-fcMRI)数据。在样本1(n=)中,对功能性小脑连接组的体素级和节点级拓扑特性进行了估计。此外,还分别研究了基于网络的小脑和大脑-小脑拓扑映射的拓扑性质。考虑到神经群体的时间特性,我们进一步利用隐马尔可夫模型(HMM)来揭示小脑功能连接组的动态模式。为了测试我们发现的稳健性,我们在一个独立的数据集(样本2;n=)运行。结果:我们发现小小脑脚I和小小脑脚II在小脑功能连接体中表现出显著的高度中心性(DC)。此外,小脑功能连接组甚至嵌套网络型小脑连接组的组织方式也表现出明显的小世界、模块化和层次化特征。小脑功能连接组中存在注意/执行网络、默认模式网络和任务正向网络三个内在模块。此外,小世界组织与层级结构的大脑-小脑相关性亦显著。通过构建大脑-小脑拓扑图,发现额顶叶和皮层下网络在小脑中的比例高于大脑皮层(3倍)。在时间特性方面,小脑功能连接组具有高度的灵活性和模块化,但在时间动态模式上表现出高度的个体特异性差异。

结论:本研究确定了功能性小脑连接组的拓扑结构和时间层次,进一步证实了小世界组织和层次结构的大脑-小脑功能耦合的显著性。

1简介

随着神经连接组理论和神经成像技术的巨大发展,人们对大脑功能和结构特征的认识已从定位到基于网络的复杂地形。因此,系统神经科学提出了这一观点,即高阶认知活动中的高性能在很大程度上归因于基于大脑网络的拓扑结构。然而,基于网络的研究的主流长期以来一直集中在大脑皮层,而对小脑实体的见解较少。在过去的几个世纪里,小脑机能一直被这种过时的观点所支配——小脑支配运动或运动活动。然而,最近的证据表明小脑在高阶活动或功能中发挥着突出的作用,如情绪调节、执行控制、语言处理、时间感知和语言学习。此外,已有研究表明,小脑激活异常可能是神经精神疾病的诊断生物标志物,如精神分裂症、重性抑郁障碍(MDD)和注意缺陷多动障碍(ADHD)。尽管小脑发挥了重要作用,但迄今为止,基于网络的小脑地形图对小脑的作用知之甚少。

在此,本研究旨在扩展我们对小脑功能连接体的拓扑模式和时间动态状态的认识。在样本1(n=)中,在图论分析的基础上,我们采用功能连接度中心性(DC)和体素镜像同位连接(VMHC)图,以体素为基础的方案描述小脑的功能连接组。进一步,为了获得基于网络的小脑轮廓,使用Seitzman-27图谱(节点=27)进行分区。为了深入研究小脑连接体是否在拓扑结构上按子网络组织,我们使用Yeo-7和Yeo-17小脑网络功能图谱构建了嵌套的网络连接体(NoN)。然后,分别从小世界性、效率性、富俱乐部组织性、模块化、协调性、同步性和层次性等方面分析了这些功能小脑连接组的拓扑结构。考虑到大脑-小脑连接的闭环回路,这些拓扑指标也被估计为大脑皮层。此外,还计算了功能性脑连接组与小脑连接组之间的跨个体拓扑耦合。同样,为了探究拓扑空间中是否存在脑-小脑耦合,我们计算了大脑和小脑连接组中每个节点的度中心性(degreecentrality,DC),并以此建立拓扑连接组。最后,采用赢者通吃(WTA)策略将大脑皮层拓扑连接体网络映射到小脑。此外,为了进一步确定小脑中隐藏的时间组织类型,还对功能连接组进行了隐马尔可夫模型(HMM)。为了测试重现性,我们分析了一个独立的数据集(样本2,n=),以便于交叉验证我们的发现。

考虑到对p-hacking和test-retestreliability的日益

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