注意的結(jié)構(gòu)腦網(wǎng)絡及相關(guān)腦區(qū)的遺傳傾向.pdf

1、注意是認知神經(jīng)科學領(lǐng)域的重要問題，是指對外界物理環(huán)境或主觀記憶存儲中的某些方面進行準備和處理的認知過程。盡管對于注意功能的組成存在很多爭議，但是近年來的腦影像研究一致認為注意可以分為三個獨立的子系統(tǒng):警覺，定向和執(zhí)行控制。警覺是指對外界形成或保持高敏感度的能力，負責提高警惕應對外界的刺激;定向是指從不同的感官刺激中選取特定信息的能力;執(zhí)行控制是指檢測并解決反應中沖突的能力。注意網(wǎng)絡測試(ANT)可以在一次任務中區(qū)分警覺、定向和執(zhí)行控制的

2、行為表現(xiàn)。功能神經(jīng)影像研究表明注意的三個子系統(tǒng)之間是相互獨立的，具有不同的解剖學基礎。然而，由于對注意理論認識的不一致以及影像模態(tài)的多樣性，注意功能的大腦解剖和功能基礎仍不是很明確。
　　人腦是由眾多腦區(qū)在結(jié)構(gòu)和功能上相互連接形成的龐雜網(wǎng)絡，大腦通過網(wǎng)絡的協(xié)同作用完成各種高級功能。研究表明，大腦網(wǎng)絡具有顯著的“小世界”屬性，兼具隨機網(wǎng)絡和規(guī)則網(wǎng)絡的拓撲優(yōu)勢，即大腦具有較高的集聚系數(shù)和較小的最短路徑長度，這表明大腦腦區(qū)內(nèi)部具有高密度

3、的短連接，并且腦區(qū)之間存在稀疏的長連接，反映了大腦網(wǎng)絡的模塊化特征以及節(jié)點間信息快速高效傳輸?shù)哪芰?。這也證明了大腦在局部信息集成和全局信息整合間的最優(yōu)平衡。因此，大尺度腦網(wǎng)絡分析方法為探索認知功能與解剖結(jié)構(gòu)的整合作用以及大腦動力學潛在的生物機制提供了新視角?；趶浬埩砍上?DTI)的纖維追蹤以及大腦皮質(zhì)的分割，可以構(gòu)建大腦的解剖網(wǎng)絡，基于圖論的網(wǎng)絡分析方法可以揭示網(wǎng)絡的基本拓撲特征，并探究認知功能潛在的網(wǎng)絡屬性關(guān)系。將腦網(wǎng)絡方法應用到

4、神經(jīng)精神疾病研究當中，可以測量網(wǎng)絡拓撲屬性的異常變化，為探究神經(jīng)精神疾病和認知障礙的解剖基礎提供新的視角。
　　大腦結(jié)構(gòu)和功能的發(fā)育受到遺傳因素和環(huán)境因素共同的影響。遺傳度是指遺傳因素對人群中某一性狀影響的程度;遺傳相關(guān)性則是指兩種表型之間基因的重疊程度。研究基因、環(huán)境因素對大腦結(jié)構(gòu)-功能的影響可以確定大腦形態(tài)改變與認知功能的關(guān)聯(lián)，并能進一步探索神經(jīng)精神疾病的成因。雙生子法是目前最常采用的遺傳分析的方法。同卵雙生子具有完全相同的基

5、因型，其性狀差異主要歸因于環(huán)境因素;異卵雙生子具有50％相同的基因型，其性狀差異是基因和環(huán)境因素共同影響的結(jié)果。使用神經(jīng)影像方法測量大腦結(jié)構(gòu)或功能特征作為中間表型，這些量化指標能夠大大提高基因發(fā)掘，提高了統(tǒng)計分析在檢測基因影響中發(fā)揮的效力。并且，這些方法也是相對穩(wěn)定的，使用小樣本量即可完成檢測觀察。研究發(fā)現(xiàn)，大腦平均皮層厚度受遺傳因素的影響高達81％，總皮質(zhì)表面積的遺傳度高達89％。此外，大腦是通過不同腦區(qū)的協(xié)調(diào)作用來實現(xiàn)高級認知功能，

6、不同腦區(qū)受遺傳因素和環(huán)境因素影響的程度也是不同的，探究各個腦區(qū)結(jié)構(gòu)的遺傳模式對于理解人類大腦正常發(fā)育和病理機制就顯得尤為重要。使用皮質(zhì)厚度、表面積作為表型研究對象，能夠縮小影響大腦結(jié)構(gòu)的數(shù)量性狀位點的搜索范圍。并且，皮質(zhì)厚度和表面積兩者之間是遺傳獨立和表型獨立的，這表明皮質(zhì)厚度和表面積這兩種測量方式要優(yōu)于體積，應當分別應用于影像遺傳學研究。因此，雙生子法為測量遺傳度以及執(zhí)行控制功能與大腦皮質(zhì)厚度、表面積的遺傳相關(guān)性和環(huán)境相關(guān)性提供了可能

7、。
　　本研究利用DTI和T1數(shù)據(jù)，基于確定性纖維追蹤算法和大腦皮質(zhì)分割構(gòu)建大腦解剖網(wǎng)絡，研究注意功能與大腦解剖網(wǎng)絡拓撲屬性的關(guān)系;探究注意功能與各腦區(qū)皮質(zhì)厚度的關(guān)系;并利用雙生子法探究執(zhí)行控制功能與皮質(zhì)厚度、表面積的遺傳相關(guān)性和環(huán)境相關(guān)性。
　　本研究分為三個部分，摘要如下:
　　第一部分:大腦解剖網(wǎng)絡與注意功能的相關(guān)性研究
　　目的:注意功能是指對外界物理環(huán)境或主觀記憶存儲中的某些方面進行準備和處理的認知過程

8、，近年來的腦影像研究一致認為注意可以分為三個獨立的子功能:警覺，定向和執(zhí)行控制。以往研究主要使用任務態(tài)磁共振的方法關(guān)注每個腦區(qū)在注意網(wǎng)絡中的獨立作用，而忽視了大腦網(wǎng)絡中各腦區(qū)間的交互作用。本研究旨在采用圖論分析的方法探究注意功能的三種子網(wǎng)絡的神經(jīng)解剖基礎。
　　材料和方法:本研究從山東省青島市募集了65名健康受試者，使用ANT獲取任務得分，并進行磁共振掃描，采集所有被試的DTI圖像和T1圖像。使用FSL軟件進行DTI圖像的預處理，

9、使用PANDA軟件基于確定性纖維追蹤和皮質(zhì)分割構(gòu)建大腦的解剖網(wǎng)絡，并使用Brainnetome fMRI工具包計算腦網(wǎng)絡的拓撲屬性，最后使用SPSS進行統(tǒng)計分析。
　　結(jié)果:研究發(fā)現(xiàn)構(gòu)建的大腦解剖網(wǎng)絡具有明顯的小世界屬性，并且執(zhí)行控制功能與大腦解剖網(wǎng)絡的全局效率呈顯著正相關(guān)。進一步發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行控制與一系列腦區(qū)的節(jié)點效率顯著相關(guān)，包括左側(cè)背外側(cè)額上回、左側(cè)海馬旁回、雙側(cè)丘腦、雙側(cè)蒼白球等。警覺功能與左側(cè)丘腦、右側(cè)頂下回的節(jié)點效率顯著相

10、關(guān)，定向功能與右側(cè)中央旁小葉和右側(cè)枕下回的節(jié)點效率顯著相關(guān)。
　　結(jié)論:我們的結(jié)果從網(wǎng)絡連接的角度，為參與注意功能的腦區(qū)間的基本結(jié)構(gòu)連接提供了有效的信息。基于圖論的大尺度腦網(wǎng)絡分析方法為探索認知功能背后的解剖與功能的整合作用提供了新的思路，為探究注意缺陷相關(guān)的神經(jīng)精神疾病和神經(jīng)障礙的解剖基礎提供新的視角。
　　關(guān)鍵詞:注意;彌散張量成像;大腦解剖網(wǎng)絡;圖論;注意網(wǎng)絡測試
　　第二部分:大腦皮質(zhì)厚度與注意功能的相關(guān)性研究

11、
　　目的:大腦皮層是神經(jīng)元高度折疊的復雜結(jié)構(gòu)，皮層厚度反應了神經(jīng)纖維網(wǎng)的細胞結(jié)構(gòu)特性。但是注意功能的三個子網(wǎng)絡與各腦區(qū)皮質(zhì)厚度的關(guān)系仍不十分明確。本研究旨在通過測量得到大腦皮質(zhì)厚度的數(shù)據(jù)，并分別探究其與警覺、定向和執(zhí)行控制的相關(guān)性。
　　材料和方法:本研究從山東省青島市募集了84名健康受試者，使用ANT作為認知任務，獲取所有被試的警覺、定向和執(zhí)行控制的效率得分。使用GE磁共振掃描儀采集受試者的T1結(jié)構(gòu)圖像，應用CBRAIN

12、平臺下的CIVET軟件計算大腦的皮質(zhì)厚度，然后使用SPSS進行多元回歸分析，分別計算與注意的三個子網(wǎng)絡相關(guān)的腦區(qū)。
　　結(jié)果:研究發(fā)現(xiàn)警覺功能與左側(cè)額上回眶部和右側(cè)中央旁小葉的皮質(zhì)厚度顯著相關(guān)，定向功能與右側(cè)梭狀回、右側(cè)海馬旁回、右側(cè)內(nèi)側(cè)額上回和左側(cè)楔前葉的皮質(zhì)厚度顯著相關(guān)，執(zhí)行控制功能與左側(cè)前扣帶回和右側(cè)頂下回的皮質(zhì)厚度顯著相關(guān)。
　　結(jié)論:本研究闡述了注意的三個子系統(tǒng)與大腦腦區(qū)皮質(zhì)厚度的相關(guān)性，這不僅揭示了注意的神經(jīng)解剖

13、基礎，也為進一步探索大腦結(jié)構(gòu)-行為的相關(guān)性奠定了基礎。
　　關(guān)鍵詞:皮質(zhì)厚度;注意;注意網(wǎng)絡測試
　　第三部分:大腦皮質(zhì)厚度、表面積與執(zhí)行控制功能的遺傳相關(guān)性研究
　　目的:大腦結(jié)構(gòu)、功能的發(fā)育受到遺傳因素和環(huán)境因素共同的影響。然而目前對于執(zhí)行控制功能和皮質(zhì)厚度、表面積的遺傳相關(guān)性研究較少。本研究旨在利用雙生子結(jié)構(gòu)圖像分別探究執(zhí)行控制與這兩種皮質(zhì)屬性的遺傳相關(guān)性和環(huán)境相關(guān)性。
　　材料和方法:本研究從山東省青島市

14、雙生子庫招募了37對健康雙生子。使用ANT作為認知任務，檢測注意的三種比率得分。進行3.0T磁共振掃描獲取T1圖像，應用CBRAIN平臺下的CIVET計算得到大腦的皮質(zhì)厚度、表面積。使用Solar軟件分別計算執(zhí)行控制、皮質(zhì)厚度和表面積的遺傳度，并計算執(zhí)行控制與這兩種結(jié)構(gòu)表型的遺傳相關(guān)性和環(huán)境相關(guān)性。
　　結(jié)果:執(zhí)行控制功能的遺傳度為0.356，其與后扣帶回、顳上回顳極、顳中回顳極的皮質(zhì)厚度具有顯著的遺傳相關(guān)性;與輔助運動區(qū)和顳下回